DE4343980C2 - Transkonduktanzverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transkonduktanzverstärker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Man kennt Transkonduktanzverstärker, umfassend einen ersten Feldeffekttransistor und einen zweiten Feldeffekttransistor, die auf einem Substrat ausgebildet sind, deren Source-Elek­ troden an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind und deren jeweilige Drain-Elektrode mit einem ersten Flächen­ transistor bzw. einem zweiten Flächentransistor verbunden ist, deren Basiselektroden miteinander in Verbindung stehen. Man weiß, daß es zum Erhalt einer hohen Eingangsdynamik des Verstärkers wünschenswert ist, die Feldeffekttransistoren in einem Ohmschen Modus und nicht in einem gesättigten Zustand arbeiten zu lassen. Hierzu ist es bekannt, eine Drain- Source-Spannung an den ersten und den zweiten Feldeffekt­ transistor anzulegen unter Verwendung eines Spannungsabfal­ les an den Klemmen eines Widerstandes, der auf dem Substrat ausgebildet ist und einerseits mit der Source-Elektrode des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors verbunden ist und andererseits mit einem dritten Flächentransistor in Ver­ bindung steht, dessen Basis mit der Basis des ersten und des zweiten Flächentransistors in Verbindung steht, wobei der dritte Flächentransistor an eine Stromquelle angeschlossen ist. Jedoch variieren die Genauigkeit der Ladungsbeweglich­ keit und der Kapazität der Feldeffekttransistoren sowie der Widerstandswert in Abhängigkeit des hier verwendeten Her­ stellungsverfahrens und die Streuung dieser Merkmale ist bei einem gängigen Herstellungsverfahren sehr groß. Darüber hin­ aus ist der Widerstand sehr temperaturempfindlich.

Der Transkonduktanzfaktor des so hergestellten Verstärkers hängt daher von dem Herstellungsverfahren und der Temperatur ab. Ferner führen die Streuungen in dem Widerstandswert zu entsprechenden Streuungen in der Drain-Source-Spannung, so daß die Feldeffekttransistoren des Verstärkers veranlaßt werden können, in einem gesättigten Zustand zu arbeiten, der für eine gute Eingangsdynamik ungünstig ist.

Man kann natürlich die Streuung der Charakteristiken der Be­ weglichkeit und der Kapazität der Feldeffektstransistoren verringern, indem man hochtechnologische aufwendige Herstel­ lungsverfahren verwendet. Derartige Herstellungsverfahren sind aber teuer und erhöhen in erheblichem Maße den Herstel­ lungspreis des Chips, der einen solchen Transkonduktanzver­ stärker trägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transkonduk­ tanzverstärker anzugeben, der in Form eines Chips durch gän­ gige Herstellungsverfahren realisierbar ist und dennoch eine akzeptable Streuung seiner charakteristischen Werte hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Transkonduktanzverstärker der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei dem erfindungs­ gemäßen Verstärker wird der Widerstand durch einen dritten Feldeffekttransistor ersetzt, der auf dem Substrat ausgebil­ det ist und einerseits mit dem ersten und dem zweiten Feld­ effekttransistor und andererseits mit dem Emitter des drit­ ten Flächentransistors verbunden ist.

Da die drei Feldeffekttransistoren auf demselben Substrat durch dasselbe Herstellungsverfahren realisiert werden, er­ hält man auf diese Weise homogene charakteristische Eigen­ schaften dieser Feldeffekttransistoren mit einer sehr guten Genauigkeit, selbst wenn man ein gängiges Herstellungsver­ fahren verwendet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Source-Elektrode der drei Feldeffekttransistoren mit dem Substrat verbunden. Auf diese Weise erzielt man eine Homoge­ nität bei Temperaturschwankungen.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist ein vierter Feldeffekttransistor auf dem Substrat ausgebil­ det, der einerseits mit dem dritten Feldeffekttransistor und andererseits mit einer Stromquelle verbunden ist, wobei die Steuerelektroden des dritten und des vierten Feldeffekttran­ sistors miteinander in Verbindung stehen und wobei der drit­ te und der vierte Feldeffekttransistor eine Kanalverstärkung entsprechend den von den Stromquellen gelieferten Strömen haben, die jeweils mit dem dritten bzw. vierten Feldeffekt­ transistor verbunden sind, damit der vierte Feldeffekttran­ sistor in einem gesättigten Zustand arbeitet und der dritte Feldeffekttransistor in einem Ohmschen Modus verbleibt.

Auf diese Weise bleiben für den Fall einer Streuung der cha­ rakteristischen Werte der Feldeffekttransistoren der dritte und der vierte Feldeffekttransistor in einem konstanten Ver­ hältnis zueinander mit einer hohen Präzision, so daß trotz der Streuung der charakteristischen Werte jedes der Feldef­ fekttransistoren der dritte Feldeffekttransistor weiter in einem Ohmschen Bereich arbeitet und dadurch das Arbeiten des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors in den Ohmschen Bereich gewährleistet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der erfindungsgemäße Verstärker einen vierten Flächentransi­ stor, der mit dem dritten Flächentransistor verbunden ist, um eine Kompensation des Verstärkungsfaktors des ersten, zweiten und dritten Flächentransistors zu gewährleisten. Auf diese Weise teilt man den in dem ersten, dem zweiten und dem dritten Flächentransistor auftretenden Verluststrom.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemä­ ßen Transkonduktanzverstärkers,

Fig. 2 eine schematische Teildraufsicht auf ein Substrat, auf dem die erfindungsgemäßen Feldef­ fekttransistoren ausgebildet sind.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der erfindungsgemäße Transkonduktanz­ verstärker in an sich bekannter Weise einen ersten Feldef­ fekttransistor 1 und einen zweiten Feldeffekttransistor 2, beispielsweise MOS-Transistoren, die auf demselben Substrat 3 ausgebildet sind und jeweils eine Drain-Elektrode D bzw. D1, D2, eine Source-Elektrode S bzw. S1 und S2 sowie eine Steuerelektrode G bzw. G1 und G2 haben. Die Source-Elektro­ den S1 und S2 sind mit dem Substrat 3 und untereinander ver­ bunden sowie an eine Stromquelle 4 angeschlossen. Die Steu­ erelektroden G1 und G2 sind an die Eingangsklemmen 5 des Transkonduktanzverstärkers angeschlossen. Die Drain-Elektro­ den D1 und D2 sind jeweils an einen Flächentransistor, d. h. einen ersten Flächentransistor 6 bzw. einen zweiten Flächen­ transistor 7 angeschlossen. Die Basen dieser Transistoren sind untereinander verbunden. Der Emitter und der Kollektor dieser Transistoren sind mit den Drain-Elektroden D1, D2 der entsprechenden Feldeffekttransistoren 1, 2 bzw. einer Aus­ gangsklemme 8 des Verstärkers verbunden.

Erfindungsgemäß wird die Spannung zwischen der Drain-Elek­ trode und der Source-Elektrode des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors durch einen dritten Feldeffekttransi­ stor 9 bestimmt, dessen Source-Elektrode S9 ebenfalls mit dem Substrat 3 verbunden ist sowie mit den Source-Elektroden der anderen Feldeffekttransistoren in Verbindung steht. Die Drain-Elektrode D9 des dritten Feldeffekttransistors 9 ist mit dem Emitter eines Flächentransistors 10 verbunden, des­ sen Basis an die gemeinsame Basis des ersten Flächentransi­ stors 6 und des zweiten Flächentransistors 7 angeschlossen ist. Der Kollektor des Flächentransistors 10 ist an eine Stromquelle 11 angeschlossen. Die Basis des Flächentransi­ stors 10 ist ferner an den Emitter eines vierten Flächen­ transistors 12 angeschlossen, dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Flächentransistors 10 und dessen Kollektor mit der Masse verbunden ist. Die Steuerelektrode des dritten Feldeffekttransistors 9 ist mit der Steuerelektrode eines vierten Feldeffekttransistors 13 verbunden, dessen Source- Elektrode ebenfalls mit dem Substrat verbunden ist sowie mit den anderen Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren in Verbindung steht und dessen Drain-Elektrode D13 an eine Stromquelle 14 angeschlossen ist. Die Drain-Elektrode D13 des vierten Feldeffekttransistors 13 ist im übrigen mit der Steuerelektrode G13 desselben Transistors verbunden.

Man weiß, daß auf einem Chip die Feldeffekttransistoren durch Oxidation des Substrates in Form von parallelen Strei­ fen erzeugt werden, welche die Drain-Elektrode und die Sour­ ce-Elektrode des Feldeffekttransistors bilden und die zwi­ schen sich einen Kanal begrenzen, dessen Länge L und dessen Breite W (siehe Fig. 2) den Verstärkungsfaktor des Transi­ stors bestimmen. Um zu erreichen, daß der vierte Feldeffekt­ transistor 13 in einem Sättigungsmodus und der dritte Feld­ effekttransistor 9 in einem Ohmschen Modus arbeiten, ist es angesichts der Streuung der charakteristischen Werte der Feldeffekttransistoren bei ihrer Herstellung mit einem her­ kömmlichen industriellen Herstellungsverfahren zweckmäßig, wenn der Drain-Source-Strom in dem dritten Feldeffekttransi­ stor 9 ungefähr gleich einem Drittel des Drain-Source-Stro­ mes in dem vierten Feldeffekttransistor 13 ist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß man einen dritten Feld­ effekttransistor 9 und einen vierten Feldeffekttransistor 13 vorsieht, welche dieselben geometrischen Kanalabmessungen, d. h. dieselbe Kanallänge und dieselbe Kanalbreite haben und daß man den dritten Feldeffekttransistor 9 mit einer Strom­ quelle 11 verbindet, welcher einen Strom liefert, dessen Wert ungefähr einem Drittel des von der Stromquelle 14 ge­ lieferten Stromes ist, an welche der vierte Feldeffekttran­ sistor 13 angeschlossen ist. Dasselbe Resultat könnte man auch erhalten, indem man Stromquellen 11 und 14 vorsieht, die denselben Strom liefern, und indem man Feldeffekttransi­ storen 9 und 13 vorsieht, welche solche geometrische Eigen­ schaften haben, daß der Verstärkungsfaktor des vierten Feld­ effekttransistors 13 ungefähr ein Drittel des Verstärkungs­ faktors des dritten Feldeffekttransistors 9 ist.

In einer in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform hat der vierte Feldeffekttransistor 13 dieselbe Kanallänge wie der dritte Feldeffekttransistor 9 und eine Kanalbreite, die gleich einem Drittel der Kanalbreite des dritten Feldeffekt­ transistors 9 ist. Wenn man daher dem vierten Feldeffekt­ transistor 13 einen Strom zuführt, der ausreichend hoch ist, um ihn in einem Sättigungszustand zu halten unter Berück­ sichtung der möglichen Streuung seiner charakteristischen Werte, bleibt der dritte Feldeffekttransistor 9 immer noch in dem Ohmschen Bereich. Man erkennt, daß das Verhältnis von einem Drittel nicht ein kritischer Wert ist und daß dieser Wert im wesentlichen von der Streuung der charakteristischen Werte abhängt, die sich aus dem verwendeten Herstellungsver­ fahren ergibt. In der Praxis weiß man, daß die Stromquellen 11 und 14 ebenfalls durch Feldeffekttransistoren realisiert werden. Man kann daher die charakteristischen geometrischen Eigenschaften der vier Feldeffekttransistoren 9, 11, 13 und 14 variieren, um den dritten Feldeffekttransistor 9 in einem Ohmschen Arbeitsbereich zu halten, während der vierte Feld­ effekttransistor 13 in einem Sättigungsbereich liegt.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebene Aus­ führungsform beschränkt, sondern kann variiert werden, ohne daß man dadurch den durch die Ansprüche definierten Bereich der Erfindung verläßt.

Auch wenn die beschriebene Schaltung, bei welcher man die Source-Elektrode S9 des dritten Feldeffekttransistors mit dem Substrat und einem vierten Feldeffekttransistor 13 ver­ bindet, eine Ausführungsform ist, die als die einfachste Ausführung betrachtet werden kann, indem sie den geringsten Platz auf dem Substrat einnimmt, um zu garantieren, daß der dritte Feldeffekttransistor 9 in einem Ohmschen Bereich ar­ beitet, erkennt man, daß der vierte Feldeffekttransistor 13 im wesentlichen die Funktion hat, die Steuerelektroden- Source-Spannung des dritten Feldeffekttransistors 9 festzu­ halten. Der vierte Feldeffekttransistor 13 kann daher durch eine andere Spannungsquelle ersetzt werden, welche den drit­ ten Feldeffekttransistor 9 in dem Ohmschen Arbeitsbereich festhält.

Man kann ferner den vierten Flächentransistor 12 durch eine einfache Reaktionsschleife ersetzen, welche die Basis des dritten Flächentransistors 10 mit seinem Kollektor verbin­ det.

Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit Feldeffekttransi­ storen des Typs PNP erläutert wurde, kann man sie ebenfalls mit Transistoren des Typs NPN unter Anpassung der Schaltung in entsprechender Weise realisieren.

Claims (4)

1. Transkonduktanzverstärker, umfassend einen ersten Feld­ effekttransistor (1) und einen zweiten Feldeffekttransi­ stor (2), die auf einem Substrat ausgebildet sind, deren Source-Elektroden (S1, S2) an eine gemeinsame Stromquelle (4) angeschlossen sind, deren Steuerelektroden (G1, G2) mit den Eingängen (5) des Verstärkers verbunden sind und deren jeweilige Drain-Elektrode (D1, D2) mit einem ersten Flächentransistor (6) bzw. einem zweiten Flächentransistor (7) verbunden ist, deren Basiselektroden miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß er einen dritten auf dem Substrat ausgebildeten Feldeffekttransistor (9) hat, dessen Source-Elektrode (S9) mit der Source-Elektrode (S1, S2) des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors (1, 2) verbunden ist und dessen Drain-Elektrode (D9) mit dem Emitter eines dritten Flächentransistors (10) verbunden ist, dessen Basis und dessen Kollektor miteinander sowie mit der Basiselektrode des ersten und des zweiten Flächentransistors (6, 7) verbunden sind, wobei die Steuerelektrode (G9) des dritten Feldeffekttransistors (9) mit einer Spannungsquelle (13) verbunden ist und wobei der dritte Flächentransistor (10) mit einer Stromquelle (11) verbunden ist, um einen Betrieb des dritten Feldeffekttransistors (9) in einem Ohmschen Modus zu gewährleisten.

2. Transkonduktanzverstärker nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die jeweilige Source-Elektrode (S1, S2, S9) des ersten, des zweiten und des dritten Feldeffekttransistors (1, 2, 9) mit dem Substrat (3) verbunden ist.

3. Transkonduktanzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß er einen vierten auf dem Substrat ausgebildeten Feldeffekttransistor (13) hat, dessen Source-Elektrode (S13) mit der Source-Elektrode (S9) des dritten Feldeffekttransistors (9) verbunden ist und dessen Drain-Elektrode (D13) an eine Stromquelle (14) angeschlossen ist, wobei die Steuerelektroden (G9, G13) des dritten Feldeffekttransistors (9) und des vierten Feldeffekttransistors (13) miteinander verbunden sind und wobei die Kanalverstärkung in Relation zu den Strömen, die von den jeweils mit dem dritten und dem vierten Feldeffekttransistor verbundenen Stromquellen (11, 14) geliefert werden, so gewählt ist, daß der vierte Feldeffekttransistor (13) in einem Sättigungsbereich arbeitet und der dritte Feldeffekttransistor (9) in einem Ohmschen Bereich ver­ bleibt.

4. Transkonduktanzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er einen vierten Flächen­ transistor (12) umfaßt, dessen Emitter mit den Basen der ersten, zweiten und dritten Flächentransistoren (6, 7, 10) verbunden ist, dessen Basis mit der Stromquelle (11) des dritten Flächentransistors (10) in Verbindung steht und dessen Kollektor an Masse angeschlossen ist.