NL7903963A

NL7903963A - Geintegreerde eindversterker.

Info

Publication number: NL7903963A
Application number: NL7903963A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1979-05-21
Filing date: 1979-05-21
Publication date: 1980-11-25
Also published as: IT1130603B; FR2457597A1; JPS55154811A; IT8022156A0; GB2050100A; DE3019125A1

Description

t N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

11-5-1979 1 PHN 9458

Geïntegreerde eindversterker.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde eindversterkertrap met een eerste en een tweede voedings-aansluitpunt en een uitgangsaansluitpunt omvattende een eerste eindtransistor waarvan de emitter verbonden is met 5 het uitgangsaansluitpunt en de kollektor met het eerste vo e ding saans lui. tpunt, een tweede eind trans is tor waarvan de hoofdstroombaan is opgenomen tussen het uitgangsaansluitpunt en het tweede voedingsaansluitpunt, een rust-stroominstelschakeling verbonden met de basiselektrode 10 van de eerste transistor en een stroombron voor het leveren van gelijkstroom aan de ruststroominstelschakeling en opgenomen tussen de basiselektrode van de eerste transistor en het eerste voedingsaansluitpunt.

Een dergelijke geïntegreerde eindversterkertrap is 15 onder andere bekend uit het Amerikaans Octrooi- schrift 4.078.207.

In tegenstelling tot goed gedimensioneerde eindver-sterkertrappen, die opgebouwd zijn met discrete componenten blijken geïntegreerde eindversterkertrappen bij oversturing 20 aanleiding te geven tot dusdanige vervormingen dat hoogfrequente. storingen ontstaan die bij toepassing van dergelijke eindvers terker trappen in radio ontvangers via een ingebouwde ferrietantenne terugspreken op de ingang van de versterker.

25 Volgens een aan de uitvinding ten grondslag liggend 790 3 9 63 I i 11-5-1979 2 PHN 9458 .....— inzicht wordt dit veroorzaakt door het feit dat bij geïntegreerde versterkers de stroomversterkingsfaktor sterk aan spreiding onderhevig is. Aan de genoemde stroombron die stroom levert aan de ruststroominstelschakeling wordt de 5 basisstroom voor de eerste transistor onttrokken. Deze basisstroom neemt toe met toenemende uitgangsstroom en kan bij een bepaalde uitgangsstroom gelijk worden aan de stroom van die stroombron. De uitsturing waarbij de stroom van de stroombron volledig door de basisstroom van de eerste tran-10 sistor wordt opgenomen en waarbij verdere uitsturing niet meer mogelijk is moet bij een goed ontwerp zo gekozen worden, dat de gezien de belaating maximale uitsturing waarbij de eerste transistor tegen de voedingsspanning vastloopt, bereikt kan worden en met het oog op een minimale dissipa-I5 tie moet de stroom waarop de stroombron is ingesteld ook niet groter zijn dan nodig is om die maximale uitsturing mogelijk te maken, gekozen worden. De meest optimale situatie is die waarbij op het moment dat de eerste transistor vastloopt, de basisstroom van die eerste transistor gelijk is aan de door die stroombron geleverde stroom. Deze optimale instelling blijkt in de praktijk bij geïntegreerde versterkers niet haalbaar. Bij het ontwerp dient rekening gehouden te worden met de kleinst uitvallende stroomver-sterkingsfactor van de eerste transistor en indien tenein- nc de de stroombron op een zeer lage stroom te kunnen instellen een Darlingtonconfiguratie in plaats van de eerste transistor gekozen wordt, met het kwadraat van de kleinste bij het gekozen integratieproces voorkomende stroomversten-kingsfactor, teneinde in elk geval een maximaal uitgangs-vermogen te realiseren.

Hierdoor blijkt, afhankelijk van de uiteindelijke en per geïntegreerde versterker verschillende stroomversterkingsfaktor , dat de stroombron op een tot soms een faktor vier te hoge stroom is ingesteld en in het geval 35 dat een Darlingtonconfiguratie gebruikt wordt zelfs een faktor 16, waardoor er bij het vastlopen van de eerste transistor de stroombron nog een overmaat aan stroom levert. Hierdoor loopt de eerste transistor bij maximale ' 7903963 -i 11-5-1979 3 PHN 9458 uitsturing veel scherper vast dan het geval geweest zou zijn bij een optimale instelling van de stroombron waardoor de met dat vastlopen gepaard gaande vervorming van het uitgangssignaal veel meer en sterkere hoogfrequent 5 componenten bevat dan het het geval geweest zou zijn bij een optimale instelling van de stroombron.

De uitvinding beoogt een geïntegreerde eindverster-kertrap van het in de aanhef genoemde type waaraan genoemde problemen in veel mindere mate kleven.

10 De uitvinding heeft daartoe als kenmerk, dat parallel aan de basisemitterovergang van de eerste transistor een eerste halfgeleiderovergang is opgenomen met dezelfde doorlaatinrichting als de basis-emitterovergang van de eerste transistor waardoor de stroomversterkingsfaktor van 15 de combinatie van de eerste transistor en de eerste halfgeleiderovergang hoofdzakelijk bepaald wordt door de verhouding van de effektieve oppervlakten van beide overgangen, waarbij deze verhouding aanmerkelijk groter dan één doch kleinere dan de stroomversterkingsfaktor van de eerste 20 transistor gekozen is.

De combinatie van de eerste transistor en de eerste halfgeleiderovergang, die in de praktijk meestal door een transistor met kortgesloten kollektor-basisovergang gevormd wordt, vormt een stroomspiegel waarvan de stroomverster-25 kingsfaktor door een oppervlakte verhouding bepaald wordt.

Daar oppervlakteverhoudingen in geïntegreerde schakelingen nauwelijks aan spreiding onderhevig zijn kan door toepassing van de maatregel volgens de uitvinding de stroom-sterkte van de eerste stroombron veel dichter bij de opti-30 male instelling gekozen worden. Dat de aldus gevormde stroomspiegel een stroomversterkingsfaktor veel groter dan één dient te hebben vormt in dit geval geen enkel probleem daar de eerste transistor in de geïntegreerde schakeling alleen al uit vermogensoogpunt een groot oppervlak beslaat.

oc

Door toepassing van de maatregel volgens de uitvinding treedt een extra effekt op dat genoemde storingen nog verder reduceert. Het blijkt dat de inwendige basisweerstand van de eerste transistor bij grote basis stromen een 790 3 9 63 11-5-1979 4 PHN 9458 i t, ---------- niet te verwaarlozen spanningsverlies veroorzaakt. Tengevolge van dit spanningsverlies neemt de stroomverster-kingsfaktor van de combinatie van de eerste halfgeleider-overgang en de eerste transistor bij hoge uitgangsstromen 5 af, hetgeen een gunstig effect heeft op de genoemde vervormingen .

Een geïntegreerde eindversterkertrap volgens de uitvinding waarbij tussen de stroombron en de basiselektrode van de eerste transistor de basis-emitterovergang van een 10 derde transistor die met de eerste transistor in Darling-tonschakeling is geschakeld, is opgenomen wordt nader gekenmerkt, doordat parallel aan de basis-emitterovergang van de derde transistor een tweede halfgeleiderovergang is opgenomen met dezelfde doorlaatrichting als de basis-emit-15 terovergang van de derde transistor waardoor de stroomver-sterkingsfaktor van de combinatie van de derde transistor en de tweede halfheleiderovergang hoofdzakelijk bepaald wordt door de verhouding van de effektieve oppervlakten van beide overgangen, waarbij deze verhouding aanmerkelijk 20 groter dan één doch kleiner dan de stroomversterkingsfaktor van de derde transistor gekozen is.

Een alternatief hiervoor bij een geïntegreerde eindvers terker trap volgens de uitvinding waarbij tussen de stroombron en de basiselektrode van de eerste transistor 25 de basis-emitterovergang van een derde transistor, die met de eerste transistor in Darlingtonschakeling is geschakeld, is opgenomen kan nader worden gekenmerkt, doordat de stroombron een begraven weerstand omvat en middelen voor het aanleggen van een vaste spanning over die begraven on weerstand waardoor de stroom die door de stroombron geleverd wordt omgekeerd evenredig is met de weerstandswaarde van die begraven weerstand, welke begraven weerstand gevormd wordt door een-diffusie van hetzelfde type als de basis diffusie van de derde transistor, waaroverheen een 35 diffusie van hetzelfde type als emitterdiffusie van de derde transistor is aangebracht. *

Door deze maatregel varieert de stroom die door de “stroombron wordt geleverd, welke stroom omgekeerd evenredig 7903963 11-5-1979 5 ΡΗΝΓ 9^58 is met de weer standswaarde van die begraven weerstand waarvan de weerstandswaarde varieert met de variatie van de stroomversterkingsfaktor van de derde transistor tengevolge van procesvariaties, omgekeerd evenredig met de 5 stroomversterkingsfaktor van de derde transistor waardoor de variaties in stroomversterkingsfaktor gecompenseerd worden. Deze maatregel is alleen bruikbaar voor het compenseren van de versterkingsfaktor-procesvariaties van één transistor. Bij een geïntegreerde versterkingstrap van het in 10 de aanhef genoemde type is compensatie als alternatief ook met toepassing van deze mogelijkheid mogelijk en wordt daartoe gekenmerkt, doordat de stroombron een begraven weerstand omvat en middelen voor het aanleggen van een vaste spanning over die begraven weerstand waardoor de 15 stroom die door de stroombron geleverd wordt omgekeerd evenredig is met de weerstandswaarde van die begraven weerstand, welke begraven weerstand gevormd wordt door een diffusie van hetzelfde type als de basisdiffusie van de eerste transistor, waaroverheen een diffusie van hetzelfde 20 type als de emitterdiffusie van de eerste transistor is aangebracht.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening waarin:

Figuur 1 een eerste uitvoeringsvorm van een geinte-25 greerde eindversterkertrap volgens de uitvinding toont, Figuur 2 een modificatie van de eindverstertrap volgens figuur 1 waarbij een verdere maatregel volgens de uitvinding is toegepast,

Figuur 3 een schematiscle voorstelling van een geïntegreerde begraven weerstand en een geïntegreerde transistor toont.

Figuur 1 toont een uitvoeringsvorm van een geïntegreerde eindversterkertrap volgens de uitvinding. Deze omvat een eerste eindtransistor T waarvan de kollektorelek- 35 ^ trode met een aansluitpunt +V voor positieve voedings-

Jj spanning is verbonden en de emitterelektrode met een uit-gangsaansluitpunt 1. De basiselektrode van de transistor is met de emitterelektrode van een transistor verbonden 790 3 9 63 1 ·, 1 -j-:-1 11-5-1979 6 PHN 9458 I -- ! I- die samen met transistor T. in Darlingtonconfiguratie is-1 I * * j geswhakéld. Tussen de basiselektrode van transistor T en j 3 i ! bet voedingsaansluitpunt +V,.. is een ruststroominstelstroom-bron 3> die een stroom I voert, op genomen.

5 In dit voorbeeld is de maatregel volgens de uitvin ding toegepast bij een zogenaamde quasi-complementaire eindtrap, die ontstaat door bet uitgangsaanaluit 1 via de hoofdstroombaan van npn-transistor T2 met een voedingsaansluitpunt -V voor negatieve voedingsspanning te ver-! 10 binden. De basis elektrode van transistor T_ is met de 1 kollektorelektrode van pnp-transistor T^ verbonden, waar- j ; van de emitterelektrode met uitgangsaansluitpunt 1 is i i ! 1 verbonden. De eindtrap wordt op ruststroom ingesteld door- ί j dat tussen de basiselektroden van transistoren T^ en T^ in j 15 dit voorbeeld een drietal dioden D^, D^ en D^ is opgenomen door welke dioden ruststroom vloeit. Tussen de basiselek- ; j : | trode van transistor T^ en het negatieve voedingsaansluit- ; I punt -V_ is de hoofdstroombaan van stuurtransistor T_,

I -t) J

waarvan de basiselektrode met een ingangsaansluitpunt is i j20 verbonden, opgenomen.

• Vloeit er door het uitgangsaansluitpunt 1 een stroom 1^ naar een belastingsweerstand 2 met een weerstands- ! waarde R , als funktie van sturing op ingang 4, dan geldt ; L· voor de maximale waarde I·,___ van stroom I,,.

=\ : i "4 max RT '

i L I

ί Deze waarde ligt bij een bepaald ontwerp vast omdat het I ί | maximale uitgangsvermogen gegeven is. Voor de bijbehorende j maximale basisstroom I, van transistor T„ geldt dan: ! 1 max 3 ! 30 I1 max = ^4 raajs/P^ | waarbij de stroomversterkingsfaktor van transistor T^ ! en βde stroomversterkingsfaktor van transistor T^ is.

, De stroom I moet groot genoeg zijn om deze basis stroom te leveren. Aangezien de stroomversterkingsfaktoren 35 β ^ en β aan procesvariaties onderhevig zijn moet daarom gelden: _ Io ^ ^4 max / ^ 1 min ---: 790 3 9 63 Ί .r 11-5-1979 7 ΡΗΝ 9458 met Ρ . . en @*η . de minimale stroomversterkingsfaktoren 1 mm 3 min van de transistoren en . Voornoemde spreiding in stroomversterkingsfaktoren is er de oorzaak van dat de stroomsterkte Iq altijd groter gekozen wordt dan nodig 5 is (nodig is Iq = max met en de werkelijke waarde van de stroomversterkingsfaktoren), hetgeen een scherp vastlopen van transistoren en tegen de voe-digsspanning bij het bereiken van de maximale uitgangs-stroom betekent met de daarmede gepaard gaande sterke 10 vervormingen. De in de schakeling volgens figuur 1 toegepaste oplossing volgens de uitvinding bestaat daarin dat parallel aan de basis-emitterovergang van transistor een diode is geschakeld en parallel aan de bas is-emit ter-overgang van transistor een diode Dg is geschakeld.

15 Voor de stroomversterkingsfaktor van transistoren en in combinatie met diodes en Dg geldt dan: — = n.m 1 · met n de verhouding van het effektieve basis-emitteropper- 20 vlak van transistor tot het effektieve diodeovergangs-oppervlak van diode Dg en m de verhouding van het effektieve basis-emitteroppervlak van transistor tot het effektieve diodeovergangsoppervlak van diode D^. Deze vergelijking voor 1,./1., geldt slechts bij verwaarlozing 25 4 i

van de basisstromen van transistoren en T^9 zodat gesteld kan worden dan n en m kleiner dan de stroomverster-kingsfaktoren van de bijbehorende transistoren zelf moeten zijn. Deze oppervlakteverhoudingen n en m zijn in geïnte-^ greerde schakelingen zeer nauwkeurig te realiseren, in het bijzonder wanneer voor de diodes D^ en Dg soortgelijke transistoren als transistoren en met een verbinding tussen kollektor- en basiselektrode worden gekozen. Hierdoor ligt de maximale waarde I,, /n.m voor de stroom I

° 4- max ' o zeer goed vast en is aan vrijwel geen spreiding onderhevig.

Voor n is bijvoorbeeld een waarde 12 realiseerbaar en voor m - dankzij het relatief grote benodigde oppervlak voor eindtransistor - een waarde van bijvoorbeeld 40.

35 7903963 I * « 11-5-1979 8 PHN 9458

Een voordelige bijkomstigheid is, dat tengevolge —......- van de onvermijdbare inwendige bas is we er stand van tran-sistoren en de stroomversterkingsfaktor n.m. bij toenemende uitgangsstroom 1^ afneemt doordat over deze 5 interne basisweerstanden spanningsverlies optreedt. Deze afname van de stroomversterkingsfaktor n.m. bij toenemende uitgangsstroom 1^ blijkt eveneens een voordelige invloed op de sterkte van de met het vastlopen van de transis-toren en gepaard gaande vervorming te hebben.

^ Figuur 2 toont een alternatief van de schakeling volgens figuur 1 waarbij diode D2 weggelaten is en waarin stroombron 3 gevormd wordt door een pnp-transistor waarvan de kollektorelektrode met de basis elektrode van transistor T„ is verbonden, de emitterelektrode met het

IC

13 positieve voedingsspanningsaansluitpunt en de basis met de kollektor van een stroombrontransistor T^. Parallel aan de basis-emitterovergang van transistor is een diode D^ geschakeld. De basiselektrode van transistor is met een punt op referentie-spanning V ^ verbonden en de emit- on terelektrode is via een weerstand 5 met weerstandswaarde met het negatieve voedingsaansluitpunt -Vg verbonden.

Afgezien van de basis-emitterspanning van transistor is de kollektorstroom van transistor gelijk aan V / R^. Deze kollektorstroom wordt via de door nc 1 diode D^ en transistor gevormde stroomspiegel naar de basiselektrode van transistor gespiegeld zodat geldt dat de stroom I omgekeerd evenredig is met R^. Voor de basisstroom van transistor geldt dats 30 I1 = /P 3*m zodat geldt dat de basisstroom van transistor bij een bepaalde waarde van de uitgangsstroom 1^ omgekeerd evenredig is met de stroomversterkingsfaktor van transistor Ty

Wordt voor weerstand 5 een begraven weerstand ge- 35 bruikt, dan geldt dat procesvariaties op de weerstands-waarde R^, en dus op de stroom Iq dezelfde invloed hebben als op de stroomversterkingsfaktor β^ en dus op de stroom ------„Voor die maatregel is de invloed van procesvariaties-- op-de 7903963 11-5-1979 9 ΡΗΝ 9458 ί 4 ” stroomversterkingsfaktor bij de keuze van de nominale stroomsterkte van de stroom Xq geelimineerd.

Bij de schakelingen volgens figuur 1 is het realiseren van voldoend grote stro omver s te rkingfakt or m (D , T ) 5 I 1 tengevolge van het uit vermogens oogpunt noodzakelijke grote oppervlak van transistor , geen probleem. Anders kan het liggen bij de realisatie van een voldoend grote stroom-versterkingsfaktor n waarvoor het in bepaalde gevallen noodzakelijk kan zijn om transistor T„ groter dan absoluut 10 -5 noodzakelijk te kiezen. Hierin ligt het voordeel van de schakeling volgens figuur 2 waar transistor T^ niet tot stroomspiegel hoeft te worden uitgebreid door toepassing van de begraven weerstand 5·

Figuur 3 toont schematisch de opbouw van een begra-15 ven weerstand naast een bipolaire transistor. Op een bijvoorbeeld p-type substraat 6 is een n-type epitaxiale laag aangebracht die door middel van scheidingsdiffusies 7 in aparte gebieden· 8 en 13 is onderverdeeld. Ih de gebieden 8 en 13 is een p-type diffusie 9 respectievelijk 10 aange- 20 bracht met daarin een n-type diffusie 11 respectievelijk 12.

Het gebied 13, diffusie 10 respectievelijk diffusie 12 vormen de kollektor, basis respectievelijk emitter van een bipolaire npn-transistor. De door diffusie 11 en epitaxiale laag 8 begrensde p-type diffusie 9 vormt een begraven 25 weerstand waarvan de weerstandswaarde ondermeer door de afmetingen van diffusie 11 en de afstand van de diffusie tot de epitaxiale laag 8 bepaald worden. Op een soortgelijke manier wordt de stroomversterkingsfaktor van genoemde bipolaire transistor mede bepaald door de afmetingen 30 en liggen van emit ter diffusie 12 ten opzichte van epitaxiale laag 13· Omdat de begraven weerstand en de bipolaire transistor in dezelfde processtappen gevormd worden zullen procesvariaties nagenoeg dezelfde invloed hebben op ^ genoemde weerstandswaarde en genoemde stroomversterkingsfaktor.

De uitvinding beperkt zich niet tot de getoonde voorbeelden. Zo is de maatregel volgens de uitvinding ook moge- 790 3 9 63 11-5-1979 10 ΡΗΝ 9458 Λ * lijk bij eindtrappen zonder Darlingtonconfiguratie. Ook indien de geleidingstypen van de getoonde transistoren en dioden, alsmede de polariteit van de voedingsspanning omgekeerd worden blijft de maatregel volgens de uitvinding 5 uitvoerbaar. Ook bij andere typen eindtrappen dan de getoonde quasi-complementaire eindtrap is toepassing van de maatregel(en) volgens de uitvinding mogelijk.

10 15 20 25 30 7903963 “ " 35

Claims

1. Geïntegreerde eindversterkertrap met een eerste en een tweede voe dings aans lui tpunt en een uitgangsaansluit-punt omvattende een eerste eindtransistor waarvan de emitter verbonden is met het uitgangsaansluit punt en de kol-5 lektor met het eerste voedingsaansluitpunt, een tweede eindtransistor waarvan de hoofdstroombaan is opgenomen tussen het uitgangs aans lui tpunt en het tweede voedingsaansluitpunt, een ruststroominstelschakeling verbonden met de basiselektrode van de eerste transistor, en een stroombron 10 voor het leveren van gelijkstroom aan de ruststroominstelschakeling en opgenomen tussen de basiselektrode van de eerste transistor en het eerste voedingsaansluit punt, met het kenmerk, dat parallel aan de basis-emitterovergang van de eerste transistor een eerste halfgeleiderovergang is 15 opgenomen met dezelfde doorlaatinrichting als de basis-e-mit ter o ver gang van de eerste "transistor waardoor de stroom-versterkingsfaktor van de combinatie van de eerste transistor en de eerste halfgeleiderovergang hoofdzakelijk bepaald wordt door de verhouding van de effektieve opper-20 vlakten van beiden over gangen, waarbij deze verhouding aanmerkelijk groter dan één doch kleiner dan de stroomverster-kingsfaktor van de eerste transistor gekozen is.

2. Geïntegreerde eindversterkertrap volgens conclusie 1 waarbij tussen de stroombron en de basiselektrode van de 25 eerste transistor de basis-emitterovergang van een derde 790 3 9 63 11-5-1979 12 PHN 9^58 •i A t- transistor, die met de eerste transistor in Darlington- schakeling is geschkeld, is opgenomen, met het kenmerk, dat parallel aan de basis-emitterovergang van de derde transistor een tweede halfgeleiderovergang is opgenomen 5 met dezelfde doorlaatrichting als de basis-emitterovergang van de derde transistor waardoor de stroomversterkings-faktor van de combinatie van de derde transistor en de tweede halfgeleiderovergang hoofdzakelijk bepaald wordt door de verhouding van de effektieve oppervlakten van beide 10 overgangen, waarbij deze verhouding aanmerkelijk groter dan één doch kleiner dan de stroomversterkingsfaktor van de derde transistor gekozen is.

3. Geïntegreerde eindversterkertrap volgens conclusie 1, waarbij tussen de stroombron en de basiselektrode van de 15 eerste transistor de basis-emitterovergang van een derde transistor die met de eerste transistor in Darlington-schakeling is geschakeld, is opgenomen met het kenmerk, dat de stroombron omvat een begraven weerstand en middelen voor het aanleggen van een vaste spanning over die begraven weerstand waardoor de stroom die door de stroombron geleverd wordt omgekeerd evenredig is met de weerstands-waarde van de begraven weerstand, welke begraven weerstand gevormd door een diffusie van hetzelfde type als de basis- diffusie van de derde transistor, waaroverheen een diffusie 25 van hetzelfde type als de emitterdiffusie van de derde transistor is aangebracht.

4. Geïntegreerde versterkertrap met een eerste en een tweede voedingsaansluitpunt en een uitgangsaansluitpunt omvattende een eerste eindtransistor waarvan de emitter 30 verbonden is met het uitgangsaansluitpunt en de kollektor met het eerste voedingsaansluitpunt, een tweede eindtran- sistor waarvan de hoofdstroombaan is opgenomen tussen het uitgangsaansluitpunt en het tweede voedingsaansluitpunt, een ruststroominstelschakeling verbonden met de basiselek-35 trode van de eerste transistor, en een stroombron voor het leveren van gelijkstroom aan de ruststroominstelschakeling en opgenomen tussen de basiselektrode van de eerste tran-...... s is t o r en- he t~ e er s t e _vo e dingsaans luit punt, me t.. he t. kenme rk, 7903963 J ·ί . ·· 11-5-1979 13 phn 9458 dat de stroombron omvat een begraven weerstand en middelen voor het aanleggen van een vaste spanning over die begraven weerstand waardoor de stroom die door de stroombron geleverd wordt omgekeerd evenredig is met de weerstandswaarde 5 van die begraven weerstand, welke begraven weerstand gevormd wordt door een diffusie van hetzelfde type als de basisdiffusie van. de eerste transistor, waaroverheen een diffusie van hetzelfde type als de emitterdiffusie van de eerste transistor is aangebracht. 10 15 20 25 30 35 790 3 9 63 "