NL8304352A - Versterker. - Google Patents

Description

* r' Ί V.0.5284

Versterker. I

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een electro- I

nische versterker waarbij gebruik wordt gemaakt van veld-effecttransis- I

toren, en heeft meer in het bijzonder betrekking op een versterker, I

waarin gebruik wordt gemaakt van MOSFET’s (metaaloxyde-silicium-veld- I

5 effecttransistoren). I

Individuele MOSFET-inrichtingen kunnen op verschillende bekende I

wijzen als versterkers worden verbonden bijvoorbeeld met gemeenschappe- I

lijke toevoerelectroden, met gemeenschappelijke poortelectroden, met I

gemeenschappelijke afvoerelectroden, als toevoerelectrodenvolger, enz., I

10 voor het verschaffen van verschillende bedrijfskarakteristieken, zoals I

deze gewenst zijn om aan een bepaald doel te voldoen. Twee van derge- I

lijke inrichtingen kunnen ook met elkaar worden verbonden voor het ver- I

schaffen van een aantal verschillende mogelijke ingangs- en uitgangs- I

karakteristieken, welke met slechts één inrichting niet kunnen worden ver- I

15 kregen. Een voorbeeld hiervan is de dikwijls toegepaste "cascode"-confi- I

guratie, waarin een inrichting van een eerste trap volgens een gemeenschap- I

pelijke-toevoerelectrode-configuratie is verbonden, en waarvan de uit- I

gang naar de ingang van een tweede inrichting voert, die volgens een ge- I

meenschappelijke-poortelectrode-configuratie is verbonden. Het resul-20 terende stelsel is een versterker met een grote ingangsimpedantie, I

geringe ruis en een grote versterking.

Wanneer een paar MOSPET-inrichtingen met elkaar wordt verbonden voor het verschaffen van een versterking moet aan de poortelectroden van een van de inrichtingen in het algemeen een ”on-chip"-voorspanning wor-25 den aangelegd opdat de afvoer-toevoerelectrode-spanning van de andere I

inrichting voldoende hoog is om deze andere inrichting in een actieve I

bedrijfstoestand te brengen, waarin de inrichting een significante ver- I

sterking vertoont. De noodzaak tot een spanningsgeneratometwerk op het- j zelfde plaatje leidt tot een grotere complexheid van de keten en degradeert 30 de werking van de versterker in verschillende opzichten.

Volgens de uitvinding wordt een veldeffecttransistor van de I

verrijkingsmodes verbonden met een veldeffecttransistor van de verarmings-modes voor het verschaffen van een nieuwe combinatie. De poortelectroden van de twee inrichtingen zijn met elkaar gekoppeld voor het vormen van 35 een ingangsknooppunt. De afvoer-toevoergeleidingsbanen van de inrichtin- 8304352 -2- * % gen worden in serie met elkaar en met een voorspanningstoevoerorgaan verbonden.

Bij de verrijkingsmodes zijn er geen meerderheidsdragers, dat wil zeggen electronen in het n-kanaal tussen de toevoerelectroden en de 5 afvoerelectroden bij een poortelectrodespanning met een waarde 0. Bij de verarmingsmodes daarentegen zijn in het kanaal bij een poortelectrodespanning met een waarde 0 electronen vrij aanwezig. Derhalve voert een positieve poortelectrodespanning electronen naar een inrichting in de verrijkingsmodes met n-kanaal voor het verschaffen van een schakeleffect.

10 Positieve en negatieve spanningen bij een inrichting volgens de verarmingsmodes besturen de electronenstroom zonder de stroom af te snijden.

Het resulterende met de poortelectroden gekoppelde transistor-paar kan met succes worden gebruikt als een toevoerelectrodevolgverster-ker, waarbij het uitgangssignaal wordt geleverd door. de toevoerelectrode 15 van de inrichting in de verrijkingsmodes; als een gemeenschappenjke-toevoerelectrodeversterker, waarbij het uitgangssignaal uit de afvoer-electrode van de inrichting volgens de verarmingsmodes afkomstig is; en tezamen met elkaar als een paar voor een differentiaalingangsversterker-trap; en in combinatie met een verdere transistor volgens de verrijkings-20 modes als een stroomspiegel.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 een schema van een toevoerelectrodevolgversterkerketen, welke is voorzien van een transistor in de verrijkingsmodes en een 25 transistor in de verarmingsmodes, welke transistoren overeenkomstig een voorbeeld van de uitvinding met elkaar zijn verbonden; fig. 2 een schema van een gemeenschappelijke-toevoerversterkerke-ten overeenkomstig een tweede voorbeeld van de uitvinding; fig. 3 een schema van een differentiaalingangstrapketen overeen-30 komstig een derde voorbeeld van de uitvinding; en fig. 4 een schema van een stroomspiegelketen overeenkomstig een vierde voorbeeld van de uitvinding.

In de figuren is aangenomen, dat alle transistoren MOS-veldeffect transistoren met n-kanaal zijn. De ingangs- of uitgangsspanning van een 35 keten vanuit een geschikt knooppunt is ten opzichte van een referentie-spanning, zoals aardpotentiaal, beschouwd. Inrichtingen in de verarmings- 8304352 . *> -3- modes zijn aangegeven door een verdikt kanaal tussen de toevoer- en af-voerelectroden.

Voorbeeld van fig. 1.

Fig. 1 toont een toevoerelectrodevolgversterker 100 (analoog aan 5 een kathodevolger bij ketens, waarbij gebruik wordt gemaakt van elec-tronenbuizen) overeenkomstig een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding, welke is voorzien van een paar dimensioneel gelijke MOS-transistoren 102, 104, waarvan de poortelectroden als een signaalingangsknooppunt 106 met elkaar zijn verbonden. De eerste, bovenste transistor 102 van het 10 paar 102, 104 is een inrichting in de verarmingsmodes, waarvan de afvoer-electrode 108 met een positieve voedingsspanningsbron V is verbonden.

De toevoerelectrode 110 van de transistor 102 in de verarmingsmodes is verbonden met de afvoerelectrode 112 van de tweede, onderste transistor 104, welke een ^-inrichting 104 in de verrijkingsmodes is, en wel bij een 15 gemeenschappelijk knooppunt 114. De toevoerelectrode 116 van de transistor 104 in de verrijkingsmodes is een uitgangssignaalknooppunt 118 van de versterker 100 en is in serie verbonden met voorspanningstoevoerorga-nen 120. De massagebieden van de beide transistoren 102, 104 zijn met de bijbehorende respectieve toevoerelectroden 110, 116 gekoppeld. Het massa-20 gebied van de transistor 102 in de verarmingsmodes kan evenwel in plaats daarvan met de toevoerelectrode 116 van de transistor 104 in de verrijkingsmodes zijn verbonden.

De versterker 100 heeft de algemene eigenschappen van een toevoer-electrodevolgconfiguratie. Ofschoon de versterking nominaal gelijk is 25 aan de eenheid, is bij meting gebleken, dat deze meer in het bijzonder 0,9999 bedraagt, hetgeen gunstig afsteekt ten opzichte van de typerende versterking van 0,9900, welke kan worden verwacht voor een eenvoudig toevoerelectrodevolgstelsel. Bovendien worden de ruisonderdrukkingseigen-schappen van de voedingsbron sterk verbeterd ten opzichte van die van 30 een enkele transistorsie volgens een toevoerelectrodevolgconf iguratie is verbonden, aangezien de betrekkelijk grote weerstand, welke voor de spanningsbron V bij de afvoerelectrode 108 van de transistor 102 in de verarmingsmodes optreedt, een eventuele koppeling daarvan met het gemeenschappelijke knooppunt 114 sterk verzwakt, vanwaaruit de koppeling een 35 verdere verzwakking naar het uitgangsknooppunt 118 ondergaat.

8304352 _ -_!__^ I ^ » * -4-

Voorbeeld van fig. 2.

Fig. 2 toont overeenkomstig een andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding een gemeenschappelijke toevoerelectrodeversterker 200, welke is voorzien van een bovenste transistor 202 in de verarmingsmodes 5 en een onderste transistor 204 in de verrijkingsmodes, van welke trans-sistor'en de poortelectroden met elkaar zijn gekoppeld voor het vormen van een ingangsknooppunt 206. De afvoerelectrode 208 van de transistor 202 in de verarmingsmodes vormt een uitgangsknooppunt 218 en is in serie verbonden met een stroombron 220. De toevoerelectrode 210 van de transis-10 tor is met de afvoerelectrode 212 van de transistor 204 in de verrijkingsmodes gekoppeld in een gemeenschappelijk knooppunt 214. De toevoerelec-trode 216 van de transistor 204 in de verrijkingsmodes is verbonden met een negatieve voedingsspanningsbron V . De massagebieden van de beide bb transistoren 202, 204 zijn met de bijbehorende respectieve toevoerelec-15 troden 210, 216 gekoppeld. Het massagebied van de transistor in de verarmingsmodes kan weer in plaats daarvan met de toevoerelectrode 216 van de transistor 204 in de verrijkingsmodes worden verbonden.

De versterker 200 heeft de algemene eigenschappen vanéén gemeen-schappelijke-toevoerelectrodeconfiguratie. De versterker heeft een 20 grote versterking tengevolge van de sterk gereduceerde uitgangsconduc-tantie bij het uitgangsknooppunt 218, en een zeer effectieve ruisonderdrukking van de voedingsbron aangezien de afvoer-toevoerelectrodespan-ning van de transistor 204 in de verrijkingsmodes zeer goed wordt bestuurd tengevolge van het feit, dat de poortelectrode daarvan met de 25 transistor 202 in de verarmingsmodes is gekoppeld.

Voorbeeld van fig. 3.

Fig. 3 toont overeenkomstig een derde uitvoeringsvorm volgens de uitvinding een differentiaal ingangsspanningsversterkertrap 300, welke is voorzien van twee met de poortelectroden met elkaar gekoppelde tran-30 sistorparen 302, 304, zoals bij het bovenstaande voorbeeld van fig. 1 is beschreven, welke parallel aan elkaar zijn verbonden en in serie met een stroombron 306 zijn verbonden, welke de toevoerelectroden van de transistoren in de verrijkingsmodes daarvan met een negatieve voedingsspanning V„_ verbindt. De differentiaal ingangsknooppunten 308, 310 zijn gekoppel-35 de poortelectrodeparen. De uitgangsknooppunten 312, 314 bevinden zich bij de afvoerelectroden van de transistoren in de verarmingsmodes; het 8304352

* * * I

uitgangssignaal is een differentiaalstroom. I

De differentiaal ingangstrap 300 verschaft voordelen, overeenko- I

mende met die, welke worden verkregen met de gemeenschappenjke-toevoer- I

electrodeversterker 200 voor elk van de differentiaalingangen. De via 5 de poortelectroden gekoppelde paren versterkers 302, 304 hebben ten op- I

zichte van de algemeen toegepaste stelsels het voordeel, dat de differen- I

tiaalmodesuitgangsimpedantie wordt vergroot. I

Voorbeeld van fig. 4.

Fig. 4 toont overeenkomstig een vierde uitvoeringsvorm volgens de I

10 uitvinding een stroomspiegel 400, welke is voorzien van een poortelec- I

trode-gekoppeld paar transistoren 402, respectievelijk 404 in de ver- I

armingsmodes en verrijkingsmodes, tezamen met een extra transistor 404 I

in de verrijkingsmodes. De poortelectroden van de transistoren 402, 404 I

zijn met elkaar en met de poortelectroden en de afvoerelectroden van de I

15 extra transistor 406 in de verrijkingsmodes gekoppeld. Van de extra I

transistor 406 in de verrijkingsmodes is het massagebied met de toevoer- I

electrode daarvan gekoppeld en de toevoerelectrode van deze transistor I

is met de toevoerelectorde van de eerste transistor 404 in de verrijkings- I

modes verbonden in een gemeenschappelijk knooppunt, dat met een negatie- I

20 ve spanningsbron V is gekoppeld. De afvoerelectrode van de extra tran- I

Do I

sistor 406 in de verrijkingsmodes is in serie met een stroombron 408 in I

een ingangsstroomknooppunt 410 verbonden. De afvoerelectrode van de transistor 402 in de verarmingsmodes is met een uitgangsstroomknooppunt 412 verbonden. I

25 In responsie op een ingangsstroom in het knooppunt 410 verschaft de stroomspiegel 400 een versterkte uitgangsstroom in het : knooppunt 412, welke de ingangsstroom in een vaste verhouding, welke naar wens wordt gekozen, nauw volgt en waarbij een bijzonder doeltreffen-30 de ruiseliminatie van de voedingsbron optreedt. Het poortelectrode-ge-koppelde paar 402, 404 vergroot de uitgangsweerstand van de stroomspiegel 400 op een significante wijze.

De uitgangssignalen van de bovenbeschreven uitvoeringsvormen worden meer in het bijzonder ten opzichte van aardpotentiaal afgenomen.

35 De uitdrukking "aarde" zoals deze hier wordt gebruikt, heeft betrekking op elke geschikte referentiepotentiaal.

3304352 -6-

In het algemeen kan voor elk van de poortelectrode-gekoppelde transistorparen volgens de uitvinding het massagébied van de transistor in de verarmingsmodes of met de toevoerelectrode van die transistor of met de toevoerelectrode van de transistor in de verrijkingsmodes worden 5 verbonden. De keuze voor een bepaalde keten wordt in hoofdzaak bepaald door het beschikbare oppervlak van het ketenplaatje.

...............« 8304352

Claims (4)

1. Cascadecombinatie van eerste en tweede veldeffecttransistoren I met gelijke geleiding, elk voorzien van een toevoer- af voer- en poort- I electrode, met het kenmerk, dat de eerste transistor volgens de ver- I armingsmodes werkt, de tweede transistor volgens de verrijkingsmodes I 5 werkt, de afvoerelectrode van de eerste transistor met een gelijkstroom- I voedingsbron is verbonden, de toevoerelectrode van de eerste transistor I met de afvoerelectrode van de tweede transistor is verbonden, de afvoer- I electrode van de tweede transistor met een geaarde constante-stroombron I is verbonden, de poortelectrodeivan de eerste en tweede transistoren met I 10 elkaar en met een ingangssignaalbron met grote impedantie zijn verbonden, I en een uitgangssignaal, dat evenredig is met het ingangssignaal, aan de I toevoerelectrode van de tweede transistor wordt verschaft. I

2. Cascadecombinatie volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de I afvoerelectrode van de eerste transistor met een constante-stroombron I 15 is verbonden, en een uitgangssignaal, dat evenredig is met het ingangs- I signaal, dat aan een gemeenschappelijk knooppunt met grote impedantie I van de poortelectroden van de eerste en tweede transistoren wordt toege- I voerd, aan de afvoereleetroden van de eerste transistor optreedt. I

3. Cascadecombinatie volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een I 20 soortgelijke combinatie van in cascade verbonden veldeffecttransistoren J via de toevoerelectrode van de transistor in de verrijkingsmodes met de I geaarde constante-stroombron is verbonden, ingangssignalen, welke met I elkaar moeten worden vergeleken, aan de respectieve paarsgewijs verbon- I den poortelectroden van de cascadecombinaties worden toegevoerd, en een I 25 uitgangssignaal, gelijk aan het verschil tussen de ingangssignalen,tus- I sen de afvoereleetroden van de transistoren in de verarmingsmodes in I elke cascadecombinatie optreedt. I

4. Cascadecombinatie volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat een I verdere transistor in de verrijkingsmodes via de poort- en afvoerelectro- I den met een voorspanningsbron met constante-stroom en met de poortele- I troden van de cascadecombinatie van eerste en tweede veldeffecttransistoren is gekoppeld en via de toevoerelectrode met een referentiespannings- I punt en met de toevoerelectrode van de tweede veldeffecttransistor is I gekoppeld, waarbij de nieuwe combinatie dient als een stroomspiegel voor I 8304352 -8- ingangssignalen, welke aan deze verdere transistor in de toevoer-af-voerelectrodebanen van de eerste en tweede transistoren worden toegevoerd. 8304352