DE2238348B2

DE2238348B2 - Operationsverstärker

Info

Publication number: DE2238348B2
Application number: DE2238348A
Authority: DE
Inventors: Paul L. Torrance Calif. Leonard (V.St.A.)
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1972-08-04
Publication date: 1974-04-18
Also published as: FR2149852A5; US3760288A; DE2238348A1; GB1403994A

Description

Operationsverstärker werden wegen ihrer Vielseitigkeit sowie ihrer Anpassungsfähigkeit an verschiedene Anwendungsfälle seit Jahren in elektronischen Systemer, und insbesondere in Linearrystemen als Grundbausteine verwendet. Bekannte Operationsverstärker, die vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik hergestellt werden, werden nach zwei grundsätzlichen Gruppen unterschieden: Bei der ersten Gruppe werden passive Lasten in jeder Verstärkerstufe verwendet. Die zweite Gruppe verwendet aktive Lasten zur Stabilisierung der Ströme in den verschiedenen Stufen, wodurch sich eine höhere Verstärkungscharakteristik ergibt.

Die bei bekannten integrierten Operationsverstärkern für die Verstärkerstufen verwendeten passiven Lasten waren entweder als Muster aus Dünnschichtmaterial auf der Oberfläche einer Unterlage ausgebildet oder wurden durch den Gesamtwiderstand einer der in die Unterlage eindiffundierten Zonen gebildet. Die Arbeitsweise der Operationsverstärker dieser Art wurde durch Einstellung der Widerstandsverhältnisse hersteDcrseitig festgelegt. Da die Arbeitspunkte neben den Widerstandsverhältniswerten auch von den Betriebsspannungen abhängig sind, kann der geeignete Betrieb des Verstärkers nur dann erreicht werden, wenn die Betriebsspannungen innerhalb eines engen Toleranzbcreichs um die Sollspannungen gehalten werden. Die Verwendung von passiven (Widerstands-)Lasten hat den Nachteil, daß die von den Verstärkerstufen erzielte Verstärkung heruntergeteilt bzw. vermindert wird, woraus sich entweder eine Verringerung der Gesamtverstärkung des Verstärkers oder die Notwendigkeit der Verwendung einer zusätzlichen Verstärkerstufe zum Ausgleich dieses Vcrstärkungsverlustes ergibt.

Neuere Operationsverstärker arbeiten vorzugsweise mit aktiven Kollektorlasten, mit deren Hilfe die erforderlichen Spannungsverstärkungen bei niedrigen Kollektorströmen erzielt werden können. Diese bekannten Verstärkerausführungcn setzen sehr genau eingestellte und pr; !«tisch schwankungsfreie Betriebsspannungen und Vorspannströme voraus. Bei einem aus der USA.-Patentschrift 3 440 554 bekannten Differenzverstärker mit Gegenkopplung ist jeweils ein dynamischer Lasttransistor mit der Emitter-Kollektorstrecke eines der beiden Eingangstransistoren in Reihe geschaltet. Die beiden Lasttransistoren dienen den Eingangstransistoren als Stromquelle, und über eine mit einer Vorspannquelle verbundene Widerstandsbrücke können die Vorspannströme in der von den beiden Eingangstransistoren gebildeten Differentialeingangsstufe symmetriert, jedoch nicht in ihrer Größe eingestellt werden. Der aus dieser Druckschrift bekannte Verstärker weist zwei Verstärkerausgänge auf.

Andere bekannte Verstärkerausführungen mit aktiven Lasten verwendenKopplungstransistorenmithoher Verstärkung, die wegen des wirksamen Basisrückwirkungswiderstands in Kombination mit der Kollektor-Basis-Kapazität derartiger Transistoren eine relativ große Zeitkonstante für die Kopplungsstufe ergeben.

Aus diesem Grunde ist die Fundbreite, insbesondere die Pandbreite ohne Rückkopplung, in der Regel sehr klein, und größere Bandbreiten lassen sich nur zu Lasten der Verstärkung durch beträchtliche Gegenkopplungen erreichen. Diese Wechselbeziehung zwisehen Bandbreite und Verstärkung beschränkt jedenfalls dann die Vielfältigkeit der an sich vorhandenen Eir.satzmöglichkeiten für Operationsverstärker, wenn die Einstellung der Bandbreite und der Verstärkung herstellerseitig erfolgen muß.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 94S 850 ist bereits ein Operationsverstärker mit einem Differenzverstärker als Eingangsstufe und einem Ausgangsanschluß bekannt, dessen Eigenschaften oder Kenngrößen sich durch äußere Mittel einstellen lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in integrierter Schaltungstechnik ausführbaren Operationsverstärker mit gegenüber bekannten Verstärkern gleicher Gattung vergrößerter Bandbreite und/ oder Verstärkung anzugeben, der in allen Stufen mit einer extern einstellbaren Vorspannung beaufschlagt werden kann.

Ausgehend von einem Operationsverstärker mit einer Differentialeingangsstufe, bei der die Basiselektroden von ersten und zweiten Transistoren eines ersten Leitungstyps jeweils mit einem von zwei Differentialeingangsanschlüssen verbunden, die Emitter der ersten und zweiten Transistoren zusammengeschlossen und über eine den Emitterstrom bestimmende Schaltung mit einer ersten Betriebsspannungsquelle verbunden sind, der Kollektor de-, ersten Transistors mit dem Kollektor eines dritten Transistors eines zweiten Leitungstyps und der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Kollektor eines vierten Transistors des zweiten Leitungstyps verbunden sind, wobei die Basiselektroden und die Emitter der dritten und vierten Transistoren zusammerigesclialtet :,ind und die zusammengeschalteten Emitter an einer zweiten Betriebsspannungsquelle angeschaltet sind, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß der dritte Transistor durch Kollektor-Basiskopplung als Diode geschaltet ist, daß der Kollektor des zweiten Trar sistors den Ausgangsanschluß der Differentialeingangsstufe bildet und mit dem Eingang einer Kopplungsstufe verbunden ist. die an den F.ingangsanschluß eines Ausgangsverstärkers ein von der Differenz der Kollektorströme der zweiten und vierten Transistoren abhängiges Signal ankoppelt, und daß ein mit den Basiselektroden der dritten und vierten

Transistoren basisgekoppelter fünfter Transistor des zweiten Leitungstyps über den Emitter an den zweiten Betriebsspannungsanschluß und über den Kollektor an einen Vorspannanschluß des Ausgangsverstärkers angeschaltet ist, dessen an einem Ausgangsanschluß entwickeltes Ausgangssignal von den au seinem Eingangsanschluß und an seinem Vorspannanschluß angelegten Strömen abhängig ist. Der erfindungsgemäße Verstärker macht also von aktiven Lasten bei den einzelnen Verstärkerstufen Gebrauch, wobei der Vorspannstrom an den Eingangs- und Kopplungsstufen gleichzeitig über einen externen Widerstand einstellbar ist. Die mit einem Kopplungstransistor versehene Kopplungsstufe, welche zwischen der Difterentialeingangsstufe und der Ausgangsstufe des Verstärkers liegt, ist in der Regel auf eine mittlere Stromverstärkung eingestellt und gewährleistet die angestrebte große Bandbreite. Der Kopplungstransistor hat einen relativ geringen effektiven Lastwiderstand und ruft zusammen mit den dem Verstärker eigenen Kapazitäten nur eine geringe RC-Zcitkonstante für die Kopplung hervor.

Die Stabilität der Vorspannung und die Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers sind von der genauen Anpassung bzw. Abstimmung der Transistoren und insbesondere der mit den beiden Eingangstransistoren verbundenen dritten und vierten Transistoren abhängig. Um die Anpassung dieser basisgckoppelten Transistoren zu verbessern, sind letztere sowie der fünfte Transistor in Weiterbildung der Erfindung in einer isolierten Zone des Halbleitersubtrats ausgebildet, wobei diese Substratzone als den drei Transistoren gemeinsame Basiszone dient. Dadurch können die Transistoren eng zusammengebaut werden, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß nur eine minimale Temperaiurdifferenz zwischen den Transistoren sowohl während der Diffusionsprozesse als auch bei Betrieb vorhanden sein kann.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In. der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Operationsverstärkers,

Fig. 2a eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Substrats mit einer vergrabenen Schicht,

Fig. 2b eine Querschnittansicht des Substrats gemäß Fig. 2a entlang den Linien 2b-2b der Fig. 2a,

F i g. 3 a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß F i g. 2 a mit einer durch das Substrat eindiffundierten Isolierzone,

F i g. 3 b eine Querschnittansicht des Substrats nach F i g. 3 a entlang den Linien 3 b-3 b dieser Figur,

F i g. 4 a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß F i g. 3 a nach dem Eindiffundieren der Emitter- und Kollektorzone in das Substrat,

Fig.4b eine Querschnittansicht des Substrats nach F i g. 4 a entlang den Linien 4 a-4 b,

F i g. 5 a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß F i g. 4 a nach dem Eindiffundieren einer Zone erhöhter Leitfähigkeit, die Kontaktzwecken dient,

F i g. 5 b eine Querschnittansicht des Substrats gemäß F i g. 5 a entlang den Linien 5 b-5 b dieser Figur,

F i 2. 6 a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß F i g. 5 a nach dem Einätzen mehrerer Fenster in die das Substrat überziehende Oxidschicht,

F i s,. 6 b eine Querschnittansicht des Substrats nach F i g. 6 a entlang den Linien 6 b-6 b dieser Figur, Fig. 7a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß Fig. 6a nach dem Niederschlagen eines Metallmusters auf der Oberfläche des Substrats und
Fig. 7b eine Querschnittansicht des Substrats nach F i g. 7 a entlang den Linien 7 b-7 b dieser Figur. In F i g. 1 ist die Schaltung des neuen Operationsverstärkers zu sehen. Der Anschluß 22 ist mit dem positiven Pol und der Anschluß 24 mit dem negativen Pol einer Netzspannungsquelle verbunden. Die Anschlüsse 26 und 28 sind die Differentialcingangsanschlüsse zum Verstärker, wobei der Anschluß 26 der invertierende Eingangsanschluß und der Anschluß 28 der nichtinvertierende Eingangsanschluß ist. Ein Anschluß 30 bildet den Vorspannungs-(-strom)Anschluß und ist über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Netzspannung, an welchem der Anschluß 22 liegt, verbunden. Zur besseren Übersicht sind die verschiedenen Verstärkerstufen als gcstrichelt umrandete Blocks dargestellt, wobei die Differentialeingangsstufe mit. 21, die Kopplungsstufe mit 23 und die Ausgangsstufe mit 25 bezeichnet ist: die den Vorspannstrom bestimmenden Widerstünde sind außerhalb der Blöcke für die Differcntialeingangsstufe, die Kopplungsstufe und die Ausgangsstufe gezeigt.

Der Emitter des Transistors 34 ist mit dem negativen Anschluß 24 verbunden, und die Basis und der Kollektor des Transistors 34 sind zusammcngcschlossen, so daß der Transistor 34 als Diode wirkt. Ein über einen mit dem Anschluß 30 verbundenen externen Vorspannwiderstand angelegter Vorspann- bzw. Stabilisierungsstrom bestimimt den Spannungsabfall am Transistor 34 durch Festlegung des Arbcitspunktes auf der Diodenkurve für die gemeinsame Basis-Kollektorverbindung des Transistors 34. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der größte Teil des über den Anschluß 30 angelegten Stroms durch den Kollektor des Transistors 34 fließt, da der Basisstrom wegen der Verstärkung des Transistors nur einen geringen Teil des KoUektorstrcms darstellt. Die Transistoren 38, 40, 34 und 42 sind allgemein aufeinander abgestimmt bzw. angepaßte Transistoren. Da der Spannungsabfall zwischen der Leitung 36 und

dem Anschluß 24 die Spannung zwischen der Bnsi^ und dem Emitter jedes dieser Transistoren ist und der Kollektorstrom eines Transistors generell in erster Linie von der Basis-Emitter-Spannung abhängig ist. haben die Transistoren 38, 40 und 42 im w escinliehen gleiche KoHektorströme wie der über den Vorspannanschluß 30 im Transistor 34 voreingestellte Strom. Daher werden die Vorspannströme in der Differentialeingangsstufe und der Kopplungsstufe vom Strom im Transistor 34 bestimmt.

Die Kollektoren der Transistoren 38 und 40 sind über eine Leitung 44 zusammengeschaltet, so daß trotz des im wesentlichen gleichen Stromes in den Transistoren 38 und 40 der Strom in den Transistoren 46 und 48 ungleich sein kann. (Als alternative

Ausführungsform können die Transistoren 38 und 40 durch einen einzigen Transistor mit der zweifachen Basis-Emitter-Übergangsfläche wie der Transistor 34 ersetzt werden.) Der Emitter eines Transistors 50 ist mit dem Anschluß 22 verbunden, und der Kollektor

und die Basis des Transistors sind zusammengeschaltet, so daß der Transistor 50 in der für den Transistor 34 beschriebenen Weise als Diode wirkt. Daher wird die Spannung auf der Leitung 54, welche

die Emitter-Basisspannung des Transistors 50 darstellt, von der Diodenkennlinie für den Transistor 50 und dem durch diesen Transistor (ließenden Strom bestimmt. Da der Strom durch einen Transistor in erster Linie von der Emittcr-Basisspannung (bei geeigneter Kollektorvorspannung) abhängig ist, ist auch der Strom durch jeden der Transistoren 52 und 56 im wesen'Uchen gleich dem Strom durch Transistor 50 und vird vom Vorspannstrom am Anschluß 30 und von dem an den Anschlüssen 26 und 28 anliegenden Differenzsignal bestimmt. Daher wild auch der den Vorspannstmm in der Ausgangsstufe bil-Hendc Strom '„n Transistor 56 «ora Vorspannstrom am Anschluß 30 gesteuert.

Wenn der Eingangsstrom am Anschluß 26 gleich demjenigen am Anschluß 28 ist, fließt durch den Transistor 46 derselbe Strom wie durch den Transistor 48, und die Spannungen an den Anschlüssen 26 und 28 sinu im wesentlichen gleich. Wenn der Strom am Anschluß 26 größer als derjenige am Anschluß 28 ist (d. h. eine höhere Spannung am Anschluß 26 als am Anschluß 28 anliegt), so ergibt sich eine Stromverteilung durch die beiden Transistoren derart, daß der Strom /46 um den ,,,fachen Wert der Eingangsstromdifferenz an den Anschlüssen 26 und 28 größer als der Strom /48 ist. wobei /J₁ gleich dem Beta der Transistoren 46 und 48 ist (es ist zu beachten, daß /46 f /48 wegen der Vorspannung der Basiselektroden der Transistoren 38 und 40 durch den Transis.or 34 im wesentlichen gleich dem zweifachen Wert des Vorspannstroms am Anschluß 30 ist).

Wie zuvor beschrieben wurde, stellt der Strom durch den Transistor 50 einen im wesentlichen gleichen Strom in jedem der Transistoren 52 und 56 ein. Demgemäß wird auch der Strom /52 um einen Betrag erhöht, der gleich der ..fachen Differenz der Ströme an den Anschlüssen 26 und 28 ist. Da der Strom /48 um denselben Betrag abnimmt, muß der den Basisstrom für den Transistor 58 bildende Strom /56 um einen Betrag ansteigen, der gleich 2,;, mal der Differenz des Eincanesstroms ist. Wenn daher der Einaancsstrom am" Anschluß 28 den Eingangsstrom am Anschluß 26 übersteigt, so nimmt der Strom /56 in ähnlicher Weise um einen Betrag von 2 Zi₁ mal der Differenz der EingaiiLsströme ab. Daher beträgt die Stromverstärkung der Differenüaleingangsstufe mit den Transistoren 46. 48. 50 und 52 2 /,',' Dieser Wert ist mit einer Verstärkung typischer Differentialcingancsstufcn mit passiven Lasten zu vergleichen, bei denen also an Stelle der Transistoren 50 und 52 Widerstände vorgesehen sind: deren Verstärkung beträgt wesentlich weniger als ß.

Der Strom am Vorspannungsanschluß 30 stellt, wie zuvor beschrieben, den Strom /42 durch den Transistor 42 ein. Daher ist der Strom /60 an der Basis des Transistors 60 gleich der Differenz zwischen dem Vorspannstrom /42 und dem Strom la» durch den Transistor 58. Die Änderung des Stroms /60 mit der Änderung des Stroms /56 ist gleich dem -^.,fachen Wert der Änderung von /56, wobei /J. die Verstärkung des Transistors 58 ist. (Das negative Vorzeichen ergibt sich aus der durch den Transistor 58 hervorgerufenen Signalumkehr.)

Der Strom /70 im Transistor 56 ist im wesentlichen gleich dem Strom /46 im Transistor siI, wie oben bereits angegeben. Der Strom /72 imι Transistor 60 hängt vom Basisstrom des Transistors ao und ändert sich bei Änderungen von / 60 um einen Betrag, der gleich dem /i₃fachen Wert der Änderung des Stroms / 60 ist, wobei ß₃ die Verstärkung des Transistors 60 ist. Dioden 74 und 76 liegen in Reihe mit den Transistoren 56 und 60 und dienen dem Zweck, den Basis-Emitter-Spannungsabfall im Transistor 78 dem Emitter-Basis-Spannungsabfall im Transistor 80 im wesentlichen anzupassen. Wenn daher der Strom / 72 im Transistor 60 gleich dem Strom ίο /70 im Transistor 56 ist, fließt der grüßte Teil dieses Stromes durch die Dioden 74 und 76. Daher sind beide Transistoren 78 und 80 im wesentlichen gesperrt, so daß das Ausgangssignal am Anschluß 82 Null ist und die Leistungsaufnahme in den Widerständen 84 und 86 minimal ist. Dabei sind die Diodenspannungen gleich den Basis-Emitterspannungen in den Transistoren 78 und 80. Demzufolge ruft der Strom durch die Dioden 74 und 76 einen Strom in den Transistoren 78 und 80 der gleichen Größe

hervor. Wenn der Strom / 72 im Transistor 60 über den Strom / 70 im Transistor 56 ansteigt, so ergibt sich die Differenz zwischen dem Strom / 72 und dem Strom /70 in erster Linie von der Basis des Transistors 80, wodurch ein Strom / 88 hervorgerufen

wird, der im wesentlichen gleich dem /?₄fachen Wert von / 72 — / 70 ist, wobei /?₄ die Verstärkung der Transistoren 78 und 80 ist. Da der Strom im Transistor 78 in dieser Betriebsphase sehr klein ist, leitet sich der Strom / 88 von der Last an dem Anschluß

82 durch den Widerstand 86 ab, wodurch das Ausgangbpotential am Anschluß 82 unter diesen Bedingungen um einen Betrag negativ wird, der von der am Anschluß 82 anliegenden Last abhängig ist. Wenn der Strom / 72 kleiner wird als der Strom / 70,

so fließt der D.iierenzstrom in erster Linie in die Basis des Transistors 78 und ruft einen Strom /90 hervor, der gleich dem /?₄fachen Wert des Basisstromes in diesem Transistor ist. Der Emitterstrom im Transistor /78 fließt durch den Widerstand 84;

da zu diesem Zeitpunkt der Transistor 80 im wesentlichen gesperrt ist, fließt der Strom durch den Widerstand 84 über den Anschluß 82 und die an diesen angeschaltete Last, wodurch eine positive Ausgangsspannung entsprechend der an den Ausgangs-

anschlüssen anliegenden Last hervorgerufen wird.

Der Strom / 70 ist im wesentlichen gleich dem Strom /46 im Transistor 50, der seinerseits gleich dem Strom im Transistor 46 ist. Demgemäß ändert sich nicht nur der Strom /72 im Transistor 60 mit

einer Änderung des Eingangssignals, sondern auch der Strom / 70. Dies läßt sich wie folgt zeigen: Wenn die am Anschluß 26 anliegende Spannung über die Spannung am Anschluß 28 ansteigt (wobei der Strom durch den Anschluß 26 relativ zum Strom durch den

Anschluß 28 ansteigt), nimmt der Strom /46 und daher auch der Strom /70 mit einer Verstärkung gleich /J₁ zu. Gleichzeitig nimmt der Strom /72 mit einer Verstärkung von -2 /V₂/?₃ ab- Daher beträgt die resultierende Verstärkung bis zur Ausgangsstufe

einschließlich den Transistoren 78 und 80 angenähert _ßl(2ß₂ß₃+l).

Bei dem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel ist der Transistor 58 ein pnp-Iateral transistor und hat demgemäß ein relativ niedriges Beta, in typischer Aus-

führungsform im Bereich von 3 bis 10. Daher wirkt der Widerstand 92, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Widerstandswert von angenähert 5000 Ohm hat, auf die Basis des Transistors 58

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mit einem Widerstandswert im Bereich von 15 bis 50 Kiloohm in Abhängigkeit vom Beta des Transistors 58 zurück. Als Vergleich sei die Basisimpedanz der Kopplungstransistoren bei bekannten Verstärkern mit aktiver Last angegeben, die typisch im Megaohmbereich liegt. Die niedrige Basisimpedanz des Verstärkers 58 ist zur Erzielung einer großen Bandbreite des Verstärkers wesentlich, da dieser Widerstand zusammen mit der Streukapazität der Schaltung für dic fl'C-Zeitkonstante maßgeblich ist, welche die Bandbreite der Schaltung begrenzt. Der Transistor 60 ist so ausgelegt, daß er ein Beta im Bereich von 30 bis 50 hat, so daß der Widerstand 94, welcher ebenfalls einen Wert von 5000 Ohm hat, auf die Basis ilcs Transistors 60 als Impedanz von 150 Kiloohm zurückwirft. Obwohl dieser Widerstand wesentlieh höher als der Basiswiderstanrl des Kopplungstransistors 58 ist, ist er noch wesentlich niedriger als die Basisimpedanzcharakteristik bekannter Verstärker mit aktiver Last. Da ferner die Widerstände 84 und 86 jeweils angenähert 250 Ohm betragen, wirken diese Widerstände auf die Basen der Transistoren 78 und 81) ebenfalls als relativ niedrige Basiswiderstände. Demgemäß wird bei dem neuen Verstärker durch Minimalisieren der Impedanzen der verschiedenen Stufen eine relativ große Bandbreite erreicht, ohne dabei Nachteile in Bezug auf die Verstärkung und die Leistungsaufnahme in Kauf nehmen zu müssen.

Wie bei bekannten Verstärkern ist eine Phasenkompensation erforderlich, um einen stabilen Betrieb dcs in F i g. I dargestellten Verstärkers zu erreichen; anderenfalls würde die Schaltung bei relativ hohen Frequenzen schwingen. Die Phasenkompensation kann dadurch erreicht werden, daß ein 2000-pF-Kondensator mit einem 1000-Ohm-Widerstand in Reihe zwischen dem Anschluß 98 und Erde fingeschaltet wird oder daß ein 2000-pF-Kondensator zwischen dem Ausgangsanschluß 82 und dem An-Schluß 96 eingesetzt wird.

Um eine möglichst hohe Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers" zu erzielen, ist es wichtig, daß bestimmte Transistoren in der Schaltung nach Fig. 1 angepaßte bzw. übereinstimmende Transistoren sind. Beispielsweise sollten die Transistoren 50 und 52 soweit als möglich identische elektrische Charakteristiken haben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiei findet eine diese beiden Transistoren und auch den Transistor 56 umfassende neuartige Konfiguration Verwendung. Es ist zu sehen, daß diese drei Transistoren über 54 eine gemeinsame Basisverbindung haben und daher mit einem gemeinsamen Basiselement versehen sein können, so daß keine zusätzliche Basisverbindung notwendig ist. Auf diese Weise können die Transistoren auf dem Substrat bzw. der Unterlage so nahe als möglich zusammengesetzt werden. Diese Maßnahme trägt dazu bei, übereinstimmende bzw. angepaßte Betriebscharakteristiken für die Transistoren zu erreichen, indem beachtliche Temperaturdifferenzen in den Transistoren sowohl während des Herstellungsvorgangs als auch während des Betriebs vermieden werden und die gleiche Dotierungsumgebung bzw. -konfiguration für alle drei Transistorzonen während des Diffusionsvorganoes bei der Herstellung der Transistoren gewährleistet _wj_rd.

Der Aufbau dieser drei Transistoren für die bevorzuffte Ausführungsform ist in den Fig. 2a und 2b bis 7 a und 7b gezeigt, welche Draufsicht und Schnittansichten des Subst-nts bzw. der Unterlage bei verschiedenen Fabrikationsstufen der integrierten Schaltung darstellen. In den Fig. 2a und 2b, auf die zunächst Bezug genommen wird, ist ein zusammengesetztes Substrat mit einer vergrabenen n+-Schicht 102 zu sehen. Die Herstellung der vergrabenen Schicht 102 erfoigt dadurch, daß zunächst ein geeigneter Dotierstoff in die Oberfläche eines p-leitenden Siliziumsubstrats 100 zur Schaffung der n⁺-Schicht eindiffundiert und danach epitaktisch eine Schicht aus η-leitendem Silizium 101 auf der Oberfläche des Substrats aufgewachsen wird, um die n ⁺ -Schicht 102 unter die Oberfläche des sich ergebenden Substrats zu bringen.

Der nächste Behandlungsschritt besteht darin, eine Zone 104 des Substrats 100 vom übrigen Teil de& Substrats durch Dotieren einer Substratzone elekfrisch zu isolieren, um eine p-leitende Zone 106 zu schaffen, welche die Zone 104 umgibt. Die Zone 106 erstreckt sich durch die gesamte Dicke der epitaktisehen Schicht 101 und wird mit herkömmlichen Diffusionsmethoden dadurch gebildet, daß zuerst eine Siliziumoxidschicht auf dem Substrat niedergeschlagen, danach ein Muster aus der Siliziumoxidschicht zum Freilegen derjenigen Bereiche des Substrats ausgeätzt wird, in denen der p-leitende Dotierstoff eindiffundiert werden soll, ein geeigneter p-leitender Dotierstoff (Bor) cindiffundiert und schließlich eine neue Oxidschicht über der gebildeten p-leitenden Zone 106 niedergeschlagen wird. (Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die p-leitendc Zone in dieser Verfahrensstufe zunächst nur partiell durch das Substrat diffundiert, wobei eine zusätzliche Diffusion zur Vervollständigung der Isolierung gleichzeitig mit den nachfolgenden Diffusionsschritten vorgenommen wird.) Daher bedeckt eine Oxidschicht 108 in der in Fi g. 3 b gezeigten Weise das Substrat, nachdem die p-leitende Zone 106 hergestellt worden "^st- Durch Anlegen einer negativen Spannung an die Zonen 101 (und 106) wird der pn-übergang zwischen der p-leitenden Zone 106 und dem umgebenden Substrat an beiden Seiten der p-Zone in Sperrichtung vorgespannt, wodurch die Zone 104 vom übrigen Teil des Substrats elektrisch isoliert wird.

Der nächste Herstellungsschritt besteht im Einätzen eines Musters in die Oxidschicht 108 zum Freilegen von Teilen der Zone 104, in denen ein p-leitender Dotierstoff zur Bildung der p-leitenden Zoner HO und 112 eindiffundiert werden soll. Danach wire erneut eine Oxidschicht über die p-leitenden Zoner aufgebracht, so daß das Substrat wieder vollständig mit der Oxidschicht 108 bedeckt ist, wie dies in dei Fig.4a und 4b zu sehen ist. Die p-leitenden Zonei 110 bilden die Kollektoren der Transistoren SO, Si und 56, und die p-leitenden Zonen 112 sind di< Emitter für diese Transistoren. Die Basen diese; Transistoren werden von der Zone 104 des Substrat gebildet, welche die gemeinsame Basiszone für aiii Transistoren bildet.

Der nächste Herstellungsschritt ist wieder ein Ätz schritt, mit dem ein Muster Jn der Oxidschicht 101 :mm Freilegen eines Teils des Substrats in dev Zorn 104 ausgebildet wird. In diese freigelegten Bereichi wird ein η-leitender Dotierstoff eindiffundiert um eine weitere Oxidschicht zur Vervollständigung de Oxidschicht 108 in der aus F i g. 5 b erkennbarei Weise aufgebracht. Dadurch entsteht eine n+-Zom 114, d. h. eine Zone mit erhöhter Leitfähigkeit (zu

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Herstellung eines elektrischen Kontakts mit der ge- Basis und des Kollektors dieses ersten Transistors meinsamen Basiszone der drei Transistoren, wie nach- geschaffen ist. Diese Verbindung bildet die Basisfolgend beschrieben werden wird), welche die KoI- Kollektor-Verbindung des Transistors 50 in Fig. 1. lektorzoncn HO der drei Transistoren symmetrisch Es ist jedoch leicht einzusehen, daß andere Verbinumgibt. 5 düngen durch Änderung des M'tallmusters und durch

Als nächstes wird erneut ein Muster in die Oxid- andere naheliegende Än-Jerungcn in der Ausbildung

schicht 108 in der in den Fig. 6a und 6b dargestell- und in den Hcrstellungsstufen der Transistoren her-

ten Weise eingeätzt, um Teile der n + -Zone 114 und gestellt werden können, wobei die besondere, in den

der p-Zonen 110 und 112 freizulegen. Diese verschie- Fig.7a und 7b dargestellte Verbindung die Ver-

denen Bereiche werden in praktisch symmetrischen io schaltung gemäß dem bevorzugten Ausführunasbei-

Mustern freigelegt, um die physikalische Äquivalenz spiel zur Herstellung des in F i g. I gezeigten Vcr-

und die elektrische Gleichartigkeit der Charakte- stärkers ist.

ristiken der drei Transistoren in höchstem Maße zu Die bevorzugte Ausführiingsform des Operations-

erzielon. Verstärkers ist die Schaltung nach F i g. 1. Ep ist je-

Der letzte Herstellungsschritt besteht im Nieder- 15 doch verständlich, daß als alternative Ausführungs-

schlagen eines metallischen Musters auf der Ober- form die Schaltung nach Fig. 1 dadurch abgewandelt

fläche der Anordnung nach den Fi g. 6 a und 6 b, um werden kann, daß jeder der pnp-Transistoren als

die gewünschten elektrischen Kontakte mit den ver- npn-Transistor und jeder der npn-Transistorcn als

schiedenen Zonen und die Schaltungsverbindungen pnp-Transistor ausgeführt werden kann, wobei die

mit den anderen Komponenten der integrierten Schal- ao Polung der Dioden 74 und 76 umgekehrt wird und

tung herzustellen. Ebenso wie die anderen Schritte der Anschluß 22 als negativer Anschluß und der An-

zur Herstellung der drei pnp-Transistoren mit ge- Schluß 24 als positiver Anschluß vorgesehen werden,

mcinsamer Basiszone sind auch die Maßnahmen zur Der neue Verstärker verfügt über Betricbseigcn-

Erzeugung eines metallischen Musters bekannt; gc- schäften, die bei bekannten Verstärkern nicht gleich-

nerell wird dabei eine metallische Oberflächenschicht 25 wertig realisiert werden konnten. Ausführungen des

niedergeschlagen und dann die Metallschicht in vor- neuen Verstärkers wurden mit Netzspannungen von

gegebenen Bereichen derart weggeätzt, daß das ge- +1VoIt (2VoIt zwischen den Anschlüssen 22 und

wünschte Metallmustor stehen bleibt. Der Metall- 24 in Fig. 1) mit einer Leistungsaufnahme von an-

bereich 118 gibt mit dem freigelegten Gebiet 114 der genähert 60 Mikrowatt betrieben. Die Verstärker hat-

p-leitcnden Zone 112 Kontakte, welche die Emitter 30 ten in charakteristischer Ausführung eine rüekl'üh-

der drei Transistoren bilden, so daß eine gemeinsame rungsfriiie Verstärkung im Bereich von 66 db bis

Emitterverbindung in der aus Fig. 1 ersichtlichen 76 db mit einer typischen Regelabweichung von

Weise hergestellt wird. Die Metallbereiche 120, 122 2,5 Millivolt. Dieselben Verstärker können jedoch

und 124 schaffen die Kontakte zu jeder der p-leiten- durch Änderung der Netzspannung und des Vor-

den Zonen 110, welche die Kollektoren der drei 35 spannstroms in den verschiedenen Verstarkerstuieri

Transistoren bilden. Die Metallbereiche 126 bilden über den mit dem Anschluß 30 und dem Anschluß 22

generell die Kontaktierung für die gemeinsame Basis- verbundenen externen Widerstand als Verstärker be-

zone der drei Transistoren und sind in einem symme- trieben werden, welche einen SchwankunsisK .eich

trischen Muster niedergeschlagen, wobei erneut die der Ausgangsspannung von einigen Volt und eint

mechanische und elektrische Gleichartigkeit zwischen 40 Ausgangsleistung von einigen Milliwatt haben,

den drei Transistoren aufrechterhalten wird. Es ist Der zuvor beschriebene Operationsverstärker hai

zu beachten, daß der Metallbereich 120 in dem als also eine große Bandbreite und eire verbesserte Sta-

Ganzes mit dem Bezugszeichen 128 versehenen Ge- bilität und kann an unterschiedlicne Netzan '-Muß

biet den Kollektoranschluß für den ersten Transistor spannungen und Ausgangserfordernisse durch jeeig-

bildet und einteilig mit dem Metallbereich 126 ausge- 45 nete Wahl eines externen Vorspannwiderstand- mge-

führt ist, wodurch eine elektrische Verbindung der paßt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Operationsverstärker mit einer Differentialeingangsstufe, bei der die Basiselektroden von ersten und zweiten Transistoren eines ersten Leitungstyps jeweils mit einem von zwei Differentialeingangsanschlüssen verbunden, die Emitter der ersten und zweiten Transistoren zusammengeschlossen und über eine den Emitterstrom be- ίο stimmende Schaltung mit einer ersten Betriebsspannungsquelle verbunden sind, der Kollektor des ersten Transistors mit dem Kollektor eines dritten Transistors eines zweiten Leitungstyps und der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Kollektor eines vierten Transistors des zweiten Leitungstyps verbunden sind, wobei die Basiselektroden und die Emitter der dritten und vierten Transistoren zusammengeschaltet sind und die zusammengeschalteten Emitter an einer zweiten BetriebsspannuKgsquelle angeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor (50) durch Kollcktor-Basis-Kopplung als Diode geschaltet ist, daß der Kollektor des zweiten Transistors (48) den Ausgangsanschluß (98) der Differentialeingangsstufe (21) bildet und mit dem Eingang einer Kopplungsstufe (23) verbunden ist, die an den Eingangsanschluß eines Ausgangsverstärkers (25) ein von der Differenz der kciilektorströme der zweiten (48) und vierten (52) Transistoren abhängiges Signal ankoppelt, und ein mit den Basiselektroden der dritten (50) und vierten (52) Tiansistoren basisgekoppelter fünfter Transistor (56) des zweiten L' 'tungstyps über den Emitter an den zweiten Betriebsspannungsansdiluß (22) und über den Kollektor an einen Vorspannanschluß des Ausgangsverstärkers (25) angeschaltet ist, dessen an einem Ausgangsanschluß (82) entwickeltes Ausgangssignal von den an seinem Eingangsanschluß und an seinem Vorspannanschluß angelegten Strömen (/60,/7O) abhängig ist.

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Emitterstrom in der Eingangsstufe (21) bestimmende Schaltung einen Vorspannanschluß (30), einen sechsten (38), sieben ten (42) und achten (34) Transistor des ersten Leitungstyps aufweist, wobei die Emitter jedes dieser drei Transistoren mit der ersten Betriebsspannungsquelle (24) der Verstärker verbunden, die Basen der drei Transistoren zusammengeschaltet sind, der Kollektor des sechsten Transistors (38) in Reihe mit der Differentialeingani£;sstufe (21), der Kollektor des siebenten Transistor,- (42) in Reihe mit der Kopplungsstufe (23) liegen und der Kollektor des achten Transistors (34) basisgekoppelt und an den Vorspannanschloß (30) angeschaltet ist.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Emitterstrom in der Eingangsstufe (21) bestimmenden Schaltung ein neunter Transistor (40) des ersten Leitungstyps zugeordnet ist, der mit den Basiselektroden der sechsten (38), siebenten (42) und achten (34) Transistoren basisgekoppelt ist und /um sechsten Transistor (38) parallel geschaltet ist.

4. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Vorspannanschluß des Ausgangsverstärkers (25) angeschaltete Kollektor des fünften Transistors (56) über erste (74) und zweite (76) Dioden mit dem Kollektor eines zehnten Transistors (60) verbunden ist, dessen Emitter über einen ersten Widerstand (94) an den ersten Betriebsspannungsanschluß (24) angeschaltet und dessen Basis mit den Kollektoren des siebenten Transistors (42) und eines zur Kopplungsstufe (23) gehörigen elften Transistors (58) verbunden ist wobei die Basis des elften Transistors den Eingang der Kopplungsstufe (23) bildet und der Emitter des elften Transistors über einen zweiten Widerstand (92) mit dem zweiten Betriebsspannungsanschluß (22) verbunden ist, daß ein zum Ausgangsverstärker gehöriger zwölfter Transistor (78) mit seinem Kollektor an den zweiten Betpebsspannunesanschluß (22), mit seiner Basis an den Kollektor des fünften Transistors (56) und mit «einem Emitter über einen dritten Widerstand (84) an den Verstärkerausgangsanschluß (82) angeschaltet ist, und daß der Ausgangsanschluß außerdem über einen vierten Widerstand (86) mit dem Emitter eines dreizehnten Transistors (80) verbunden, dessen Basis an den Kollektor des zehnten Transistors (60) und dessen Kollektor an den ersten Betriebsspannungsanschluß (24) angeschaltet ist.

5. Operationsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Widerstände (94 und 92) jeweils einen Widerstandswert von angenähert 5000 Ohm haben.

6. Operationsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Widerstünde (84 und 86) jeweils einen Widerstandswert von angenähert 250 Ohm haben.

7. Operationsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (46), zweiten (48), sechsten (38), siebenten (42), achten (34), neunten (40), zehnten (60) und zwölften (78) Transistoren npn-Transistoren und die dritten (50), vierten (52), fünften (56), elften (58) und dreizehnten (80) Transistoren pnp-Transistoicn sind, und daß die ersten (24) bzw. zweiten (22) Betriebsspannungsanschlüsse negative (B-) bzw. positive (B + ) Pole sind.

8. Operationsverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als integrierte Schaltung in einem n-lcitenden Siliziumplättchen ausgebildet ist, wobei die Basen der dritten (50), vierten (52) und fünften (56) Transistoren eine durch einen Teil des η-leitenden Plättchens gebildete gemeinsame Basiszone (104) aufweisen.

9. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß er als integrierte Schaltung in einem n-leitcnden Siliziumsubstrat (101) ausgebildet ist, mit mehreren eisten (112) und zweiten (110) p-!eitenden Zonen, die durch Diffusion eines p-leitenden Dotierstoffs in der Oberfläche des Substrats (101) gebildet sind.

10. Operationsverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten p-leitcnden Zonen (112) von einer der zweiten p-leitenden Zonen (110) umgeben und von ihr durch das η-leitende Substrat (101) zur Bildung einer Mehrzahl von pnp-Transistoren (50, 52, 56) mit

gemeinsamer Basiszone (X04) getrennt ist, daß eine Schicht (108) aus Süiziumoxkl das Substrat überzieht und mit geeigneten Fenstern versehen ist, durch die Bereiche der ersten und zweiten p-leitenden Zonen und der n-lettenden Zone zur Kontaktierung freigelegt sind, und daß eine Metallschicht in einem Muster zur Kontaktierung der ersten und zweiten p-leitenden Zonen und der η-leitenden Zone sowie zur Bildung der Schaltungsverbindungen niedergeschlagen ist.

11. Operationsverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine n⁺-Zone nahe der zweiten p-leitenden Zonen (110) durch Diffusion eines n-leittnden Dotierstoffes in die Oberfläche des Substrats asugebildet ist und durch wenigstens ein in der Oxidschicht angeordnetes Fenster mit der gemusterten Metallschicht zur Kontaktierung in Verbindung steht.

12. Operationsverstärkernach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine n⁺-leitende vergrabene Schicht (102) unter den ersten und zweiten p-leitende Zonen (112,110) angeordnet ist.