DE2425973B2 - Komplementär-Feldeffekttransistor-Verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Komplementär-Feldeffekttransistor-Verstärker mil zwei Feldeffekttransistoren entgegengesetzten Leilungstyps, wie er im Oberbegriff des Anspruchs I vorausgesetzt ist.

Schaltungsanordnungen mit komplementären Feldeffekttransistoren haben in großem Umfang Anwendung in digitalen Schaltwerken und Logikschaltungen gefunden. Diese Schaltungen zeichnen sich durch hohe Schwellwerte, von Natur aus strukturell einfachen Aufbau, niedrigen Leistungsverbrauch und sehr hohe Spannungsverstärkung aus. Die letzterwähnte Eigenschaft hat ihre Ursache aus der großen Impedanztransformation, die der Struktur solcher Schaltungen von Natur aus anhaftet und es ermöglicht, eine außergewöhnlich hohe Anzahl nachfolgender Verknüpfungsschaltwerke od. dgl. anzusteuern.

Es ist auch bekannt, beispielsweise durch den Aufsatz »Micropower Crystal-Controlled Oscillator Design, Using RCA COD/MOS Inverters« von S.S. Eaton, veröffentlicht im RCA Application Note ICAN-6539 der RCA Corp. vom Januar 1971, daß man z. B. einen Komplementär-FET-Inverter bei geeigneter Vorspannung als Analogverstärker verwenden kann und dabei viele Vorzüge beibehält, die solche Schaltungen bei digitalen Anwendungen haben. Solche Verstärker haben sich jedoch in Analogschaltungen bisher noch nicht richtig durchsetzen können, da es schwierig ist, einen Komplementär-FET-Inverter auf den richtigen Arbeitspunkt vorzuspannen. Der Grund für diese Schwierigkeit liegt darin, daß der Bereich der Eingangs-A.usgangs-Übertragungsfunktion eines solchen Verstärkers, in dem sich das Ausgangssignal in Abhängigkeit von Eingangssignalschwankungen wesentlich ändert, nur sehr schmal ist. Dies ist bei digitalen Anwendungen ein wesentlicher Vorteil, da die resultierende Unempfindlichkeit für Signale außerhalb des schmalen Bereichs einem solchen Verstärker oder Inverter im Vergleich zu anderen Typen von Verknüpfungsschaltungen eine außerordentlich hohe Unempfindlichkeit gegen Störungen verleiht. Andererseits erfordert dieser relativ enge Bereich der Übertragungsfunktion eine genaue Steuerung der zugeführten Vorspannung, wenn ein Komplementär-FET-Inverter bei analogen Anwendungen als Verstärker verwendet wird, und die erforderliche Präzision ist wegen der verhältnismäßig schlechten Reproduzierbarkeit der Übertragungsfunktionen schwierig zu erreichen.

Die zwei Hauptfaktoren, die die schlechte Reproduzierbarkeit der Übertragungsfunktionen von Komplementär-FET-Verstärkern verursachen, sind Schwankungen bei der Herstellung des Verstärkers und Schwankungen der Umgebungsbedingungen, denen der Verstärker im Betrieb ausgesetzt ist. Die Exemplarstreuung aufgrund des Herstellungsprozesses beruht auf einer großen Anzahl von Parametern, wie Abmessungen, Trägerbeweglichkeit u.dgl. In entsprechender Weise beeinflussen auch die Umgebungsbedingungen, denen ein Komplementär-FET-Inverter ausgesetzt ist, seine Übertragungsfunktion, z. B. die Temperatur, Temperaturgradienten und verschiedene Arten von Strahlungsbelastung, wie elektromagnetische Strahlung und Kernstrahlung sowie elektrostatische Felder.

Umgebungseinflüsse lassen sich besonders schwer kompensieren, da die komlementären Transistoren, die den Inverter der Verstärker bilden, im allgemeinen auf gleiche Temperaturänderungen oder gleiche Strahlungsänderungen unterschiedlich reagieren.

Es ist aus der erwähnten RCA Literaturstelle bekannt, einen Komplementär-FET-Verstärker mittels eines Rückkopplungswiderstandes vorzuspannen, der den Ausgang des Verstärkers mit seinem Eingang verbindet. Wie weiter unten noch anhand der Form einer tpyischen Übertragungskennlinie im einzelnen erläutert werden wird, erfordert diese Art der Vorspannung eine Wechselspannungskopplung des zu verstärkenden Eingangssignals und hat eine Gegenkopplung zur Folge, die die Ableitung der Übertragungskennlinie herabsetzt und den Ruhearbeitungspunkt sowohl von den Herstellungsals auch Umgebungseinflüssen, wie sie oben erwähnt wurden, abhängig macht. Außerdem beeinträchtigt das Vorhandensein des zur Vorspannung dienenden Widerstandes die Eingangsimpedanz des Verstärkers. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß Widerstände in integrierten Schaltungen nicht ganz einfach herzustellen sind und auf dem Schaltungssubstrat eine erhebliche Fläche beanspruchen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Komplementär-FET-Feldeffekttransistor so vorzuspannen, daß der Arbeitspunkt des Verstärkers Änderungen der Umgebungsbedingungen und normale Herstellungsschwankungen automatisch korrigiert. Insbesondere soll ein solcher Verstärker angegeben werden, der als integrierte Schaltung ohne Widerstände hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ausführungsbeispiele, Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Komplementär-FET- Verstärkers;

Fig. 2 ein Schaltbild der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Verstärkers gemäß F i g. 1;

Fig.3 ein Schaltbild einer Spannungsverschiebungsschaltung;

F i g. 4 ein Schaltbild einer Spannungsverschiebungsschaltung mit Feldeffekttransistoren;

F i g. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung;

F i g. 6 ein Schaltbild für eine Abwandlung eines Bezugsverstärkerteils einer Ausführungsform gemäß Fig. 5;

F i g. 7 ein Schaltbild einer Abwandlung der Spannungspegelverschiebungsschaltung gemäß F i g. 4 und

Fig.8 ein Schaltbild einer Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 7.

Der in Fig. 1 dargestellte bekannte Komplementär-Feldeffekttransistor-(FET-)Verstärker hat eine Eingangsklemme 10, die mit der Steuerelektrode 12 eines Feldeffekttransistors 14 vom P-Typ und der Steuerelektrode 16 eines Feldeffekttransistors 18 vom N-Typ gekoppelt ist. Die steuerbare Stromstrecke, also der bo Kanal des FET 14 ist zwischen einen Schaltungspunkt 20 und eine Ausgangsklemme 22 geschaltet. In entsprechender Weise ist der Kanal des FET 18 zwischen einen Schaltungspunkt 24 und die Ausgangsklemme 22 geschaltet. h>

Im Betrieb wird einem Verstärker mit Transistoren des dargestellten Typs über den Schaltungspunkt 20 ein Betriebspotential V2 zugeführt, das positiv im Vergleich zu einem Betriebspotential Vi am Schaliungspunkt 24 ist. Es ist bekannt, daß Feldeffekttransistoren, die so geschaltet sind, sich im wesentlichen wie spannungsgesteuerte Widerstände verhalten. Wenn z. B. der FET 18 ein N-Kanal-Anreicherungs-Isolierschichtfeldeffekttransistor ist, neigt der Widerstandswert seines Kanals dazu, abzunehmen, wenn die seiner Steuerelektrode !6 zugeführte Spannung (die größer als V\ ist) zunimmt. Wenn in entsprechender Weise der FET 14 ein P-Kanal-Anreicherungs-lsolierschichtfeldeffekttransistor ist, neigt der Widerstand seines Kanals zum Abnehmen, wenn die Spannung (die kleiner ist als V2) an seiner Steuerelektrode 12 abnimmt. Da die Steuerelektroden 12 und 16 beide mit der Eingangsklemme IO verbunden sind, ändern sich die Widerstandswerte der Kanäle der FET's 14 und 18 in Abhängigkeit von dem der Eingangsklemme 10 zugeführten Eingangssignal im komplementärer Weise und das Potential an der Ausgangsklemme 22 wird durch das Verhältnis der Widerstandswerte der Kanäle der FET's 18 und 14 und durch den Betrag der den Schaltungspunkten 24 und 20 zugeführten Potentiale bestimmt.

Aus F i g. 2 sind weitere Einzelheiten der Abhängigkeit von Eingangs- und Ausgangssignal des bekannten Verstärkers gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Ausgangsspannung Vout an der Ausgangsklemme 22 ändert sich in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Vw an der Eingangsklemme 10 gemäß der typischen Übertragungskennlinie 30. Diese Übertragungskennlinie gilt für den Fall, daß die FET's 14 und 18 wirklich komplementär sind, d. h. daß der Widerstandswert des Kanals des FET's 14 gleich dem Widerstandswert des Kanals des FET's 18 ist, wenn die Eingangsspannung an der Eingangsklemme 10 in der Mitte zwischen den Betriebspotentialen an den Klemmen 20 und 24 liegt. In der Praxis sind die Kennlinien der Transistoren jedoch im allgemeinen nicht ideal gepaart, und die Übertragungskennlinie des Verstärkers kann dadurch verschoben werden, wie es an Hand der Kennlinien 32 und 34 dargestellt ist. Zu den Faktoren, die eine Verschiebung der Übertragungskennlinie verursachen, gehören Unterschiede in der Geometrie der FET's 14 und 18, Unterschiede in den Trägerbeweglichkeiten der Transistoren und unvermeidliche Strukturunterschiede in den Einrichtungen, wie sie sich normalerweise bei der Herstellung ergeben. Auch wenn die Transistoren genau gepaart sind, so daß sich eine Übertragungskennlinie ergibt, wie sie bei 30 in F i g. 3 dargestellt ist, können im normalen Betrieb des Verstärkers Umgebungseinflüsse auftreten, die die Übertragungskennlinie 30 zum Ort der Übertragungskennlinie 32 oder 34 verschieben. Zu diesen Umweltseinflüssen gehören z. B. eketrostatische Felder, elektromagnetische Strahlung und Korpuskularstrahlung, der Absolutwert der Temperatur, Temperaturgradienten usw. In der Praxis kann man daher die Lage der Übertragungskennlinie des bekannten Verstärkers nicht genau voraussagen. Dies hat wiederum zur Folge, daß es schwierig ist, einen solchen Verstärker in Kleinsignalanwendungen richtig vorzuspannen.

Es sei z. B. angenommen, daß ein vorgegebener Verstärker eine Ubertragungskennlinie, wie die in Fig.2 dargestellte Übertragungskennlinie 30 hat und dab der Nennwert der Eingangsspannung in der Mitte zwischen den an den Schaltungspunkten 20 und 24 liegenden Potentialen V2 bzw. Vi liegt. In diesem Falle liefert der Verstärker eine Ausgangsspannung Voi entsprechend dem Arbeitspunkt 36 auf der Ubertragungskennlinie 30. Die Neigung der Übertragungskenn-

linie 30 im Arbeitspunkt 36 stellt den Kleinsignalverstärkungsfaktor des Verstärkers dar und hat typischerweise dann ein Maximum, wenn die Ausgangsspannung nominell in der Mitte zwischen den zugeführten Betriebspotentialen Vund V2 ist. Wegen der erwähnten Herstellung^- und Umgebungseinflüsse kann die tatsächliche Übertragungskennlinie doch der Übertragungskennlinie 32 oder 34 entsprechen. Wenn Vw nicht geändert wird, ergeben sich die tatsächlichen Arbeitspunkte 38 oder 40 und Ausgangsspannungen V01 bzw. V"oi. Da die Steigung der Übertragungskennlinie 32 bzw. 34 im Arbeitspunkt 38 bzw. 40 kleiner ist als die Steigung der Übertragungskennlinie 30 im Arbeitspunkt 36, ergibt sich für den Verstärker auch ein kleinerer Verstärkungsfaktor. Es ist außerdem ersichtlich, daß die maximale symmetrische Kleinsignal-Ausgangsspannung, die sich erreichen läßt, kleiner ist als im Arbeitspunkt 36. Mit anderen Worten werden durch die unerwünschte Verschiebung der Übertragungskennlinie sowohl der Verstärkungsfaktor als auch der Aussteuerungsbereich verringert.

Man beachte, daß der Betriebszustand, der durch eine Ausgangsspannung Vm mit einem Nennwert in der Mitte zwischen den den Schaltungspunkten 20 und 24 zugeführten Betriebspotentialen eine maximale Verstärkung und einen maximalen Aussteuerbereich des Verstärkers gewährleistet, unabhängig davon, welche der Kennlinien oder Übertragungsfunktionen 30,32 und 34 tatsächlich die wirkliche Übertragungsfunktion des Verstärkers darstellt.

Mit anderen Worten gesagt, entspricht der ideale Arbeitspunkt des bekannten Verstärkers gemäß Fig. 1 dem Arbeitspunkt 42, 36 oder 44. Dieser Arbeitspunkt kann gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erhalten werden, daß man die den Schaltungspunkten 20 und 24 zugeführten Betriebspotentiale derart verschiebt, daß die Ausgangsklemme 22 auf einem Ruhepotential gehalten wird, dessen Nennwert gleich der Ruhespannung an der Eingangsklemme 10 ist.

Die mit einer Spannungsverschiebung arbeitende Schaltungsanordnung gemäß Fig.3 enthält den bekannten Verstärker gemäß Fig. 1, dessen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet sind. Außerdem ist eine veränderliche Impedanzanordnung 42 vorgesehen, die zwischen den Schaltungspunkt 20 und einem Schaltungspunkt 44 gekoppelt ist. Eine weitere veränderliche Impedanzanordnung 46 ist zwischen den Schaltungspunkt 24 und einen Schaltungspunkt 48 gekoppelt. Die veränderlichen Impedanzanordnungen sind außerdem mit einer Steuerklemme 50 gekoppelt.

Die veränderliche Impedanzanordnung 42 ist so ausgebildet, daß sich ihre Impedanz in Abhängigkeit vom Signal an der Steuerklemme 50 in einem vorgegebenen Sinne ändert. Die veränderliche Impedanzanordnung 46 ist so ausgebildet, daß sich ihre Impedanz in Abhängigkeit von dem gleichen Signal an der Steuerklemme 50 im entgegengesetzten Sinne ändert wie die Impedanzanordnung 42.

Zur Erläuterung der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 sei angenommen, daß der Schaltungspunkt 44 auf einem festen Potential eines relativ positiven Wertes gehalten werde, daß der Schaltungspunkt 48 auf einem festen Potential eines relativ negativen Wertes gehalten werde und daß die Eingangsklemme 10 auf einem Bezugspcgel, wie Masse, gehalten werde. Es sei ferner iingcnomnicn, daß sich die Impedanz der veränderlichen Impedanzanordnung 42 direkt mil einer der Slcticrklemme 50 zugeführten Steuerspannung andere und da sich die Impedanz der veränderlichen Impedanzanord nung 46 invers zur Steuerspannung an der Steuerklem me 50 ändere. Wenn die Spannung an der Steuerklem ·■ me 50 zunimmt, nimmt also die Impedanz de veränderlichen Impedanzanordnung 46 ab, während di< der veränderlichen Impedanzanordnung 42 zunimmt Dies hat die Wirkung, daß die Potentiale an der Schaltungspunkten 24 und 20 in Richtung auf das fest · Potential am Schaltungspunkt 48 verschoben werden Wenn andererseits die der Steuerklemme 50 zugeführt Spannung abnimmt, werden die veränderlichen lmpe danzanordnungen 42 und 46 die Betriebsspannungen ar den Schaltungspunkten 20 und 24 im Effekt in Richtung

ι·-> auf das feste Betriebspotential am Schaltungspunkt Φ verschieben.

Da der bekannte Verstärker gemäß Fig. 1, wie obei erläutert wurde, eine Ausgangsspannung liefert, du durch das Widerstandsverhältnis der Transistoren 1 und 18 und die Betriebspotentiale an den Schaltungs punkten 20 und 24 bestimmt wird, und da dies* Betriebspotentiale durch die der Steuerquelle 5( zugeführte Spannung beeinflußt werden, folgt, daß di Spannung an der Ausgangsklemme 22 durch geeigneu

Änderung der der Steuerklemme 50 zugeführter Spannung auf einen gewünschten Wert gebrach werden kann, wie gleich erläutert werden wird.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die Funktion der in Fig.3 in Blockform dargestellter veränderlichen Impedanzanordnungen durch Feldef fekttransistoren ausgeübt wird. Bei der Schaltungsan Ordnung gemäß Fig.4 ist der Kanal eines Feldeffekt transistors 60 vom P-Typ zwischen die Schaltungspunk te 44 und 20 geschaltet. Der Kanal eines Feldeffekttran sistors 62 vom N-Typ ist zwischen die Schaltungspunku 48 und 24 geschaltet. Die Steuerelektrode 24 des FET6: und die Steuerelektrode 66 des FET 60 sind mit de Steuerklemme 50 verbunden. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig.4 arbeitet, wie es oben für die Spannungs Verschiebungsschaltung gemäß Fig.3 erläutert wurde Eine der Steuerklemme 50 zugeführte Steuerspannunj wird eine komplementäre Änderung der Impedanzer der Kanäle der FET's 60 und 62 in Abhängigkeit von de: Steuerspannung an der Steuerklemme 50 bewirken Hierdurch werden wiederum im Effekt die Betriebspo tentiale an den Schaltungspunkten 20 und 24 dei bekannten Verstärkerschaltung in der erläuterter Weise verschoben.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung wird eine Schaltungsanordnung der in Fig.' dargestellten Art wie folgt als Referenzverstärke verwendet: Angenommen, den Schaltungspunkten Φ und 48 werde eine positive bzw. negative Spannung gleichen Betrags zugeführt und die E'ingangsklemmc K

π werde auf einem Bezugspotential, wie Masse, gehalten Die Transistoren 14 i<nd 18 arbeiten wie der bekannt! Verstärker gemäß Fig. I mit einer Übertragungskennli nie, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. An dei Ausgangsklemme 22 wird dann eine Ausgangsspannung

hu auftreten, deren Wert von der Übcrtragungskcnnlinic des Verstärkers abhängt. Wenn z. B. die tatsächliche Übertragungskennlinic der Kurve 30 in Fig. 2 ent spricht, wird sich der Arbeilspunkt 36 einstellen, und c; wird sich die Ausgangsspannung Vm (Fig. 2) ergeben

1.-. die unter den angenommenen Voraussetzungen gleicl· Massepotential ist. Wenn andererseits die Übertragungskcnnlinic der Kurve 32 entspricht, wird sich dct Arbcitspunkt 30 einstellen, und die Ausgnngsspiinnunf;

an der Ausgangsklemme 22 würde den positiven Wert V'o\ haben. Wenn andererseits die tatsächliche Übertragungskennlinie der Kurve 34 entspricht, stellt sich der Arbeitspunkt 40 ein, und an der Ausgangsklemme 22 resultiert eine negative Ausgangsspannung V'Oi.

Die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 22 gibt also sowohl den Betrag als auch die Verschiebung der Übertragungskennlinie bezüglich der ideal gelegenen Übertragungskennlinie 30 wieder. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann diese Spannung dazu verwendet werden, die Betriebspotentiale in der beschriebenen Weise so zu verschieben, daß die Ausgangsklemme 22 auf einem Ruhespannungswert gehalten wird, der nominell gleich der der Eingangsklemme 10 zugeführten Spannung ist.

Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Steuerklemme 50 einfach'mil der Ausgangsklemme 22 zu koppeln. Man erhält hierdurch eine Gegenkopplungsspannung zur Verschiebung der Betriebspotentiale an den Schaltungspunkten 20 und 24, die die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 22 derart zu ändern strebt, daß sie möglichst gleich der Bezugsspannung an der Eingangsklemme 10 wird.

Die Erfindung kann ferner dazu verwendet werden, die Ruhearbeitspunkte anderer entsprechender Verstärker zu steuern, indem die Steuerklemmen aller anderen Verstärker mit der Ausgangsklemme des Referenzverstärkers verbunden werden. Wenn die in den anderen Verstärkern verwendeten Transistoren gleichartige Eigenschaften wie die im Referenzverstärker verwendeten Transistoren haben, stellt die durch den Referenzverstärker erzeugte Ausgangsspannung ein geeignetes Mittel für die Kompensation der erläuterten Herstellungs- und Umwelteinflüsse dar. Gleichartige Eigenschaften kann man z. B. dadurch erreichen, daß man die Transistoren auswählt oder daß man die zusammengehörigen Verstärker auf einem geeinsamen Substrat als integrierte Schaltung ausbildet.

Fig.5 zeigt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Schaltungsanordnungen entsprechend F i g. 4 miteinander verbunden sind. Gleichartige Elemente sind in F i g. 4 und 5 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, denen jedoch zusätzlich noch ein bzw. zwei Akzente hinzugefügt wurden. Bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 5 sind die Schaltungspunkte 44' und 44" zusammen an eine Quelle für eine Spannung -I- V Die Schaltungspunkte 48' und 48" sind zusammen an eine Quelle für eine Spannung — V angeschlossen. Die Eingangsklemme 10' ist mit einer Quelle für eine Bezugsspannung, die Masse sein kann, gekoppelt. Die Ausgangsklemme 22' ist mit Steuerklemmen 50' und 50" gekoppelt. Die Eingangsklemme 10" dient zur Zuführung eines zu verstärkenden Eingangssignals; das verstärkte Ausgangssignal steht an einer Ausgangsklemme 22" zur Verfügung.

Die Eigenschaften entsprechender Transistoren eines vorgegebenen Leitungstyps sind gepaart. So hat also z. B. der P-Kanal-Transistor 60 Eigenschaften, die mit denen des P-Kanal-Transistors 60" übereinstimmen. In entsprechender Weise haben die Transistoren 14', und 14", die dem P-Typ angehören, gleiche Eigenschaften. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß der Transistor 14' vom P-Typ die gleichen Eigenschaften hat wie der Transistor 60' vom P-Typ, seine Eigenschaften müssen nur mit denen des Transistors 14" vom P-Typ übereinstimmen. Die Transistoren 14' und 18' bilden einen Referenzverstärker 70; die Transistoren 14" und 18" bilden einen Signalverstärker 72.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 arbeitet folgendermaßen: Nach dem Anlegen der Betriebsspannungen + V — V entsteht an der Ausgangsklemme 22' eine Spannung, die von der speziellen Übertragungskennlinie der zugeordneten Transistoren abhängt. Diese Ausgangsspannung wird auf die Steuerklemme 50' zurückgekoppelt, um die Betriebspotentiale, die dem Referenzverstärker 70 über die Schaltungspunkte 20' und 24' zugeführt werden, in einem solchen Sinne zu verschieben, daß der Unterschied zwischen der Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 22' und der Referenzspannung an der Eingangsklemme 10' verkleinert wird.

Das zu verstärkende Eingangssignal wird der Eingangsklemme 10' des Signalverstärkers 72 zugeführt. Dessen Steuerklemme 50" ist mit der Ausgangsklemme 22' des Referenzverstärkers 70 verbunden, so daß die Betriebspotentiale an den Schaltungspunkten 20" und 24" effektiv in einer solchen Weise verschoben werden, daß an der Ausgangsklemme 22" eine Ruhespannung entsteht, die im wesentlichen gleich der Ruhespannung an der Ausgangsklemme 22' ist.

Wegen der Übereinstimmung der Eigenschaften der Transistoren im Referenzverstärker 70 und Signalverstärker 72 ändert sich auch die Übertragungskennlinie des Signalverstärkers 72 wie die des Referenzverstärkers 70. Die Rückkopplung von der Ausgangsklemme 22' zur Steuerklemme 50' des Referenzverstärkers stabiüsert den Arbeitspunkt des Referenzverstärkers auf einen Wert, der in der Nähe des Wertes der Referenzspannung liegt, die der Eingangsklemme 10' zugeführt ist. Die gleiche Spannung stabilisiert in entsprechender Weise den Ruhearbeitungspunkt des Signalverstärkers 72.

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 5 ist typisch für das Prinzip. Der einzige stabilisierte Signalverstärker 72, der in Fig.5 dargestellt ist, kann in der Praxis durch zwei, drei oder eine größere Anzahl von Verstärkern erset2:t werden, die alle getrennte Eingangs- und Ausgangsklemmen haben und die alle mil den Steuerelektroden der den Transistoren 60" und 62" entsprechenden Transistoren mit der Klemme 50 verbunden sind.

Ein Signalverstärker, der wie der Signalverstärker 72 in Fig.5 auf seinen Ruhearbeitspunkt vorgespanni wird, hat eine Anzahl wesentlicher Vorzüge gegenübei Verstärkern, die in der bekannten Weise vorgespanni sind. Z. B. existiert kein Rückkopplungsweg von dei Signal-Eingangsklemme 10" zur Signal-Ausgangsklemme 22", wie er üblicherweise im Komplementärtransi· storverstärkern verwendet wird. Die Eingangsimpedans des vorliegenden Verstärkers ist daher hoch, es ist keine Gegenkopplung vorhanden, und Signalverstärker diesel Art können direkt gekoppelt werden.

Die in F i g. 5 gezeigte Kompensation zur Einstellung des Arbeitspunktes des Verstärkers kann dadurcf verbessert werden, daß man im Referenzverstärkertei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung einer zusätzlichen Verstärker verwendet. Der zusätzlich Verstärker kann ein weiterer Feldeffekttransistorver stärker, ein Operationsverstärker oder irgendein ande rer Gleichstromverstärker sein. Bei der in Fig.f dargestellten Schaltungsanordnung ist z. B. die Aus gangsklemme 22' des Referenzverstärkers 70 gemäl Fig.5 mit einer nicht invertierenden Eingangskiemmi 76 eines Verstärkers 74 gekoppelt. Die Ausgangsklem me 78 des Verstärkers 74 ist mit der Steuerklemme 50 verbunden. Der Verstärker 74 kann noch eine weiten

ίο

Eingangsklemme 80 aufweisen. Bei dieser Abwandlung des Referenzverstärkersteils gemäß Fig.5 dient der Verstärker 74 dazu, das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 22' (ohne Inversion) zu verstärken und das verstärkte Signal der Klemme 50' zuzuführen. Durch diese Verstärkung erhält man ein größeres Signal an der Steuerklemme 50' und damit eine weitgehendere Korrektur von Änderungen der Übertragungscharakteristik des Referenzverstärkers 70. Der zweiten Eingangsklemme 80 des Verstärkers 74 kann außerdem eine Versetzungs- oder Offsetspannung zugeführt werden, falls dies bei der betreffenden Anwendung erwünscht ist. Solche Versetzungsspannungen sind z. B. dann von Nutzen, wenn der Signalverstärker als Logikpegelumsetzer verwendet wird, um niederpegelige Logiksignale mit einem Bezugswert auf höherpegelige Signale mit einem anderen Bezugswert umzusetzen, z. 3. bei einer Kopplung von ECL- oder TTL-Logikschaltungen auf MOS-Logikschaltungen.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß Fig.4, die entweder als Referenzverstärker 70 oder als Signalverstärker 72 in F i g. 5 verwendet werden kann. Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 7 enthält zusätzliche, in Reihe geschaltete Verstärker, um den Verstärkungsgrad des Verstärkerteiles der Schaltungsanordnung zu erhöhen. Die Elemente der zusätzlichen Vorstärker sind mit Bezugszeichen bezeichnet, denen die Kleinbuchstaben »a« bzw. »b« angehängt sind. Die Transistoren 60, 14, 18 und 62 sind wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig.4 geschaltet. Außerdem ist die Eingangsklemme 10 des die Transistoren 14 und 18 enthaltenden Verstärkers mit einer Ausgangsklemme 22a eines Verstärkers mit Transistoren 14a und 18a gekoppelt. Dieser Verstärker hat eine Eingangsklemme 10a, die mit einer Ausgangsklemme 226 eines Verstärkers mit Transistoren 14b und 186 gekoppelt ist. Das Eingangssignal wird einer Eingangsklemme 106 dieses letzteren Verstärkers zugeführt. Die Schaltungspunkte 20,20a und 206 sind miteinander verbunden. Das Gleiche gilt für die Schallungspunkte 24,24a und 246.

Da eine gerade Anzahl von zusätzlichen Verstärkerstufen in Reihen- oder Kaskadenschaltung verwendet wurde, verursachen die zusätzlichen Verstärkerstufen im Endeffekt keine Signalinversion, und die Ausgangsklemme 22 kann mit der Steuerklemme 50 verbunden werden, um diese Schaltungsanordnung wie den Referenzverstärker 70 in Fig.5 zu betreiben. Wenn andererseits eine ungerade Anzahl zusätzlicher Stufen eingeschaltet worden wäre, ergäbe sich eine Signalinversion, und man müßte dann das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 22 vor der Zuführung zur Steuerklemme 50 invertieren, um die den Arbeitspunkt des Verstärkers stabilisierende Gegenkopplung beizubehalten.
F i g. 8 zeigt eine Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 7, die zusätzliche Transistoren 60a, 606,62a und 626 enthält. Der Kanal des Transistors 60a ist zwischen die Schaltungspunkte 44 und 20a gekoppelt. Der Kanal des Transistors 606 ist zwischen den Schaltungspunkt 44 und den Schaltungspunkt 206 gekoppelt. Die Steuerelektroden der Transistoren 60a und 606 sind zusammen an die Steuerklemme 50 angeschlossen. Der Kanal des Transistors 62a liegt zwischen dem Schaltungspunkt 48 und dem Schaltungspunkt 24a; der Kanal des Transistors 626 ist zwischen den Schaltungspunkt 48 und den Schaltungspunkt 246 geschaltet. Die Steuerelektroden 64a und 646 sind jeweils mit der Steuerklemme 50 verbunden. Die Schaltungspunkte 20a und 206, die in Fig. 7 beide an den Schaltungspunkt 20 angeschlossen waren, sind also in Fig. 8 voneinander getrennt. In entsprechender Weise sind die in F i g. 7 beide mit dem Schaltungspunkt 24 verbundenen Schaltungspunkte 24a und 246 bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig.8 voneinander getrennt.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 8 arbeitet im Prinzip wie die gemäß F i g. 7. Bei ersterer sind jedoch zusätzlich noch Transistoren in jeder Verstärkerstufe vorgesehen. Diese Transistoren gewährleisten eine bessere Trennung oder Unabhängigkeit der Verstärkerstufen als bei F i g. 7. Wie bei F i g. 7 kann man mehrere, hintereinandergeschaltete Verstärkerstufen verwenden, und die Schaltungsanordnung kann entweder als Referenzverstärker oder als Signalverstärker betrieben werden, wie es oben erläutert ist.

Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wurden Spannungsverschiebungsschaltungen (z. B. F i g. 3) verwendet, um vorspannungskompensierte Verstärker zu bilden. Selbstverständlich können die hier beschriebenen Spannungsver-Schiebungsschaltungen, z. B. die Spannungsverschiebungsschaltung gemäß F i g. 3, auch für andere Anwendungen verwendet werden, wo ein Ausgangssignal erzeugt werden soll, das von zwei Eingangssignalen abhängt, also diese gemeinsam repräsentiert. Die

*5 Schaltungsanordnung gemäß F i g. 4 kann z. B. ganz allgemein als Signalverschiebungs- oder Summierschaltung verwendet werden, indem man die Signaleingangsklemme mit einer äußeren Vorspannungsquelle verbindet und die Steuerklemme von außen auf ein ähnliches

so Niveau vorspannt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Komplementär Feldeffekttransistor-Verstärker mit zwei Feldeffekttransistoren (FET) entgegengesetzten Leitungstyps, deren Kanäle in Reihe zwischen zwei Betriebspotentialklemmen geschaltet sind und deren Steuerelektroden mit einer gemeinsamen Eingangsklemme verbunden sind, ferner mit einer Ausgangsklemme, die mit einem Punkt der Reihenschaltung zwischen den Kanälen der Transistören gekoppelt ist, und einer Betriebspotentialversorgungsschaltung, die an die Betriebspotentialklemmen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebspotentialversorgungsschaltung ein erstes spannungsgesteuertes Impedanzelement (42; P60) zwischen der einen Betriebspotentialklemme (20) und einem Schaltungspunkt (44) für ein erstes festes Potential, ferner ein zweites spannungsgesteuertes Impedanzelement (46; N62) zwischen der anderen Betriebspotential- M klemme (24) und einen Schaltungspunkt (48) für ein zweites festes Potential enthält, und daß die beiden Impedanzelemente (42, 46; P60, N62) durch die gleiche, von der Ausgangsklemme (22) abgenommene Steuerspannung gegensinnig gesteuert sind.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Impedanzelement aus einem dritten und einem vierten Feldeffekttransistor (P60, /V62) desselben Leitungstyps wie der erste bzw. zweite Transistor (PH, NiS) ^o bestehen und daß die Steuerspannung den Steuerelektroden des dritten und vierten Transistors zugeführt ist.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung von der Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme (22) gewonnen wird.

4. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem zweiten Verstärker (72, P60", N62") des gleichen Typs parallel zwischen die «o beiden Schaltungspunkte für das feste Potential (+ V, — V) geschaltet ist; daß die Eingangsklemme (10') des ersten Verstärkers mit einem Punkt festen Potentials verbunden ist; daß die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers dem ersten und zweiten Verstärker als Steuerspannung zugeführt ist und daß der Eingangsklemme (10") des zweiten Verstärkers ein Eingangssignal zugeführt ist.

5. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem zweiten Verstärker desselben Typs zwischen die Schaltungspunkte für das erste und das zweite feste Potential geschaltet ist; daß ein zu verstärkendes Signal der Eingangsklemme (XOb) des ersten Verstärkers zugeführt ist, daß die Ausgangsklemme des ersten Verstärkers direkt mit dem Eingang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist und daß den Verstärkern die gleiche Steuerspannung zugeführt ist.

6. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle zweier weiterer komplementärer Feldeffekttransistoren (14a, Ma) in Reihe miteinander der Reihenschaltung aus den Kanälen des ersten und zweiten Transistors (14, 18) parallel geschaltet sind, daß die Steuerelektroden der weiteren Feldeffekttransistoren (14a, Ma) mit einer ^ eigenen Eingangsklemme (10a,) verbunden sind, daß der einen der Eingangsklemmen (z. B. 10a) ein Eingangssignal zugeführt ist und daß die entsprechende Ausgangsklemme (z. B. 22a) mit der anderen Eingangsklemme (10) direkt gekoppelt ist.