DE2425973C3 - Komplementär-Feldeffekttransistor-Verstärker - Google Patents
Komplementär-Feldeffekttransistor-VerstärkerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Komplementär-Feldeffekttransistor-Verstärker
mit zwei Feldeffekttransistoren entgegengesetzten Leitungstyps, wie er im Oberbe-
i*1 griff des Anspruchs I vorausgesetzt ist.
Schaltungsanordnungen mit komplementären Feldeffekttransistoren
haben in großem Umfang Anwendung in digitalen Schaltwerken und l-ogikschaltungen gefunden.
Diese Schaltungen zeichnen sich durch hohe
w 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 aas anhaftet und es ermöglicht, eine außergewöhnlich hohe Anzahl nachfolgender Verknüpfungsschaltwerke od. dgl. anzusteuern.
Aus der Zeitschrift »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Band 11, Nr. 7 vom Dezember 1968, Seite 812, ist
JO eine mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren aufgebaute logische Brückenschaltung bekannt, die als Doppeloder
Zwcikanalbrücke geschaltet ist. Die beiden Kanäle sind jeweils wie übliche Brücken geschaltet, bestehen
also aus zwei parallclgcschaltclcn Zweigen, in denen
ls jeweils die Kanäle zweier Feldeffekttransistoren in Reihe
geschaltet sind, und im Qucrzwcig liegt ebenfalls der Kanal eines Feldeffekttransistors. Sämtliche fünf Transistoren
sind hier P-Kanal-Fcldcffektlransistoren. Der
untere Kanal isl in gleicher Weise, jedoch mit N-Kanal-
■"' Feldeffekttransistoren aufgebaut. Beide Teilbrücken liegen
in Reihe zwischen den Anschlüssen einer Betricbsspannungsquelle.
Bei entsprechender Zuführung von fünf verschiedenen Logiksignalen an die Steuerelektroden
der Transistoren läßt sich eine bestimmte Logik-
«5 funktion realisieren, wobei das entsprechende Ausgangssignal an der mittleren Verbindungsstelle der beiden
Teilbrücken abnehmen läßt. Eine weitere Digitalschaltung ist im »Digest of Technical Papers« 1973,
IEEE International Solid-State Circuits Conference, Seiten
58/59, erläutert, wo Fig.l zwei Versionen eines getakteten CMOS-Inverters veranschaulicht. Hierbei sind
die Kanäle von vier Isolierschicht-Feldeffekttransistoren in Reihe zwischen zwei Betriebsspannungsklemmen
geschaltet und die Steuerelektroden der beiden mittle-
S1> reu Transistoren sind zu einer Eingangsklemme zusammengeschallel,
während ihre zusammcngcschaltctcn Kanalcnden den Ausgang bilden. Die einer Bclricbsspannungsklemme
benachbarten Transistoren sind jeweils vom gleichen Leilungstyp, welcher cntgegenge-
'·" M1IzI /um 1 ,cilim^siyp der heiden linderen Transistoren
isl. An der Ausgaiigsklemme sind also die Drainclcktrode
des einen mit der Sourccelcktrodc des anderen Transistors zusammengeschaltet. Den Steuerelektroden der
beiden unmittelbar an die Betriebsspannungsklemmen
'>s geschalteten äußeren Transistoren werden komplementäre
Taktimpulse zugeführt.
Es ist auch bekannt, beispielsweise durch den Aufsatz »Micropower Crystal-Controlled Oscillator Design,
iO
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 Verstarker
haben sich jedoch in Analogschallungen 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-Ausgangs-Obertragungsfunktion eines solchen Verstärkers, in dem sich das Ausgangssignal in
Abhängigkeit von Eingangssignalschwankungen we- ι*
sentlich 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 Verknüpfungsschahungen 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 Exemplar- js
streuung 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-Verslärker 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 Herstellungs- als 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.
mi
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65
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Komplementär-FET-reldeffekttransistorverstärker so vorzuspannen, daß der Arbeitspunkt
des Verstärkers Änderungen der Umgebungsbedingungen i-nd normale Herstellungsschwankungen automatisch korrigiert. Insbesondere soll ein solcher Verstärker
angegeben werden, der als integrierte Scluillung ohm·
Kui'kkopplungswidcrsiiliklc hergestellt werden kniiii.
Diese Aufgabe wird durch die im Kcnu/.cieheiileil 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-t-'ET- Verstärkers;
Fig.2 ein Schaltbild der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Verstärkers gemäß Fig. 1;
F i g. 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;
Fig.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 F i g. 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 Stromstreckc, also der 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.
Im Betrieb wird einem Verstärker mit Transistoren
des dargestellten Typs über den Schaltungspunkt 20 ein Betriebspotential Vi zugeführt, das positiv im Vergleich
zu einem Betriebspotential Vi am Schaltungspunkt 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-lsolierschichtfcldeffckttransisior ist, neigt der Widerstuiulswcrt seines Kanals
dazu, abzunehmen, wenn die seiner Steuerelektrode 16
zugeführte Spannung (die größer als Vi ist) zunimmt.
Wenn in entsprechender Weise der FCT 14 ein P-Kanal-Anreicherungs-Isolimehichtfcldcffcktlransistor ist, neigt der Widerstand seines Kanals zum
Abnehmen, wenn die Spannung (die kleiner ist als V2) an
seiner Steuerelektrode 12 abnimmt. Da die Steuerclcktroden 12 und 16 beide mit der Eingangsklemme 10
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 F i g. 1 dargestellt. Die Ausgangsspannung
VWr an der Ausgangsklemme 22 ändert sich
in Abhängigkeit von der Eingangsspannung V//y 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 Bctriebspotentialen 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 Übertragungskennlinic verursachen, gehören Unterschiede
in der Geometrie der FET's 14 und 18, Unterschiede in den Trägerbeweglichkeiten der Transistoren
und unvermeidliche Strukturunterschiede in den Transistoren, 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. 2 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. elektrostatische 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 Übertragungskennlinic wie die in
F i g. 2 dargestellte Übertragungskennlinie 30 hat und daß 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 Übertragungskennlinie 30. Die Neigung der Übertragungskennlinie
30 im Arbeitspunki 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
Herstellungs- 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 VOi bzw.
V01. Da die Steigung der Übertragungskennlinie 32
bzw. 34 im Arbeitspunkt 38 bzw. 40 kleiner ist als die Steigung der Übertragungskennlinic 30 im Arbcilspunkl
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 Arbeitspunki 36. Mit anderen Worten werden durch die
unerwünschte Verschiebung ilor Übertragungskennlinie
sowohl der Verstärkungsfaktor als auch der Aussteuerungsbereich verringert
Man beachte, daß der Betriebszustand, der durch eine
Ausgangsspannung Voi 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 F i g. 1
^ dem Arbeitspunkt 42, 36 oder 44. Dieser Arbeitspunkt
ίο' 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
ιs der Ruhespannung an der Eingangsklemme 10 ist.
Die mit einer Sparsnursgsverschiebup.g arbeitende
Schaltungsanordnung gemäß Fig.3 enthält den bekannten
Verstärker gemäß F i g. 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 geschaltet ist. Eine weitere veränderliche Impedanzanordnung 46 ist
zwischen den Schaltungspunkt 24 und einen Schaltungspunkt 48 geschaltet. 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
Λ5 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
4(i festen Potential eines relativ negativen Wertes gehalten
werde und daß die Eingangsklemme 10 auf einem Bezugspegel, wie Masse, gehalten werde. Es sei ferner
angenommen, daß sich die Impedanz der veränderlichen
Impedanzanordnung 42 direkt mit einer der Steuerklemme 50 zugeführten Steuerspannung andere und daß
sich die Impedanz der veränderlichen Impedanzanordnung 46 invers zur Steuerspannung an der Steuerklemme
50 ändere. Wenn die Spannung an der Steuerklemme 50 zunimmt nimmt also die Impedanz der
veränderlichen Impedanzanordnung 46 ab, während die der veränderlichen Impedanzanordnung 42 zunimmt
Dies hat die Wirkung, daß die Potentiale an den Schaltungspunkten 24 und 20 in Richtung auf das feste
Potential am Schaltungspunkt 48 verschoben werden.
Wenn andererseits die der Steuerklemme 50 zugeführte Spannung abnimmt, werden die veränderlichen Impedanzanordnungen
42 und 46 die Betriebsspannungen an den Schaltungspunkten 20 und 24 im Effekt in Richtung
auf das feste Betriebspotentiai am Schaltungspunkt 44
Ni verschieben.
Da der bekannte Verstärker gemäß Fi g. 1, wie oben erläutert wurde, eine Ausgangsspannung liefert die
durch das Widerstandsverhältnis der Transistoren 14 und 18 und die Betriebspotentiale an den Schaltungspunkten
20 und 24 bestimmt wird, und da diese Betriebspotentiale durch die der Steuerklemme 50
zugeführte Spannung beeinflußt werden, folgt, daß die
Spannung an der Ausgangsklemme 22 durch geeignete
Änderung der der Steuerklemme 50 zugeführten Spannung auf einen gewünschten Wert gebracht
werden kann, wie gleich erläutert werden wird.
F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die Funktion der in Fig.3 in Blockform dargestellten
veränderlichen Impedanzanordnungen durch Feldeffekttransistoren ausgeübt wird. Bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 4 ist der Kanal eines Feldeffekttransistors 60 vom P-Typ zwischen die Schaltungspunkte 44 und 20 geschaltet Der Kanal eines Feldeffekttran- κι
sistors 62 vom N-Typ ist zwischen die Schaltungspunkte 48 und 24 geschaltet Die Steuerelektrode 24 des FET 62
und die Steuerelektrode 66 des FET 60 sind mit der Steuerklemme 50 verbunden. Die Schaltungsanordnung
gemäß F i g. 4 arbeitet, wie es oben für die Spannungs- ί
Verschiebungsschaltung gemäß F i g. 3 erläutert wurde. Eine der Steuerklemme 50 zugeführte Steuerspannung
wird eine komplementäre Änderung der Impedanzen der Kanäle der FET's 60 und 62 in Abhängigkeit von der.
Steuerspannung an der Steuerklemme 50 bewirken. 2» Hierdurch werden wiederum im Effekt die Betriebspotentiale an den Schaltungspunkten 20 und 24 der
bekannten Verstärkerschaltung in der erläuterten Weise verschoben.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung der in Fig.4
dargestellten Art wie folgt als Referenzverstärker verwendet: Angenommen, den Schaltungspunkten 44
und 48 werde eine positive bzw. negative Spannung gleichen Betrags zugeführt und die Eingangsklemme 10
werde auf einem Bezugspotential, wie Masse, gehalten. Die Transistoren 14 und 18 arbeiten wie der bekannte
Verstärker gemäß F i g. 1 mit einer Übertragungskennlinie, wie sie in Fig.2 dargestellt ist An der
Ausgangsklemme 22 wird dann eine Ausgangsspannung auftreten, deren Wert von der Übertragungskennlinie
des Verstärkers abhängt Wenn z. B. die tatsächliche Übertragungskennlinie der Kurve 30 in Fig.2 entspricht, wird sich der Arbeitspunkt 36 einstellen, und es
wird sich die Ausgangsspannung ν0) (Fig.2) ergeben, 4ii
die unter den angenommenen Voraussetzungen gleich Massepotential ist Wenn andererseits die Übertragungskennlinie der Kurve 32 entspricht wird sich der
Arbeitspunkt 38 einstellen, und die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 22 würde den positiven Wert
V'oi 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"0|.
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 mit der Ausgangsklemme 22 zusammenzuschalten. 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 Riihcurbeilspunkic 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.
F i g. 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 Fig.5 sind die Schaltungspunkte 44' und 44" zusammen an eine Quelle
für eine Spannung + 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 Ubertragungskennlinie der zugeordneten Transistoren abhängt Diese
Ausgangsspannung wird auf die Steuerklemme 50' zurückgekoppeit, um die Betriebspotentiaie, 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.
Pas 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 Schaltungspunktcn 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 Signalver-
ίο
stärker 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 stabilisert 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 Fig.5 ist typisch für das Prinzip. Der einzige stabilisierte Signalverstärker
72, der in F i g. 5 dargestellt ist, kann in der Praxis durch zwei, drei oder eine größere Anzahl von
Verstärkern ersetzt werden, die alle getrennte Eingangs- und Ausgangsklemmen haben und die alle mit
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 vorgespannt
wird, hat eine Anzahl wesentlicher Vorzüge gegenüber Verstärkern, die in der bekannten Weise vorgespannt
sind. Z. B. existiert kein Rückkopplungsweg von der Signal-Eingangsklemme 10" zur Signal-Ausgangsklemme
22", wie er üblicherweise im Komplementärtransistorverstärkern verwendet wird. Die Eingangsimpedanz
des vorliegenden Verstärkers ist daher hoch, es ist keine Gegenkopplung vorhanden, und Signalverstärker dieser
Art können direkt gekoppelt werden.
Die in F i g. 5 gezeigte Kompensation zur Einstellung des Arbeitspunktes des Verstärkers kann dadurch
verbessert werden, daß man im Referenzverstärkerteil der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung einen
zusätzlichen Verstärker verwendet Der zusätzliche Verstärker kann ein weiterer Feldeffekttransistorverstärker,
ein Operationsverstärker oder irgendein anderer Gleichstromverstärker sein. Bei der in Fig.6
dargestellten Schaltungsanordnung ist z. B. die Ausgangsklemme 22' des Referenzverstärkers 70 gemäß
F i g. 5 mit einer nicht invertierenden Eingangsklemme 76 eines Verstärkers 74 gekoppelt Die Ausgangsklemme
78 des Verstärkers 74 ist mit der Steuerklemme 50' verbunden. Der Verstärker 74 kann noch eine weitere
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
Logikpegclumsctzcr verwendet wird, um niederpegeligc
Logiksignale mit einem Bezugswert auf höherpegelige Signale mit einem anderen Bezugswert umzusetzen,
z. B. bei einer Kopplung von ECL- oder TTL-Logikschaltungcn
auf MOS-Logikschaltungcn.
F i g. 7 zeigt eine Abwandlung der Schaltungsanordnung
gemäß F i g. 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 F i g. 4 geschaltet Außerdem ist die Eingangsklemme 10 des die Transisto. cn 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 22b eines
Verstärkers mit Transistoren 14f>und 18b gekoppelt ist Das Eingangssignal wird einer Eingangsklemme 10b
dieses letzteren Verstärkt s zugeführt. Die Schaltungspunkte 20,20a und 20b sind miteinander verbunden. Das
Gleiche gilt für die Schaliungspunkte 24,24a und 24b.
Da eine gerade Anzahl von zusätzlichen Verstärker-
■ stufen in Reihen- oder Kaskadenschaltung verwendet wurde, verursachen die zusätzlichen Verstärkerstufen
2« 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 ■.·.-.
Ausgangsklemme 22 vor der Zuführung zur Steuerklemme 50 invertieren, um die den Arbeitspunki des
Verstärkers stabilisierende Gegenkopplung beizubehal-
3« ten.
F i g. 8 zeigt eine Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 7, die zusätzliche Transistoren 60a,
60b, 62a und 62b enthält. Der Kanal des Transistors 60a ist zwischen die Schaltungspunkte 44 und 20a gekoppelt
Der Kanal des Transistors 60b ist zwischen den Schaltungspunkt 44 und den Schaltungspunkt 20b
gekoppelt Die Steuerelektroden der Transistoren 60a und 60b 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 62b ist zwischen
den Schaltungspunkt 48 und den Schaltungspunkt 24b geschaltet Die Steusrelektroden 64a und 64b sind
jeweils mit der Steuerklemme 50 verbunden. Die Schaltungspunkte 20a und 20b, die in F i g. 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 24b bei der
Schaltungsanordnung gemäß Fig.8 voneinander getrennt
Die Schaltungsanordnung gemäß F ι g. 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
wi als Referenzverstärker oder als Signalverstärker betrieben
werden, wie es oben erläutert ist
Bei den bevorzugten Ausfühningsbeispielen der
vorliegenden Erfindung wurden Spannungsverschiebungsschaltungen (z. B. F i g. 3) verwendet, um vorspan-
f>5 nungskompensierte Verstärker zu bilden. Selbstverständlich
können die hier beschriebenen Spannungsverschiebungsschaltungen, z.B. die Spannungsverschiebungsschaltung
gemäß F i g. 3, auch für andere Anwen-
24 25 973
U düngen verwendet werden, wo ein Ausgangssignal erzeugt werden soll, das von zwei Eingangssignalen abhängt, also diese gemeinsam repräsentiert Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 4 kann z. B. ganz allgemein als Signalverschiebungs- oder Summierschnl· s lung verwendet werden, indem man die Kigiiulcingungv klcmmc mit einer äußeren Vorspannungsquelle verbin det und die Steucrklemme von außen auf ein ähnliches Niveau vorspannt. IO |
15 | 12 | |
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen | 20 | ||
25 | |||
30 | |||
i | 35 | ||
40 | |||
45 | |||
50 | |||
55 | |||
60 | |||
•ί | 65 | ||
1:7
fi "Sl |
|||
K | |||
Claims (6)
1. Analogverstärker mit zwei komplementären Feldeffekttransistoren (FET) entgegengesetzten
Leitungstyps, deren Kanäle in Reihe zwischen zwei Betriebspotentialklemmen geschaltet sind und deren
Steuerelektroden mit einer gemeinsamen Eingangsklemme verbunden sind, welcher solche Signale zugeführt
werden, daß die beiden Transistoren gleichzeitig leitend vorgespannt sind, ferner mit einer Ausgangsklemme,
die mit einem Punkt der Reihenschaltung zwischen den Kanälen der Transistoren verbunden
isl um! von der eine (legenkoppliingsschaliuiig
ausgeht, und mil einer Ueiricbspoientialversorgiingsschahuug.
die an die Betriebspotenlialklemnteu angeschlossen isl, dadurch ^ e k e *i η /eich
η el. da U zur Arbeilspuiiklregeliing des
Verstärkers die Belricbspoientialversorgungssehallung
ein erstes spannungsgcsleucrlcs Inipedanzclement
(42; P60) zwischen der einen Betriebspotentialklemme (20) und einem Schaltungspunkt (44) für
ein erstes festes Potential, ferner ein zweites spannungsgesteuertes Impedanzelement (46; /V62) zwischen
der anderen Betriebspotentialklemme (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 Rückführungsspannung gegensinnig gesteuert sind.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Impedanzelemenl
aus einem dritlcn und einem vierten Feldeffekttransistor (P€O, N 62) desselben Lcitungslyps
wie der erste bzw. zweite Transistor (P 14, N18)
bestehen und daß die Riickführungsspannung den Steiierclcktrodcn des dritten und viericn Transistors
zugeführt ist.
J. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dall die Kiickfülirungsspaniuing von der
Alisgangsspannung an der Ausgangsklemme (22) gewonnen wird.
4. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem zweiten Verstärker (72,
P 60", N62") des gleichen Typs parallel zwischen die
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 Stabilisierungsspannung zugeführt ist
und daß der Eingangsklemme (10") des zweiten Verstärkers ein Eingangssignal zugeführt isl (F i g. 5).
5. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem zweiten Verstärker
desselben Typs zwischen die Schaltungspunkle für das erste und das zweite feste Potcnlial geschaltet
ist; daß ein zu verstärkendes Signal der Eingangskleninie
(10/»J des ersten Verstärkers zugeführt ist, diil) die Aiisniiu^.sklcmnic des ersten Verstärkers
direkt um dem Miugnng des /weilen Verstärkers
gekoppelt isl und daß den Verstärkern die gleiche, Rüekführungsspannung zugeführt isl (F i g. 8).
6. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanäle zweier weiterer komplementärer Feldeffekttransistoren (14a, \Sa) 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, tSa) mit einer
eigenen Eingangsklemme (iOa) verbunden sind, daß
der einen der Eingangsklemmen (z.B. ICa) ein
Eingangssignal zugeführt ist und daß die entsprechende Ausgangsklemme (z. B. 22a) mit der anderen
Eingangsklemme (10) direkt gekoppelt ist (F i g. 7).
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