DE2425973C3

DE2425973C3 - Komplementär-Feldeffekttransistor-Verstärker

Info

Publication number: DE2425973C3
Application number: DE2425973A
Authority: DE
Inventors: William Frederick Moorestown N.J. Gehweiler
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-06-01
Filing date: 1974-05-30
Publication date: 1985-12-05
Also published as: AT351593B; DK296374A; NL7407052A; CA999346A; US3914702A; DE2425973A1; SU588938A3; FI159774A; DD112044A5; CH578804A5; IT1012980B; ES426652A1; BE815832A; AR200785A1; SE7407180L; GB1460605A; DE2425973B2; AU474135B2; BR7404485D0; ATA450574A

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 V_Oi 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

ι^s 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 Erfindung kann ferner dazu verwendet werden,;

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
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Claims

Patentansprüche:

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).