DE2615553C3 - Schwellenschaltung mit Hysterese - Google Patents

Schwellenschaltung mit Hysterese

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwellenschaltung mit Hysterese, die mindestens zwei komplementäre Transistoren und einen Ausgangstransistor enthält und bei der die Basiszone jedes komplementären Transistors direkt mit der Kollektorzone des anderen Transistors verbunden ist.
S Es sind integrierte logische Schaltungen unter der Bezeichnung »DCTL-Schaltungen« (kurz für »direct coupled transistor logic«) bekannt, deren Basiselement ein gesteuerter Transistor ist, der in gemeinsamer Emitterschaltung angeordnet ist und dessen Basisstrom über einen Widerstand injiziert wird. Unter der Bezeichnung I2L (= injected integrated logic) sind ebenfalls verbesserte Schaltungen der genannten Art bekannt, nach welcher Verbesserung der Strom in die Basiszone mittels eines Transistors injiziert wird, der zu
iS dem in gemeinsamer Basisschaltung angeordneten gesteuerten Transistor komplementär ist
Diese Schaltungen zeichnen sich durch sehr niedrige Betriebsspannungen und sehr niedrige Betriebsströme aus; die genannten niedrigen Betriebsspannungen machen diese Schaltungen besonders empfindlich für Störsignale, und es ist erforderlich, die Störunempfindlichkeit dieser Schaltungen möglichst zu verbessern, vor aiiem im Faii der zwischen Gehäusen angebrachten Verbindungen, die beträchtliche Störsignale herbeiführen.
Ein bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Störunempfindlichkeit in logischen Schaltungen, die mehrere Funktionselemente enthalte:!, besteht in der Anordnung einer Schwellenschaltung mit Hysterese,
z. B. am Eingang eines derartigen Funktionselements, die Signale mit steilen Vorderflanken erzeugt, wenn das Eingangssignal z. B. eine ansteigende oder z. B. eine abfallende Schwelle überschreitet, wobei die genannten Schwellen durch ein Intervall getrennt werden, das die Hysterese bestimmt. Die Störunempfindlichkeit ist dann einerseits der Unterschied zwischen dem niedrigen logischen Pegel und der ansteigenden Schwelle und andererseits der Unterschied zwischen dem hohen logischen Pegel und der abfallenden Schwelle, wobei die ansteigende Schwelle erheblich höher liegt als die abfallenden Schwelle.
Die Schwellenschaltungen mit Hysterese vom bekannten Typ, z.B. eine Schmitt-Kippschaltung, enthalten aber Widerstände und sind mit den integrierten Schaltungen mit Strominjektoren nicht kompatibel. Die Spannungsabfälle, die am Ladewiderstand erforderlich sind, würden es nämlich notwendig machen, Widerstände mit zu hohen ohmschen Werten zu verwenden, wenn die Betriebsströme in der Größenordnung von Nancamperes berücksichtigt werden. Außerdem soll die Schaltung zur Verbesserung der Störunempfindlichkeit keine Zeitkonstante einführen, die die Vorteile in bezug auf die Betriebsgeschwindigkeit und die Verlustleistung dieser Schaltungen beseitigen würde.
Ein anderer wichtiger Vorteil der Schaltungen mit Strominjektoren ist die sehr hohe Packungsdichte der Teile pro Oberflächeneinheit, wodurch es möglich wird, auf einem und demselben Kristall eine Vielzahl von Funktionselementen anzubringen. Die Einführung von Schmitt-Kippschaltungen von. bekannten Typ würde die Bedeutung derartiger Schaltungen sehr stark verringern.
Die Erfindung bezweckt insbesondere, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu beseitigen und eine Schwellenschaltung mit Hysterese zu schaffen, die den Anforderungen entspricht, die mit den integrierten Schaltunger mit Strominjektion kompatibel sind und die es ermöglichen, die Störunempfindlichkeit der
genannten Schaltung zu verbessern.
Weiter bezweckt die Erfindung, eine Schweilenüchaltung mit Hysterese zu schaffen, mit der eine große Störunempfindlichkeit in eine Schnittstelle zwischen Schaltungen mit Strominjektion oder zwischen einer T TL-Schaltung einerseits und einer Schaltung mit Strominjektion andererseits erhalten wird, wobei die genannten Schaltungen auf verschiedenen Halbleiterscheiben oder zwischen einer mechanischen Vorrichtung und einer PL-Schaltung gebildet sind.
Nach der Erfindung ist eine Sch wellenschal tu ng mit Hysterese, die mindestens zwei komplementäre Transistoren und einen Ausgangstransistor enthält und bei der die Basiszone jedes komplementären Transistors direkt mit der Kollektorzone des anderen Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone des ersten komplementären Transistors mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist und die Kollektorzone des zweiten komplementären Transistors direkt die Basiszone eines Ausgangstransistors mit Strominjektion vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite komplementäre Transistor steuert, und daß die Emitterzone dieses zweiten Transistors und die Emitterzone des Ausgangstransistors direkt mit dem gemeinsamen Bezugspunkt der Spannungen verbunden sind.
Die Betriebsspannungen und die Betriebsströme sorgen dafür, daß die Vorrichtung mit den logischen Schaltungen mit Strominjektion kompatibel ist Die Hysterese wird nämlich auf folgende Weise erzielt, wobei die Wirkung einer Schaltung mit einem npn-Ausgangstransistor beispielsweise an Hand des Schaltbildes nach F i g. 1 der Zeichnungen beschrieben wird. Fig.2 ist ein Diagramm des Hystereseeffektes, der erhalten werden kann.
In F i g. 1 bezeichnet 71 und T2 komplementäre Transistoren, während Ts den Ausgangstransistor der Schaltung bezeichnet, der vom npn-Typ ist Der Eingang der Schaltung ist der Punkt A, während R ein Widerstandselement darstellt, über das das Eingangssignal zugeführt wird. Die Kollektorzone Q des Transistors Ti ist mit der Basiszone ft des Transistors Ti verbunden, wi'.hrend die Kollektorzone C1 des Transistors T1 mit der Basiszone B\ des Transistors Ti verbunden ist. Der Transistor Tj ist mit einem Strominjektor /, z. B. einem Transistor, versehen. Der Ausgang 5 der Schaltung wird durch die Kollektorzone Cj des Transistors Ts gebildet, während die Emitterzone Ei des Transistors Ti und die Emitterzone Ej des Transistors Ts an Vo, d. h. Erde, liegen.
Wenn die Eingangsspannung Va am Punkt A etwa gleich Null ist, führt der komplementäre Eingangstransistor Ti vom npn-Typ keine,. Strom infolge der Tatsache, daß dieser Transistor nicht gespeist wird. Der andere komplementäre Transistor T1 vom npn-Typ wird ebenfalls nicht gespeist und führt somit keinen Strom. Wenn die zwei Transistoren Ti und T1 nichtleitend sind, kann der vom Strominjektor / des Transistors Tj injizierte Strom nur über diesen Transistor Tj passieren. Die Spannung, die zwischen der Kollektorzone Cj und der Emitterzone Ej des Ausgangstransistors vorhanden ist und den Pegel am Ausgang .S bestimmt, ist minimal. Wenn die Eingangsspannung Va größer wird, wird der Transistor Ti leitend, wenn die Spannung zwischen der Basiszone B\ dieses Transistors und dem Punkt A die innere Spannung VRE\ des Emitter-Basisüberganges dieses Transistors Ti überschreitet. Da die zwei Transistoren T, und T3 gegensinnig geschaltet sind und entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen aufweisen, sollen die zwei inneren Spannungen Vbe\ und
zueinander addiert werden. Wenn die Eingangsspannung Va also den Wert Vbe\ + V,,E3 = V* j erreicht, wird der Transistor Tj leitend und speist den Transistor T2, der ebentalls leitend wird, wodurch die Spannung an aer Basiszone Bj des Ausgangstransistors T3 auf den Wert der inneren Spannung Ve« zwischen der Kollektorzone Ci und der Emitterzone Ei des Transistors Ti herabgesetzt und der Transistor Tj nichtleitend wird.
ίο Die Ausgangsspannung Vssteigt auf einen hohen Pegel Vs2 an. Auf diese Weise bildet der Eingangsspannungswert
VbEI+ Vfl£3= V42
eine ansteigende Schwelle, die den Übergang der Ausgangsspannung Vs von einem niedrigen Pegel Vs ι zu einem hohen Pegel Vs2 bestimmt
Wenn die Eingangsspannung Va von einem die
ansteigende Schwelle V«2 überschreitenden Wert annimmt, ändert sich der Zustand des Systems nicht solange diese Eingangsspannung höher als der Wert
Vbe\+ VC£2=l..;l
bleibt, unterhalb dessen das durch die komplementären Transistoren gebildete Gefüet; nicht mehr leitend sein kann. Der Eingangsspannungswert
(oder der nahezu äquivalente Wert Vce\ + Vbei der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors Ti zuzüg lieh der inneren Spannung des Basis-Emitter-Überganges des Transistors T2) bildet auf diese Weise eine abfallende Schwelle, die den Übergang der Ausgangsspannung von dem hohen Pegel Vs2 zu dem niedrigen Pegel Vs ι bestimmt wobei das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt
Der Unterschied zwischen der ansteigenden Schwelle und der abfallenden Schwelle ist:
(Vbe\ + VBEj)-
VCE1)= VBEj- VCE
Es ist bekannt daß bei Bipolartransistoren, die in einer Siliciumscheibe durch für die üblichen integrierten Schaltungen verwendeten Techniken hergestellt sind, der Wert einer Spannung Vbe eines leitenden Transistors etwa 0,7 V, der Wert einer Spannung Vce etwa 0,2 V und somit der »Abstand« zwischen den Schwellen oder die »Breite« der Hysterese der in Jer Siliciumscheibe hergestellten integrierten Schaltung etwa 0,5 V beträgt. Da die Ein- und Ausgangsspannungep der Schaltung in bezug auf Schaltungen mit Strominjektion und entsprechend logischen Spannungshüben etwa 2 V betragen, ist die Störunempfindlichkeit, die durch die Schaltung erzielt wird, verhältnismäßig bedeutend, welche Unempfindlichkeit mit Hilfe einer Mindestzahl an Einzelteilen erhalten wird.
Der Eingangswiderstand, der in F i g. 1 mit R bezeichnet wird, kann auf einfache Weise durch den Innenwiderstand der das Eingangssignal liefernden Quelle gebildet werden oder zumindest in der Schaltung des höher liegenden Eingangsteils der Vorrichtung integriert sein.
Wenn es sich um eine integrierte Schaltung handelt, ist der Eingangstransistor vom pnp-Leitfähigkeitstyp, während der zu diesem Transistor xomplementäre Transistor sowie der Ausgangstransistor vom npn-Typ sind. Auf diese Weise ist die Vorrichtung mit I2L-Schaltungen d<s auf übliche Weise hergestellten Art kompatibel.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der pnp-Eingangstransistor ein flacher Transistor mit lateraler Struktur, der durch planare Diffusion in einer gegen einen Siliciumkristall isolierten Insel gebildet wird, während der komplementäre npn-Transistor ein planarer Transistor mit vertikaler Struktur ist, der durch dieselbe Technik erhalten wird, während einerseits die Basiszone des pnp-Transistors und die Kollektorzone des npn-Transistors zusammen ein einziges Gebiet und andererseits die Basiszone des npn-Transistors und die kollektorzone des pnp-Transistors zusammen ebenfalls ein einziges Gebiet bilden. Die Trennung zwischen den genannten Gebieten ist ein pn-übergang. Das Gebilde der beiden komplementären Transistoren wird in derselben Insel hergestellt, die durch einen pn-Übergang isoliert ist, wobei der Ausgangstransistor und sein Injektor in einer benachbarten Insel gebildet sind, während die Verbindung zwischen der Kollektorzone des komplementären npn-Transistors und der Basiszone des Ausgangstransistors mittels einer Leiterbahn an der Oberfläche der Scheibe hergestellt wird. Das Gebilde der Vorrichtung kann zugleich mit anderen Elementen logischer Schaltungen in ein und derselben Scheibe hergestellt werden. Die Anzahl und die Komplexität der durchzuführenden Vorgänge werden nicht vergrößert.
Ks ist vorteilhaft, wenn das Element zum Injizieren von Ladungsträgern in die Basiszone des Ausgangstransistors ein planarer pnp-Transistor mit lateraler Struktur ist, dessen Kollektorzone durch die Basiszone des Ausgangstransistors gebildet wird, wobei der letztere Transistor eine invertierte vertikale Struktur mit einer durch die Basiszone des lateralen npn-lnjektionstransistors gebildeten Emitterzone aufweist. Da diese Anordnung der I2L-Technik entspricht, weist diese Anordnung alle dieser Technik anhaftenden Vorteile auf.
Auf analoge Weise kann der Injektor des Ausgangstransistors ein planarer Transistor mit lateraler Struktur sein, der isoliert ist und dessen Basiszone eine konstante Spannung aufweist.
Es ist einleuchtend, daß der die oben beschriebene Struktur aufweisende Ausgangstransistor mehrere Kollektorzonen besitzen kann, wobei diese Zonen durch verschiedene, in die Basiszone eindiffundierte Zonen gebildet werden.
Nach einer günstigen Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Hauptstrombahn eines ergänzenden Transistors mit Injektor vom gleichen Typ wie der zweite komplementäre Transistor zu dem Basis-Emitter-Übergang dieses zweiten Transistors parallel geschaltet
Der Transistor mit Injektor, der vorzugsweise stets leitend ist führt den vom ersten komplementären Transistor gelieferten Strom ab, sobald der letztere Transistor bei zunehmender Eingangsspannung leitend wird. Der zweite komplementäre Transistor wird nur leitend, wenn der vom ersten komplementären Transistor gelieferte Strom den zusätzlichen Transistor mit Injektor aus dem Sättigungszustand führt Auf diese Weise wird eine höhere ansteigende Schwelle und dadurch ein größerer »Abstand« zwischen den Schwellen sowie eine bessere Störepdl'ichkeit erhalten. Obendrein wird der Obergang des zweiten komplementären Transistors von dem leitenden zu dem nichtleitenden Zustand beschleunigt, wobei die in der Basiszone gespeicherten Ladungen «^"»" über den zusätzlichen Transistor mit Injektor abgeführt werden.
Vorzugsweise weist der zusätzliche Transistor nrit
Injektion eine Struktur vom I2L-Typ auf.
Die Erfindung läßt sich insbesondere bei logischen Schaltungen anwenden, deren Signale sehr geringen Spannungshüben entsprechen. Die Struktur hat sich insbesondere bei Anwendung für Schaltungen vom I2L- oder vom DCTL-Typ, insbesondere in Verbindungen zwischen den Gehäusen dieser Schaltungen, bewährt.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig.3 einen teilweisen schematischen Schnitt längs der Linie Ill-Ill durch eine Schaltung nach der Erfindung,
F i g. 4 eine Draufsicht auf die Schaltung nach F i g. 3 und schließlich
Fig. 5 ein Schaltbild einer mit einem zusätzlichen Transistor mit Injektor ergänzten Schaltung.
Eine planare Struktur vom I2L-Typ einer Schaltung nach der Erfindung wird an Hand der Fig. 3 und 4 beschrieben, wobei der Injektor des Ausgangstransisiors uun.ii einen lateralen ρπρ Transistor gebildet ^vir·.!.
Ein p-leitendes Siliciumsubstrat 31 ist mil einer η-leitenden epitaktischen Schicht 32 überzogen. Diese Schicht 32 enthält isolierte Inseln, die mittels eines Netzwerks von Isolierzonen 35 vom p + -Leitfähigkeitstyp gebildet werden. Der Boden der Inseln wird durch die vergrabenen Schichten 33 vom η+ -Leitfähigkeitstyp gebildet. In die Insel 34 sind p-leitende Gebiete eindiffundiert. Ein Gebiet Ei bildet die Emitterzone des Eingatve-stransistors Ti, dessen Basiszone B\ von der Insel 34 begrenzt wird, während ein Gebiet Ct, das die Kollektorzone desselben Transistors Ti bildet, zugleich die Basiszone Bi des npn-T'rar.jistors T2 bildet. Die Kollektorzone dieses Transistors T2 wird von der Insel 34 begrenzt.und die Emitterzone £2 des Transistors T2 ist eine Zone vom η+ -Leitfähigkeitstyp, die in die Basiszone ff? eindiffundiert ist.
Außerhalb der Insel 34 jenseits der Isolierzone 35 enthalten der Ausgangstransistor Ti und sein Injektor die Emitterzone E3 des Transistors T3, die durch eine epitaktische Schicht 32 gebildet wird, sowie die p-leitende Basiszone B3 des Transistors Tj, die in die Schicht 32 eindiffundiert ist, und die η+ -leitende Kollektorzone C3 desselben Transistors Tj, die in die Basiszone B3 eindiffundiert ist Diese Basiszone B3 bildet ebenfalls die Kollektorzone eines Injektionstransistors, dessen Basiszone durch die Emitterzone E3 gebildet wird und dessen Emitterzone ein p+-leitendes diffundiertes Gebiet 37 ist, das in der Nähe der Basiszone B3 liegt Der Ausgangstransistor T3 ist hier mit einer einzigen Kollektorzone dargestellt, aber naturgemäß kann der genannte Transistor mehr als eine Kollektorzone besitzen.
Die Verbindungen zwischen den Elementen der Schaltung und ihre Verbindung mit äußeren Elementen werden mittels Leiterbahnen hergestellt, die auf der Oberfläche der Schaltung angebracht sind.
In der Draufsicht nach Fig.4 entsprechen die gestrichelten Linien den Kontaktöffnungen, während die vollen LinJen den Begrenzungen der diffundierten Gebiete und die strichpunktierten Linien den Begrenzungen der Leiterbahnen entsprechen.
Die Emitterzone E1 empfängt die Eingangssignale über eine Leiterbahn 54, die die genannte Emitterzone mit einer Emgangskieinine verbindet. Die Emitterzone Ei wird über eine Leiterbahn 53 mit einem Spannungsbezugspunkt verbunden, der gewöhnlich die Masse des Substrats 31 ist. Die Koflektorzone Ct ist mit der Basiszone B3 über eine Leiterbahn 50 verbunden, die
schematisch im Schnitt nach Fig. 3 durch eine volle Linie 36 angegeben ist. Die Kollektorzone Cj ist über eine Leiterbahn 51 mit einer Ausgangsklemme 5 oder vorzugsweise mit dem Eingang eines vom Transistor Tj gesteuerten F unktionselements verbunden. Das Gebiet 37 empfängt den Injektionsstrom über eine Leiterbahn 52, die gegebenenfalls noch andere Elemente mit gleicher Struktur speist.
<■ i g. 5 ist das Schaltbild einer Schaltung, die die gleichen Elemente wie die Schaltung nach den Fig. 1,3 und 4 enthält, aber die außerdem einen Transistor mit Injektor zur Verbesserung der WirkuAg der Schaltung
enthält. Der Eingang der Schaltung ist der Punkt 41; der Widerstand 42 stellt den Widerstand dar, über den aus der Quelle die Eingangssignale angelegt werden, während der erste komplementäre Transistor mit 43 s und der zweite komplementäre Transistor mit "44 bezeichnet wird. Ein Transistor 48 wird hinzugefügt, um den Kollektorstrom des Transistors 43 abzuführen, wenn dieser Transistor 43 anfängt, leitend zu werden. Der Transistor 48 ist mit einem Injektor 49 versehen, ίο Ein Ausgangstransistor 47 ist ebenfalls mit einem Injektor 45 versehen, während der Ausgangspunkt mit 46 bezeichnet wird.
Hierzu 2 niatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Schwellenschaltung mit Hysterese, die mindestens zwei komplementäre Transistoren und einen Ausgangstransistor enthält und bei der die Basiszone jedes komplementären Transistors direkt mit der Kollektorzone des anderen Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone des ersten komplementären Transistors mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist und die Kollektorzone des zweiten komplementären Transistors direkt die Basiszone eines Ausgangstransistors mit Strominjektion vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite komplementäre Transistor steuert und daß die Emitterzone dieses zweiten Transistors und die Emitterzone des Ausgangstransistors direkt mit dem gemeinsamen Bezugspunkt der Spannungen verbunden sind.
2. Schwellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste komplementäre Transistor vom pnp-Typ ist, während der zweite komplementäre Transistor und der Ausgangsiransistor vom npn-Typ sind.
3. Schwellenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste komplementäre Transistor eine planare laterale Struktur aufweist, während der zv;eite komplementäre Transistor ein planarer vertikaler Typ ist.
4. Schwellenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei komplementären Transistoren durch Diffusion in derselben e.^ktrisch isolierten Insel gebildet werden.
5. Schwellenschalu-ng nac!· Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß e;n und dasselbe Gebiet die Basiszone des ersten kompler entären Transistors und die Kollektorzone des zweiten komplementären Transistors bildet, während ein und dasselbe Gebiet die Kollektorzone des ersten komplementären Transistors und die Basiszone des zweiten komplementären Transistors bildet.
6. Schwellenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor des Ausgangstransistors ein planarer Transistor ni.it lateraler Struktur ist, dessen Kollektorzone durch die Basiszone des Ausgangstransistors gebildet wird, wobei der letztere Transistor eine umgekehrte vertikale Struktur mit einer durch die Basiszone des Injektionstransistors gebildeten Emitterzone aufweist.
7. Schwellenschaltung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor des Ausgangstransistors ein planarer Transistor mit lateraler Struktur ist, dessen Basiszone ein konstantes Potential aufweist.
8. Schwellenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptsirombahn eines zusätzlichen Transistors mit Injektor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite komplementäre Transistor zu dem Emitter-Basis-Übergang dieses zweiten Transistors parallel geschaltet ist.
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