DE2635243C2

DE2635243C2 - Aktive integrierte Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2635243C2
Application number: DE2635243A
Authority: DE
Inventors: Jean Neuchâtel Fellrath
Original assignee: Centre Electronique Horloger Sa Neuchatel Ch
Current assignee: Centre Electronique Horloger Sa Neuchatel Ch
Priority date: 1975-08-12
Filing date: 1976-08-05
Publication date: 1984-05-17
Also published as: CH600678A5; US4096444A; JPS5222855A; DE2635243A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Schaltungsanordnung, aufgebaut aus Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, die auf einem selben Substrat integriert sind und mindestens eine Verstärkerstufe bilden, wobei diese Verstärkerstufe einen Verstärkertransistor aufweist, dessen Quellenelektrode den gemeinsamen Punkt seines Eingangs- und Ausgangskreises bilde i, welche Kreise kapazitiv aß das Gate bzw. an die Senkenelektrode des Verstärkertransistors angekoppelt sind, wobei die Senkenelektrode des Verstäikertransistors an eine eineu Strom I_m liefernde Stromquelle angeschlossen ist und die Verstärkerstufe einen oder mehrere Gegenkopplungstransistoren vom selben Leitungstyp wie der Verstärker transistor aufweist, deren Senken-Quellen-Strecken in Serie zwischen der Senkenelektrode und dem Gate des Verstärkertransistors liegen und deren Gates über einen Vorspannungskreis eine Vorspannung erhalten.

Die bekannten integrierbaren aktiven Schaltungen, bei denen in einer Verstärkerstufe eine Gegenkopplung eingeführt ist, beispielsweise unter Verwendung eines Widerstands aus schwach angereichertem polykristallinem Silicium, eines p-n-Überganges in polykristallinem Silicium (Schweizer Patentschrift Nr. 5 81 904) oder ein Übertragungsgatter (US-PS Nr. 37 53 158), haben den schwerwiegenden Nachteil, daß die Kenngrößen des Verstärkers bei ihnen nicht genau kontrollierbar sind. Insbesondere ändert sich der Gewinn, der Stromverbrauch, der Eingangs- und Ausgangswiderstand und die Grenzfrequenzen von einer Serie von Schaltungen zur anderen und selbst von einer Stufe zur anderen. Die Kennwerte der Schaltung sind somit nicht eindeutig bestimmt, was sich nachteilig auf die Ausbeute der Herstellung auswirkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben.

Dies wird erfindungsgemäß bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dV3 der Vorspannungskreis zwei Vorspannungstransistoren vom selben Leitungstyp wie der Verstärkertransistor enthält, wobei die Quellenelektrode des einen der Vorspannungstransistoren auf dem gleichen Potential wie diejenige des Verstärkertransistors liegt und das Gate dieses Vorspannungstransistors auf dem gleichen mittleren Potential wie seine Senkenelektrode liegt, und wobei die Quellenelektrode des zweiten Vorspannungstransistors und die Senkenelektrode des ersteren und das Gate und die Senkenelektrode dieses zweiten Vorspannungstransistors miteinander verbunden und an das Gate bzw. die Gateelektroddn des oder der Gegenkopplungstransistoren angeschlossen sind, und wobei ferner die Senkenelektrode des zweiten Vorspannungstransistors an eine Stromquelle angeschlossen ist, welche einen Strom I_D3 liefert, der zu dem Speisestrom I₀₁ für den Verstärkertransistor in einem vorgegebenen Verhältnis steht.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, welche die Ähnlichkeit der Kennwerte von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate bei Integration auf einem selben Substrat ausnützt, erlaubt es, den Widerstand des Gegenkopplungstransistors für kleine Signale in der Umgebung des Kennlinienursprungs genau einzustellen und so den Gegenkopplungsfaktor und damit den Gewinn, den Eingangs- und Ausgangswiderstand und die Grenzfrequenzen der Verstärkerstufe genau festzulegen.

Die erfindungsgemäße aktive Schaltung kann als ein- oder mehrstufige Verstärkerschaltung oder als Schwingschaltung ausgebildet sein.

Gemäß einer Ausführungsform sind zumindest die Transistoren der Verstärkerstufe und des Vorspannungskreises so vorgespannt, daß sie im Bereich schwacher Inversion arbeiten, das heißt mit einer geringen Stromdichte und mit einer Gate-Quellen-Vorspannung, die in ihrem Absolutwert geringer ist als die üblicherweise im Bereich starker Inversion definierte Schwellenspannung und wobei eine exponentiell Abhängigkeit ίο zwischen dem Senken-Strom und der Gate-Quellen-Spannung vorliegt. Dies erlaubt es, ein besonders günstiges Verhältnis Gewinn/Stromverbrauch zu erzielen. Die Schaltung kann jedoch auch im Bereich starker Inversion arbeiten, wobei die Senken-Steilheit eine lineare Funktion der Gate-Quellen-Spannung ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen und auf Grund mehrerer AusführungsbeispieJe näher beschrieben.

Es zeigt

2ö Fig. 1 das Grund-Schaltschenia einer Verstärkerstufe mit einem Vorspannungskreis gemäß der Erfindung;

Fig. 2 das Schema einer vereinfachten Schaltung, bei der der Verstärkertransistor gleichzeitig als Vor-Spannungstransistor dient;

Fig. 3 ein detaillierteres Schema einer Schaltung nach Fig. 1 mit den entsprechenden Speise- und Vorspannungskreisen;

Fig. 4 das Schaltschema einer Verstärkerkette;
Fig. 5 ein vereinfachtes Schaltschema eines Quarzoszillators entsprechend der Schaltung nach Fig. 2;

Fig. 6 ein ähnliches Schaltschema wie Fig. 5 für einen RC-Oszillator.

Im Schaltschema von Fig. 1 sind die Transistoren Γ, bis T₄ Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, in integrierter Bauweise auf einer selben Siliciumscheibe hergestellt und alle vom gleichen Typ, z.B. vom n-Kanal-Typ T_x bezeichnet einen Verstärkertransistor, der mit einem Gegenkopplungs-Transistor T₁ e'ae Verstärkerstufe bildet. Die Quellenelektrode von T, ist der gemeinsame Punkt des Eingangs- und des Ausgangskreises dieser Stufe, wobei die Eingangsklemme E und die Ausgangsklemme 5 über entsprechende Kapazitäten C₁, C₁ mit dem Gate bzw. mit 5 der Senkenelektrode von T₁ verbunden sind. Ferner ist die Senkenelektrode von T₁ mit einer einen Strom I_Dt liefernden Stromquelle, sowie mit der Senkenelektrode des Gegenkopplungs-Transistors T₁ verbunden, während die Quellenelektrode dieses letzteren an das Gate ">o von T₁ angeschlossen ist. Zwei oder mehrere Gegenkopptungs-Transistoren können zwischen die Senkenelektrode und das Gate von T₁ geschaltet sein, wobei ihre Senken-Quellen-Strecken in Serie zwischen diesen Elektroden vm 7*, liegen, wie dies Fig. 1 für zwei 5j Transistoren T₂, T{ zeigt, wobei der letztere gestrichelt angedeutet ist.

Die Gate-Elektrode der Gegenkopplungs-Transistoren sind über einen Vorspannungskreis polarisiert, welcher die Transistoren T₃ und T₄ enthält und über die Senkenelektrode von T₃ eine Bezugsspmnung V, liefert. Die Senken- und Gate-Elektroden von T₃ einerseits und von T₄ andererseits sind untereinander verbunden und diejenigen von T₄ ferner an die Quellenelektrode von T₃ angeschlossen. Die Quellenelektrode des ersten Vorspannungstransistors T₄ ist mit derjenigen des Verstärkertransistors T₁ verbunden und liegt im dargestellten Fall an Masse. Die den Strom /_n, liefernde Stromquelle ist an die Senken-

L₁

elektrode des zweiten Vorspannungstransistors T₃ angeschlossen. I₀₃ = -^r-

Der Transistor T₁ (gegebenenfalls T₁'), der die Vorspannung ^erhält, führt keinen Gate-Strom und arbeitet bei einer Senken-Quellen-Spannung null. Es ist ■> oder bekannt, daß für kleine Aussteuerung ein in der Nähe des Ursprungs des Kennlinienfeldes Senken-Quellen- V₀

Spannung/Senken-Strom arbeitender Transistor sich wie ein Widerstand verhält, dessen Wert von der zwischen Gate und Quelle angelegten Spannung abhängt. Es wurde gezeigt, beispielsweise von M. B. Barron (»Low level currebts in IGFET«, Solid State Electronics 1972, VoI. 15, Seiten 293 bis 302) und R. M. Swanson und J. D. Meindl (»Ion-Implanted CMOS transistors in low voltage circuits«, IEEE Journal of Solid State ι '■> und, gemäß (2), Circuits, Vol. SC 7 No. 3, April 1972), daß ein MOS-Transistor bei einer Arbeitsspannung zwischen Gate und Quelle, die kleiner als die Schweiienspannung isi, der folgenden Gleichung gehorcht:

W₄

-7— 'DO L₄

"V,„

-nV_tk\n ψ--^,

Vm = ->

In ^..3..

k h,

V₀₄ = -nV,_h\n -SS.- -i-

'D3 ^Li

-η V₁, In

S200 ^rth

in der

Id W

Κ»

t^/do

Senkenstrom,

Breite des Kanals des Transistors,

Länge des Kanals des Transistors,

Kenngröße (Technologie-Konstante),

Gate-Quellen-Spannung,

Senken-Quellen-Spannung,

Kenngröße (Technologie-Konstante),

kT/q,

mit

k = Boltzmann-Konstante,
q = Elektronenladung,
T = Absolute Temperatur.

wo £200 den Ausgangsleitwert von T₂ in der Umgebung des Kennlinienursprungs darstellt.
Aus dem Schaltschema von Fig. 1 folgt:

oder - v₀, - v_G1 + v_G3 + v_G4 = o,

ίο woraus sich ergibt, daß

ji V₁, In - ^/ßl ^gm ' ^V'^h

woraus Ido W₁

-V3

^r ₃IL₃ I₀₀ Tr₄IU₄ _

hi

_ Ik 1 W_xIL_x- W₁IL₁

#200 ~ ~~i ' ~7T

W₄IL₄

Es folgt daraus, daß der Ausgangsleitwert dieses Wenn der Strom I_0x zu I₀₃ in einem vorgegebenen

Transistors gleich ist Verhältnis steht, daß heißt

45

^_ Z₀₀ 77- -^ Z₀₁ = a I₀₃ , (3)

TT7^e ' ^e '

So =

AV_n

Vc, " Konst.

wird der Widerstand von T₂ für kleine Aussteuerung

und insbesondere in der Umgebung des Ursprungs (V_n = 0) die Form annimmt

R -_L_--|Ü. ■
£200 Z₀₃

W₃IL₃

W_xIL_x ■ W₁IL₂

■ a.

Vq

V,_h

■ e ^;

(2)

Unter Bezugnahme auf die Schaltung von Fig. 1, wobei angenommen wird, daß alle Transistoren im Bereich geringer Inversion arbeiten, was einer geringen Stromdichte und einer Gate-Quellen-Vörspannung von kleinerem Absolutwert als demjenigen der üblicherweise im Bereich starker Inversion definierten Schweiienspannung entspricht, gelten folgende Beziehungen, in denen die Indizes jenen der betroffenen Transistoren entsprecher, und die Technologie-Konstanten Z₀₀ und η die gleichen für alle Transistoren sind:

60

7—

Der Wert von R hängt daher nur von physikalischen Konstanten, den Dimensionsverhältnissen der Transistören und, für einen gegebenen Wert von α, von der Größe des Stromes T₀₃ ab.

Bei geeigneter Wahl der Dimensionsverhältnisse ist es möglich Widerstandswerte R von mehr als 30 Megohm zu erhalten.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Schaltung von Fig. 1, in der der Transistor T_x zugleich die Rolle des Transistors T₄ von Fi g. 1 spielt Wählt man nämlich in der Schaltung von Fig. 1 α = 1 und verwendet man geometrisch und elektrisch analoge Transistoren T₁ und b5 T₄, so werden die Spannungen an den Senken von T_x und T₄ gleich groß und desgleichen die Senkenströme von T₃ und T₄. Man kann daher in diesem Fall die Anordnung nach Fig. 2 verwenden, um das gleiche

Betriebsverhalten zu erreichen, wobei die an das Gate von T₂ angelegte Spannung unverändert bleibt.

Es ist zu bemerken, daß diese Verbindung des Transistors F₃ in der Verstärkerstufe zusätzliche Kapazitäten gegen Masse erzeugt, die in manchen Anwendungen -.törend sein können. Ferner begrenzt die Anwesenheit von T_} bei kleinen Speisespannungen die maximale Ausgangsspannung, was ebenfalls ein Nachteil sein kann.

Fig. 3 zeugt eine Verstärkerstufe (III) und einen Vorspannungskreis (II) mit den entsprechenden Stromquellen, sowie einen Bezugsstromkreis (I). Die Schaltung der Transistoren T_x bis T₄ ist die gleiche wie in Fig. 1. Die Transistoren T₅ und T₆ stellen jeweils die Stromquellen für 7", bzw. für Γ₃, 7"₄ dar. Die Transistoren T_s und T₆ sind von entgegengesetztem Leitungstyp im Vergleich zu den Transitoren T₁ bis T₄ und sind mit ihren jeweiligen Senkenelektroden an die Quellenelektroden der Transistoren T₁ und 7"₃ angeschlossen, während die Quellenelektroden von T₅ und T₆ an einen Pol der Speisespannungsquelle angeschlossen sind. Die Gate-Elektroden der Transistoren T₅ und T₆ sind untereinander verbunden und ferner an das Gate eines Transistors vom gleichen Leitungstyp T₁ angeschlossen, welcher Bestandteil des Bezugsstromkreises (I) ist. Die Quellenelektrode von T₁ ist an den gleichen Pol der Speisespannungsquelle angeschlossen wie die Quellenelektroden von T₅ und T₆. Die Senkenelektrode dey Transistors T₁ ist mit dem Gate desselben verbunden und ferner an ein nicht dargestelltes Bezugselement angeschlossen, welches den Bezugsstrom von I_r bestimmt, der durch T₁ fließt. Nachdem die Transistoren T₅ bis T₁ auf demselben Substrat integriert sind und in der oben angegebenen Weise geschaltet sind, sind die Ströme I_Di und I_0x proportional zu /,und zum Verhältnis der geometrischen Abmessungen der Transistoren T₁ und T₆ einerseits und der Transistoren T₁ und T₅ andererseits.

Die Transistoren 7", bis T₄ und vorzugsweise gleichfalls die Transistoren T₅ bis T₁ können im Bereich geringer Inversion, wie weiter oben ausgeführt, arbeiten.

Der Widerstand R, den der Transistor T₂ darstellt, kann wegen

'03

'06

= /05 =

W₆IL₆ W₁IL₁ "

W₅IL₁ W₁IL₁ '"

a =

'Ol /Μ

WJL,

wie folgt ausgedrückt werden
η Kh W₁IL₁ W₃IL₃

I, W₆IL₆ W₁IL₁ W₂IL₂ W₆IL₆

Dieser Wert kann daher durch die Verhältnisse der Abmessungen der verwendeten Transistoren und durch den Bezugsstrom 7, bestimmt werden, wodurch eine genaue Einstellung des Gegenkoppiungsfaktors auf Grund einer einzigen Regelgröße, des Stromes I_n möglich ist.

Dieser Vorteil ist besonders bei der Kaskadenschaltung von mehreren Verstärkerstufen, die einen gemeinsamen Vorspannungskreis (II) und einen gemeinsamen Bezugsstromkreis (I) besitzen, von Vorteil. Die Gegenkopplungs-Widerstände der verschiedenen Stufen stehen dann in einem Verhältnis, das lediglich durch die Abmessungen der Transistoren gegeben ist, und können insbesondere den gleichen Wert haben.

Der Bezugsstrom /, der Schaltung von F'ig. 3 kann beispielsweise durch einen Widerstand bestimmt sein, der zwischen der Verbindung von Gate und Senkenelektrode von T₁ und dem Pol der Speisespannungsquelle, an den die Quellenelektroden von 7", und T₄ angeschlossen sind, geschaltet ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 3 kann das den Bezugsstrom bestimmende Element durch einen im Verarmungsbereich betriebenen Transistor vom selben Leitungstyp wie die Transistoren T₁ bis T₄ gebildet werden. Die Senke eines solchen Transistors ist dann an die Verbindung von Gate und Senkenelektrode von T₁ angeschlossen und sein Gate und seine Quellenelektrode sind untereinander verbunden und ferner an den Pol der Speisespannungsquelle angeschlossen, an den auch die Quellenelektroden von T_x und T₄ angeschlossen sind. Diese Ausführungsform liefert eine Stromquelle die nur in sehr geringem Maße von der Speisespannung abhängig ist. Der verwendete Verarmungs-Transistor wird durch eine Ionenimplantation erhalten, die es gleichzeitig erlaubt die Schv/ellenspannung zu verschieben und genau auf den einem gewünschten Strom /, entsprechenden Wert einzu-

jo stellen.

Eine Ausführungsvariante der Schaltung von Fig. 3 besteht darin, den Transistor T₁ auszuscheiden und die Transistoren T₅ und T₆ aus Verarmungs-Transistoren von den Transistoren T₁ bis T₄ entgegengesetztem Lei-

J5 tungstyp zu bilden. Die Gate- und Quellenelektroden dieser Verarmungs-Transisioren T₅ und 7_b sind mit einem Pol der Speisespannungsquelle verbunden und ihre Senkenelektroden sind jeweils an die entsprechenden Elektroden der Transistoren Γ, und T₃ amgeschlossen.

Eine andere Ausführungsvariante der Schaltung von Fig. 3 besteht ebenfalls darin, den Transistor T₁ auszuscheiden, jedoch die Transistoren T₅ und T₆ als Verarmungs-Transistoren vom selben Leitungstyp wie die Transistoren T_x bis T₄ auszubilden. Die Senkenelektroden dieser Transistoren T₅ und T₆ sind an einen Pol der Speisespannungsquelle angeschlossen. Das Gate und die Quellenelektrode von T₅ sind an die Senkenelektrode von T₁ und das Gate und die Quellenelektrode

so von T₆ sind mit der Senkenelektrode von 7"₃ verbunden, während die Schaltung von Γ, bis T₄ die gleiche wie nach Fig. 3 bleibt Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß alle Transistoren der Schaltung vom selben Leitungstyp sind. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine Silicium-auf-Isolator-Technik verwendet wird, da die mit diesem Verfahren erhaltenen Stromquellen einen geringen Ausgangsleitwert besitzen, d. h. eine geringe Abhängigkeit von der Speisespannung.

ω Fig. 4 zeigt eine Kette von Verstärkungsstufen, die jeweils analog der in Fig. 3 gezeigten sind und ihre Speise- und Vorspannungen in der gleichen Weise wie die in Fig. 3 gezeigte Stufe von einem gemeinsamen, eine Bezugsspannung V₁. liefernden Vorspannungskreis bzw. von einem gemeinsamen Bezugsstromkreis aus erhalten, wobei diese Kreise in Fig. 4 nicht mehr dargestellt sind, aber analog denjenigen der Fig. 3 ausgebildet sind.

Unter der Voraussetzung, daß alle Stufen untereinander gleich sind und die Kette genügend lang ist, wird für mittlere Frequenzen der scharakteristische Widerstand der Kette

wobei U_x die Signalspannung am Gate von T₁ und / den Signalstrom, der durch die Kette und insbesondere über die Senken-Quellen-Strecke von T₁ fließt, darstellen. Bezeichnet man mit {/₂ die Signalspannung am Ausgang jeder Stufe zwischen der Senken- und Quellenelektrode von T_x und mit g_m den Übertragungsleitwert der Stufe, so kann man schreiben

Mit dem den Transitor T₂ darstellenden Widerstand R ist andererseits

Ausgehend von diesen drei Beziehungen erhält man den Gewinn A einer Stufe der Kette als

und den charakteristischen Widerstand Ä„ der den Eingangswiderstand der Kette mit einer unendlichen Anzahl Stufen darstellt, in der Form

Wenn man den Wert (6), wie er im Zusammenhang mit Fig. 3 errechnet wurde, für R einführt und g_m aus der allgemeinen Beziehung (1) auf den Transistor T_x angewandt bestimn?!, unter Berücksichtigung von (5),

dhi

dVr,

= '^m =
nV_th

Vn = Konst.

WJL,

η V₀, W₁IL₁

erhält man

1 -

Ir

W₅IL₅ W₆IL₆

V¥

W₁IL₁ ■ W_xIL_x W₃IL₃ ■ W₄IL₄

W₂IL₁ ■ W_xIL_x

zwischen der Senkenelektrode des Transistors T_x einer Stufe und dem Gate des entsprechenden Transistors der folgenden Stufe, so erhält man für die untere Grenzfrequenz

Der Gewinn A ist daher unabhängig von /,und allein durch die geometrischen Parameter und eine Technologie-Konstante bestimmt.

Was Ri betrifft, so zeigt sich, daß sein Wert umgekehrt proportional zu /, ist und im übrigen nur von Größenverhältnissen, physikalischen Konstanten und der gleichen Technologie-Konstante η abhängt.

Für eine näherungsweise Berechnung der Grenzfrequenzen einer Verstärkerstufe der Kette wird vorausgesetzt, daß A sehr viel größer als 1 ist. Bezeichnet map mit C₁ die Summe der Querkapazitäten Cj und C{', welche jeweils zwischen der Senkenelektrode von T_x und Masse bzw. zwischen dem Gate von C₁ und Masse auftreten, und bezeichnet man mit C₂ die Kapazität

finf

und die obere Grenzfrequenz

J SUB

η C_x ■ R₁

Daraus ergibt sich unter Berücksichtigung der Be-Ziehung (8), daß diese Grenzfrequenzen proportional zum Bezugsstrom /, sind und daher durch diesen Strom festgelegt werden können, wenn die anderen Parameter gegeben sind.

Wenn die Verstärkerstufe wie in Fig. 4 an einen gemeinsamen Vorspannungskreis angeschlossen ist, kann es von Vorteil sein, die Bezugsspannung V, zu filtern, um eine gute Entkopplung zwischen den Stufen zu erzielen. Man kann zu diesem Zweck eine verhältnismäßig große Kapazität gegen Masse verwenden, die außerhalb der integrierten Schaltung gebildet werden kann, wenn ihr Wert zu groß für eine Integration ist. Wenn die verwendeten Transistoren gemäß der SiIicium-Gate-Technik hergestellt sind, können die Gate-Elektroden des Transistors T_} und der Transistoren T₁

jo der verschiedenen Stufen durch polykristallines Silicium verbunden werden, welches Widerstandscharakter besitzt und eine verteilte Kapazität gegenüber der Masse bildet. Man erzielt auf diese Weise eine gute Filterung ohne zusätzliche Elemente zu verwenden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Schwingkreise, die auf die Schaltung von Fig. 2 zurückgehen.

In Fig. S ist ein Quarz zwischen dem Gate und der Senkenelektrode des Transistors T_x angeordnet und Kapazitäten C₃ und C₄ sind zwischen diesen Elektroden und die Quellenelektrode von T_x geschaltet. Man erhält damit einen Quarzoszillator in Pierce-Schaltung, welcher die der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung innewohnenden Vorteile aufweist.
Fig. 6 zeigt einen RC-Oszillator, in dem zwei Transistoren T₁ und T{ die Widerstände R bilden, wobei die Senken-Quellen-Strecken dieser Transistoren in Serie zwischen dem Gate und der Senkenelektrode des Transistors T₁ und ihre Gate-Elektroden mit der Senkenelektrode von T₃ verbunden sind. Kapazitäten C sind

so zwischen den Quellen- und Senkenelektroden der Transistoren T₁ und T₁ und der Quellenelektrode von T_x eingefügt

Zur Verwirklichung von Schwingschaltungen kann selbstverständlich auch die Grundschaltung von F i g. 1 herangezogen werden.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung es ermöglicht, die Kennwerte von aktiven Schaltungen mit Gegenkopplung allein durch einen Bezugsstrom genau zu bestimmen, während die anderen Para- meter lediglich Größenverhältnisse in den Transistoren, physikalische Konstanten und durch die verwendete Technologie gegebene Konstanten sind. Daraus ergeben sich entscheidende Vorteile für die Herstellung und die Verwendung dieser Schaltungsanordnung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aktive Schaltungsanordnung aufgebaut aus Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, die auf einem selben Substrat integriert sind und mindestens eine Verstärkerstufe bilden, wobei diese Verstärkerstufe einen Verstärkertransistor aufweist, dessen Quellenelektrode den gemeinsamen Punkt eines Eingangs- und Ausgangskreises bildet, welche Kreise kapazitiv an das Gate bzw. an die Senkenelektrode des Verstärkertransistors angekoppelt sind, wobei die Senkenelektrode des Verstärkertransistors an eine einen Strom I_m liefernde Stromquelle angeschlossen ist und die Verstärkerstufe is einen oder mehrere Gegenkopplungstransistoren vom selben Leistungstyp wie der Verstärkertransistor aufweist, deren Senken-Quellen-Strecken in Serie zwischen der Senkenelektrode und dem Gate des Vfcstärkertransistors liegen und deren Gates über einen Vorspannungskreis eine Vorspannung erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungskreis zwei Vorspannungstransistoren (T₄; Γ₃) vom selben Leitungstyp wie der Verstärkertransistor (7"j) enthält, wobei die Quellenelektrode des einen der Vorspannangstransistoren (T₄) auf dem gleichen Potential wie diejenige des Verstärkertransistors (7*,) liegt und das Gate dieses Vorspannungstransistors auf dem gleichen mittleren Potential wie seine Senkenelektrode liegt, und wobei die Quellenelektrode des zweiten Vorspannungstransistors JF₃) an die Senkenelektrode des ersteren (J₄) und di.s Gate und die Senkenelektrode dieses zweiten Vorspann ngstransistors miteinander verbunden und an das Gate bzw. die Gateelektroden des oder der Gegenkopplungstransistoren (T₁, T{, ■..) angeschlossen sind, und wobei ferner die Senkenelektrode des zweiten Vorspannungstransistors an eine Stromquelle angeschlossen ist, welche einen Strom l_m liefert, der zu dem Speisestrom /_D| für den Verstärkertransistor in einem vorgegebenen Verhältnis steht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Vorspannungstransistor (T₄) und der Verstärkungstransistor (T₁) *5 ähnliche Kennwerte aufweisen und daß die Ströme I₀₃ und I_0x gleich sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkertransistor (7",) zugleich den ersten Vorspannungstansistor bildet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe und der Vorspannungskreis jeweils einen Speisetransistor (T₅, T₆) vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der Verstärkertransistor aufweisen, wobei die Senkenelektroden dieser Speisetransistoren (T₅, T₆) jeweils mit der Senkenelektrode des Verstärkertransistors (Γ,) bzw. des zweiten Vorspannungstransistors (T₃) verbunden sind, die Gateelektroden der Speise· transistoren untereinander verbunden sind und ihre Quellenelektroden an den ersten Pol einer Speisespannungsquelle angeschlossen sind, deren zweiter Pol mit den Quellenelektroden des Verstärkertransistors (7"|) und des ersten Vorspannungstransistors (T₄) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisetransistoren (7^₅, 7^) Verarmungstransistoren sind, deren Gateelektroden mit dem genannten ersten Pol der Speisespannungsquelle verbunden sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Bezugsstromkreis enthält, der einen Hilfstransistor (T₁) vom selben Leitungstyp wie die Speisetransistoren (T₅, T₆) aufweist, wobei die Quellenelektrode d^:eses Transistors mit dem genannten ersten Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist, sein Gate mit den Gateelektroden der Speisetransistoren sowie mit seiner Senkenelektrode verbunden ist und seine Senkenelektrode ferner über ein den Senkenstrom des Hilfstransistors bestimmendes Bezugselement mit dem zweiten Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe und der Vorspannungskreis jeweils einen Speisetransistor (T₅, T₆) aufweisen, der als Verannungstransistor vom selben Leitungstyp wie der Verstärkertransistor (T₁) ausgebildet ist, wobei die Senkenelektroden dieser Speisetransistoren mit einem ersten Pol einer Speisespannungsquelle verbunden sind, deren zweiter Pol mit den Quellenelektroden des Verstärjcsrtransistors (T₁) und des ersten Vorspannungstransistors (T₄) verbunden ist, wobei ferner die Gate- und Quellenelektroden dieser Speisetransistoren (T₅, T₆) jeweils untereinander verbunden sind, sowie jeweils mit der Senkenelektrode des Verstärkertransistors (7"i) bzw. mit der Senkenelektrode des zweiten Vorspannungstransistors (7₃) verbunden sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Verstärkerstufen und einen gemeinsamen Vorspannungskreis aufweist, wobei die Eingangs- und Ausgangskreise von aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen kapazitiv gekoppelt sind unu die Gateelektroden der Gegenkopplungstransistoren alle untereinander verbunden sind und ihre Vorspannung durch den genannten Vorspannungskreis erhalten.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Quarzoszillators ein Schwingquarz zwischen den Gate-und Senkeneiektroden des Verstärkertransistors geschaltet ist und die Elektroden des Schwingquarzes mit der Quellenelektrode des Verstärkertransistors über Kapazitäten (C₃, C₄) verbunden sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines RC-Oszillators der Gegenkopplungskreis der Verstärkerstufe zwei Gegenkopplungstransistoren aufweist, an deren Gateelektroden die Vorspannung angelegt ist und deren Quellen- und Senkenelektroden an die Quellenelektrode des Verstärkertransistors über Kapazitäten (C) angeschlossen sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Transistoren der Verstärkerstufe und des Vorspannungskreises so vorgespannt sind, daß sie im Bereich schwacher Inversion arbeiten, wobei der Senkenstrom der Transistoren exponentiell von der Gate-Senkenspannung abhängt.