DE2905002C2 - Differenzverstärker mit zwei über eine gemeinsame Stromquelle miteinander gekoppelten Isolierschicht-Feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Insbesondere betrifft die Erfindung Maßnahmen zur Verringerung des Eingangs- ω Offsetspannungsfehlers bei einem solchen Differenzverstärker.

Unter einem MOS-Transistor oder kurz »MOSFET« versteht man bekanntlich einen Feldeffekttransistor (FET) mit Metall-Oxid-Halbleiter-Struktur, das heißt einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor, dessen Gate-Elektrode durch eine Oxidschicht gegen den Halbleiterkörper isoliert ist.

Aus den US-PS 38 52 679 und 38 73 933 sind Differenzverstärker mit zwei MOSFET-Transistoren bekannt, deren Source-Elektroden miteinander und mit einer Quelle für einen Gleich- oder Ruhestrom (Source-Strom) verbunden sind, während den Gate-Elektroden jeweils eine Eingangsspannung zugeführt ist und von den Drain-Elektroden Ausgangsströme abgenommen werden, deren Summe gleich dem von der Stromquelle gelieferten Source-Strom ist und die sich in Abhängigkeit von der Differenz der Eingangsspannungen im Gegentakt ändern. Die Eingangsimpedanz an den Gate-Elektroden der MOSFETs ist extrem hoch (zum Beispiel viele Megohm) und Differenzverstärker dieses Typs werden daher gern in Spannungsvergleichern und den Eingangsstufen von Operations- oder Funktionsverstärkern verwendet. In der englischsprachigen Literatur werden solche Schaltungen als »Long-tailed pair«, hier soll der Kürze halber der Begriff source-gekoppelter MOSFET-Differenzverstärker verwendet werden.

Unter dem Begriff »Eingangs-Offsetspannungsfehler« bezeichnet man die Schwellenwertspannung, die zwischen die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren gelegt werden muß, damit eine Aufteilung des Source-Stromes auf die Feldeffekttransistoren stattfindet, welche eine subtraktive Kombination der Drain-Ströme unter Erzeugung eines Fehlersignal-Stroms des Wertes Null ermöglicht. Bei source-gekoppelten Differenzverstärkern, die mit MOSFETs aufgebaut sind, kann der Eingangs-Offsetspannungsfehler ziemlich hohe Werte annehmen. Es hat sich gezeigt, daß die Hälfte aller brauchbaren source-gekoppelten MOSFET-Differenzverstärker in integrierten Schaltungen Eingangs-Offsetspannungsfehler von 20, 60 oder sogar 100 Millivolt aufweisen, während bei emittergekoppelten Differenzverstärkern, die mit Bipolartransistoren aufgebaut sind, dieser Fehler nur in der Größenordnung von 2 bis 3 Millivolt liegt. Es war zwar möglich, den Eingangs-Offsetspannungsfehler durch eine sehr weitgehende Verschachtelung der MOSFETs des source-gekoppelten Differenzverstärkers und durch Verwendung von Schutzschaltungen zur Vermeidung hoher Source-Gate-Spannungen für jeden MOSFET des Differenzverstärkers, durch die die Beanspruchung der Isolation zwischen den Gate-Elektroden und den Kanälen und damit eine Änderung der Steilheiten der MOSFET zu verhindern, möglich, die Eingangs-Offsetspannungsfehler so herabzusetzen, daß sie bei der Hälfte der brauchbaren Schaltungen den Wert von 8 bis 10 Millivolt nicht überstiegen. Die Tendenz zu hohen Eingangs-Offsetspannungsfehlern zwang jedoch bei kritischen Anwendungsfällen dazu, die Feldeffekttransistoren des Differenzverstärkers sorgfältig auszusuchen und zu paaren, so daß die Ausbeute entsprechend niedrig war.

Es wurde gefunden, daß die Neigung zu hohen Eingangs-Offsetspannungsfehlern eine Begleiterscheinung der üblichen Praxis ist, die MOSFETs in einem source-gekoppelten Differenzverstärker so vorzuspannen, daß der Ruhewert ihrer Source-Gate-Spannungen über der sogenannten Schwellenspannung liegt, oberhalb derer die Abhängigkeit des Drain-Stromes von der Source-Gate-Spannung einer quadratischen Funktion entspricht, da die Kanäle von MOSFETs üblicherweise durch starke Inversionseigenschaften charakterisiert sind. Bekanntlich führt eine Reduzierung der Source-Gate-Spannung Vcs eines MOSFETs unter diese Schwellenspannung zu einer exponentiellen Abnahme des Kanalstroms.

Dieser Betrieb in einem unterhalb des Schwellenwerts liegenden Bereich, wo der MOSFET mit einem schwach invertierten Kanal arbeitet, ist bereits von anderen Fachleuten untersucht worden. Die entsprechenden Studien richteten sich hauptsächlich auf die mit einem solchen Betrieb einhergehende Verminderung der Drainströme für das leichtere Ausschalten des MOSFET in der Digitaltechnik, z. B. zur Verbesserung von Speichern. Die Verwendung von im Unterschwellenbereich betriebenen MOSFETs für Analogschaltungen ist jedoch, soweit beurteilt werden kann, zum erstenmal von den Autoren E. Vittoz und J. Fellrath in ihrer Arbeit »CMOS Analog Integrated Circuits Based on Weak Inversion Operation« beschrieben worden (veröffentlicht in IEEE Journal oi Solid State Circuits, Band SC-12, Nr. 3, Juni 1977, Seiten 224 bis 231). Dort wird ausgeführt, daß ein Betrieb mit schwacher Inversion auf langsame Schaltungen beschränkt ist, und zwar wegen des niedrigen Kanalleitwerts, der hier geringer ist als im Falle eines Betriebs mit starker Inversion.

Auf dem Gebiet von Wandlern, die Licht, Wärme, akustische Energie usw. in elektrische Signale umsetzen, ist jedoch Raum für Spannungsvergleicher und lineare Verstärker, die mit sehr langsamen Geschwindigkeiten arbeiten. Bei elektrischen Schaltungen, die eine Eingangsstufe mit einem MOSFET-Paar in einer sourcegekoppelten Differenzverstärkerschaltung haben, besteht häufig die Forderung, daß diese sehr wenig

Leistung verbrauchen und daß ihr Eingangs-Spannungsfehler klein ist. Diese Überlegungen haben zu der Erkenntnis geführt, daß man durch einen Kompromiß auf Kosten der Geschwindigkeit zugunsten anderer vorteilhafter Betriebseigenschaften zu neuen Typen von MOSFET-Schaltungen kommen könnte, die sich dort einsetzen ließen, wo herkömmliche MOSFET-Schaltungen ungeeignet sind.

Die Erfindung geht aus von einer MOSFET-Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Gattung, d. h. von einer Schaltung, in der zwei MOSFETs in einer sourcegekoppelten Differenzverstärkerschaltung angeordnet sind. Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs charakterisiert. Demnach ist der gemeinsame Sourcestrom der sourcegekoppelten Differenzverstärkerschaltung niedriger als in der herkömmlichen Praxis gewählt, um die MOSFETs im Bereich unterhalb des Schwellenwertes (im Unterschwellenwertbereich) zu betreiben. Die resultierenden Kennlinien, welche die Abhängigkeit des Drainstroms von der Source-Gate-Spannung angeben (die IdsI Vcs~Kennlinien) sind natürlich exponentiell. Dies führt dazu, daß das Verhältnis der Transkonduktanz g_m zum Drainstrom Ids in den MOSFETs im Vergleich zum herkömmlichen Betrieb von MOSFETs relativ hoch ist, sein Wert liegt etwa bei 25 Millisiemens pro Milliampere und ist damit fast so groß wie der Wert für Bipolartransistoren, der etwa 40 Millisiemens pro Milliampere beträgt.

Man wird nun gewiß erwarten, daß die Eingangs-Offsetspannungsfehler beim Unterschwellenwertbetrieb von MOSFETs wesentlich schlimmer sind als im Falle des herkömmlichen Betriebs von Feldeffekttransistoren und im Falle von Bipolartransistoren, denn man hat es ja hier mit einem Teil der MOSFET-Betriebskennlinien zu tun, der normalerweise als unerwünscht gilt und den man auf unbekannte und unkontrollierte Mangelhaftigkeiten in der Bauelementenstruktur zurückführt. Insbesondere wird man annehmen, daß es Oberflächenleckprobleme gibt, die erhöhte Eingangs-Offsetspannungsfehler befürchten lassen. Diese an sich verständlichen Erwartungen sind wohl der Grund gewesen, daß man den Transkonduktanzbetrieb von MOSFETs im Unterschwelienwertbereich bisher nicht ernsthaft zur Diskussion gestellt hat. Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß entgegen diesen natürlichen Erwartungen ein ziemlich großer Bereich von Sourceströmen (3 — 5 Größenordnungen) im Betrieb unterhalb des Schwellenwerts existiert, bei denen die Eingangs-Offsetspannungsfehler wesentlich niedriger sind als bei herkömmlichem Betrieb mit Vorspannungen oberhalb des Schwellenwerts. Die Hälfte der Ausbeute brauchbarer Paare von MOSFETs in sourcegekoppelten Differenzverstärkern zeigen Eingangs-Offsetspannungsfehler von nur 2 Millivolt oder darunter. Es wurde herausgefunden, daß moderne Feldeffekttransistoren zu höheren Eingangs-Offsetspannungsfehlern infolge von Oberflächenleckproblemen nur bei solchen Stromwerten neigen, die sehr viel niedriger sind als der Strom bei Schwellenwertspannung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. ! zeigt, teilweise in Blockform, das Schaltbild eines sourcegekoppelten Differenzverstärkers mit einem MOS-Transistorpaar, bei welchem die Transistoren durch den Sourcestrom für einen Betrieb im Unterschwellenwertbereich vorgespannt sind;

F i g. 2 zeigt das normale Ids/ Vos-Kennlinienfeld, d. h.

die Abhängigkeit des Source-Drain-Stroms (Drainstrom /ds) von der Source-Drain-Spannung Vds bei unterschiedlichen Werten der Source-Gate-Spannung Vcs, für einen P-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp, um den Betriebsbereich unterhalb des Schwellenwerts, wo schwache Inversionseigenschaften vorherrschen, mit den Bereichen herkömmlichen Betriebs, wo starke Inversionseigenschaften vorherrschen, zu vergleichen;

F1 g. 3 und 4 sind graphische Darstellungen, welche das Verhalten der Transkonduktanz (g_m) eines P-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp veranschaulichen;

F i g. 5 zeigt Kennlinien, weiche die Abhängigkeit der Transkonduktanz g_m vom Drainstrom Ids bei einem P-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp angeben;

F i g. 6 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Source-Gate-Spannung Vcs eines P-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp bei verschiedenen Drainströmen /05;

F i g. 7 zeigt eine Kurvenschar, deren Kurven den Eingangs-Offsetspannungsfehler abhängig vom Sourcestrom für typische MOSFET-Paare eines sourcegekoppelten Differenzverstärkers angeben und die Verminderung des Fehlers im Unterschwellenwertbereich veranschaulichen.

In der Anordnung nach Fig. 1 sind zwei P-Kanal-MOSFETs Ql und Q 2 vom Anreicherungstyp als sourcegekoppelter Differenzverstärker geschaltet, wobei dem Verbindungspunkt ihrer Source-Elektroden ein gemeinsamer Sourcestrom It von einer Stromquelle IS zugeführt wird. Die Gate-Elektroden von Ql und Q 2 liegen am invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingang IN und IN des Differenzverstärkers. Die Drainelektroden von Q1 und Q 2 liegen am nicht-invertierenden bzw. am invertierenden Ausgang OUT bzw. OUTdes Differenz\ erstärkers.

Wie dargestellt können die Anschlüsse IN und IN dasselbe Ruhepotential als Bezugspotential haben, und einem von ihnen kann ein Eingangssignal aus einer Spannungsquelle KS angelegt werden. Die Anschlüsse OLT und Οί/Γ sind über jeweils einen Stromverbraucher (Nutzschaltung) IUMi und IUM2 mit einem negativeren Betriebspotential verbunden, welches die MOS-Transistoren 01 und Q 2 für nicht-invertierten Betrieb konditioniert. Die Stromverbraucher IUM I und IUM 2 können z. B. einfach durch ohmsche Drainlasten gebildet sein, in integrierten Schaltungen bestehen sie jedoch häufig aus einem Stromspiegelverstärker, der als Gegentakt/Eintakt-Umsetzer und als Eingangskreis einer nachfolgenden Verstärkerstufe dient. Kurz, die Klemmen IN, IN, OUT und OUT können wie bisher üblich angeschlossen werden.

Der wesentliche Unterschied der erfindungsgemäßen Anordnung nach F i g. 1 gegenüber bekannten sourcegekoppelten Differenzverstärkern mit MOSFET-Paaren besteht darin, daß die Quelle für den Sourcestrom // einen Strom kleineren Betrags liefert, als er im bekannten Fall für MOSFETs vergleichbarer Kanalabmessungen verwendet wurde, so daß Q 1 und Q 2 in den unterhalb des Schwellenwerts liegenden Betriebsbereich (d. h. in den sogen. Unterschwellenwertbereich) vorgespannt werden.

Für Einsätze außerhalb des Labors wird empfohlen, eine Schutzschaltung vorzusehen, um sicherzustellen, daß die dielektrische Schicht zwischen der Gate-Elektrode jedes der Transistoren Ol und Q 2 und dem Kanal, der im Halbleiterbereich zwischen den Source- und Drainzonen gebildet wird, keinen Spannungsbeanspruchungen unterworfen, die womöglich zur Beschädi-

gung des Dielektrikums führen. Eine solche Beschädigung kann dazu führen, daß sich die /_Ds/Vcs-Kennlinien der Transistoren Q 1 und Q 2 relativ zueinander ändern, und dies erhöht in unerwünschter Weise den Eingangs-Offsetspannungsfehler des den sourcegekoppelten Differenzverstärker bildenden Feldeffekttransistorpaars. Gleichzeitig muß die Schutzschaltung so beschaffen sein, daß durch sie den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren keine Leckströme zugeführt werden, denn dies würde den Eingangs-Offsetspannungsfehler nachteilig beeinflussen, falls eine der Gate-Elektroden aus einer hochohmigen Quelle angesteuert wird. Eine geeignete Gate-Schutzschaltung ist in der US-PS 41 26 830 beschrieben.

Die F i g. 2 zeigt die 1_DS/ Vos-Kennlinien (Drainstrom abhängig von der Source-Drain-Spannung) eines P-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp für unterschiedliche Source-Gate-Spannungen Vgs, und zwar in linearem Maßstab. Diese Kennlinienschar ist gleichsam das Bild verschiedener Schnitte, die, in Vcs-Richtung aufeinanderfolgend, durch den Raum eines dreidimensionalen Koordinatensystems gehen.

Betrachtet man Schnitte durch diesen dreidimensionalen Raum, die senkrecht zur V_Ds-Achse gehen, dann erhält man los/ Vcs-Kennlinien für verschiedene konstante Werte von Vds- Diese Kurven gleichen sich im sogen. Sättigungsbereich, wo die Kennlinien ähnlich sind wie der Verlauf des Anodenstroms abhängig von der Kathoden-Gitter-Spannung einer Pentode nach Spiegelung an der Achse der Kathoden-Anoden-Spannung.

Die F i g. 3 zeigt eine IdsI Vcs-Kennlinie für konstanten Wert von Vds- Ein solcher Betrieb kann z. B. in den Feldeffekttransistoren QX und Q 2 beobachtet werden, wenn IUMi und IUM 2 bestehen aus a) einem Stromspiegelverstärker als Gegentakt/Eintakt-Signalumsetzer und b) einer nachfolgenden Verstärkerstufe, die durch Spannungsgegenkopplung auf praktisch konstante Eingangsspannung geregelt ist. Die Steigung dieser Kurve ist der Reziprokwert der Transkonduktanz g_m des Feldeffekttransistors. Die Kurve hat eine im wesentlichen quadratische Charakteristik bis herunter zur Schwellenwertspannung Vth für die herkömmliche Betriebsart mit stark invertiertem Kanal.

Für ein »Kanalseitenverhältnis« W/L (d. h. das Verhältnis der Kanalbreite zur Kanallänge) vom Wert 100 beträgt z. B. die Schwellenwertspannung Vth gewöhnlich 1,7 Volt, wenn für den Bau das normale BiMOS-Verfahren angewendet wurde, das von der RCA-Corporation benutzt wird, um MOS- und Bipolartransistoren innerhalb derselben integrierten Schaltung herzustellen. Die Kennlinien in den F i g. 2 und 3 gelten für einen solchen Transistor. Der Kanalstrom ist jedoch nicht Null für die Schwellenwertspannung Vth, bei welcher der Kanalstromverlauf wesentlich von der quadratischen Charakteristik abweicht. Es ist vielmehr noch ein kleiner Strom von vielleicht 20 Mikroampere vorhanden, der gewöhnlich als »Leckstrom« bezeichnet und damit zurückgeführt wird auf Mängel in der Oberfläche der Isolierschicht, die unter der Gate-Elektrode und über dem Halbleitergebiet liegt, in dem der Kanal gebildet wird.

Die Fig.4 zeigt eine Schar von loslVcs-Kennlinien von MOSFETs mit verschiedenen Kanalseitenverhältnissen W/L, wobei für die fos-Koordinate ein logarithmischer anstatt ein linearer Maßstab gewählt ist. Diese Form der Darstellung drängt die für hohen Drainstrom geltenden Teile der Kennlinien zusammen und zieht die für niedrige Drainströme geltenden Teile jeweils auseinander, so daß man die Existenz brauchbarer Ids! Vcs- Kennlinien für Vcs- Werte unterhalb Vth leichter erkennen kann. Die Linearität der los/ Vc 9-Kennlinien für Vcs< Vth in einer Darstellung mit linearer Vcs-Koordinate und logarithmischer /_Ds-Koordinate ist der Beweis dafür, daß die losl Vc s-Kennlinien im Unterschwellenwertbereich den exponentiellen Verlauf haben, wie es weiter oben ausgeführt wurde.

Die Fig.5 zeigt den Reziprokwert der Steigung der in F i g. 4 dargestellten Kurve, d. h. die Transkonduktanz gm des MOSFET, abhängig von seinem Drain- oder Kanalstrom. Mit niedriger werdenden Kanalströmen vermindert sich die Transkonduktanz g„, des MOSFET, wobei die Geschwindigkeit dieser Verminderung im Unterschwellenwertbereich auf einen Wert von 25 MiI-lisiemens pro Milliampere steigt. Eine höhere Geschwindigkeit der gm-Abnahme für eine gegebene Kanalstromverminderung bedeutet, daß die erforderliehe Änderung von Vcs zur Erzeugung eines gegebenen Prozentsatzes an Kanalstrom niedriger ist. Dies erkennt man, wenn man sich auf folgende Beziehung besinnt:

Dies ergibt nach Umordnung die für jeden Transistor geltende Beziehung:

d/N =d/o(V/ot/7/(Änderungsgeschwindigkeit der Konduktanz in Millisiemens pro Milliampere).

Bei einem sourcegekoppelten Differenzverstärker mit zwei MOSFETs wird also die zur Korrektur einer Unausgeglichenheit ihrer Kanalströme erforderliche Differenz ihrer Source-Gate-Spannungen Vcs kleiner, wenn die Abnahmegeschwindigkeit der Transkonduktanz g_m für eine gegebene Kanalstromverminderung größer wird.

Demgegenüber liegt bei einem sourcegekoppelten Differenzverstärker aus Bipolartransistoren die Geschwindigkeit der Transkonduktanzabnahme nahezu konstant bei 39 Millisiemens pro Milliampere für alle Stromwerte, die niedriger sind als diejenigen Werte, bei denen Basisstrom-Ausbreitungserscheinungen (base current spreading) auftreten. Vermindert man die Kollektor- (oder Emitter-)Strompegel bei einem solchen sourcegekoppelten Differenzverstärker (von der Art, wie man es zur Zeit üblicherweise in integrierten Operationsverstärkern und Spannungsvergleichern verwendet), dann führt dies nicht zu einer gleichzeitigen Verminderung des Eingangs-Offsetspannungsfehlers.

Die Fig. 6 zeigt die Temperaturkennlinie der Source-Gate-Spannung Vcs für einen MOSFET, der ein Kanalseitenverhältnis W/L von 100 hat und mit einer Drain-Source-Spannung V_DS von 10 Volt betrieben wird. Die MOSFETs in einem sourcegekoppelten Differenzverstärker haben normalerweise ineinandergreifende Strukturen, so daß erwartet werden kann, daß sich ihre Temperaturen um nicht mehr als 1 Grad Celsius voneinander unterscheiden. Daher ist auch zu erwarten, daß die Einflüsse der Temperatur auf den Eingangs-Offsetspannungsfehler des Feldeffekttransistorpaars im sourcegekoppelten Differenzverstärker deutlich zweiter Ordnung oder nachrangig sind, solange ausgeprägt steile Temperaturgradienten auf der integrierten Schaltung gemäß der herkömmlichen Praxis vermieden werden.

Die F i g. 7 zeigt die gemessenen Eingangs-Offsetspannungsfehler repräsentativer MOSFET-Paare in sourcegekoppelten Differenzverstärkern als Funktion

des Betrags ihrer Sourceströme. In den gemessenen Anordnungen hatten die MOSFETs Kanalseitenverhältnisse W/L von 160, Kanallängen von 5 Mikrometern und wurden mit Source-Drain-Spannungen Vp_S von 15VoIt betrieben. Unverkennbar ist die ausgeprägte Tendenz zu verminderten Eingangs-Offsetspannungs-

fehlern im Sourcestrombereich von 10 Nanoampere bis 10 Mikroampere, der mit dem Unterschwellenwertbereich zusammenfällt. Erst im Bereich unterhalb etwa 10 Nanoampere machen sich die nachteiligen Effekte von Oberflächenleckerscheinungen bemerkbar, die zur Erhöhung des Eingangs-Offsetspannungsfehiers fuhren.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

230 214/489

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Differenzverstärker mit zwei Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, welche im wesentlichen gleiches Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge haben, dicht beieinander in einer integrierten Schaltung gebildet sind, so daß sie bei praktisch der gleichen Temperatur arbeiten, jeweils eine Gate-Elektrode zum Zuführen einer Eingangssignalspannung sowie jeweils eine Drain-Elektrode zur Abnahme eines Ausgangsstromes aufweisen, und mit einer Stromquelle, die mit ihrem Ausgang an die Source-Elektroden der Isolierschicht-Feldeffekttransistoren angeschlossen ist und die einzige Source-Stromquelle der beiden Transistoren bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (IS) einen Source-Strom liefert, der so niedrig ist, daß die beiden Feldeffekttransistoren (Q 1, Q 2) in einen unter dem Schwellenwert der Transistoren liegenden Arbeitsbereich vorgespannt sind, in dem ein Betrieb mit schwacher Inversion vorherrscht.