DE3008280A1 - Komplementaerer verstaerker - Google Patents

Komplementaerer verstaerker

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Description

Die Erfindung betrifft einen komplementären Verstärker und insbesondere einen komplementären Metall-Isolator-Halbleiter-Verstärker oder C-MIS-Verstärker, der einen P-Kanal Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor, der nachstehend als MISFET oder einfach als FET bezeichnet wird, sowie einen N-Kanal MISFET aufweist.
Komplementäre Feldeffekttransistor-Verstärker werden in großem Umfang bei elektronischen Schaltungen, wie z.B. bei einem Oszillator für eine elektronische Armbanduhr
verwendet. Derartige Schaltungen zeichnen sich beispielsv weise durch hohe Schwellwertpegel, strukturelle Einfachheit sowie niedrigen Energieverbrauch aus.
Es sind bereits die verschiedensten Arten von Schaltungen bekannt geworden, bei denen komplementäre FET-Verstärker mit niedriger Leistungsaufnahme zum Einsatz gelangen.
Beispielsweise ist es, wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher erläutert, bekannt, über einen Vorspannungs-Widerstand die Gate- und Drain-Elektroden der jeweiligen MISFETs zu verbinden, welche den komplementären Verstärker biiden, um das Gate-Potential und das Drain-
/~ Potential auszugleichen, und gleichzeitig die Drain-Elek-
troden der beiden FETs über einen Lasttransistor zu verbinden, um eine Arbeitsweise im Gegentakt zur Verringerung des Durchgangsstromes vorzunehmen und damit den Leistungsverbrauch zu reduzieren. Diese Art von Verstärker ist im einzelnen in der US-PS kl 00 502 erläutert. 30
Ein derartiger Verstärker erfordert jedoch eine Betriebsspannung, die höher ist als die Summe der Schwellwertspannungen der beiden MISFETs, welche den komplementären Verstärker bilden.
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Damit ein MIS-Verstärker mit einer Betriebsspannung arbeiten kann, die nur höher als die Schwellwertspannung der
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jeweiligen MISFETs ist, welche den Verstärker bilden, ist in der US-PS 38 87 881 ein Verstärker angegeben, bei dem zwei Spannungsteiler, an die jeweils ein MISFET in Keine angeschlossen ist, parallel zu einem C-MIS-Verstärker geschaltet sind, wobei der Ausgang der Spannungsteiler an die Gate-Elektroden der FETs angeschlossen ist, welche einen C-MOS-Verstärker bilden.
Bei diesem Verstärker schwankt jedoch die Betriebsspannung in unerwünschter Weise, und es wird häufig eine instabile Operation des Verstärkers aufgrund von Schwankungen der Eigenschaften der Schaltungsbestandteile hervorgerufen, da die Gate-Elektroden der den C-MOS-Verstärker bildenden MOSFETs fest vorgespannt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen C-MIS-Verstärker anzugeben, der eine niedrige untere Betriebsspannungsgrenze aufweist und der in der Lage ist, eine stabile Verstärkung auch dann zu gewährleisten, wenn die Betriebsspannung schwankt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verstärker wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der C-MIS-Verstärker eine geringe Leistungsaufnahme besitzt. Der erfindungsgemäße C-MIS-Verstärker zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß er ohne weiteres mit normalen, einen Oszillator bildenden Bauelementen kombiniert werden kann, wie z.B. einem Kondensator und einem Quarzoszillator, so daß er für Armbanduhren besonders geeignet ist.
Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung ein komplementärer MIS-Verstärker angegeben, der ganz allgemein einen MISFET eines ersten Leitungstyps mit einem automatisch vorgespannten Widerstand sowie einen MISFET eines zweiten Leitungstyps aufweist, der mittels einer Stromspiegelschaltung vorgespannt ist.
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Genauer gesagt weist der erfindungsgemäße komplementäre MIS-Verstärker einen ersten MISFET, der mit einem zwischen seine Gate- und Drain-Elektroden geschalteten Vorspannungs-Widerstand versehen ist, einen zweiten MISFET, der mit seiner Drain-Elektrode an die Drain-Elektrode des ersten MISFET angeschlossen ist, einen dritten MISFET, dessen Gate- und Drain-Elektroden an die Gate- und Drain-Elektroden des zweiten MISFET angeschlossen sind, sowie eine Last auf, die den dritten MISFET mit elektrischem Strom versorgt, wobei die Gate-Elektroden der ersten und zweiten MISFETs so ausgelegt sind, daß sie Eingangssignale V erhalten, die gleichspannungsmäßig voneinander getrennt
sind.
Beim erfindungsgemäßen C-MIS-Verstärker ist der erste MISFET mit einer Gleichspannung über den Vorspannungs-Widerstand auf seine Schwellwertspannung vorgespannt, während der zweite MISFET vom dritten MISFET gleichspannungsmäßig auf seine Schwellwertspannung vorgespannt ist.
Ferner sind die Gate-Elektroden der ersten und zweiten MISFETs so ausgelegt, daß sie Wechselspannungs-Eingangssignale erhalten, die gleichspannungsmäßig voneinander getrennt sind.
Auch wenn die Versorgungsspannung oder Betriebsspannung, die an die Source-Elektroden der ersten und zweiten MISFETs angelegt ist, schwankt, wird der Verstärker daher eine korrekte und stabile Verstärkung liefern, solange die Betriebsspannung höher liegt als die höhere Schwellwert— spannung der ersten und zweiten MISFETs. Da außerdem im Gegentaktbetrieb oder B-Klassenbetrieb gearbeitet wird, wird der Pegel, bei dem die ersten und zweiten komplementären MISFETs gleichzeitig gegenüber einer Wechselspannungssignal^Amplitude leitend werden, minimal und verringert die Leistungsaufnahme.
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ORIGINAL INSPECTED
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine schematische Schaltung eines herkömmlichen komplementären Verstärkers; und in
Fig. 2 und 3 schematische Schaltungen von erfindungsgemäßen komplementären Verstärkern.
Bei einem herkömmlichen komplementären FET-Verstärker, der beispielsweise aus der US-PS kl OO 502 bekannt ist und lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung erläutert wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Dabei ist ein P-Kanal-FET MP an eine Spannungsquelle VDD und ein N-Kanal-FET MN an eine andere, geerdete Spannungsquelle VSS angeschlossen, wobei die beiden FETs zur Bildung eines komplementären Verstärkers in Reihe geschaltet sind. Hierbei sind zwischen die beiden komplementären FETs MN und MP zwei Lastwiderstände RLl und RL2 mit äquivalenten Widerstandswerten in Reihe geschaltet. Ferner sind Vorspannungswiderstände RFi und RF2 für die beiden FETs MN und MP zwischen ihre Gate- und Drain-Elektroden geschaltet. Die Gate-Elektroden der FETs MN und MP werden mit einem Eingangssignal Vin versorgt, wobei die Gate-Elektrode des FET MP zur Wechselspannungs-Kopplung über einen Kondensator Cl mit einem Eingangssignal Vin versorgt wird.
Bei dem oben beschriebenen komplementären FET-Verstärker sind die Vorspannungswiderstände RFl und RF2 zwischen die Gate- und Drain-Elektroden des FET MN und zwischen die Gate- und Drain-Elektroden des FET MP geschaltet, wobei die Gate-Elektroden dieser FETs durch den Kondensator Cl gleichspannungsmäßig voneinander getrennt sind, so daß die FETs automatisch vorgespannt sind. Der oben beschrie-
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bene Verstärker arbeitet somit im Gegentakt, und wenn der Durchflußstrom, der erzeugt wird, wenn beide FETs MN und MP gleichzeitig eingeschaltet werden, abnimmt, so wird die Leistungsaufnahme des Verstärkers in geeigneter Weise verringert.
Damit jedoch der oben beschriebene Verstärker eine richtige Verstärkung liefert, muß die an die Source-Elektroden angelegte Source-Spannung, die nachstehend auch als Betriebsspannung bezeichnet wird, für die FETs MN und MP größer sein als die Summe der Schwellwertspannungen VTHN
' und VTHP der beiden FETs MN und MP. Diese Summe von Schwell
wertspannungen wird nachstehend als untere Betriebsspannungsgrenze bezeichnet. Wenn daher die Versorgungsspannung unter den Pegel der unteren Betriebsspannungsgrenze abgefallen ist, wird der Verstärker nicht mehr korrekt arbeiten.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Verstärker handelt es sich um eine schematische Schaltung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen komplementären Verstärkers. Ein P-Kanal-MISFET 1 oder MPl und ein N-Kanal-MISFET 2 oder MNl, die komplementär zueinander sind, sind in Reihe zwischen eine Source- oder Versorgungsleitung 4, die ein erstes Source-Potential VDD liefert, und eine Erdleitung 5 geschaltet, welche ein zweites Source-Potential liefert. Eine Ausgangsspannung Vout wird am Verbindungspunkt 6 der beiden Drain-Elektroden dieser MISFETs 1 und 2 abgegriffen. Die Gate- und Drain-Elektroden des MISFET 1 sind miteinander über einen automatisch vorgespannten Widerstand 7 verbunden.
Ganz allgemein werden Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren oder MISFETs.in die beiden Arten eines Dünnfilm-Transistors oder TFT und eines Metall-Oxid-Halbleiter-Transistors oder MOS-Transistors eingeteilt. Da
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die MOS-Feldeffekttransistoren populärer und üblicher sind, wird bei der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen auf diejenigen Fälle Bezug genommen werden, wo MOSFETs anstelle von TFTs verwendet werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die MOSFETs nachstehend auch kurz als FETs bezeichnet.
Die Gate-Elektrode des FET 2 oder MNl ist an die Gate-Elektrode des FET 1 oder MPl über einen Kondensator 8 angeschlossen. Ferner erhalt die Eingangsklemme 9 ein Wechselspannungs-Eingangssignal Vin, das der Gate-Elektrode des FET 1 oder MPl zuzuführen ist.
Ein Widerstand 10 oder R2 sowie die Drain- und Source-Elektrode eines N-Kanal-FET 3 oder MN2, die in Kombination eine Einrichtung zur Lieferung eines elektrischen Stromes bilden, sind zwischen die Versorgungsleitung k und die Erdleitung 5 geschaltet. Die Gate- und Source-Elektroäen des FET 3 oder MN2 sind über einen Widerstand 12 oder R3 miteinander verbunden, während die Gate-Elektrode auch mit der Gate-Elektrode des FET 2 oder MNl verbunden ist.
Bei dem oben beschriebenen komplementären Verstärker ist - die Gate-Elektrode des FET 1 oder MPl an ihre Drain-Elektrode angeschlossen, und zwar über einen Vorspannungswiderstand 7 oder Rl, dessen Widerstandswert 10 bis 100 MQ beträgt. Somit ist das Gate-Potential in gleichspannungsmäßiger Hinsicht im wesentlichen auf denselben Pegel gesetzt wie die Schwellwertspannung VTHP des FET 1 oder MPl, um die Verstärkung des negativen Teiles der Periode eines Eingangssignals vorzunehmen.
Außerdem ist die Gate-Elektrode des FET 2 oder MNl an die Gate-Elektrode des FET 3 oder MN2 der Spiegelschaltung angeschlossen, die aus den Widerständen 10 und 12 sowie dem
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FET 3 besteht. Somit ist die Gleichspannungs-Vorspannung auf den Pegel der Schwellwertspannung VTHN des FET 2 gesetzt, um die Verstärkung des positiven Teiles der Periode eines Eingangssignals vorzunehmen. Der Kondensator 8 arbeitet in der Weise, daß er die Gate-Potentiale der FETs 1 und 2 gleichspannungsmäßig trennt. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind die Gate- und Drain-Elektroden des P-Kanal-FET 1 über einen automatisch vorgespannten Widerstand 7 miteinander verbunden, während die Gate- und Drain-Elektroden des N-Kanal-FET 2 voneinander getrennt /r sind. Die Gate- und Drain-Elektroden des N-Kanal-FET 3
sind jedoch über einen Widerstand verbunden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform des komplementären Verstärkers muß die Source-Spannung VDD zum gleich- ■ zeitigen Betrieb der FETs 1 und 2 nur höher sein als die höhere Schwellwertspannung VTHP des P-Kanal-FET 1 bzw. die Schwellwertspannung VTHN des N-Kanal-FET 2. Somit kann der Verstärker auch dann arbeiten, wenn die Versorgungsspannung VDD aufgrund einer Änderung in der Schaltung abgenommen hat.
Nimmt man einmal an, daß die beiden Schwellwertspannungen VTHP und VTHN gleich sind, so nimmt die untere Betriebsspannungsgrenze im wesentlichen auf die Hälfte von herkömmlichen komplementären Verstärkern ab. Wenn die Betriebsspannung verringert wird, so nimmt das Potential an der Gate-Elektrode des FET 1 oder MPl unter das Potential an der Gate-Elektrode des FET 2 oder MNl ab, so daß der Kondensator 8 geladen wird, so daß das Potential an der an die Gate-Elektrode des FET 2 angeschlossenen Seite höher ist als das auf der an die Gate-Elektrode des FET 1 angeschlossenen Seite.
Außerdem ist bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Pegel, bei dem die FETs 1 und 2 gegenüber einer Wechsel-
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spannungssignal-Amplitude gleichzeitig leitend sind, verringert und die Leistungsaufnahme reduziert.
Außerdem wird eine stabile Operation des Verstärkers auch bei Schwankungen der Eigenschaften der Bauelemente und bei einer Schwankung der Source-Spannung oder Betriebsspannung gewährleistet, da die Vorspannung des FET durch die automatische Vorspannung gegeben ist.
Aufgrund der genannten Eigenschaften ist der erfindungsgemäße Verstärker besonders geeignet für Verwendungszwekke, die einen hohen Eingangsimpedanzwert erfordern, z.B. als Verstärker, der in Kombination mit einem Quarzoszillator bei einer Armbanduhr verwendet wird.
Fig. 3 zeigt eine schematische Schaltung mit einem erfindungsgemäßen komplementären Verstärker, der in eine Oszillatorschaltung für eine Armbanduhr eingebaut ist.
Bei dieser Anordnung stellt ein Schaltungsblock 13 in dem strichpunktierten Kasten eine Schaltung dar, die im wesentlichen dem komplementären Verstärker gemäß Fig. 2 entspricht. Um jedoch den Installationsraum möglichst klein zu machen, ersetzen ein komplementärer FET, der einen hohen Widerstand aufweist, und ein P-Kanal-FET 17 als Widerstandselement den automatisch vorgespannten Widerstand 7 bzw. den Lastwiderstand 10. In gleicher Weise kann ein FET anstelle des Vorspannungswiderstandes 12 oder R3 des FET 3 verwendet werden.
Die in Reihe zwischen die Drain-Elektroden der MISFETs 1 und 2 geschalteten Widerstände l8 und 19 arbeiten miteinander zusammen und begrenzen den Durchflußstrom, der zwischen den FETs 1 und 2 fließt, und sorgen für die Vorspannung zwischen den Gate- und Source-Elektroden in der Nähe der Schwellwertspannung, um den Leistungsverbrauch weiter zu verringern.
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ORIGINAL fWSPE
mac:- 'ζ ";-":ώο
18280
Ein Quarzoszillator 21 sowie Eingangs/Ausgangs-Kondensatoren 22 und 23 sind zwischen die Gate-Elektrode des FET 1, die die Eingangsklemme des Verstärkers darstellt, und über einen Ausgangswiderstand 20 an die Verbindung zwischen den beiden Widerständen l8 und 19 angeschlossen, um auf diese Weise eine Quarz-Oszillator-Schaltung zu bilden. Die Quarz-Oszillator-Schaltung arbeitet in bekannter Weise, so daß eine nähere Beschreibung entbehrlich erscheint.
Die Drain-Elektroden der FETs 1 und 2 sind an die entsprechenden Gate-Elektroden der FETs 2k und 25 angeschlossen, welche eine Wellenformschaltung bilden, die aus einem weiteren komplementären Verstärker besteht.
Wenn die Ausgangsspannung an die Verbindung zwischen den Widerständen l8 und 19 angelegt wird, so wird der Durchflußstrom in der genannten Wellenformschaltung groß und erhöht die Leistungsaufnahme. Eine Rechteckwelle wird an der Ausgangsklemme der Wellenformschaltung erhalten, wenn die von den Drain-Elektroden der FETs 1 und 2 abgeleitete Ausgangsspannung an die Wellenformschaltung angelegt wird, da letztere keinen Lastwiderstand enthält. Somit ist die Gleichspannungskomponente des Signals, das zwischen die Source- und Gate-Elektroden der jeweiligen FETs 2k und 25 angelegt wird, im wesentlichen gleich der Schwellwertspannung, so daß die Periode, in der die FETs 2k und 25 gleichzeitig leitend werden, zur Verringerung der Leistungsaufnahme verkürzt wird.
Obwohl der erfindungsgemäße Verstärker anhand bestimmter Ausführungsformen erläutert worden ist, können im Rahmen der Erfindung eine ganze Reihe von Änderungen vorgenommen werden, beispielsweise können die Leitfähigkeiten der MOSFETs umgekehrt werden, wenn eine Umkehrung der Polaritat der Source-Spannung oder Versorgungsspannung erfolgt.
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Claims (8)

  1. PATEftJ Γ ANWÄLTE SCHIFF ν. FÜNER STREHU SCHÜBEU-HOPF EBBINGHAUS FINCK
    MARIAHILFPLATZ S & 3, MÖNCHEN 8O POSTADRESSE: POSTFACH 8BO16O, D-800O MÖNCHEN SB 5
    HITACHI, LTD. 4. März 19 80
    DEA-25 094
    Komplementärer Verstärker
    Patentansprüche #
    l) Komplementärer Verstärker, gekennzeich- ^_/
    net
    durch einen ersten FET (l) eines ersten Leitungstyps mit einer an eine Eingangsklemme (9) angeschlossenen Gate-Elektrode, mit einer an eine erste Spannungsversorgung (4, VDD) angeschlossenen Source-Elektrode und mit einer Drain-Elektrode;
    durch einen zweiten FET (2) eines zweiten Leitungstyps mit einer Gate-Elektrode, mit einer an eine zweite Spannungs-Versorgung (5» VSS) angeschlossenen Source-Elektrode und mit einer Drain-Elektrode;
    durch eine Verbindung, die zwischen die beiden Drain-Elektroden der ersten und zweiten FETs (l, 2) geschaltet ist; *
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    • ORIGINAL· INSPECTED
    durch einen Vorspannungs-Widerstand (7t 15» l6), der zwischen die Gate- und die Drain-Elektrode des ersten FET (l) geschaltet ist;
    durch einen Kondensator (8), der zwischen die Gate-Elektroden der ersten und zweiten FETs (l, 2) geschaltet ist;
    durch einen dritten FET (3) vom zweiten Leitungstyp, dessen Gate- und Source-Elektroden an die Gate- bzw. Source- ( Elektroden des zweiten FET (2) angeschlossen sind; und
    durch eine Last (10, 17)» die zwischen die erste Spannungs-Versorgung (4, VDD) und die Drain-Elektrode des dritten FET (3) geschaltet ist.
  2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate- und Drain-Elektroden des dritten FET (3) über einen Widerstand (12) verbunden sind.
  3. 3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Last (lO) als Widerstand (10) aus gebildet ist.
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  4. 4. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Last (17) von einem vierten FET (17) vom ersten Leitungstyp gebildet wird, bei dem die Gate-, Source- und Drain-Elektroden an die zweite Spannungsversorgung (5t VSS), die erste Spannungsversorgung {k, VDD) bzw. die Drain-Elektrode des dritten FET (3) angeschlossen sind.
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  5. 5· Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Vorspannungs-Widerstand (15, l6) von komplementären FETs (15, l6) gebildet wird, deren Source- und Drain-Elektroden jeweils zusammengeschaltet sind.
  6. 6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindung (l8, 19) aus einem Widerstand (l8, 19) besteht.
  7. 7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Vierbindung (l8, 19) aus zwei Widerständen (l8, 19) besteht, die in Reihe zwischen die Gate-Elektroden der ersten und zweiten FETs (l, 2) geschaltet sind und daß eine positive Rückkopplungsschaltung (2Ο-23) zwischen den Verbindungspunkt der beiden Widerstände (l8, 19) und die Gate-Elektrode des ersten FET (l) geschaltet ist und einen Kristall-Oszillator (2l) aufweist.
  8. 8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Wellenformschaltung (24, 25) vorgesehen ist, die einen vierten FET (24) vom ersten Leitungstyp und einen in Reihe geschalteten fünften FET (25) vom zweiten, komplementären Leitungstyp aufweist und daß die jeweiligen Gate-Elektroden vom vierten und fünften FET (24, 25) an die Drain-Elektroden des ersten (l) bzw. zweiten FET (2) angeschlossen sind.
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