DE3017654C2

DE3017654C2 -

Info

Publication number: DE3017654C2
Application number: DE19803017654
Authority: DE
Inventors: Hansjoerg Dipl.-Phys. Dr.Rer.Nat. Reichert; Walter Ing.(Grad.) 8000 Muenchen De Zimmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-05-08
Filing date: 1980-05-08
Publication date: 1990-06-21
Also published as: DE3017654A1

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung aus wenigstens einem Betriebstransistor mit mindestens einer Gate-Elektrode, einem Hilfstransistor und einem Vorwiderstand.

MIS-Transistoren (MIS-Metall-Isolator-Halbleiter) benötigen wegen prozeßtechnisch bedingter, teilweise erheblicher Streuungen in ihren Werten von I _DSS (Kurzschlußstrom bei MIS-Transistoren vom Verarmungstyp) beziehungsweise von U _S (Schwellenwertspannung bei MIS-Transistoren vom Anreicherungstyp) aufwendige Beschaltungsnetzwerke zur Arbeitspunkt-Einstellung. Diese Beschaltungsnetzwerke beeinträchtigen aber unter anderem die Hochfrequenz-Eigenschaften und erfordern außerdem einen größeren Aufwand, was sich auf die Kosten insbesondere bei einer Massenfertigung ungünstig auswirkt. Wenn diese Beschaltungsnetzwerke weggelassen werden, müssen zeitraubende und ausbeutemindernde Selektionen nach den gewünschten Transistordaten durchgeführt werden.

Aus DE-OS 24 17 994 ist eine digitale Schaltung bekannt, bei der eine zugehörige Teilschaltung Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften verschiedener MOSIC's kompensiert. Bei dieser bekannten Schaltung wird die Betriebsspannung eines Funktionstransistors mittels mindestens zweier weiterer Transistoren, von denen einer gleichzeitig ein Lasttransistor ist, für den Kleinsignalbetrieb stabilisiert. Dabei ist der Ausgang des gesteuerten Lasttransistors die Source-Elektrode und es sind immer Anreicherungs- und Verarmungs-Isolierschichttransistoren zusammen vorhanden, so daß die Transistoren nicht im gleichen Herstellungsprozeß fertigbar sind.

Aus IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-12, Nr. 3, Juni 1977, Seiten 224-231, ist es beispielsweise bekannt, Referenzströme mittels einer Stromspiegelschaltung, welche MOS-Transistoren enthält, zu erzeugen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der Betriebsstrom ohne äußere Zusatzbeschaltung in engen Grenzen abhängig von einer frei wählbaren Hilfsspannung einstellbar ist, so daß keine aufwendigen Beschaltungsnetzwerke zur Arbeitspunkt-Einstellung benötigt werden und außerdem keine Selektionen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine integrierte Schaltungsanordnung nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Bei der Erfindung werden also zusammen mit dem Betriebstransistor durch monolithische Integration der Hilfstransistor im gleichen Herstellungsprozeß sowie der hochohmige Vorwiderstand vorgesehen. Dabei muß die Geometrie des Hilfstransistors lediglich in der Kanallänge der Geometrie des Betriebstransistors entsprechen. Der Kurzschlußstrom I _DSS des Betriebstransistors muß unter dem Betriebsstrom liegen. Vorzugsweise eignen sich hierfür Transistoren vom Anreicherungstyp. Bei der Erfindung stellt sich der Betriebsstrom ohne äußere Zusatzschaltung in engen Grenzen entsprechend der Größe der Hilfsspannung U _H ein.

Bei der Herstellung kann der gewünschte Betriebsstrom bei einer vorgegebenen Hilfsspannung (zum Beispiel ist die Hilfsspannung U _H gleich groß wie die Betriebsspannung U _B, das heißt U _H=U _B) durch das eng tolerierbare Verhältnis der Gate-Breiten w _GB/w_GH (w _GB=Gate-Breite des Betriebstransistors, w _GH=Gate-Breite des Hilfstransistors) und durch einen eng tolerierbaren Hilfswiderstand R _H eingestellt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt darin, daß infolge der Kaskodenschaltung bei einem MIS-Transistor vom Anreicherungstyp und bei einer entsprechenden Schwellenwertspannung keine Regelspannung unter dem Source-Potential beziehungsweise keine Source-Vorspannung erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann sowohl als selbständiges Bauelement, als auch als Komponente einer integrierten MIS-Analogschaltung verwendet werden. Im ersten Fall ersetzt sie ein diskretes MIS-Bauelement, bei dem die aufwendige Arbeitspunkt-Einstellung entfallen kann. Im zweiten Fall ist eine externe Arbeitspunkt-Einstellung gar nicht möglich. Daher ist eine Regelschaltung der beschriebenen Art eine Grundvoraussetzung für eine wirtschaftliche Fertigung derartiger integrierter MOS-Analogschaltungen.

Es ist vorteilhaft, daß der Betriebstransistor eine Tetrode ist, an deren erstem Gate-Anschluß der Vorwiderstand liegt und dessen zweitem Gate eine beliebige Steuer- oder Regelspannung zuführbar ist.

Weiterhin können die Tetrode und der Hilfstransistor oder der Ausgangstransistor der Tetrode selbstsperrend sein.

Es ist vorteilhaft, daß dem Verbindungspunkt zwischen Gate und Drain des Hilfstransistors ein Hilfsstrom zugeführt wird.

Dieser Hilfsstrom kann mittels einer äußeren Hilfsspannung und eines integrierten Hilfswiderstands zugeführt werden. Die Hilfsspannung kann dabei die Drain-Spannung des Betriebstransistors oder die am zweiten Gate des Betriebstransistors liegende Spannung oder eine beliebige Spannung sein. Der Hilfsstrom kann auch über einen äußeren Widerstand zugeführt werden und von einer beliebigen äußeren Spannung abgeleitet sein.

Es ist auch vorteilhaft, daß das zu verstärkende Signal dem Verbindungspunkt zwischen dem Vorwiderstand und dem ersten Gate des Betriebsstransistors eingespeist ist.

Schließlich besteht eine Weiterbildung der Erfindung noch darin, daß die Source-Elektrode des Betriebstransistors auf einem Bezugspotential, insbesondere Masse, liegt.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 und 2 herkömmliche Schaltungsanordnungen zur Arbeitspunkt-Einstellung, und

Fig. 3 und 4 jeweils ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In Fig. 1 liegt an der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors 1 über einen Spannungsteiler aus Widerständen 2 und 4 eine Betriebsspannung U _B oder eine Regelspannung U _Regel zur Einstellung der Verstärkung des Betriebsstroms. Ein Kondensator 3 dient zur galvanischen Trennung von einer Signalquelle.

Der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 1 wird ein Drain-Strom I _D zugeführt. Die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 1 ist einerseits über einen Kondensator 5 hochfrequenzmäßig und andererseits über einen Widerstand 6 geerdet. Die Betriebsspannung U _B wird gegebenenfalls über einen Widerstand 7 der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 1 zugeführt.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche herkömmliche Schaltungsanordnung mit einer MIS-Tetrode 10. Die zusätzliche Gate-Elektrode dieses Beispiels ist wie die Schaltungsanordnung der Fig. 1 über einen Widerstand 20 mit der Betriebsspannung U _B beziehungsweise der Regelspannung U _Regel beaufschlagbar. Weiterhin liegt der Mittelpunkt der zusätzlichen Gate-Elektrode über einen weiteren Kondensator 30 hochfrequenzmäßig beziehungsweise über einen weiteren Widerstand 40 an Erde.

Die Funktion der Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 ist bekannt und wird daher nicht weiter erläutert.

Im folgenden wird auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung an Hand der Fig. 3 und 4 näher eingegangen.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen integrierten Schaltungsanordnung mit einem Betriebstransistor Tr _B, an dessen Drain-Elektrode der Betriebsstrom I _B mittels der Betriebsspannung U _B liegt, die den gleichen Wert hat wie die Spannung U _b′ (U _b′=U _B). Über einen Hilfswiderstand R _H wird ein Hilfsstrom I _H eingespeist. Dabei liegt eine frei wählbare Hilfsspannung zur Einstellung des Betriebsstroms I _B am Hilfswiderstand R _H. Der Hilfswiderstand R _H ist über einen Vorwiderstand R _V mit der Gate-Elektrode des Betriebstransistors Tr _B verbunden. Der Mittenpunkt zwischen dem Vorwiderstand R _V und der Gate-Elektrode des Betriebstransistors Tr _B ist über eine Leitung 11 und einen externen Kondensator 12 als Gate-Elektrode der Anordnung 1′ herausgeführt.

Der Mittenpunkt zwischen dem Hilfswiderstand R _H und dem Vorwiderstand R _V, an dem die Gate-Spannung U _G auftritt, ist einerseits mit der Gate-Elektrode eines Hilfstransistors Tr _H und andererseits mit der Source- beziehungsweise der Drain-Elektrode des Hilfstransistors Tr _H verbunden. Die Drain- beziehungsweise die Source-Elektrode des Hilfstransistors Tr _H ist mit der Source-Elektrode des Betriebstransistors Tr _H verbunden.

Der Hilfstransistor Tr _H wird mittels monolithischer Integration durch den gleichen Herstellungsprozeß wie der Betriebstransistor Tr _B hergestellt. Das gleiche gilt für den Hilfswiderstand R _H und den hochohmigen Vorwiderstand R _V. Wesentlich ist, daß die Kanallänge L _H des Hilfstransistors Tr _H der Kanallänge L _B des Betriebstransistors Tr _B entspricht, also L _H=L _B.

Der Betriebsstrom stellt sich entsprechend folgender Gleichung ein:

Mit
w _GB = Gate-Breite des Betriebstransistors Tr _B,
w _GH = Gate-Breite des Hilfstransistors Tr _H,
µ = Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger im Kanal,
L _G = Gate-Länge des Betriebstransistors,
C _GB = Gate-Kapazität des Betriebstransistors Tr _B (beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist dies die Gate-Kapazität am Gate 1),
U _i = interne Gate-Vorspannung (infolge beispielsweise Oxidladungen, Differenz der Austrittsarbeit zwischen der Gate-Elektrode und dem Halbleiter, Kanaldotierung und so weiter),
g _OSS′ = Ausgangsleitwert der gesteuerten Elektrode (linear angenommen), und
g _OSS = dynamischer Ausgangsleitwert.

Für einen Betriebstransistor Tr _B vom Anreicherungstyp gilt mit U _H»U _G:

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3 erklärt sich aus dieser Formel: In der durchgeführten Näherungsrechnung hängt der Betriebsstrom I _B nur noch von den fertigungstechnisch gut reproduzierbaren Größen R _H, w_GB/w_GH, g_OSS und den angelegten Spannungen U _H und U _b′ ab. Durch geeignete Dimensionierung von R _H · w _GB/w_GH kann bei vorgegebenem Arbeitspunkt und bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung U _H=U _B=U _b′ eingestellt werden. Damit entfällt eine getrennte Erzeugung von U _H.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer MOS-Tetrode 1′′. Die zweite Gate-Elektrode des Betriebstransistors Tr _B liegt an einem Anschluß "Gate 2".

Die Funktion dieser Schaltung kann erklärt werden, indem die Tetrode Tr _B in eine Kaskadenschaltung von zwei Trioden aufgespaltet wird, wobei die untere Triode nach Fig. 3 in ihrem Arbeitspunkt stabilisiert wird.

Claims

1. Integrierte Schaltungsanordnung aus wenigstens einem Betriebstransistor (Tr _B) mit mindestens einer Gate-Elektrode zur Einweisung eines Signals und einer mitintegrierten Teilschaltung zur Einstellung des über die Drain-Source-Strecke des Betriebstransistors (Tr _B) fließenden Betriebsstromes (I _B), bestehend aus einem Hilfstransistor (Tr _H), dessen Gate mit einer ersten weiteren Elektrode des Hilfstransistors (Tr _H) sowie über einen Vorwiderstand (R _V) mit einem Gate des Betriebstransistors (Tr _B) verbunden ist, wobei eine Einrichtung zur Zuführung eines Hilfsstromes (I _H) an den Verbindungspunkt zwischen der Gate-Elektrode und der ersten weiteren Elektrode des Hilfstransistors (Tr _H) vorhanden ist, wobei die zweite weitere Elektrode des Hilfstransistors (Tr _H) mit der Source-Elektrode des Betriebstransistors (Tr _B) verbunden ist, wobei die Kanallänge des Betriebstransistors (Tr _B) der Kanallänge des Hilfstransistors (Tr _H) entspricht und der Betriebstransistor (Tr _B) und der Hilfstransistor (Tr _H) im gleichen Herstellungsprozeß hergestellt sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebstransistor (Tr _B) eine Tetrode ist, an deren ersten Gate-Anschluß der Vorwiderstand (R _V) liegt und dessen zweitem Gate eine beliebige Steuer- oder Regelspannung zuführbar ist (Fig. 4).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tetrode (Tr _B) und der Hilfstransistor (Tr _H) selbstsperrend sind (Fig. 4).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangstransistor der Tetrode (Tr _B) selbstsperrend ist (Fig. 4).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstrom (I _H) über eine äußere Hilfsspannung (U _H) und einen integrierten Hilfswiderstand (R _H) zugeführt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung (U _H) die Drain-Spannung des Betriebstransistors (Tr _B) oder die am zweiten Gate des Betriebstransistors (Tr _B) liegende Spannung oder eine beliebige Spannung ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstrom (I _H) über einen äußeren Widerstand zugeführt wird und von einer beliebigen äußeren Spannung abgeleitet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verstärkende Signal dem Verbindungspunkt zwischen dem Vorwiderstand (R _V) und dem ersten Gate des Betriebstransistors (Tr _B) eingespeist ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Elektrode des Betriebstransistors (Tr _B) auf einem Bezugspotential, insbesondere Masse, liegt.