DE3405809C2 - Ausgangsstufe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausgangsstufe mit symmetrischer Spannungsversorgung zur Ansteuerung einer einseitig an Masse liegenden Last. Die Ausgangsstufe weist eine Eingangsklemme zum Anlegen einer Eingangsspannung auf, und sie gibt eine Ausgangsspannung an eine Ausgangsklemme ab. Ein erster Schaltungszweig der Ausgangsstufe enthält ein erstes Schaltelement, das den durch die Last fließenden Ausgangsstrom leitet, wenn eine Eingangsspannung der einen Polarität vorliegt. Ein zweiter Schaltungszweig enthält ein zweites Schaltungselement, das den durch die Last fließenden Ausgangsstrom leitet, wenn eine Eingangsspannung der anderen Polarität vorliegt. Eine Kopplungsschaltung leitet aus der Eingangsspannung ein Steuersignal für den zweiten Schaltungszweig ab. Die Ausgangsstufe zeichnet sich durch einen hohen Ausgangsspannungshub und einen niedrigen Ruhestrom aus.

Description

der Gate-Elektrode des P-Kanal-MOS-Feldeffekt- 55 trode. Die Eingangsklemme 14 ist mit der Gate-Elektro-

transistor (TlO) des zweiten Schaltungszweigs eine de eines Eingangstransistors 71 verbunden, bei dem es

vom Strom durch den N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (73) der Kopplungsschaltung abhängige Steuerspannung erzeugt.

sich um einen P-Kanal-Transistor handelt, wie der an der Source-Elektrode gezeichnete Pfeil symbolisch veranschaulicht. Dieser Transistor wird leitend, wenn seine Gate-Spannung negativ gegenüber seiner Drain-Span-

nung gemacht wird. Mit der Drain-Elektrode des Transistors 71 ist eine Klemme einer Stromquelle 51 verbunden, deren andere Klemme mit der Versorgungs-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausgangsstufe spannungsklemme 12 verbunden ist. Die Source-Elek-

mit symmetrischer Spannungsversorgung zur Ansteue- 65 trode des Transistors 71 ist mit der Ausgangsklemme

<rung einer einseitig an Masse liegenden Last, mit einer 16 verbunden. An die Drain-Elektrode des Transistors

Eingangsklemme zum Anlegen einer Eingangsspannung 7 1 sind die Gate-Elektroden von zwei weiteren Transi-

oder einer Ausgangsklemme zur Abgabe einer Aus- stören 72 und 73 angeschlossen, bei denen es sich je-

doch um N-Kanal-Transistoren handelt, wie die an ihren Source-Elektroden gezeichneten Pfeile symbolisch angeben. Diese N-Kanal-Transistoren werden leitend, wenn ihre Gate-Spannung positiv gegenüber ihrer Drain-Spannung wird. Die Drain-Source-Strecke des Transistors 72 liegt zwischen der Ausgangsklemme 16 und der Versorgungsspannungsklemme 12. Mit der Ausgangsklemme 16 ist auch die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors 74 verbunden, dessen Drain-Eiektrode mit der Versorgungsspannungsklemme 12 und dessen Source-Elektrode mit einer Klemme einer Stromquelle 52 verbunden ist, deren zweite Klemme an der Versorgungsspannungsklemme 10 liegt. An die ' Source-Elektrode des Transistors 74 sind auch die Source-Elektroden von zwei weiteren Transistoren 75 und Γ6 angeschlossen deren Gate-Elektroden miteinander verbunden und an die ebenfalls verbundenen Drain-Elektroden der Transistoren 75 und 73 angeschlossen sind. Die Drain-Elektrode des Transistors 76 ist mit der Drain-Elektrode eines Transistors 77 verbunden, und sie ist auch an die miteinander verbundenen Gate-Elektroden des Transistors 77 und eines weiteren Transistors 78 angeschlossen. Die Source-Elektrode des Transistors Tl ist ebenso wie die Source-Elektrode des Transistors 78 mit der Versorgungsspannungsklemme 12 verbunden. Die Drain-Elektrode des Transistors TS ist mit der Gate-Elektrode eines Transistors T9 verbunden und an eine Klemme einer Stromquelle 53 angeschlossen, deren andere Klemme an eine weitere Stromquelle 54 und an die Versorgungsspannungsklemme 10 angeschlossen ist. Die zweite Klemme der Stromquelle 54 ist mit der Drain-Elektrode des Transistors 79 verbunden, und sie steht mit der Gate-Elektrode eines Transistors Γ10 in Verbindung, dessen Source-Elektrode mit der Versorgungspannungsklemme 10 verbunden ist und dessen Drain-Elektrode mit der Ausgangsklemme 16 verbunden ist. Die Source-Elektrode des Transistors 79 ist an die Versorgungsspannungsklemme 12 angeschlossen.

Die beschriebene Ausgangsstufe verhält sich wie eine in CMOS-Technik aufgebaute Source-Folger-Stufe, jedoch kann mit ihr gegenüber einer herkömmlichen CMOS-Source-Folger-Stufe ein höherer Ausgangsspannungshub bei niedrigerem Ruhestrom erzielt werden.

Wenn an die Eingangsklemme 14 eine negative Spannung angelegt wird, wird der P-Kanal-Transistor Tl leitend. Da der durch diesen Transistor fließende Strom von der Spannungsquelle 51 konstant gehalten wird, hat der Übergang des Transistors Π in den leitenden so Zustand zur Folge, daß die Spannung an seiner Drain-Elektrode ansteigt. Dies hat zur Folge, daß die Transistoren T2 und 73 in den leitenden Zustand übergehen, weil deren Basis-Elektroden mit der Drain-Elektrode des Transistors 71 verbunden sind. Im Bereich negativer Eingangsspannungen kann daher der durch die Last 18 fließende Strom durch den Transistor 72 fließen während der Strom, der durch den von der Eingangsspannung gesteuerte Transistor 71 fließt, konstant bleibt. Dies bedeutet aber, daß auch das Eingangsverhalten dieses Transistors unabhängig vom jeweiligen Ausgangsstrom gehalten wird; insbesondere bleibt seine Schwellenspannung unverändert, die bei zunehmendem Drainstrom ansteigen würde.

Wenn die Eingangsspannung an der Eingangsklemme 14 sich von negativen Werten her dem Spannungswert OV nähert, geht der Transistor 71 zunehmend in den gesperrten Zustand über, so daß die Spannung an seiner Drain-Elektrode absinkt, was auf die Verbindung der Drain-Elektrode mit der Konstantstrumquelle 51 zurückzuführen ist Mit dem Absinken der Spannung an der Drain-Elektrode des Transistors 71 sinkt auch die Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors 72 so daß auch dieser Transistor in einen Zustand übergeht, in dem er weniger Strom leitet. Das gleiche Verhalten zeigt der Transistor 73, an dessen Gate-Elektrode die gleiche Spannung wie an der Gate-Elektrode des Transistors 72 anliegt.

Wie aus dem Schaltbild von F i g. 1 unmittelbar zu erkennen ist, liegt an der Gate-Elektrode des Transistors 74 die an der Ausgangsklemme 16 anliegende Spannung. Die an der Source-Elektrode dieses Transistora anliegende Spannung unterscheidet sich von der Ausgangsspannung um einen Schwellenspannungswert und auch die Source-Spannung und die Spannung an der mit der Drain-Elektrode verbundenen Gate-Elektrode des Transistors 75 unterscheiden sich um einen Schwellenwert. Daraus folgt, daß an der Drain-Elektrode des Transistors 75 und an der damit verbundenen Drain-Elektrode des Transistors 73 die gleiche Spannung wie an der Gate-Elektrode des Transistors 74, nämlich die Ausgangsspannung anliegt. An den Transistoren 72 und 73 liegen somit die gleichen Drain-Spannungen und die gleichen Gate-Spannungen, was zur Folge hat, daß sich die dabei durch diese Transistoren fließenden Ströme genau wie die Verhältnisse zwischen ihren Kanalbreiten und ihren Kanallängen verhalten. Dies bedeutet, daß die durch diese Transistoren fließenden Ströme bei gleichen anliegenden Spannungen und gleichen Kanallängen ausschließlich durch ihren geometrischen Aufbau festgelegt sind, unabhängig von irgendwelchen Kurzkanaleffekten.

Der durch den Transistor 73 fließende Strom wird von der Stromquelle 53 bestimmt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Transistorgruppen 76, 77, 78 und 73, 75, 76 jeweils Stromspiegelschaltungen bilden, d'e den von der Kontraststromquelle 53 gelieferten Strom in der Drain-Leitung des Transistors 73 reproduzieren. Der von den Transistoren 76, 77 und 78 gebildete erste Stromquelle bewirkt, daß der in der Drain-Leitung des Transistors 78 fließende Strom gleich dem in der Drain-Leitung des Transistors 77 fließende Strom ist, und der von den Transistoren 73, 75 und 76 gebildete Stromspiegel erzeugt in der Drain-Leitung des Transistors 73 den gleichen Strom, der auch in der Drain-Leitung des Transistors 76 fließt. Der in der Drain-Leitung des Transistors 78 fließende Strom, der von der Stromquelle 53 konstand gehalten wird und, wie erläutert, gleich dem durch den Transistor 73 fließenden Strom ist, steht somit aufgrund der bereits erläuterten Beziehung zwischen den die Transistoren 72 und 73 durchfließenden Strömen mit dem durch den Transistor 72 fließenden Strom in einer fest vorgegebenen Beziehung.

Eine an die Eingangsklemme 14 angelegte positive Spannung sperrt den Transistor 71, so daß wegen der Stromquelle 51 die Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors 72 abnimmt. Dadurch wird der Strom durch den Transistor 72 und auch der Strom durch den sich ebenso verhaltenden Transistor 73 reduziert. Wie bereits erwähnt wurde, wird durch die von den Transistoren 76, 77, 78 und 73, 75, 76 gebildeten Stromspiegel der Strom durch den Transistor 78 ebenfalls reduziert. Ein Absinken des Stroms durch den Transistor 78 führt dadurch zu einem Anstieg der Gate-Spannung des Transistors 79, so daß dieser Transistor in den leitenden Zustand übergeht. Dies führt zu einem Absin-

ken der Drain-Spannung des Transistors 79. Diese Drain-Spannung liegt auch an der Gate-Elektrode des Transistors 710 an, so daß dieser Transistor entsprechend der Abnahme seiner Gate-Spannung mehr Strom leitet. Beim Anliegen einer positiven Spannung an der Eingangsklemme 14 kann der der Last 18 zugeführte Strom daher über den Transistor 710 fließen, während er beim Anliegen einer negativen Spannung an der Eingangsklemme 14 über den Transistor 72 geliefert wurde. Während der Ausgangsstrom vom Transistor Γ10 geliefert wird, fließt durch den Transistor TI zwar ebenfalls ein Strom, der ein Verluststrom ist, weil er nicht zur Last 18 gelangt, doch kann dieser Verluststrom auch einem sehr niedrigen Wert gehalten werden, so daß ein guter Wirkungsgrad der Ausgangsstufe erreicht wird.

F i g. 2 zeigt das vollständige Schaltbild der beschriebenen Ausgangsstufe; in diesem Schaltbild sind auch die in F i g. 1 nur schematisch dargestellten Konstantstromquellen in ihrer Realisierung mittels Feldeffekttransistoren dargestellt. Die Stromquelle 51 entsteht durch Zusammenwirkung der Transistoren TIl, T12. und 7*13, und die Stromquelle 52 entsteht durch Zusammenwirkung der Transistoren 711, 714 und 715. Die Transistoren 716, 717 und 718 erzeugen in der Drain-Leitung des Transistors 78 und in der Drain-Leitung des Transistors 79 einen konstanten Strom; sie haben somit die Wirkung der Stromquellen 53 und 54. Im übrigen stimmt die Schaltung von Fig. 2 mit der von Fig. 1 -überein, so daß sich eine erneute Beschreibung ihrer Wirkungsweise erübrigt.

Die beschriebene Ausgangsstufe läßt sich sehr gut als integrierte Schaltung herstellen, die auf einem Halbleiterplättchen wenig Platz benötigt. Da, wie oben erläutert, die den Ausgangsstrom liefernden Transistoren mit kleinen Abmessungen ausgeführt werden können, ohne daß sich dabei die geschilderte nachteilige Wirkung ergibt, daß der durch den Kanal der jeweiligen Feldeffekttransistoren fließende Strom wegen der kurzen Kanallänge bei gleicher Gate- und Drain-Spannung nicht mehr nur vom Verhältnis von Kahallänge zu Kanalbreite bestimmt wird.

Hierzu 2 blatt zeichnungen

45

50

55

60

65

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ausgangstufe mit symmetrischer Spannungsversorgung zur Ansteuerung einer einseitig an Masse liegenden Last, mit einer Eingangsklemme zum Anlegen einer Eingangsspannung und einer Ausgangsklemme zur Abgabe einer Ausgangsspannung, gekennzeichnet durch einen ersten Schal

gangsspannung.

Eine Ausgangsstufe dieser Art ist beispielsweise aus den US-PSen 42 54 379, 3114 112, 34 86 124 und 43 42 966 bekannt. Diese bekannten Ausgangsstufen enthalten bipolare Transistoren. Die Anwendung der bei diesen bekannten Ausgangsstufen angewendeten Prinzipien auf die CMOS-Technologie ist nicht ohne weiteres möglich. Bei Ausgangsstufen, die als Source-Folger arbeiten und in der CMOS-Technologie aufge-

tungszweig (Tl, 51, Γ2) mit einem N-Kanal-MOS- ig baut sind, ist der Ausgangsspannungsbereich begrenzt,

Feldeffekttransistor (72) zur Leitung des durch die da an den die Ausgangsstufe bildenden komplemen-

Last (18) fiiessenden Ausgangsstroms bei Vorliegen ~ einer negativen Eingangsspannung, einen zweiten Schaltungszweig (S3, 78, 79, TiO) mit einem P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (710) zur Leitung des durch die Last (18) fließenden Ausgangsstroms bei Vorliegen einer positiven Eingangsspannung und eine der Ableitung eines Steuersignals für den P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (TlO) des zweiten

tären Feldeffekttransistoren relativ hohe Spannungsabfälle auftreten, die gleich der Schwellenspannung an diesen Transistoren sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausgangsstufe der eingangs angegebenen Art unter Anwendung der CMOS-Technologie zu verwirklichen, die einen hohen Ausgangsspannungshub bei niedrigem Ruhestrom ermöglicht und die sich gleichzeitig mit kleinem

Schaltungszweigs aus der Eingangsspannung die- 20 Platzbedarf als integrierte Schaltung herstellen läßt, nende Kopplungsschaltung, die zwei Stromspiegel- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im

schaltungen (T6, 77, 78, 73, 75, 76) enthält, die einen in einer Stromquelle (S3) im zweiten Schaltungszweig erzeugten Strom in einem N-Kanal-

Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. In der erfindungsgemäßen Schaltung wird der erste Schaltungszweig unmittelbar von der MOS-Feldeffekttransistor (73) der Kopplungs- »25 Eingangsspannung gesteuert, und der in diesem Schalschaltung reproduzieren, wobei das Steuersignal für tungszweig enthaltene Feldeffekttransistor liefert den den P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (TiO) durch
Vergleich des von der Gate-Spannung des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (73) der Kopplungs-

Laststrom, wenn die Eingangsspannung die eine Polarität hat. Der zweite Schaltungszweig wird nicht unmittelbar von der Eingangsspannung, sondern unter Mitwir-

schaltung in diesem hervorgerufenen Strom mit dem 30 kung der Kopplungsschaltung gesteuert, die aus der durch die Stromspiegelschaltungen in ihm reprodu- Eingangsspannung ein Steuersignal für den zweiten zierten Strom erzeugt wird. Schaltungszweig ableitet. Der zweite Schaltungszweig

2. Ausgangsstufe nach Anspruch 1, dadurch ge- liefert den Ausgangsstrom, wenn die Eingangsspannung kennzeichnet, daß der erste Schaltungszweig eine die andere Polarität hat. Die Ausgangsstufe hat einen zwischen der Ausgangsklemme und der Versor- 35 großen Ausgangshub, der nahezu den gesamten Versorgungsspannungsklemme (12) für die negative Ver- gungsspannungsbereich überdeckt, sorgungsspannung eingefügte Serienschaltung aus Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im

einem Eingangs-P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor Patentanspruch 2 gekennzeichnet. (Tl), an dessen Gate-Elektrode d^;e Eingangsspan- Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung bei-

nung anlegbar ist, und aus einer Konstantstromquel- 40 spielsweise erläutert. Es zeigt: le (S 1) enthält, daß der Verbindungspunkt zwischen F i g. 1 ein teilweise schematisch ausgeführtes Schalt-

der Konstantstromquelle (S 1) und dem Eingangs-P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (Tl) mit der Gate-Elektrode des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (T2) verbunden ist, daß die Gate-Elektrode des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (T3) der Kopp-* lungsschaltung ebenfalls am Verbindungspunkt zwischen dem Eingangs-P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (Tl) und der Konstantstromquelle (S 1) ange-

bild der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe und

Fig.2 ein \ollständiges Schaltbild der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe.

Die in F i g. 1 dargestellte Ausgangsstufe weist eine Versorgungsspannungsklemme 10 zum Anlegen einer positiven Versorgungsspannung und eine Versorgungsspannungsklemme 12 zum Anlegen einer negativen Versorgungsspannung auf. Ferner enthält sie eine Ein

schlossen ist, daß der P-Kanal-MOS-Feldeffekttran- 50 gangsklemme 14 und eine Ausgangsklemme 16. Eine als sistor (T 10) des zweiten Schaltungszweigs zwischen Widerstand dargestellte Last 18 liegt zwischen der Ausder Ausgangsklemme (16) und einer Versorgungsspannungsklemme (10) für die positive Versorgungs

spannung liegt, und daß die Kopplungsschaltung an

gangsklemme 16 und Masse.

Die dargestellte Ausgangsstufe enthält als aktive Elemente Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elek-