DE2217456C3

DE2217456C3 - Transistorschaltung mit Antisättigungsschaltung

Info

Publication number: DE2217456C3
Application number: DE2217456A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Kurt Dipl.-Ing. Dr. 7000 Stuttgart Wiedmann
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1971-04-23
Filing date: 1972-04-12
Publication date: 1982-02-25
Also published as: DE2217456B2; JPS5315359B1; US3676713A; FR2134352B1; GB1330605A; FR2134352A1; DE2217456A1; JPS4745173A

Description

Die Erfindung betrifft Transistorschaltungen, insbe londere logische Schaltungen, bei denen eine Sättigung verhindert werden soll.

Monolithische Transistor-Transistorlogikschaltungen (inden weite Anwendung, da sie hinsichtlich Zuverlässigkeit, Verlustleistung. Packungsdichte auf dem monolithischen Halbleiterkörper und logischer Flexibilität wesentliche Vorteile bieten. Bei derartigen Schaltungen werden jedoch hohe Ströme dazu verwendet, um den Ausgangstransistor möglichst schnell einzuschalten. Diese Tatsache hat zur Folge, daß überschüssige Ladungen in dem stark gesättigten Ausgangstransistor gespeichert werden, was eine große Abschaltzeitver^ögerung bewirkt. Diese Abschaltzeitverzögerung ist auch die Ursache, daß beispielsweise Transistor-Transistorlogikschaltungen in den Fällen nicht eingesetzt werden, in denen hohe Geschwindigkeiten verlangt werden.

Um die Einsatzmöglichkeil derartiger Schaltungen zu vergrößern, sind eine Reihe von Methoden bekanntgeworden, die die hohe Sättigung des Ausgangstransistors Vermeiden sollen. Bei der wirksamsten dieser bekannten Methoden wird parallel zur Basis'Kollektorstrecke des Aüsgangstransistors eine SchottkyOiode geschaltet, die die Vorwärtsspannung an dieser Strecke auf einem relativ niedrigen Wert hält Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß der Herstellungsprozeß für die Schottky· Diode relativ umständlich ist, wenn andere Metalle als Aluminium für die elektrischen Zwischenverbindungen verwendet werden, und darin, daß gewisse Störspannungsprobleme auftreten, da die Eigenschaften der Transistoren der Transistor-Transistorlogik'ichaltung und der Schottky-Diode nicht in ausreichendem Maße gleichlaufend sind.

Bekannt ist auch eine logische Schaltung mit einer Antisättigungsschaltung, die Kollektor und Basis eines von einem Eingangstransistor gesteuerten, in Emitterschaltung betriebenen Ausgangstransistors angeordnet ist und die Kollektor-Emitterstrecke eines sättigungs-

ij verhindernden Transistors enthält. Auch diese Antisättigungsschaltung weist beträchtliche Nachteile auf. Die direkte Steuerung der Basis-Emittervorspannung des sättigungsverhindernden Transistors über den Kollektorausgang des Eingangstransistors läßt keine genaue Einstellung der Antisättigungswirkung zu. Ferner wirkt es sich ungünstig auf das Schaltverhalten aus, daß der sättigungsverhindernde Transistor selbst in Sättigung geht. Weiterhin ist die Schaltung im Hinblick auf eine monolithische Auslegung ungünstig, da sie kaum eine Verschmelzung von Halbleiterzonen der beteiligten Bauelemente zuläßt.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Transistorschaltung mit Antisättigungsschaltung anzugeben, die die aufgezeigten Nachteile nicht aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild einer Transistor-Transistorlogik, die mit der erfindungsgemäßen Antisättigungsschaltung ausgestattet ist.

F i g. 2 eine Draufsicht eines topoiogischen Entwurfs des I ingant '^ransistors und des Antisättigungstransistor > tir die Schaltung gemäß F i g. 1 und

F ι χ i eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 3-3 der Struktur gemäß F ι g 2.

■♦> Fi g. I zeigt eine konventionelle Transismr-Transistorlogikschaliung. die erfindungsgemäß nut einem Transistor T_n /um /wecke der Steuerung der Sättigung des Ausgangstransistors T ausgestattet ist Befindet sich einer oder mehrere der drei Eingänge Λ. öoder ("

W auf einem unteren Pegel, so sind die mit diesen Eingängen gekoppelten F.mitter c·. e·; oder ei in Durchlaßrichtung gepolt. Es sei beispielsweise ange nommen, der Eingang B befinde sich auf einem unteren Pegel, während die F.ingänge A und C auf einem oberen

5> Pegel gehalten werden. Unter dieser Voraussetzung ist Emitter e? in Durchlaßrichtung und die Emitter ei und ei sind Spernchtung gepolt Der durch einen Widerstand R₁ fließende Strom Ir_} fließt über den Basis-Emitterübergang des Transistors Ti unü den Eingang flab. Das bedeutet, daß der Strom Ir ι nicht über den Basis-Kollektorübergang des Transistors Ti die Basis des Transistors T\ erreicht. Der Transistor 71 bleibt somit gesperrt und die Ausgangsspannung V₀ bleibt auf einem oberen Pegel, Sind dagegen sämtliche Eingänge A, B und C auf einem oberen Pegel, so sind die Emitter ei bis ca des Transistors 7} gesperrt und der genannte Strom fließt zur Basis des Transistors T\, Dadurch wird dieser Transistor leitend und die Spannung am Ausgang

abgesenkt. Ohne Einsatz des Transistors Tq wird der Ausgangstr2nsistor Ti stark gesättigt, da über den Widerstand R₂ ein extrem hoher Basisstrom zugeführt wird, um den Ausgangstransistor Ti schnell einzuschalten. Wenn dann einer der Eingänge A bis C auf einen unteren Pegel abgesenkt wird, benötigt der Transistor T\ eine relativ große Erholungs- bzw. Abschaltzeit Damit wird die Ansprechzeit der Gesamtschaltung wesentlich erhöht Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß ein Widerstand Rj und der Transistor T₀ in die Schaltung eingefügt werden. Das Verhältnis der beiden den Widerstand Rj bildenden Teilwiderstände R32 und Ri\ wird dabei so gewählt, daß bei leitendem Transitor T\ das Basispotential des Transistors To typisch etwa 100 Millivolt höher als die Basis-Emitterspannung des Transistors 1\ ist Durch diese Maßnahme wird die Einschaltzeit des Transistors Ti nicht merklich beeinflußt da bei dieser Vorspannung der Transistor To so lange keinen wesentlichen Strom zieht wie die Ausgangsspannung Ko höher als 200 Millivolt ist Sobald jedoch die Ausgangsspannung Vo geringer ais 200 Miüivok wird, wird Transistor To leitend und läßt den Strom Ir 2 vom Widerstand Ä2 über den Kollektor zum Emitter des Transistors To fließen. Damit wird die Basis-Kollektorstrecke des Transistors Ti überbrückt Der Transistor Ti kann durch den Treiberstrom nicht in die Sättigung gesteuert werden. Die Erholzeit des Transistors T₁ ist demnach nur kurz, wenn einer der Eingänge A, B oder C auf den unteren Pegelwert gebracht wird.

Der topologische Entwurf für die aus dem Transistor T2, dem Transistor To und dem Widerstand Ri bestehende Schaltung kann so ausgelegt werden, daß sie, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, innerhalb einer Isolationswanne angeordnet werden kann. In ein P-Ieitendes Substrat 10 wird ein N+ -leitender Subkollektor 12 eindiffundiert. Anschließend wird eine N-leitende Epitaxieschicht 14 aufgewachsen. Eine P+ -leitende Isolationszone 16 wird rahmenförmig den Subkollektor umgebend eindiffundiert. Der innerhalb dieser rahmenförmigen Isolationszone 16 liegende Teil der N- -leitenden Epitaxieschicht 18 dient als Kollektor sowohl für den Eingangsiransistor T₁ als i,uch für den die Antisättigung bewirkenden Transistor T₀. Eine U-förmige, P^-Ieitende Diffusionszone 20 innerhalb der Epitaxieschicht 18 liefert die Basen für beide Transistoren T₂ und Tn und bildet außerdem d:e Widerstände /?n und /?j2. In dieser Basiszone werden vier N+ -leitende D'ffusionszonen 22 bis 23 eingebracht, die die Emitter drr 1 r tnsisioren To und T; bilden. Wie aus der F i g. 2 zu ersehen ist, liegen die Emitter e_t bis ej an einem Ende des einen Schenkels der U-förmigen Basiszone, während der Emitter en des Transistors To in der Mitte des anderen Schenkels angeordnet ist Durch nachfolgende Metallisierung werden die Kontakte zu den einzelnen Zonen der Transistoren hergestellt Es sei darauf hingewiesen, daß der Basiskontakt 30 des Transistors T₃ anschließend an die Emitter des Transistors T₂ auf die Basiszone 20 aufgebracht ist. Der

ίο Kollektorkontakt 32 für beide Transistoren kontaktiert sowohl die Kollektorzone als auch den Schenkel der Basiszone 20, der den Emitter 28 des Transistors T₀ enthält Auf der Basiszone 20 ist außerdem ein metallischer Kurzschluß 34 angebracht dessen Kontakte beidseitig der Emitterzone eo angeordnet sind. Auf diese Weise erreicht man, daß der Teil der Basiszone 20 zwischen Basiskontakt 30 und dem Kontakt 36 des Kurzschlusses als Widerstand R^ dient, während der Teil der U-förmigen Basiszone zwischen dem Kontakt 38 des Kurzschlusses und dem Kollektor 32 als Widerstand Rn verwendet wird. Di Kontakte 40 bis 46 kontaktieren die Emitter beider Transistoren. Der Transistor T), und die Widerstände R^ und /?₂ sind in üblicher Weise in separaten Isolationsgebieten untergebracht.

Es r« zu ersehen, daß die für die Antisättigungsschaltung erforderlichen Bauelemente keinen ins Gewicht fallenden Aufwand mit sich bringen, da sie zusammen mit dem Eingangstransistor T? herstellbar ist. Die

in beschriebene Transistorschaltung nieist gegenüber Antisättigungsschaltungen mit Schottky-Dioden den Verteil auf, daß die dort auftretenden Fabrikations- und Abgleiichprobleme vermieden werden. Schließlich kann der die Antisättigungsschaltung bildende Transistor T₀

5ϊ so gesteuert werden, daß am Kollektor des Transistors Ti eine Klemmspannung erzeugt wird, die die erwähnten Störspannungsprobleme verhindert

Die Erfindung wurde in Verbindung mit einer Transistor-Transistorlogikschaltung beschrieben. Sie kann mit demselben Erfolg bei anderen Schaltungen, wie beispielsweise bei kreuzgekoppelten Multivibratore > und linearen Verstärkern, eingesetzt werden. Bedingung ist auch beim Einsatz in diesen diversen Schaltungen lediglich nur, daß der Emitter des

-ti sättigungsverhindernden Transistors mit dem Kollektor und sein Kollektor mit der Basis eines vorgegebenen Transistors verbunden ist und daß zwischen Kollektor und Basis des sättigungsverhindernden Transistors Mittel vorgesehen sind, die den Arbeitspunkt des

ι» Transistors in der vorgegebenen Weise steuern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorschaltung mit Antisättigungsschaltung, die zwischen Kollektor und Basis eines von einem Eingangstransistor gesteuerten, in Emitterschaltung betriebenen Ausgangstransistors angeordnet ist und die Kollektor-Emitterstrecke eines sättigungsverhindernden Transistors enthält, d a durch gekennzeichnet, daß der sättigungsverhindernde Transistor (To) mit seinem Emitter an den Kollektor und mit seinem Kollektor an die Basis des Ausgangstransistors (T\) angeschlossen ist und daß zwischen Basis und Emitter des sättigungsverhindernden Transistors (Ta) eine solche Vorspannung angelegt ist, daß die Basis auf einem höheren Potential als die Emitter-Basisspannung des leitenden Ausgangstransistors (71) liegt, wobei das Potential einerseits groß genug ist, um die Einschaltzeit des Ausgingstransistors (T\) nicht zu vergrößern, und andererseits klein genug ist. um die Sättigung des Ausgangstransistors durch Leitendwerden des Transistors (To) zu verhindern.

2. Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangstransistor ein Multiemitter-Transistor ist, dessen Kollektor mit der Basis des Ausgangstransistors verbunden ist, dessen verschiedene Emitter die Eingänge der Schaltung bilden und an dessen Basis eine Stromquelle angeschlossen ist, so daß eine UND-Schaltung entsteht.

3. Transisxorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die V rspannung an einem zwischen Basis und Kollektor des Multiemitter-Transistors eingeschalteten Sj innungsteiler abgenommen wird.

4. Transistorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiemitter-Transistor und der sättigungsverhindernde Transistor eine gemeinsame Basis- und Kollektorzone aufweisen.