DE2313108C3 - Integrierte Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der GB-PS 10 48 941 ist eine Anordnung zum Fernsteuern einer Einrichtung bekannt, die im Ruhezustand von der Spannungsversorgung getrennt ist Durch eine am Eingang empfangene Trägerfrequenz wird das Einschalten der Spannungszufuhr zum Verstärker ausgelöst, so daß dieser nun aktiv ist und ein auf der Trägerfrequenz vorhandenes Modulationssignal dekodieren und die .-'gentliche gewünschte Funktion der gesteuerten Einrichtung auslösen kann. Das Einschalten der Spannungszufuhr zum Verstärker erfolgt dabei nur durch die am Eingang empfangene Signalenergie der Trägerfrequenz. Auf diese Weise *ird u.a. bei einem batteriebetriebenen Gerät die Lebensdauer der Batterie erheblich verlängert, wenn normalerweise nur eine geringe Einschaltdauer vorkommt

Diese bekannte Anordnung hat jedoch Nachteile. Zunächst muß für das Empfangen und Detektieren der Trägerfrequenz eine sehr empfindliche und insbesondere passive Anordnung verwendet werden, die in der Lage ist, das Einschalten der Spannungszufuhr zum Verstärker zuverlässig auszulösen. Außerdem erfolgt durch das Einschalten des Verstärkers aus einem völlig abgeschalteten Zustand ein erheblicher Einschwingvorgang durch die Einstellung der verschiedenen Arbeitspunkte der Verstärkerstufen, so daß eine erhebliche Zeit benötigt wird, bis der Verstärker in der Lage ist, das Modulationssignal zu verarbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine integrierte Schaltung anzugeben, die zuverlässig und besonders schnell von einem Ruhezustand in einen aktiven Zustand umgeschaltet werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst

Bei dem ersten Wert der Ströme der Strominjektoren kann eine hohe Frequenz verarbeitet werden, da für das Umladen insbesondere der Streukapazitäten bei einer hohen Frequenz ein großer Strom notwendig ist, der bei dem ersten Steuersignal zur Verfügung steht. Andererseits bietet der Sparwert der Ströme der Strominjektoren die Möglichkeit einer Bereitschaftssituation, die rascher in den wirksamen Zustand übergehen kann, als wenn der Strom völlig abgeschaltet wäre. Dabei kann das zweite Signal auch beim Fehlen eines Eingangssignals erzeugt werden.

Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Verstärker sind in integrierter Injeklionslogik mit Strominjektoren ausgeführt Unter einem Strominjektor ist in diesem Zusammenhang eine Mehrschichtstruk tur mit mindestens drei aufeinanderfolgenden, voneinander durch gleichrichtende Übergänge getrennten Schichten zu verstehen, von denen eine erste Schicht die als injizierende Schicht bezeichnet wird, durch

ίο mindestens einen gleichrichtenden Obergang von den mit Strom zu versorgenden Bauelementen getrennt ist und eine an sie grenzende zweite Schicht aus Halbleitermaterial als Zwischenschicht bezeichnet wird, wobei die injizierende Schicht mit einem Speisean schluß verbunden ist und aus der injizierenden Schicht ladungsträger in die Zwischenschicht injiziert werden, die durch die an die Zwischenschicht grenzende Dritte Schicht des Strominjektors, die als kollektierende Schicht bezeichnet wird, kollektiert werden, während eine Zone eines der mit Strom zu versorgenden Bauelemente, die als einzustellende Zone bezeichnet wird und durch mindestens zwei gleichrichtende Übergänge von der injizierenden Schicht und somit von dem mit diesem verbundenen Speiseanschluß getrennt ist über einen diese Zone begrenzenden gleichrichtenden Übergang Ladungsträger aus einer der Schichten des Strominjektors kollektiert und so mit Strom versorgt wird, welche-Zone unmittelbar mit Leitbahnen verbunden ist Eine derartige Struktur ist an sich unter der Bezeichnung »integrierte Injektionslogik« bekanntgeworden, deren besonderen Vorteile, die aus einem einfacheren Aufbau und einem nahezu vollständigen Fehlen von Einstellwiderständen bestehen. Weiter sind weniger Leitbahnen erforderlich. Dadurch wird der erforderliche Flächeninhalt bei gleicher Zahl der Bauelemente kleiner und somit bei der Fertigung die Ausbeute größer. Ferner können viele Transistoren von den gleichen Strominjektoren mit Strom versorgt werden, wodurch die injizierten Ströme einander genau gleich sind. Dadurch ist es mißlich, sehr genau symmetrische Gegentaktstufen, Differenzverstärker und dergleichen, zu erhalten. Häufig kann das Steuermittel aus einem einzigen Widerstand bestehen, der gegebenenfalls durch einen leitenden Transistor überbrückt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. I einen Schnitt durch eine Halbleiterstruktur gemäß dem Prinzip der integrierten Injektionslogik,

F i g. 2 und 3 ein Beispiel einer integrierten Schaltung m^:t Komplementärtransistoren, F i g. 4 ein Beispiel eines Linearverstärkers,

Fig.5 bis 10 Beispiele von Schaltungen gemäß der Erfindung,

Fig. 11 den Signalisierungsteil eines tragbaren Fernsprechgeräts gemäß der Erfindung. Die F i g. 1 stellt einen Schnitt durch eine Halbleiter struktur gemäß dem Prinzip der integrierten Injektions logik dar, die bei der erfindungsgemäßen Schaltung verwendet wird. Diese Struktur eignet sich für digitale und analoge Schaltungen. Die Struktur besteht aus sechs Schichten, die gemäß an sich in der Technik der integrierten Schaltungen bekannten Verfahren hergestellt worden sind. Fünf der Schichten haben Anschlüsse, die durch dick ausgezogene Linien angegeben sind. Die Schicht I besteht aus einem p-leitenden Halbleitermate-

rial und kann mit einer Speisequelle verbunden werden. Diese Schicht bildet eine injizierende Schicht, Die Schicht 3 besteht aus einem η-leitenden Halbleitermaterial und ist mit Erde verbunden. Diese Schicht bildet eine Zwischenschicht, in die von der injizierenden Schicht Ladungsträger injiziert werden. Dieser Löscherstrom ist von der an die Schicht 1 gelegten Speisespannung und ferner von physikalischen Umständen, wie der Konzentration der Elemente im Material und der Temperatur, abhängig. Die Schicht 6 besteht aus einem η-leitenden Kalbleitermaterial mit einer höheren n-Konzentration als die Schicht 3. Diese dickere Schicht wirkt als mechanische Versteifung. Die Schicht 2 besteht aus einem p-leitenden Halbleitermaterial und bildet eine kollektierende Schicht Das Gebilde aus den drei Schichten 1,3 und 2 bildet einen Strominjektor mit drei Schichten und hat eine sogenannte laterale Struktur: die drei Schichten liegen nebeneinander. Auf die gleiche Weise wie die Schicht 1 injiziert auch die Schicht 2 einen Löscherstrom in die Schicht 3, der mit dem Potential der Schicht 2 zunimmt. Übrigens werden die Schicht 1 und die Schicht 2 gleichzeitig angebracht, so daß sich ihre physikalischen Eigenschaften nahezu gleich ₃ind. Weil sie auch räumlich nahe beieinander liegen, ist such ihre Temperatur die gleiche. Einerseits läßt sich die Kombination der Schichten 1 und 3 a!s eine Stromquelle betrachten, die einen großen Innenwiderstand hat (Strom nahezu konstant). Andererseits ist der Strom in der Richtung i-* 3-* 2 stark vom Potential der Schicht 2 abhängig. Wenn dieses Potential hoch ist, ist der Strom klein, namentlich weil sich die Zusammensetzung und die Temperatur der Schichten 1 und 2 entsprechen. Wenn das Potential der Schicht 2 niedrig ist, ist der Strom in der Richtung 1-*· 3-» 2 groß.

Die Schichten 4 und 5 bestehen aus einem n-leitenden Halbleitermaterial und bilden zwei Kollektoren des Mehrkollektortransistors, der aus den Schichten 3-2-4 bzw. 3-2-5 besteht (npn-Transistor). Die Zahl der Kollektoren kann auch eins oder mehr als zwei sein. Wenn der Strom in der Richtung 2->3 groß ist (und somit der Sti om in der Richtung i— 3-> 2 klein ist), ist dieser Transistor leitend und kann Strom aus den Schichten 4 und/oder 5 abgeleitet werden. Man kann das Potential an der Schicht 2 als Treibkraft für die Wirkung des Systems betrachten, logischer jedoch ist es, den Strom in der Richtung 2-* 3 als Treibkraft zu betrachten. Dadurch ist es klar, dab die Struktur des Strominjektors durchaus nicht als pnp-Transistor aufgefaßt werden darf, weil hier nur die Ströme und nicht die Spannungen wichtig sind.

Das geschilderte Beispiel mit einem Strominjektor ist jedoch nur eines von vielen möglichen. Man kann z. B. den Strominjektor (Schichten 1-3-2) als vertikale Struktur und den Transistor (Schichten 3-2-4/5) als laterale Struktur ausbilden. Auch ist es möglich, den Strominjektor mit mehr als drei Schichten auszuführen.

F i g. 2 zeigt ein Beispiel einer integrierten Schaltung mit komplementären Transistoren Der Halbleiterkörper hat ein Substrat 105 und eine epitaxiale Schicht 106. In der epitaxialen Schicht befindet sich eine Oberflächenzone 107 vom entgegengesetzten Leitungstyp, die gleichzeitig die Basiszone eines vertikalen Transistors und den Emitter eines lateralen komplementären Transistors bildet. Der vertikale Transistor hat einen Emitter 105,106, eine Basis 107 und einen Kollektor 108, der in diesem Failp aus einer Metall enthaltenden Schicht, z. B. einer Aluminiumschicht, besteht, die auf der Basiszone angebracht ist und mit dieser Basiszone eine Schottky-Sperrschicht bildet. Wegen der Bildung dieser Schottky-Sperrschicht ist die Oberflächenkonzentration der Dotierung in der Basiszone (107) in diesem Falle niedriger als 10" bis 10¹⁸ Atome/cm³. Die Schottky-Sperrschicht 109 ist der Kollektor-Basis-Übergang des Transistors. Der laterale Transistor enthält eine Emitterzone 107, eine Basiszone 105, 106 und eine Koliektorzone 110. Die Zonen 107 und 110 sind zwei einzustellende Zonen, die zusammen mit der vom

ίο Körper 105, 106 gebildeten Zwischenschicht und der injizierenden Schicht 111 einen Dreischichtenstrominjektor bilden. Die beiden letzteren Schichten sind mit einer Quelle 112 zur Zuführung des Einstellstroms verbunden. Zwischen den Kollektoren 108 und 110 ist eine schematische angegebene Verbindung 113 hergestellt, während die Zone 107 mit einem Anschluß b versehen ist

Fig.3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild dieser integrierten Schaltung, in dem der vertikale Transistor 106, 107, 108 durch T₉₀ und der laterale Transistor 107, 106, UO durch 7gi dargestellt ist Dr Strominjektor ist hier in Form von zwei Stromquellen /90 und /91 dargestellt

Der vom Strominjektor /90 der Basis des Transistors T90 zugeführte Strom macht diesen leitend. Infolgedessen fließt der der Kollektorzone des Transistors Tg\ vom Strominjektor /91 durch den Körper zugeführte Strom im wesentlichen von dieser Zone über die Verbindung 113 durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γ90. Dadurch sinkt die Spannung um Kollektor des Transistors Γ91 unter die Spannung an der Elektrode b des Transistors Γ90, wodurch über den lateralen Transistor Γ91 ein Strom fließt, der dem der Basiszone 107 vom Strominjektor zugeführten Einstellstrom entzogen wird. Am Ende wird dabei ein Zustand erreicht, in dem nur noch ein geringer Bruchteil des der Zone 107 zugeführten Einstellstroms als Basisstrom den Transistor Γ90 durchfließt und zwar ein so geringer Bruchteil, daß dieser Transistor in den Ihearen Arbeitsbereich gelangt Bei einer derartigen Einstellung erfolgt keine größere Ladungsspeicherung (storage) als gerade erforderlich ist, um den Transistor in seinem stark leitenden Zustand zu betreiben.

Auch andere lineare Schaltungen lassen sich einfach verwirklichen. Als Beispiel sei ein Linearverstärker erwähnt, dessen Ersatzschaltbild in Fig.4 dargestellt ist. Er enthält drei Transistoren Tuo, Tm und 7i 12. Der Kollektor cdes ersten Transistors ist mit der Basis ödes zweiten Transistors verbunden, dessen Kollektor mit der Basis des dritten Transistors verbunden ist, dessen Kollektor über einen Gleichstrom durchlassenden Kreis, der einen Lautsprecher oder ein Telephon L und ein Mikrophon M enthält, mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist Der Kondensator Cdient zur Unterdrückung von Wechselstromgegenkopplung. Infolge der Gleichstr-,mgegenkopplung über den erwähnten Gleichstrom durchlassenden Kreis wird auch hier, ebenso wie an Hand der F i g. 2 und 3 beschrieben wurde, nur noch soviel Basisstrom für jeden der Transistoren venugbar (wobei der übrige Teil des Stromes der Quellen /no, /111 und /nj über die Kollektor-Emitter-Strecke des vorhergehenden Transistors in der Kaskade abfließt), daß dies« Transistoren in ihren linearen Arbeitsbereich eingestellt werden. Auf diese Weise ergibt sich ein äußerst einfacher Verstärker für ein Hörgerät. An den Ausgangsklemmen K 2 und K 3 erscheint das vom Mikrophon M empfangene akustische Signal in vertärkter Form. Bei fehlendem

Eingangssignal bildet das Ausgangssignal an den Klemmen K 2, K 3 das zweite Steuersignal, wodurch die als Strominjektoren ausgebildeten Stromquellen /im, /in und /ii2 einen Sparstrom liefern. Dadurch hat die Bandbreite des Verstärkers eine obere Grenze von z. B. -, 400 Hz. Wenn ein Signal empfangen wird, wird das Band bis 400 Hz verstärkt. Dieses Signal wird z. B. gleichgerichtet und der Basis eines Schalttransistors zugeführt, der infolgedessen geöffnet wird. Parallel zu diesem (nicht dargestellten) Transistor liegt ein Widerstand, der somit kurzgeschlossen wird. Eine Elektrode des Transistors ist mit einer Klemme einer Speisequelle, z. B. einer Batterie, verbunden. Die andere Elektrode des Transistors ist mit den Speiseanschlüssen der Strominjektoren (z. B. mit der Schicht 1 der F i g. I) verbunden. Die andere Klemme der Batterie liegt an Erde. Der Kreis kann gegebenenfalls auch einen hpgrenzenden Widerstand enthalten. Die Einstellung des Stromes der Speisequelle auf einen Sparstromwert ist bei Hörgeräten auch deshalb vorteilhaft, weil die Belastungsimpedanz infolge des Lautsprechers derartig ist, daß der Verstärker stark ausgesteuert werden muß. Deshalb muß der Strom im Betrieb auf einen derartigen Wert gesteigert werden, daß tatsächlich die Bandbreite sich beispielsweise bis etwa I MHz erstreckt. Dadurch, daß beim Fehlen eines Eingangssignals der Strom verringert wird, wird z. B. 90% Energie eingespart.

Fig. 5 bis 10 zeigen Beispiele von vollständigen Schaltungen gemäß der Erfindung; dabei sind die Signaleingangsklemmen mit Ki, K 2, K 3, die Speise- jo quellen mit P, die Steuermittel mit S, die Verstärker mit A 1, A 2, A 3, A 4, A 5 und A 13 und die Wiedergabevorrichtungen mit E bezeichnet, wobei die Verstärker in integrierter Injektionslogik, beispielsweise in einer der vorstehend beschriebenen Art, ausgebildet sind. In F i g. 5 trifft das Eingangssignal an der Klemme K 1 ein. Dieses Signal wird im Vorverstärker A 2, der von der Speisequelle P gespeist wird, verstärkt. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers A 2 wird dem Verstärker A 1 und den Steuermitteln S zugeführt. Wenn die Steuermittel feststellen, daß das erste Signal an der Klemme K 1 eingetroffen ist. werden im Verstärker A i die Strominjektoren auf einen großen Speisestrom eingestellt; wenn sie feststellen, daß das zweite Signal an K 1 eingetroffen ist, wird der Injektionsstrom für den Verstärker A I auf den Sparstromwert eingestellt. Der Verstärker A1 verstärkt das Ausgangssignal des Vorverstärkers A 2, während das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 in der Wiedergabevorrichtung £ z. B. einem Lautsprecher, wiedergegeben wird. Im dargestellten Fall erhält der Vorverstärker A 2 immer den gleichen Strom. Die Art der empfangenen Signale kann sehr verschiedenartig sein, und nachstehend werden dann auch n„r einige Beispiele beschrieben.

a) Die Klemme K1 ist mit einer Antenne verbunden. Das Signal besteht aus einem Trägerfrequenzsignal von z- B. 1 MHz, dem eine der Vorrichtung eigene Signalfrequenz überlagert ist Die Trägerfrequenz wird im Vorverstärker verstärkt und benutzt, um die Steuermittel anzusteuern. Nur wenn dies der Fall ist, wird der Verstärker A 1 wirksam und verstärkt die spezifische Signalfrequenz: zu diesem Zweck kann er ein schmales Durchlaßband oder eine Kombination schmaler Durchlaßbänder aufweisen. Im Ruhezustand verstärkt der Verstärker nicht oder kaum, so daß die Wiedergabevorrichtung E kein Signal wiedergibt Gegebenenfalls kann hinter den Verstärker A 1 eine logische Verarbeitungsvorrichtung geschaltet sein, welche die spezifische Signalfrequenz bzw. die spezifischen Signalfrequenzcn wiedererkennt und nur bei Wiedererkennung die Wiedergabevorrichtung iferregt. Diese Vorrichtung kann als Sprechfunkgerät wirken: die spezifischen Signalfrequenzen bilden den Anrufcode. Wenn es keine Anrufe gibt, befindet sich der Verstärker A I im Ruhezustand. Wenn es einen Anruf für eine andere Vorrichtung gibt (andere Kombination spezifischer Signaltrequenzen), wird kein Signal wiedergegeben.

b) An der Klemme K 1 trifft ein akustisches Signal ein. und die Vorrichtung bildet ein Hörgerät. Der Vorverstärker A 2 verstärkt ein bestimmtes Frequenzband, für das nur wenig Energie erforderlich ist, ?.. B. nur die Frequenzen zwischen 1000 und HOOHz. Beim Auftreten dieser Frequenzen werden die Strominjektoren im Verstärker A 1 auf den ersten Wert des Stromes aus der Speisequelle P angesteuert. Die Verstärker A 1 und A 2 haben komplementäre Verstärkungskurven. Gegebenenfalls kann der Ausgang von A 2 mit der Wiedergabevorrichtung E verbunden sein (siehe F i g. 9), welche die Summe der Ausgangssignale von A 2 und A 1 wiedergibt.

Fig.6 zeigt einen anderen Aufbau: im Ruhezustand liefert auch der Strominjektor im Vorverstärker A 3 einen niedrigen Strom. Diese Ausbildung ist möglich, wenn de^- Frequenzbereich vom Speisestrom abhängig ist und beim Sparstromwert eine Frequenz von 0,5 MHz noch gut verstärkt wird, eine zwischen 1 und 5 MHz jedoch nicht. Die Steuermittel 5 sprechen auf die verstärkte Frequenz von 03 MH/. an (für das weitere siehe a)). In Fig. 10 sind die Verstärker A 3 und A i durch einen einzigen Verstärker A 13 ersetzt, dessen Ausgangssignal einem Steuereingang der Steuermittel 5 zugeführt wird.

F i g. 7 zeigt ein Beispiel eines Signalisierungskanals (der vom Signalisierungsverstärker A 4 gebildet wird) parallel zum Hauptkanal (Vorverstärker A 5 und Verstärker A i). Der Signalisierungskanal dient nur zur Erregung der Steuermittel S. Im Hauptkanal wird ein Informationssignal verstärkt.

In Fig. 8 haben beide Kanäle je eine Eingangsklemme. Die Signale können immer aus parallel zugeführten Größen bestehen: die betreffenden Klemmen und Verstärker sind dabei mehrfach ausgebildet Unter einem Verstärker ist weiter auch ein Filter, ein Demodulator oder dergleichen zu verstehen.

F i g. 11 zeigt einen Teil des Schaltbildes eines Sprechfunkgeräts. Das Schaltbild ist der F i g. 7 ähnlich, und nur die abweichenden Teile werden erwähn· Das Eingangssignal trifft an der Antenne ANT ein. Der Zweck des dargestellten Teiles ist es, auf ein Anrufsignal dadurch anzusprechen, daß ein Rufton erzeugt wird. Das Anrufsignal besteht aus einer Anruffrequenz von z. B. 5 MHz während 1 Sekunde. Dadurch werden die Steuermittel 5 wirksam gemacht und der Strom während beispielsweise 20 Sekunden auf den ersten Wert angesteuert Dann wird ein Codesignal gesendet, das verstärkt und im Decoder DEC decodiert wird. Wenn der Code dem Code des betreffenden Teilnehmers nicht entspricht geschieht weiter nichts, und nach 20 Sekunden wird der Strom der Speisequelle 8 wieder auf den Sparstromwert verringert Wenn der Code aber der Code des betreffenden Teilnehmers ist, erzeugt die Wiedergabevorrichtung E während 20 Sekunden einer. Rufton. Die weitere Herstellung der eigentlichen Verbindung ist nicht wesentlich für die Erfindung und wird nicht weiter beschrieben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Integrierte Schaltung mit einem Signaleingang und einem Signalausgang und einem dazwischen angeordneten Breitbandverstärker sowie mit einem Speisespannungseingang, an den Steuermittel angeschlossen sind, die den Verstärker auf verschiedene Betriebsweisen mit unterschiedlichen Speiseströmen abhängig von einem Steuersignal umschalten, das von einem Signal am Signaleingang der integrierten Schaltung abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (S) auf Strominjektoren (/110— /112) des in integrierter Injektionslogik ausgeführten Verstärkers (Ai-A5) einwirken und die Ströme der Strominjektoren bei einem ersten Steuersignal auf einen ersten Wert und bei einem zweiten Steuersignal auf einen endlichen Sparwert einstellen.