DE2421988A1

DE2421988A1 - Analogspannungsschalter

Info

Publication number: DE2421988A1
Application number: DE2421988A
Authority: DE
Inventors: Serge Desperques-Volmier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-05-08
Filing date: 1974-05-07
Publication date: 1974-11-28
Also published as: FR2346909B1; GB1464436A; US3908136A; DE2421988C2; FR2346909A1

Description

1731 Bd. Haussmann.

PARIS /FranTcreioti

Unser Zeichen: ΐ 1574

Analogspannungsschalter

Die Erfindung betrifft einen Analogspannungsschalter, d.h. eine elektrische Schaltung, die einen Eingang sowie einen Ausgang und ein elektronisches Steuerglied hat, mittels welchem durch Anlegen einer Spannung, die zwei digitale Werte 0 und 1 annehmen kann, der Schaltung entweder eine Impedanz, die im wesentlichen gleich Null ist (Ausgangsspannung gleich Eingangsspannung) , oder eine sehr große Impedanz (Ausgangsspannung gleich Null) gegeben werden kann, und zwar wenn sich die Eingangsspannung kontinuierlich zwischen zwei vorbestimmten Extremwerten ändert.

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Es ist bekannt, solche Schaltungen mittels Feldeffekttransistoren herzustellen. Diese Transistoren werden durch Anlegen einer geeigneten Spannung an ihren Gateanschluß leitend gemacht oder gesperrt. Solche Schaltungen haben den Hauptnachteil, daß ihre Ansprechzeit nicht vernachlässigbar ist. Die Gatezone hat nämlich im Augenblick des Überganges von dem leitenden Zustand in den gesperrten Zustand im allgemeinen keinen leitenden Weg zum Abführen der Ladungen der Gate-Drain-Kapazität.

Durch die Erfindung soll ein einen Feldeffekttransistor aufweisender Analogspannungsschalter geschaffen werden, der von diesem Nachteil befreit ist.

Der Analogspannungsschalter nach der Erfindung enthält einen Verarmungs-Feldeffekttransistor, dessen Sourceanschluß mit dem Eingang und dessen Drainanschluß mit dem Ausgang verbunden ist. Der Analogspannungsschalter ist dadurch gekennzeichset,daß er mittels eines Spannungsfolgers, der mit dem Drainanschluß oder mit dem Sourceanschluß des Transistors verbunden ist, durch einen Umschalter leitend gemacht wird, welcher einen mit dem Gateanschluß des Transistors verbundenen Ausgang sowie zwei Eingänge, von denen der eine mit dem Ausgang des Spannungsfolgers und der andere mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die eine Spannung liefert, mittels welcher der Transistor gesperrt werden kann, und einen Steuereingang hat, der eine Spannung mit zwei Werten empfängt, von welchen der eine den Kontakt zwischen dem Ausgang des Umschalters und dem ersten Eingang sowie einen ersten leitenden Weg zwischen dem Drainanschluß und dem Ausgang des Spannungsfolgers herstellt und das Gatepotential des Transistors gleich seiner Drain- oder Sourcespannung macht, wodurch der Transistor leitend wird, und von welchen der andere die Verbindung des zweiten Eingangs

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des Umschalters mit seinem Ausgang ermöglicht und einen zweiten leitenden Weg zwischen dem Gateanschluß des Transistors und einer Vorspannungsbatterie herstellt, so daß der Transistor gesperrt wird.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 3 die auf einem einzigen Substrat integrierte Schaltung von Fig. 2.

In Fig. 1 ist der Sourceanschluß des Feldeffekttransistors T₁, welcher das Hauptglied des Analogspannungsschalters bildet, mit der Eingangsklemme V_ß der Vorrichtung verbunden. Die Eingangsklemme V„ empfängt eine Spannung, die sich zwischen zwei vorbestimmten Werten kontinuierlich ändert, beispielsweise zwischen -2 V und +2V. Sein Drainanschluß ist mit der Ausgangsklemme S verbunden, die ihrerseits durch eine Belastung C mit Masse verbunden ist. Außerdem ist sein Drainanschluß mit dem Eingang eines Spannungsfolgers T₂ verbunden, dessen Ausgang die Spannung an der Ausgangsklemme S wiedergibt und der in gewisser Weise eine Impedanzanpassungseinrichtung bildet (große Eingangsimpedanz, kleine Ausgangsimpedanz).

Der Ausgang des Spannungsfolgers T₂ ist mit einem Eingang E^ eines Umschalters I verbunden, dessen anderer Eingang E_Q mit einer Spannungsquelle P verbunden ist, deren Spannung, wenn sie an den Gateanschluß des Transistors angelegt ist, in der Lage ist, den Transistor T^ zu sperren. Der Umschalter I hat einen elektronischen

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Steuereingang E , der eine Spannung mit zwei Werten empfängt, die ihm zwei Zustände O bzw. 1 geben.

In dem Zustand O ist der Eingang E mit dem Ausgang G verbunden; in dem Zustand 1 ist der Eingang E.. mit dem Ausgang 6 verbunden.

Das System arbeitet folgendermaßen:

a) Zustand 1: Der Eingang E₁ ist mit dem Gateanschluß des Transistors T₁ verbunden. Daraus folgt, daß der Gateanschluß auf dem Potential des Drainanschlusses des Transistors ist. unabhängig von der Art dieses Transistors ist derselbe, unter der Bedingung, daß sein Kanal für eine Potentialdifferenz von Vds = 0 (Verarmungs-Feldeffekttransistor) vorhanden ist, leitend und V_ = V_n,.

b) Zustand 0: Der Ausgang G ist mit dem Eingang E verbunden, der Gateanschluß ist mit der Vorspannungsguelle P verbunden, deren Potential nach Polarität und Amplitude ausreichend groß gewählt ist, so daß der Transistor blockiert wird. Bei dem Übergang von dem leitenden Zustand in den gesperrten Zustand entlädt sich die Gate-Drain-Kapazität dieses Transistors über diesen Stromkreis. Die Transistoren, die gegenwärtig in Nanoelektronik ausgeführt sind, haben eine Gate-Drain-Kapazität, die so klein iet, daß ihre Ladung und ihre Entladung praktisch unbemerkt bleiben, unabhängig von dem Widerstand, über welchen diese Ladung oder diese Entladung erfolgt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung von Fig. 1. In Fig. 2 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Glieder wie in Fig. 1. Der Folgerverstärker ist ein Feldeffekttransistor T₂, dessen Gateanschluß mit dem Drainanschluß des Feldeffekttransistors T₁ verbunden ist und dessen Drainanschluß

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an dem Pluspol einer Batterie E₂ liegt. Der Sourceanschluß des Transistors T, ist mit dem Drainanschluß eines Feldeffekttransistors T_ verbunden, dessen Gateanschluß und Sourceanschluß miteinander und mit dem Pol einer Batterie E₃ verbunden sind. Der Transistor T₃ ist folglich immer leitend und erfüllt die Aufgabe.eines veränderlichen Widerstandes.

Der Sourceanschluß des Transistors T₂ ist mit dem Drainanschluß eines Feldeffekttransistors T₄ verbunden, dessen Sourceanschluß mit dem Gateanschluß des Transistors T₁ und dessen Gateanschluß mit dem Drainanschluß eines Feldeffekttransistors T₅ verbunden ist. Der Drainanschluß des Transistors T_g ist außerdem mit dem Gateanschluß des Transistors T₁ mittels eines Widerstands R₁ verbunden. Sein Sourceanschluß ist mit dem Pol der Batterie E₃ verbunden. Sein Gateanschluß empfängt eine Steuerspannung mit zwei Werten, von welchen der eine den Transistor T₅ sperrt und der andere ihn leitend macht.

In diesem Ausführungsbeispiel, welches nicht als Einschränkung zu verstehen ist, sind sämtliche Transistoren Verarmungs-Peldeffekttransistoren, die einen N-leitenden Kanal besitzen. Die Eingangsspannung ändert sich zwischen -2 V und +2 V. Die Batterie E₂ liefert 6 Volt, die Batterie E₃ liefert -6 Volt. Die an den Gateanschluß des Transistors T₁. angelegten Spannungswerte betragen -6 V (Wert 1) bzw. -8 V (Wert 0). .

Der Transistor T₅ ist folglich für den Wert 1 (Vgs = 0) leitend und so berechnet, daß er bei dem Wert 0 (Vgs=-2Volt) gesperrt ist.

Das System arbeitet folgendermaßen:

a) Der Transistor T₅ ist gesperrt (Wert 0). In dem 4Q9848/1002

Widerstand R₁ fließt kein Strom und die Potentialdifferenz Vgs des Transistors T ist Null. Er ist deshalb leitend. Das Sourcepotential des.Transistors T-ι der als Spannungsfolger für die Spannung V₅ geschaltet ist, ist im wesentlichen gleich dem Sourcepotential des Transistors T₄. Da diese Spannung mittels des Transistors T₄ zu dem Gateanschluß des Transistors T₁ zurückgeführt ist, ist der Transistor T. folglich leitend. Die Spannung V_ ist deshalb im wesentlichen gleich der Exngangsspannung V .

b) Der Transistor T₅ ist leitend. Die Spannung V, dieses Transistors liegt folglich in der Nähe von -6 Volt.

In dem Widerstand R₁ fließt ein Strom, was zur Folge hat, daß eine positive Potentialdifferenz zwischen dem Gateanschluß des Transistors T. (dessen Potential im wesentlichen gleich -6 Volt ist) und dem Sourceanschluß dieses Transistors ausgebildet wird, dessen Potential gleich (-6 Volt +R₁ i) ist, wobei i der in diesem Widerstand fließende Strom ist.

Dieser Transistor hat folglich das Bestreben, sich unter Aufrechterhaltung einer bestimmten Leitfähigkeit zu sperren. Der Gateanschluß des Transistors T₁ liegt auf einem Potential von (-6 Volt + R-, i) , d.h. in der Größenordnung von -4 Volt.

Da seine minimale Sourcespannung gleich -2 Volt und seine maximale Sourcespannung gleich +2 Volt beträgt, ist er folglich ebenfalls gesperrt.

Es ist zu bemerken, daß in dieser Konfiguration die Gate-Drain-Kapazität des Transistors T₁ über den Widerstand R₁ und den Transistor T₅, der leitend ist, entladen wird.

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Eine integrierte Schaltung, die in der Nanoelektroniktechnik ausgeführt und mit den vorgenannten Daten verwirklicht ist, hat eine Ansprechzeit von einigen Nanosekunden- und der Absolutwert V_E - V_g ist kleiner als 40 Millivolt.

Fig. 3 zeigt eine Integrationsart der Schaltung von Fig. 2, wobei in Fig. 3 die Bezugszeichen die gleichen Teile bezeichnen. Das Substrat ist vom Typ P+, die Kanäle sind vom N-Typ und die Sourcezonen und Drainzonen vom Typ N+. Die ohmschen Kontakte sind vom Typ N+. Die Source-, Gate- und Drainzonen jedes Transistors sind mit einem Index versehen, der den entsprechenden Transistor angibt. Der Transistor T₁, von welchem die Sourcezone S₁, die Gatezone G₁ - und die Drainzone D₁ sichtbar sind, hat eine U-Form.

Die ausgezogenen Linien zeigen die Konturen der Metallisierungen., die strichpunktierten Linien die Konturen der Sourcezonen und der Drainzonen (N+ dotierte Zonen), die langen Striche die Konturen der Gatezonen (P+ dotierte Zonen); die Kanäle, die sich unter den Gatezonen erstrecken', sind durch Folgen von Strichen dargestellt, die durch drei Punkte getrennt sind. Die kurzen Striche zeigen die Konturen der N-dotierten Zonen, die epitaktisch auf das P-leitende Substrat aufgebracht sind. In der Darstellung sind Drainzone und Sourcezone des Transistors T₁ umgekehrt worden. Die Drainzone D₁ verlängert sich unter eine Metallisierung, die einen Kontakt bildet und die Spannung V"_E empfängt. Die Sourcezone S₁ erstreckt sich unter eine Metallisierung die die Spannung V_c liefert. Der Gateanschluß G2 ist mit dem Sourceanschluß S₁ verbunden. Die Elektroden D₄, D₃.und. D- sind ebenso wie die Sourcezonen S₃ und S₅ durch dieselbe Diffusion gebildet. Die Gateelektrode G₃ und die Sourceelektrode S₃ sind durch dieselbe Metallisierung verbunden. Der Widerstand R₁

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ist eine N-dotierte Zone. In Fig. 3 bezeichnen die Buchstaben M, SD, C, G und N die Metallisierungen M bzw. die Sourcezonen S und die Drainzonen D bzw. die Kanäle C bzw. die.Gatezonen G bzw. die Schichten N.

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Claims

Patentansprüche :

^y. Analogspannungsschalter mit einem Feldeffekttransistor, an dessen Sourceanschluß die Eingangsspannung anliegt und dessen Drainanschluß die Ausgangsspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogspannungsschalter mittels eines Folgers, dessen Eingang mit dem Drainanschluß des Transistors verbunden ist, durch einen Umschalter leitend gemacht wird, welcher einen mit dem Gateanschluß des Transistors verbundenen Ausgang sowie zwei Eingänge, von denen der erste mit dem Ausgang des Folgers und der zweite mit einer Batterie verbunden ist, die eine Spannung liefert, mittels welcher der Transistor gesperrt werden kann, und einen Steuereingang hat, der eine Spannung mit zwei Werten empfängt, von welchen der eine den Kontakt zwischen dem Ausgang des Umschalters und dem ersten Eingang und der andere den Kontakt zwischen dem Ausgang und dem zweiten Eingang herstellt.
2. Analogspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter einen zweiten Transistor enthält, dessen Sourceanschluß mit einem Pol der Batterie verbunden ist, dessen Drainanschluß mit dem Gateanschluß des ersten Transistors verbunden ist,und an dessen Gateanschluß die Spannung mit zwei Werten angelegt ist.
3. Analogspannungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Folger einen dritten Transistor enthält, dessen Gateanschluß mit dem Drainanschluß des zweiten Transistors und dessen Sourceanschluß einerseits mit dem Gateanschluß des ersten Transistors und andererseits über einen Widerstand mit dem Drainanschluß des zweiten Transistors verbunden ist, während

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" ¹⁰ " 2L2 ¹G8

sein Drainanschluß mit dem Ausgang des Folgers verbunden ist, und daß der dritte Transistor leitend gemacht wird, wenn der zweite Transistor gesperrt ist/ aber zum mindestens teilweisen Sperren neigt, wenn der zweite Transistor leitend ist.
4. Analogspannungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Folger einen vierten Transistor enthält, dessen Drainansohltiß auf einem festen Potential gehalten wird, dessen Gateanschluß mit dem Drainanschluß oder mit dem Sourceanschluß des ersten Transistors verbunden ist und dessen Sourceanschluß mit dem Drainanschluß des dritten Transistors und mittels eines zweiten Widerstandes mit dem Sourceanschluß des zweiten Transistors verbunden ist.
5. Analogspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Transistoren Verarmungs-Sperr Schicht-Feldeffekttransistoren mit PN-Übergang sind, deren Kanäle N-leitend sind.
6- Analogspannungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand ein fünfter Transistor desselben Typs wie die anderen Transistoren ist, dessen Sourceanschluß und Gateanschluß miteinander und mit dem Sourceanschluß des zweiten Transistors verbunden sind.
7. Schaltung, gekennzeichnet durch einen Analogspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6·

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