DE3027456C2 - Integrierte Halbleiterschaltung mit einer Stromquelle aus einem Verarmungs-IG-FET - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige Schaltung ist aus der DE-OS 25 02 689 bekannt, wobei zur Kompensation von Schwellspannungsschwankungen des Stromquelletransistors alle drei Feldeffekttransistoren der Kompensationsschaltung als Diode betrieben werden und somit einen Spannungsteiler bilden.

Auch aus der DE-OS 21 54 654 ist eine Spannungsteilerschaltung aus Feldeffekttransistoren bekannt, wobei ein Teil der Transistoren parallel geschaltet ist, um Geometrieabweichungen zu kompensieren. Aus der US-PS 39 96 482 sind Inverterstufen bekannt, die aus jeweils einem Invertertransistor und aus einem Lasttransistor bestehen.

Es ist beispielsweise auch üblich, bei einer astabilen Kippstufe aus kreuzgekoppelten Anreicherungs-IG-FETs mit Kondensatoren in den Kopplungszweigen diese Kondensatoren über die Stromquelle zu entladen, so daß die Ohmigkeit der Stromquelle entscheidend in die Kippfrequenz der Kippstufe eingeht. Bei der Konzipierung einer Halbleiterschaltung wird von Sollwerten für die einzelnen Halbleiterbauelemente ausgegangen, bei deren Einhaltung beispielsweise eine astabile Kippstufe exakt dei Sollfrequenz aufweist. Es hat sich gezeigt, daß fertigungsbedingte Abweichungen von den Sollwerten nicht zu verhindern sind. So besteht bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren innerhalb einer integrierten Schaltung die Gefahr, daß einmal die Kanalweite variiert, wodurch die Ohmigkeit des Transistorkanals verändert wird, und andererseits kann die Schwellspannung der verwendeten Feldeffekttransistoren von den Sollwerten abweichen, wodurch gleichfalls bei vorgegebenen Gate-Spannungen Stromänderungen gegenüber den Sollwerten auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Halbleiter-Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weiterzubilden, daß Abweichungen der Schwellspannung, sowie Veränderungen in der Kanalweite des Stromquelletransistors wirksamer kompensiert werden.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches genannten Merkmale gelöst.

Durch diese Art der Spannungsteilerschaltung werden Abweichungen in der Geometrie und der Schwellspannung des Verarmungsfeldeffekttransistors, der die Stromquelle bildet, kompensiert

Diese verbesserte Kompensation wird dadurch bewirkt, daß fertigungsbedingte Abweichungen von den Sollwerten zu einer Veränderung des Spannungsabfalls am ersten Transistor führen, wodurch die Ansteuerung des zweiten Transistors verändert wird. Dadurch tritt im Hinblick auf die zu kompensierenden Abweichungen ein Verstärkungseffekt auf, durch den eine optimale Kompensation durch die Ausgestaltung der Transistoren einstellbar ist.

Zur verbesserten Kompensation von Kanalweitenfehlern wird der erste und der zweite Transistor in mehrere paraiiel geschaltete und an den Gates miteinander verbundene Teiltransistoren aufgeteilt, wobei die Zahl der Transistoren und deren jeweilige Kanalweite so gewählt werden, daß Kanalweitenabweichungen und Abweichungen der Schwellspannung beim Stromquelletransistor optimal korrigiert werden.
Wie bereits erwähnt, dient eine derartige kompensierte Stromquelle vorzugsweise zur Entladung von Kondensatoren einer astabilen Stufe aus kreuzgekoppelten Anreicherungs-IG-FETs wobei die Kondensatoren in den Kopplungszweigen angeordnet sind. Dadurch lassen sich astabile Kippstufen mit einer von Fertigungsstreuungen unabhängigen Kippfrequenz realisieren.

Die Erfindung und ihre vorteilhafte Ausgestaltung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Die Figur 1 zeigt den Stromquelletransistor Toi, der in dem speziellen Fall zur Entladung der Koppelkondensatoren Ci und Ci einer astabilen Kippstufe aus kreuzgekoppelten Anreicherungsfeldeffekttransistoren Ta und Γ« dient. In den Drain-Strecken der Schalttransistoren T_n und 7>₄ befinden sich Lastwiderstände, die aus den Verarmungsfeldeffekttransistoren Td\ und Tdz mit kurzgeschlossener Source-Gate-Strecke bestehen. Der Verbindungspunkt Pi bzw. P3 zwischen den beiden Feldeffekttransistoren eines Stromzweiges führt über jeweils einen Koppelkondensator Q bzw. Ci zur Gate-Elektrode des Schalttransistors Tei und Ta im anderen Stromzweig. Die Potentialpunkte an den Gate-Elektroden dieser Schalttransistoren Tei und Γ« sind mit Pj und Pi, bezeichnet. Die Kondensatoren C\ und Oz werden über die Potentialpunkte P2 und Pt, und den Kopplungstransistoren Ta bzw. 7a sowie den nachgeschalteten Stromquelletransistor 7b? entladen. Die Entkopplungstransistoren Te6 und Γη sind gleichfalls Anreicherungsfeldeffekttransistoren mit kurzgeschlossener Gate-Drain-Strecke. Die Source-Elektroden beider Transistoren sind mit der Drain-Elektrode des Stromquelletransistors Τοί verbunden, dessen Source-Elektrode auf Massepotential U_ss. liegt.

Die Kompensationsschaltung für fertigungsbedingte Streuungen der Schwellspannung des Stromquelletransistors Ten und seiner Kanalweite besteht aus den Feldeffekttransistoren Tijio, Ton und T_Du vom Verarmungstyp. Die Gate-Source-Strecke des Transistors Td\2 ist kurzgeschlossen und mit dem Potential Lk verbunden. Die Drain-Gate-Strecke des Transistors Ton liegt somit parallel zur Gate-Source-Strecke des Transistors Tbii, dessen Drain-Elektrode über den Transistor Tpio, bei dem die Drain-Gate-Strecke kurzgeschlossen ist, mit dem positiven Pol Uod der Versorgungsgieichspannung verbunden ist Der zur Gate-Elektrode des Stromquelletransistors führende Spannungsabgriff liegt zwischen den Transistoren Tbio und Tdu-

Eine fertigungsbedingte Abweichung der Schwellspannung des Stromquelletransistors Toi wirkt sich infolge der Gleichartigkeit der Herstellungsprozesse gleichermaßen bei den Transistoren Ton und T_Du aus. Wenn somit beispielsweise die Ohmigkei. des Transistors 7b? aufgrund einer veränderten Schwellspannung über dem Sollwert liegt, sind auch die Transistoren 7bi2 und Tdu höherohmig. Der Transistor Ton reduziert die Aussteuerung von Tdu und verstärkt damit die Auswirkung des fertigungsbedingten Fehlers. Dadurch steigt der Spannungsabfall am Spannungsabgriff des Spannungsteilers und damit an der Gate-Elektrode des Stromquelletransistors Ten an, so daß dieser Stromquelletransistor stärker ausgesteuert wird, und der Strom durch diesen Transistor wieder seinen Sollwert erreicht. Die Teilerausgangsspannung verhält sich somit reziprok proportional zur Änderung der Schwellspannung des Verarmungsfeldeffekttransistors Tp₇.

Eine weitere Kompensation der Fertigungstoleranz der Kanalweite des Transistors Ten wird durch Aufteilung der Transistoren T_D\ ι und T_D\2 in mehrere Teiltransistoren realisiert. Hierdurch steigt der Einfluß der Kanalweitetoleranz auf das Spannungsteiler-Verhältnis an. Wenn Beispielsweise die Kanalweite des Transistors To? um 0,1 μτη fertigungsbedingt vom Sollwert abweicht, so tritt die gleiche Abweichung bei jedem Teiltransistor der Transistoren Tau und 7bi2 auf, so daß durch diese vervielfachte Fehlerauswirkung gleichfalls eine Kompensation durch eine entsprechende Potentialänderung an der Gate-Elektrode des Transistors Ten bewirkt wird.

Die Aufteilung der Transistoren Tow und Tdu in Teiltransistoren, muß derart optimiert werden, daß sowohl Kanalweitenfehler als auch Fehler der Schwollspannung des Stromquelletransistors optimal kompensiert werden. Im einem speziellen Fall wurde ein Stromquelletransistor Toi verwendet, bei dem das Verhältnis Kanalweite/Kanallänge 20/600 μΐη betrug. In diesem Fall wurde der Transistor Tow in 21 Teiltransistoren mit einer Kanalweite von 10 μΐη und einer Kanallänge von 50 μπι und der Transistor Tdu in 7 Transistoren mit einer Kanalweite von 10 μΐη und einer Kanallänge von 50 μπι sowie einen Transistor mit einer Kanalweite von 7,5 μπι und einer Kanallänge von 50 μηι aufgeteilt. Der Transistor Tdw war identisch mit einem Teiltransistor des Transistors Tdu. Bei diesen Verhältnissen wurden fertigungsbedingte Toleranzen in der Schwellspannung des Stromquelletransistors und in der Kanalweite, die zu Frequenzänderungen der Kippstufe geführt hätten, optimal korrigiert, so daß der Oszillator praktisch keine fertigungsbedingten Frequenzstreuungen mehr aufwies.

Frequenzstreuungen, die durch Veränderungen der Schwellspannung der Anreicherungsfeldeffekttransistoren 7"e2 und Ta in der Kippstufe bedingt sind, werden mit Hilfe der Spannungsteilerschaltung aus den Transistoren Tem, Τη*, Te\5 sowie den Transistoren Tes und Ta kompensiert Die Transistoren Teu und Te\s im Spannungsteiler sind Anreicherungsfeldeffekttransistoren mit kurzgeschlossener Gate-Drain-Strecke, so daß an der Reihenschaltung aus diesen beiden Transistoren die doppelte Transistorschwellspannung 2 Ute abfällt Der Transistor Ton vom Verarmungstyp, der mit den Transistoren Tn₄ und Tm in Reihe geschaltet ist, ist relativ hochohmig und sorgt dafür, daß durch den Spannungsteiler ein möglichst geringer Strom fließt Die Gate-Source-Strecke des Transistors Ton ist gleichfalls kurzgeschlossen und bildet den Spannungsabgriff am Spannungsteiler, der zu den Gate-Elektroden der Transistoren Tes und T/s von Anreicherungsstyp führt Die Source-Drain-Strecke der Transistoren tes und 7Ή liegt zwischen dem Potentialpunkt P2 bzw. Pa und dem positiven Pol UDD der Versorgungsgleichspannung. Da an der Gate-Elektrode des Transistors Te, bzw. Tes die Spannung 2 ίΛϊίίΛτ= Schwellspannung der Anreicherungsfeldeffekttransistoren Teu und T^s) abfällt, liegt an den Potentialpunkten P2 bzw. P₄ eine Gleichspannung 1 Ute in der Größe der Schwellspannung eines Anreicherungsfeldeffekttransistors an. Zu dieser Gleichspannung addiert sich in den Schaltphasen die über die Kondensatoren Q bzw. Ci eingekoppelte Spannungsflanke, die im wesentlichen der Gleichspannung Udd entspricht. Nur diese Flanke bestimmt dann in Verbindung mit der Zeitkonstanten der Auf- bzw. Entladewege die Frequenz des Oszillators, während die fertigungsbedingt streuende Schwellspannung der Anreicherungsfeldeffekttransistoren keine Rolle spielt. Der Spannungsverlauf an den Potentialpunkten P\ bis P₄ ergibt sich aus der Figur 2.

Demnach springt das Potential am Punkt P\ zur Zeit fi, wenn der Stromfluß durch den Transistor Tf₄ unterbrachen wird, auf die Spannung LOd und bleibt auf diesem Wert bis-zum Zeitpunkt f2, wenn der Transistor Ta in den sperrenden und der Transistor 7a in den leitenden Zustand übergeht. Dieser Spannungssprung wird ausgelöst durch den Potentialverlauf am Punkt P₄. Dort ist das Potential zum Zeitpunkt fi auf den Wert Ute abgefallen, so daß der Transistor Te, in den sperrenden Zustand übergeht. Der dadurch ausgelöste Spannungssprung um den Wert Udd bzw. um den Wert -LOd an den Potentialpunkten P\ und Pj überträgt sich auf die Potentialpunkte P2 und P₄ in entsprechender Weise, da die Spannung an den Kondensatoren Q und Ci nicht springen kann. Somit springt die Spannung am Punkt P2 zum Zeitpunkt fi auf den Wert Ute+ Udd und fällt danach wieder auf den Spannungswert Ute aufgrund der Entladung über den Stromquelletransistor Toi ab. Sobald der Wert Ute erreicht ist, ändert die Kippstufe ihren Schaltzustand und der Transistor 7t₄ wird leitend, während der Transistor Τει gesperrt wird. Die Aufladezeit der Kondensatoren über die Transistoren Ta bzw. Ta ist aufgrund der Dimensionierung der Transistoren Tes und Tes klein gegenüber der Entladezeit t₂—1\. Dies ergibt sich aus dem Potentialverlauf an P₄. Zum Zeitpunkt ft springt dort die Spannung aufgrund des Potentialsprungs an P2 auf den Wert — Udd+ Ute und steigt dann in der Zeit f₃-fi wieder auf den Gleichspannungswert Ute an. Die Zeitspanne f3-ii ist wesentlich kleiner als die Zeitspanne f₂-fi, so daß die Kippfrequenz durch diesen Aufladeprozeß nicht bestimmt wird. Da eine Entbzw. Aufladung jeweils auf den Gleichspannungswert Ute, der der Schwellspannung eines Anreicherungsfeldeffekttransistors entspricht, erfolgt, ist die Kippfrequenz nicht mehr abhängig von dieser Schwellspannung, sondern ausschließlich von dem durch den Stromquelle-

transistor Ton fließenden Strom und von der Gleichspannung Uod, die den Spannungswert an den Kondensatoren C\ und Ci bestimmt. Durch die ideale Kompensierung der fertigungsbedingten Schwankungen der strombestimmenden Kennwerte des Stromquelletransistors ist die Frequenzstabilität des Oszillators gewährleistet.

Alle Transistoren der dargestellten integrierten Schaltung sind vorzugsweise MOS-Feldeffekttransistoren. wobei der Kennbuchstabe E in den Transistorbe-Zeichnungen für den Anreicherungstyp (Enhancement) und der Buchstabe D für den Verarmungstyp (Depletion) steht Bei einem ideal kompensierten Oszillator, der realisiert wurde, hatten die Kapazitäten Q und Ci den Wert C= 3,5 pF. Die einzelnen Transistoren sind wie folgt dimensioniert, wobei Wdie Kanalweite und L die Kanallänge in μπι bedeutet.

Transistor W/L (μπι)

^v '

25

30

35

40

45

50

Tbi, Tm	20/40
Te2, Tea	80/20
Te5, Ta	50/5
Te6, Tm	25/5
Tm	20/600
Tow	10/50
Tau	21 Transistoren^ 10/50
Tom	7 Transistoren a 10/50
	+ 1 Transistor 7,5/50
Tß|3	5/80
Tn+, 7ViS	50/5

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

55 S

Wi 65 iS

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiterschaltung mit einer Stromquelle aus einem Verarmungs-IG-FET und mit einer Kompensationsschaltung für herstellungsbedingte Parameterschwankungen, wobei die Kompensationschaltung aus einem Spannungsteiler aus drei in Reihe geschalteten Verarmungs-IG-FETs (7bίο, Td ti, T_D 12) besteht und der Spannungsabgriff des Teilers zwischen dem als Diode geschalteten und mit dem Versorgungspotential verbundenen dritten Transistor (7b 10) und den beiden anderen Transistoren (7b 11, 7b 12) mit der Gate-Elektrode des Stromquelletransistors (7b 7) verbunden ist, und wobei die Sourceelektrode des als Diode geschalteten ersten Transistors (7b 12) mit Massepotential verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die-Gate-Elektroden des ersten und des zweiten Transistors (7bi2, Tbii) miteinander und mit dem Massepotential verbunden sind.

2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor (Ton, 7bn) zusätzlich in mehrere parallel geschaltete und an den Gates miteinander verbundene Teiltransistoren (7bii.i-7bn.n, 7bi2.i-7bi2.n) aufgeteilt sind, wobei die Zahl der Transistoren und deren jeweilige Kanalweite so gewählt sind, daß Kanalweitenabweichungen und Abweichungen der Schwellspannung beim Stromquelletransistor (Toi) optimal korrigiert sind.