DE3344975A1

DE3344975A1 - Verstaerker mit gate-gekoppeltem feldeffekttransistorpaar

Info

Publication number: DE3344975A1
Application number: DE19833344975
Authority: DE
Inventors: Eric John Reading Pa. Swanson
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-12-20
Filing date: 1983-12-13
Publication date: 1984-06-20
Also published as: IT8324198A0; DE3344975C2; GB2132435A; FR2538191B1; GB8333134D0; IT1172447B; CA1205879A; JPS59119907A; GB2132435B; US4518926A; FR2538191A1; NL8304352A

Description

33U975

Verstärker mit Gate-gekoppeltem Feldeffekttransistorpaar

Die Erfindung betrifft generell elektronische Verstärker unter Verwendung von Feldeffekttransistoren und im einzelnen auf solche Verstärker, die MOSFET-Transistoren (Metall-Oxid-Silicium-Feldeffekttransistoren ) benutzen.

Einzelne MOSFET-Bauteile können auf zahlreiche bekannte Arten als Verstärker geschaltet sein, beispielsweise in Schaltungen mit gemeinsamer Sourceelektrode, mit gemeinsamer Gateelektrode, mit gemeinsamer Drainelektrode, als Source-Folger usw., um unterschiedliche Betriebseigenschaften zur Anpassung an einen speziellen Zweck zu erzielen. Zwei solche Bauteile können ebenfalls so miteinander verbunden werden, daß sich eine Vielzahl von Eingangsund Ausgangseigenschaften ergeben, die mit einem einzigen Bauteil nicht erreichbar sind. Ein Beispiel hierfür ist die allgemein verwendete "Kaskoden - Schaltung", bei der das Bauteil einer ersten Stufe in einer Schaltung mit gemeinsamer Sourceelektrode betrieben wird, deren Ausgangssignal zum Eingang eines zweiten Bauteils geht, das in einer Schaltung mit gemeinsamer Gateelektrode betrieben ist. Man erhält dann einen Verstärker, der hohe Eingangsimpedanz, niedriges Rauschen und hohe Verstärkung besitzt.

Wenn ein Paar von MOSFET-Bauteilen zur Erzielung einer Verstärkung zusammengeschaltet wird, so muß die Gateelektrode eines der Bauteile im allgemeinen mit einer auf dem Halbleiterplättchen zur Verfügung stehenden Vorspannung versorgt werden, damit die Drain-Sourcespannung des anderen Bauteils hoch genug ist, um es in einen aktiven Betriebszustand zu bringen, in welchem eine größere Verstärkung erzielt wird. Die Notwendigkeit eines

solchen Spannungsgenerator-Netzwerks auf dem gleichen HaIbleiterplättchen führt zu einer erhöhten Kompliziertheit der Schaltung und verschlechtert die Güte des Verstärkers in mehrfacher Hinsicht.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein

Anreicherungstyp-Feldeffekttransistor mit einem Verarmungstyp-Feldeffekttransistor zur Schaffung einer neuartigen Schaltungskombination zusammengeschaltet. Die Gateelektroden der beiden Transistoren sind miteinander verbunden und IQ bilden einen Eingangsknotenpunkt. Die Drain-Sourcestrecken der Transistoren sind in Reihe miteinander an eine Stromversorgung angeschaltet.

Im Anreicherungsbetrieb sind keine Majoritätsladungsträger, d.h. Elektronen, im η-Kanal zwischen der Source- IQ und der Drainelektrode bei der Gatespannung Null vorhanden. Im Verarmungsbetrieb sind dagegen bei der Gatespannung Null freie Elektroden im Kanal vorhanden. Eine positive Gatespannung sieht daher Elektronen unter Erzeugung eines Schalteffektes in einen n-Kanal-Anreicherungstyp-Transistor. In einem Verarmungstyp-Transistor steuern positive und negative Spannungen den Elektronenfluß, ohne ihn abzuschalten .

Das sich ergebende Gate-gekoppelte Transistorpaar kann mit Vorteil als Sourcefolger-Verstärker geschaltet sein, wobei das Ausgangssignal an der Sourceelektrode des Anreicherungstyp-Transistors abgenommen wird, oder als Verstärker mit gemeinsamer Sourceelektrode, wobei das Ausgangssignal an der Drainelektrode des Verarmungstyp-Transistors abgenommen wird, oder zusammen mit einem weiteren Transistorpaar als Differenzeingang-Verstärkerstufe sowie in Verbindung mit einem weiteren Anreicherungstyp-Transistor als Stromspiegel.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer Sourcefolger-Verstärkerschaltung mit einem Anreicherungstyp- und einem Verarmungstyp-Transistor, die entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfin-

t * ο c

• β IO O β β

dung miteinander verbunden sind;

Fig. 2 das Schaltbild einer Verstärkerschaltung mit gemeinsamer Sourceelektrode entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 das Schaltbild einer Differenzeingang-Schaltung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 das Schaltbild einer Stromspiegelschaltung als viertes Ausführungsbeispiel der Er

findung .

Bei der nachfolgenden Erläuterung wird angenommen, daß alle Transistoren n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren sind. Die Eingangs- oder Ausgangsspannung einer Schaltung an einem entsprechenden Knotenpunkt bezieht sich auf eine Bezugsspannung, beispielsweise Erdpotential. Verarmungstyp-Transistoren sind durch einen verbreiterten Kanal zwischen der Source- und Drainelektrode gekennzeichnet.

Beispiel gemäß Fig. 1

Fig. 1 zeigt einen Sourcefolgerverstärker 100 (analog einem Kathodenfolger in einer Schaltung unter Verwendung von Elektronenröhren) entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Verstärker enthält ein Paar von hinsichtlich ihrer Abmessungen ähnlichen MOS-Transistoren 102, 104, deren Gateelektroden zusammengeschaltet sind und als Eingangssignal-Knotenpunkt 106 dienen. Der erste, obere Transistor 102 ist ein Verarmungstyp-Transistor, dessen Drainelektrode 108 mit einer positiven Versorgungsspannungsquelle V_n verbunden ist. Die Source-Elektrode 110 des Verarmungstyptransistors 102 ist mit der Drainelektrode 112 des zweiten, unteren Transistors 104 , der ein Anreicherungstyp-Transistor ist, an einem gemeinsamen Knotenpunkt 114 verbunden. Die Sourceelektrode 116 des Anreicherungstyp-Transistors stelle einen Ausgangssignal-Knotenpunkt 118 des Verstärkers 100 dar und ist in Reihe mit einer Versorgungsstromquelle 120 geschaltet. Das Material des Halbleiterplättchens beider Transistoren 102, 104 ist mit der jeweiligen Sourceelektrode 110, 116 verbunden. Statt dessen kann jedoch

das Halbleitermaterial des Verarmungstyp-Transistors 102 mit der Sourceelektrode 116 des Anreicherungstyp-Transistors verbunden werden.

Der Verstärker 100 hat die allgemeinen Eigenschaften einer Sourcefolgersehaltung. Während die Verstärkung nominell Eins ist, wurde sie zu typisch 0,9999 gemessen. Dies steht vorteilhaft einer typischen Verstärkung von 0,9900 gegenüber, die für eine einfache Sourcefolgeranordnung zu erwarten ist. Die Stromversorgungs-Störunterdrückungseigenschaften sind jedoch wesentlich gegenüber denen eines einzelnen, als Sourcefolger geschalteten Transistors verbessert, da der relativ hohe, der Versorgungsspannungsquelle V an der Drainelektrode 108 des Verarmungstyp-Transistors 102 dargebotene Widerstand eine Kopplung der Spannugnsquelle mit dem gemeinsamen Knotenpunkt 114 stark dämpft und von dort eine weitere Dämpfung zum Ausgangsknotenpunkt 118 stattfindet.

Beispiel gemäß Fig. 2

Fig. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Verstärker 200 mit gemeinsamer Sourceelektrode, die einen oberen Verarmungstyp-Transistor 202 und einen unteren Anreicherungstyp-Transistor 204 aufweist, deren Gateelektroden zusammengeschaltet sind und einen Eingangsknotenpunkt 206 bilden. Die Drainelektrode 208 des Verarmungstyp-Transistors 202 bildet einen Ausgangsknoten 218 und ist in Reihe mit einer Stromquelle 220 geschaltet. Die Sourceelektrode 210 des Transistors 202 ist mit der Drainelektrode des Anreicherungstyp-Transistors 204 an einem gemeinsamen Knotenpunkt 214 verbunden. Die Sourceelektrode 216 des Anreicherungstyp-Transistors 204 ist mit einer negativen Versorgungsspannung V verbunden. Das Halbleitermaterial beider Transistoren 202, 204 ist mit der jeweiligen Sourceelektrode 210 bzw. 216 verbunden. Wiederum kann das Halbleitermaterial des Verarmungstyp-Transistors statt dessen mit der Sourceelektrode 216 des Anreicherungstyp-Transistors 204 verbunden sein.

Der Verstärker 200 hat die allgemeinen Eigenschaften einer Schaltung mit gemeinsamer Sourceelektrode. Sie besitzt hohe Verstärkung aufgrund stark verringerter Ausgangsleit-

33U975

fähigkeit am Ausgangsknoten 218 und eine sehr wirkungsvolle Stromversorgungs-Störunterdrückung, da die Drain-Sourcespannung des Anreicherungstyp-Transistors 204 aufgrund der Kopplung der Gateelektrode mit dem Verarmungstyp-Transistor 202 sehr gut gesteuert ist.

Beispiel gemäß Fig. 3

Fig. 3 zeigt entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine differentielle Eingangsspannungs-Verstärkerstufe 300, die zwei Gate-gekoppelte Transistorpaare 302, 304 entsprechend dem obenbeschreibenen Beispiel gemäß Fig. 1 aufweist. Die Transistorpaare sind parallel zueinander und in Reihe mit einer Stromquelle 306 geschaltet, die die Sourceelektroden der Anreicherungstyp-Transistoren mit einer negativen Versorgungsspannung V₀₀ (Erde) schalten. Die differentiellen Eingangsknotenpunkte 308, 310 sind die zusammengeschalteten Gateelektrodenpaare. Die Ausgangsknotenpunkte 312, 314 sind die Drainelektroden der Verarmungstyp-Transistoren. Das Ausgangssignal ist ein Differenz strom.

Die differentielle Eingangsstufe 300 liefert Vorteile ähnlich denen, die sich mit dem Verstärker 200 mit gemeinsamer Sourceelektrode für jedes der differentiellen Eingangssignale erzielen lassen. Die Verstärker 302, 304 mit gategekoppeltem Transistorpaar sind gegenüber bisher verwendeten Anordnungen dadurch von Vorteil, daß sie die Ausgangsimpedanz für die differentielle Betriebsweise erhöhen.

Beispiel gemäß Fig. 4

Fig. 4 zeigt entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Stromspiegel 400, der ein gategekoppeltes Transistorpaar mit einem Verarmungstyp- und einem Anreicherungstyp-Transistor 402 bzw. 404 zusammen mit einem weiteren Anreicherungstyp-Transistor 406 enthält. Die Gateelektroden der Transistoren 402, 404 sind miteinander und mit der Gate- und der Drainelektrode des weiteren Anreicherungstyp-Transistors 406 verbunden. Dessen Halbleitermaterial ist mit seiner Sourceelektrode verbunden, die zusammen mit der Sourceelektrode des ersten Anreicherungstyp-Transistors 404 an einem gemeinsamen Knotenpunkt liegt, der mit

δι einer negativen Versorgungsspannung V verbunden ist. Die

SS

Drainelektrode des zusätzlichen Anreicherungstyp-Transistors 406 liegt in Reihe mit einer Stromquelle 408 an einem Eingangsknotenpunkt 410. Die Drainelektrode des Verarmungstyp-Transistors 402 ist mit einem Ausgangsknotenpunkt 412 verbunden .

Unter Ansprechen auf einen Eingangsstrom am Knotenpunkt 410 liefert der Stromspiegel 400 einen verstärkten Ausgangsstrom am Knotenpunkt 412, der dem Eingangsstrom mit einem gewählten festen Verhältnis genau folgt,und besitzt eine wirksame Stromversorgungs-Störunterdrückung. Das gategekoppelte Transistorpaar 402, 404 erhöht den Ausgangswiderstand des Stromspiegels 400 beträchtlich.

Die Ausgangssignale der obenbeschriebenen Ausführungsbeispiele werden in typischer Weise mit Bezug auf Erdpotential geliefert. Der hier verwendete Ausdruck "Erdpotential" kann irgendein geeignetes Bezugspotential sein.

Generell kann bei jedem der gategekoppelten Transistorpaare nach der Erfindung das Halbleitermaterial des Verarmungstyp-Transistors entweder mit der Sourceelektrode dieses Transistors oder mit der Sourceelektrode des Anreicherungstyp-Transistors verbunden werden. Die Wahl einer bestimmten Schaltung erfolgt in erster Linie im Hinblick auf die verfügbare Fläche des Halblexterplattchens. 25

- Leerseite -

Claims

Western Electric Company Incorporated New York N.Y. 10038, USA

Patentansprüche

Ί J Kaskadenschaltung eines ersten und zweiten Feldeffekttransistors gleichen Leitfähigkeitstyps mit je einer Source-, {Drain- und Gateelektrode,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor im Verarmungsbetrieb arbeitet, der zweite Transistor im Anreicherungsbetrieb arbeitet, die Drainelektrode des ersten Transistors mit einer Gleichstromquelle verbunden ist,
die Sourceelektrode des ersten Transistors mit der Drainelektrode des zweiten Transistors verbunden ist,.

die Drainelektrode des zweiten Transistors mit einer geerdeten Konstantstromquelle verbunden ist, die Gateelektroden des ersten und zweiten Transistors miteinander und mit einer Eingangssignalquelle hoher Impedanz ver-

1 5 bunden sind und

daß ein Ausgangssignal proportional dem Eingangssignal an der Sourceelektrode des zweiten Transistors geliefert wird.
2. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Drainelektrode des ersten Transistors mit einer Konstantstromquelle verbunden igt und daß ein Ausgangssignal proportional dem an die Gateelektroden des ersten und zweiten Transistors von einem gemeinsamen Knotenpunkt hoher Impedanz aus angelegten Eingangssignal an der Drainelektrode des ersten Transistors geliefert wird.

Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramme Patentconsuit

RadeckestraOe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsuit

Telefax (CCITT 2) Wiesbaden und München (089) 8344618 Attention Patentconsuit
3. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine gleiche Kaskadenschaltung eines ersten und zweiten Feldeffekttransistors über die Sourceelektrode des Anreicherungstyp-Transistors mit der geerdeten Konstantstromquelle verbunden ist, daß zu vergleichende Eingangssignale an die jeweils paarweise verbundenen Gatelektroden der Kaskadenschaltungen angelegt sind und
daß ein Ausgangssignal gleich der Differenz zwischen den Eingangssignalen zwischen den Drainelektroden der Verarmungstyp-Transistoren jeder Kaskadenschaltung zur Verfügung steht.
4. Kaskadenschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Anreichungstyp-Transistor über die Gate- und Drainelektrode mit einer Konstantstrom-Versorgungsquelle und mit den Gateelektroden der Kaskadenschaltung aus dem ersten und zweiten Feldeffekttransistor und über die Sourceelektrode mit einer Bezugsspannung und der Sourceelektrode des zweiten Feldeffekttransistors verbunden ist, und

daß die neue Kombination als Stromspiegel für Eingangssignale dient, die an den zweiteren Transistor in der Source-Drainstrecke des ersten und zweiten Transistors dient.