DE10031837C1 - CMOS-Bustreiberschaltung - Google Patents

Abstract

Eine CMOS-Bustreiberschaltung enthält eine Eingangsstufe aus zwei komplementären MOS-Transistoren, deren Source-Drain-Strecken in Serie zwischen einer Versorgungsspannungsklemme und einer Masseklemme liegen. Ihre verbundene Gate-Anschlüsse bilden den Schaltungseingang. Ferner enthält sie eine Ausgangsstufe mit zwei komplementären MOS-Transistoren, deren Source-Drain-Strecken ebenfalls in Serie zwischen der Versorgungsspannungsklemme und der Masseklemme liegen, wobei der Gate-Anschluß des einen MOS-Transistors der Ausgangsstufe mit dem Verbindungspunkt der Source-Drain-Strecken der MOS-Transistoren der Eingangsstufe verbunden ist, während der Gate-Anschluß des anderen MOS-Transistors der Ausgangsstufe über einen Negator mit dem Schaltungseingang verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Source-Drain-Strecken der beiden MOS-Transistoren der Ausgangsstufe bildet den Schaltungsausgang. Zwischen dem Schaltungsausgang (18) und dem Gate-Anschluß des einen MOS-Transistors (P2) der Ausgangssutfe liegt die Gate-Source-Strecke eines weiteren MOS-Transistors (P3) vom gleichen Leitungstyp, dessen Gate-Anschluß mit der Versorgungsspannungsklemme (14) verbunden ist. In die Verbindung der Source-Drain-Strecke der MOS-Transistoren (P1, N1) der Eingangsstufe eine Diode (D) so eingefügt, daß sie das Fließen eines Stromes in Richtung zu dem mit der Versorgungsspannungsklemme (14) verbundenen MOS-Transistor (P1) der Eingangsstufe blockiert, wobei ihre Katode mit dem Gate-Anschluß des einen ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine CMOS-Bustreiberschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist üblich, in integrierten Schaltungen vorhandene Schal­ tungseinheiten oder auch integrierte Schaltungen insgesamt über einen Bus miteinander zu verbinden, wobei als Kopp­ lungsstufen zwischen den Schaltungseinheiten und dem Bus jeweils eine Treiberschaltung verwendet wird. In modernen integrierten Schaltungen sind diese Treiberschaltungen als CMOS-Treiberschaltungen ausgeführt, in denen sowohl die Ein­ gangsstufe als auch die Ausgangsstufe aus zwei in Serie ge­ schalteten, komplementären MOS-Transistoren besteht. Dies bedeutet, daß in der Ausgangsstufe die Source-Drain-Strecke eines PMOS-Transistors und die Source-Drain-Strecke eines NMOS-Transistors in Serie zwischen einer Versorgungsspan­ nungsklemme und einer Masseklemme liegen, wobei die Verbin­ dung der beiden Source-Drain-Strecken den Schaltungsausgang bildet. Da mit dem Bus verschiedenartige Treiberschaltungen verbunden sind, kann es in der Praxis vorkommen, daß am Schaltungsausgang eines Bustreibers eine Spannung auftritt, die höher als die Versorgungsspannung eines solchen Bus­ treibers ist. Dies tritt insbesondere dann ein, wenn Schal­ tungseinheiten mehrerer integrierter Schaltungsbausteine oder integrierter Schaltungen mit einem Bus verbunden werden, die für verschieden hohe Versorgungsspannungen ausgelegt sind. So kann es vorkommen, daß ein Treiber an den Bus ein Signal anlegt, dessen Spannungswert höher als die Versorgungsspannung eines anderen, ebenfalls mit dem Bus verbundenen Treibers ist.

In integrierten Schaltungen ist der PMOS-Transistor der Aus­ gangsstufe in der Regel ein Transistor vom Anreicherungstyp, bei dem die Gate-Spannung stets die höchste in der Schaltung vorhandene Spannung sein muß, damit dieser Transistor ge­ sperrt werden kann. Wenn nun aber der Fall eintritt, daß dem Drain-Anschluß dieses Transistors vom Bus her eine Spannung zugeführt wird, die höher als die Versorgungsspannung des Treibers ist, dann steht keine Spannung mehr zur Verfügung, die durch Anlegen an den Gate-Anschluß den PMOS-Transistor sperren könnte. Der in diesem Fall eintretende leitende Zu­ stand des PMOS-Transistors könnte sogar zu dessen Zerstörung führen.

Bei einer aus der EP 0 786 870 bekannten Schaltung der eingangs angegebenen Art wird zwar ein Schutz gegen die Zerstörung eines der Ausgangstransistoren für den Fall erreicht, daß am Schal­ tungsausgang eine Spannung anliegt, die höher als die zur Verfü­ gung stehende Versorgungsspannung ist, doch ergibt sich aufgrund der Diode, die in die Verbindung der Source-Drain-Strecken der MOS-Transistoren der Eingangsstufe eingefügt ist, in einem Schaltzustand der Ausgangsstufe aufgrund der unvermeidbaren Durchlaßspannung der Diode ein nachteiliges Verhalten. Dieses Verhalten besteht darin, daß der eine Ausgangstransistor nicht mehr vollständig gesperrt werden kann, wenn dessen Schwellen­ spannung kleiner als die Durchlaßspannung der Diode ist. Der einwandfreie gewünschte Betrieb der Treiberschaltung wird durch dieses Verhalten unter Umständen unmöglich gemacht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine CMOS-Bus­ treiberschaltung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der trotz der eingesetzten Schutzmaßnahmen für den Fall einer über der Versorgungsspannung liegenden Spannung am Schaltungs­ ausgang ein zuverlässiges Sperren eines der Ausgangstransistoren erreicht wird, was Voraussetzung für die beiden gewünschten Schaltzustände der Ausgangsstufe ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. In der erfindungsgemäßen Bustreiberschaltung ist durch die Überbrückung der Diode durch einen MOS-Transistor dafür gesorgt, daß die un­ vermeidliche Durchlaßspannung der Diode keine nachteilige Aus­ wirkung auf das Sperrverhalten eines der Ausgangstransistoren haben kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert, deren einzige Figur das Schaltbild der erfindungsgemäßen CMOS- Bustreiberschaltung zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte Bustreiberschaltung 10 enthält einen Eingangsstufe aus einem PMOS-Transistor P1 und einem NMOS-Transistor N1. Die Gate-Anschlüsse dieser beiden Transistoren sind miteinander verbunden und bilden den Schaltungseingang 12 der Bustreiberschaltung 10. Die Source- Drain-Strecken der beiden Transistoren sind unter Zwischen­ schaltung einer Diode D in Serie zwischen eine Versorgungs­ spannungsklemme 14 und eine Masseklemme 16 eingefügt. Die Diode D ist dabei so zwischen die beiden Source-Drain- Strecken eingefügt, daß ein Stromfluß in Richtung zum PMOS- Transistor P1 verhindert wird.

Die Bustreiberschaltung 10 enthält ferner eine Ausgangsstufe mit einem PMOS-Transistor P2 und einem NMOS-Transistor N2, deren Source-Drain-Strecken zwischen der Versorgungsspan­ nungsklemme 14 und der Masseklemme 16 in Serie geschaltet sind. Der Verbindungspunkt der beiden Source-Drain-Strecken bildet den Schaltungsausgang 18 der Bustreiberschaltung 10. Der Gate-Anschluß des PMOS-Transistors P2 ist mit dem Ver­ bindungspunkt zwischen dem Drain-Anschluß des NMOS-Tran­ sistors N1 und der Katode der Diode D verbunden.

Zwischen dem Gate-Anschluß des PMOS-Transistors P2 und dem Schaltungsausgang 18 liegt die Source-Drain-Strecke eines weiteren PMOS-Transistors P3, dessen Gate-Anschluß mit der Versorgungsspannungsklemme 14 verbunden ist. Die Source- Drain-Strecke eines weiteren PMOS-Transistors P4 liegt parallel zur Diode D, wobei der Gate-Anschluß dieses PMOS- Transistors P4 mit dem Schaltungsausgang 18 verbunden ist.

Parallel zur Source-Drain-Strecke des PMOS-Transistors P1 liegt die Source-Drain-Strecke eines weiteren PMOS- Transistors P5, dessen Gate-Anschluß mit dem Gate-Anschluß eines NMOS-Transistors N3 verbunden ist, dessen Source- Drain-Strecke zwischen dem Source-Anschluß des NMOS- Transistors N1 und Masse liegt. Die verbundenen Gate- Anschlüsse der Transistoren P5 und N3 sind über einen Negator N mit einem Eingang einer NOR-Schaltung X verbunden, deren anderer Eingang mit dem Schaltungseingang 12 verbunden ist. Der Ausgang der NOR-Schaltung X ist mit dem Gate- Anschluß des NMOS-Transistors N2 verbunden. Außerdem sind die verbundenen Gate-Anschlüsse der Transistoren P5 und N3 mit einem Freigabeeingang EN verbunden.

Die Wirkungsweise der in der Zeichnung dargestellten Bus­ treiberschaltung 10 wird zunächst für den Fall beschrieben, daß am Freigabeeingang EN ein Signal mit dem hohen Binärwert "H" anliegt und daß an dem mit dem Schaltungsausgang 18 ver­ bundenen Bus keine Spannung auftritt, die höher als die an der Versorgungsspannungsklemme 14 anliegende Versorgungs­ spannung der Bustreiberschaltung ist. Durch das "H"-Signal am Freigabeeingang EN wird der PMOS-Transistor P5 gesperrt und der NMOS-Transistor N3 in den leitenden Zustand versetzt. Über den Negator N wird dem einen Eingang der NOR- Schaltung ein Signal mit dem Binärwert "L" zugeführt. Es wird angenommen, daß an den Schaltungsausgang und damit an den Bus 18 ein Signal mit dem niedrigen Binärwert "L" ange­ legt werden soll. Da die Bustreiberschaltung keine invertie­ rende Wirkung hat, bedeutet dies, daß dies dadurch erreicht wird, daß an den Schaltungseingang 12 ebenfalls ein Signal mit dem niedrigen Binärwert "L" angelegt wird. Dies hat zur Folge, daß der PMOS-Transistor P1 eingeschaltet, also leitend wird, während der NMOS-Transistor N1 gesperrt wird. Am Gate-Anschluß des PMOS-Transistors P2 tritt daher eine hohe Spannung auf, die diesen Transistor sperrt. Über die NOR-Schaltung X gelangt an den Gate-Anschluß des NMOS- Transistors N2 ein Signal mit hohem Spannungswert, das diesen Transistor in den leitenden Zustand versetzt. Am Schaltungsausgang 18 tritt daher wie gewünscht das Signal mit dem niedrigen Signalwert L auf, das somit an den Bus angelegt wird. Der niedrige Signalwert am Schaltungsausgang 18 hat zur Folge, daß der PMOS-Transistor P3, dessen Gate- Anschluß an der Versorgungsspannung liegt, gesperrt wird, während der PMOS-Transistor P4 in den leitenden Zustand ver­ setzt wird. Aufgrund des leitenden Zustandes dieses PMOS- Transistors P4 ist die Diode D kurzgeschlossen und damit unwirksam.

Für den Fall, daß am Schaltungsausgang 18 ein Signal mit dem hohen Binärwert "H" erzeugt und an den Bus angelegt werden soll, muß auch dem Schaltungseingang 12 ein solches Signal "H" zugeführt werden. Die Transistoren P1, P2, P4, N1 und N2 in der Treiberschaltung kehren ihre Zustände um. Die mit der NOR-Schaltung einen Sperrschaltungsteil bildenden Transis­ toren P5, N3 ändern ihren Zustand nicht, da am Freigabe­ eingang EN weiterhin das "H"-Signal anliegt. Auch der PMOS- Transistor P3 bleibt gesperrt, da sein Gate-Anschluß an die höchste, in der Schaltung vorkommenden Spannung, nämlich die Versorgungsspannung, gelegt ist.

Nun wird der Fall betrachtet, daß die Treiberschaltung durch ein "L"-Signal am Freigabeeingang EN deaktiviert wird und daß über den Bus von einer anderen Treiberschaltung an den Schaltungsausgang 18 eine Spannung gelangt, die höher als die Versorgungsspannung an der Versorgungsspannungsklemme 14 ist. Das "L"-Signal am Freigabeeingang hat zur Folge, daß die NMOS-Transistoren N2 und N3 gesperrt werden. Wie oben erwähnt wurde, muß der PMOS-Transistor P2 immer entgegen­ gesetzt zum NMOS-Transistor N2 in den gesperrten Zustand versetzt werden, wenn am Schaltungsausgang 18 das Signal mit dem hohen Binärwert "H" oder das Signal mit dem niedrigen Binärwert "L" auftritt, also auch dann, wenn die vom Bus kommende Spannung höher als die Versorgungsspannung ist. Der PMOS-Transistor P2 kann nur dann zuverlässig gesperrt werden, wenn sein Gate-Anschluß an die höchste vorkommende Spannung gelegt wird, im Normalfall also an die Spannung an der Versorgungsspannungsklemme 14. Wenn nun die Spannung am Ausgangsanschluß 18 einen höheren Wert als die Versorgungs­ spannung annimmt, ist es normalerweise nicht mehr möglich, den PMOS-Transistor P2 dadurch zu sperren, daß sein Gate- Anschluß an die Versorgungsspannung gelegt wird. Der PMOS- Transistor P3 sorgt in der dargestellten Bustreiberschaltung jedoch dafür, daß in diesem Fall die höhere Spannung am Aus­ gangsanschluß 18 an den Gate-Anschluß des PMOS-Transistors P2 gelegt wird, so daß dieser dadurch zuverlässig in den gesperrten Zustand versetzt wird. Der PMOS-Transistor P3 geht nämlich durch die höhere Spannung am Ausgangsanschluß 18 in den leitenden Zustand über, so daß diese Ausgangs­ spannung über seine Source-Drain-Strecke an den Gate- Anschluß des PMOS-Transistors P2 gelangt.

Da, wie erwähnt, aufgrund des "L"-Signals am Freigabeeingang EN die NMOS-Transistoren N2 und N3 gesperrt sind, kann vom Schaltungsausgang 18 über den leitenden PMOS-Transistor P3 und den NMOS-Transistor N1 weder nach Masse 16 noch zur Versorgungsspannungsquelle 14 Strom fliessen, da dies einer­ seits durch den gesperrten NMOS-Transistor N3 und anderer­ seits durch die Diode D verhindert wird. Der Schaltungsaus­ gang 18 ist somit gegenüber dem Bus hochohmig, so daß kein Strom vom Bus her in die Treiberschaltung fliessen kann. Da sich der PMOS-Transistor P3 dabei in leitendem Zustand be­ findet, wird der PMOS-Transistor P2 im Ausgangsschaltungs­ teil zuverlässig gesperrt, so daß er nicht durch einen vom Schaltungausgang 18 zur Versorgungsspannungsklemme 14 fliessenden Strom zerstört werden kann.

Ohne den PMOS-Transistor P4 würde die Diode D das Verhalten der Bustreiberschaltung im Normalfall, also dann, wenn am Schaltungsausgang 18 keine Spannung mit höherem Wert als die Versorgungsspannung auftritt, nachteilig beeinflussen. Die Durchlaßspannung der Diode, die gleich oder größer als die Schwellenspannung des PMOS-Transistors P2 ist, würde ein vollständiges Sperren dieses PMOS-Transistors verhindern, wenn am Schaltungsausgang 18 ein Signal mit dem Binärwert "L" abgegeben werden soll. Gerade bei den neuen Prozessen der Herstellung der integrierten Schaltungen nehmen die Schwellenspannungen der Feldeffekttransistoren immer kleinere Werte an, während die Durchlaßspannung der Dioden konstant bleiben, so daß dies zu einem ernsthaften Problem wird. Da die Diode im genannten Fall jedoch durch den PMOS- Transistor P4 überbrückt wird, so daß ihre Durchlaßspannung keine Auswirkung haben kann, kann der PMOS-Transistor P2 sicher schnell in den gesperrten Zustand versetzt werden.

In der beschriebenen Bustreiberschaltung wird zuverlässig unter allen Umständen verhindert, daß ein Strom von der Versorgungsspannungsklemme 14 über den PMOS-Transistor P2 und den NMOS-Transistor N2 nach Masse fließt. Dies gilt auch im kritischen Fall, wenn die Spannung am Schaltungsausgang 18 höher als die Versorgungsspannung wird. Das Kurzschließen der Diode D mit Hilfe des PMOS-Transistors P4 sorgt in diesem Fall dafür, daß der Übergang in den Sperrzustand sehr schnell erfolgen kann. Für die Schaltvorgänge kann der volle Versorgungsspannungsbereich ausgenutzt werden, was besonders dann vorteilhafte Auswirkungen hat, wenn der Versorgungs­ spannungsbereich kleine Werte annimmt.

Claims (2)

1. CMOS-Bustreiberschaltung mit einer Eingangsstufe aus zwei komplementären MOS-Transistoren, deren Source-Drain- Strecken in Serie zwischen einer Versorgungsspannungs­ klemme und einer Masseklemme liegen und deren verbundene Gate-Anschlüsse den Schaltungseingang bilden, sowie einer Ausgangsstufe mit zwei komplementären MOS-Transistoren, deren Source-Drain-Strecken ebenfalls in Serie zwischen der Versorgungsspannungsklemme und der Masseklemme liegen, wobei der Gate-Anschluß des einen MOS-Transistors der Ausgangsstufe mit dem Verbindungspunkt der Source-Drain- Strecken der MOS-Transistoren der Eingangsstufe verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt der Source-Drain-Strecken der beiden MOS-Transistoren der Ausgangsstufe den Schal­ tungsausgang bildet, wobei zwischen den Schaltungs­ ausgang und den Gate-Anschluß des einen MOS-Transistors der Ausgangsstufe die Gate-Source-Strecke eines weiteren MOS-Transistors vom gleichen Leitungstyp liegt, dessen Gate-Anschluß mit der Versorgungsspannungsklemme verbunden ist, wobei in die Verbindung der Source-Drain-Strecken der MOS-Transistoren der Eingangsstufe eine Diode so eingefügt ist, daß sie das Fließen eines Stromes in Richtung zu dem mit der Versorgungsspannungsklemme verbundenen MOS-Tran­ sistor der Eingangsstufe blockiert, wobei ihre Katode mit dem Gate-Anschluß des einen MOS-Transistors der Ausgangsstufe verbunden ist, und wobei ein Sperrschaltungsteil vorgesehen ist, der die Ausgangsstufe in einen hochohmigen Zustand versetzt, wenn der Treiberschaltung kein Freigabe­ signal zur Busansteuerung zugeführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß parallel zu der Diode (D) die Source-Drain- Strecke eines MOS-Transistors (P4) liegt, dessen Gate- Anschluß mit dem Schaltungsausgang (18) verbunden ist.

2. CMOS-Bustreiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrschaltungsteil einen MOS- Transistor (P5) parallel zum MOS-Transistor (P1) des gleichen Leistungstyps in der Eingangsstufe, einen wei­ teren MOS-Transistor (N3) vom entgegengesetzten Leistungs­ typ zwischen den beiden MOS-Transistoren der Eingangsstufe und den Massenklemmen (16) und eine NOR-Schaltung ent­ hält, wobei der eine Eingang der NOR-Schaltung mit dem Schaltungseingang (12) verbunden ist, der andere Eingang mit dem Ausgang eines Negators (N) verbunden ist und der Ausgang der NOR-Schaltung mit dem Gate-Anschluß des anderen MOS-Transistors (N2) der Ausgangsstufe (P2, N2) verbunden ist, und wobei die Gate-Anschlüsse der MOS- Transistoren (P5, N3) sowie der Eingang des Negators (N) mit einem Freigabeeingang (EN) verbunden sind.