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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ausgangsschaltungen und insbesondere auf Ausgangsschaltungen mit bipolaren Pullup- und Pulldown-Transistoren, um logische Signale zwischen integrierten Schaltungen fortzupflanzen bzw. zu übertragen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich konkreter auf solche Ausgangsschaltungen mit variabler Basissteuerung, die dafür geeignet sind, die Bipolartransistoren mit niedriger Stromversorgung zu betreiben.
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Ausgangsschaltungen werden verwendet, um elektrische Signale zwischen gekoppelten Schaltungen zu übertragen. Dies kann auf verschiedene bekannte Arten erreicht werden. Auf dem Gebiet der Halbleitervorrichtungen werden integrierte Ausgangsschaltungen hergestellt, indem aktive Vorrichtungen miteinander gekoppelt werden, die gesteuert werden können, um das zwischen solchen Schaltungen übertragene Potential zu definieren. Bekanntlich werden in digitalen Systemen die zwischen Vorrichtungen laufenden Signale als Logikpegel HOCH (oder ”1” oder ”AN”) und Logikpegel NIEDRIG (oder ”0” oder ”AUS”) kategorisiert. Das bestimmte Signalpotential, das definiert, ob ein HOCH- oder ein NIEDRIG-Signal übertragen wird, hängt von den Halbleiterkomponenten ab, die die mit der Übertragung verbundene Schaltungsanordnung bilden. Die meisten üblichen Schaltungskonfigurationen, die verwendet werden, um Digitalsignale zu erzeugen, schließen unter anderem eine CMOS-, Transistor-Transistor-Logik (TTL) und eine emittergekoppelte Logik (ECL) ein. Jede diese Logikkonfigurationen arbeitet verschieden als Funktion des Hubs bzw. der ”Schwingung” zwischen einem HOCH-Signal und einem NIEDRIG-Signal. Die
DE 195 47 754 C1 beschreibt eine Steuerschaltung für einen Bustreiber, die einen bipolaren Pulldown-Transistor aufweist, dessen Basisstrom geregelt wird.
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Für eine CMOS-Logik, die in erster Linie auf der Verwendung von Metalloxidhalbleiter-(MOS)-Transistoren basiert, wird im allgemeinen ein NIEDRIG-Signal im Bereich von 0,6 Volt (V) oberhalb einer Niederpotential-Leistungsschiene GND entwickelt, die bei 0,0 V liegen kann. Ein HOCH-Signal wird im allgemeinen im Bereich von Vcc bis Vcc – 0,6 V entwickelt, wobei Vcc bei einer Versorgung mit nominell 3,3 Volt zwischen 3,0 V und 3,6 V und bei einer Versorgung mit nominell 2,2 Volt zwischen 1,9 V und 2,5 V schwanken kann. Bei einer Versorgung mit 2,2 V muß dann die differentielle Schwingung zwischen NIEDRIG und HOCH mindestens 1,3 V betragen, um sicherzustellen, daß eine gewünschten Verschiebung zwischen NIEDRIG und HOCH auftritt.
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Andererseits basieren TTL, ECL und andere Logikkonfigurationen auf der Verwendung von Bipolartransistoren. Die differentielle Schwingung für eine Verschiebung zwischen einem NIEDRIG- und einem HOCH-Signal ist signifikant geringer, als sie für eine CMOS-Operation ist; sie kann bis zu 0,5 V klein sein. Für positive ECL-Systeme beispielsweise sind die Schwingungen noch enger. In einer PECL-Schaltungsanordnung, die Vcc-abhängig ist, ist ein HOCH-Signal ein Äquivalent zu einem Potential von etwa Vcc – 0,9 V, und ein NIEDRIG-Signal ist ein Äquivalent zu einem Potential von etwa Vcc – 1,7 V. Vergleicht man Übertragungen bei CMOS- und Nicht-CMOS-Strukturen kann man erkennen, daß Variationen in Potentialschwingungen nicht automatisch das Auslösen einer gewünschten Schwingung von einem Logikpegel zu einem anderen sicherstellen werden, insbesondere wenn zur Verfügung stehende Versorgungspotentiale reduziert werden. Ferner ist besonders zu erwähnen, daß im Gegensatz zu MOS-Transistoren Bipolartransistoren eine ausreichende Basissteuerung erfordern, um ihren Betrieb sicherzustellen.
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Da Transistoren zunehmend kleiner werden, um die interessierenden schnelleren Übertragungsraten und einen geringeren Stromverbrauch zu erzielen, werden die mit ihren logischen Ausgangssignalen verbundenen entsprechenden differentiellen Schwingungen reduziert. Leider können Schaltungen, die in der Vergangenheit verfügbare ausreichende Leistungs- und logische Schwingungsbereiche aufwiesen, um wie gefordert zu arbeiten, Schwierigkeiten haben, erwartungsgemäß zu arbeiten, wenn Leistungs- und Logikbereiche reduziert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn bipolare Transistoren verwendet werden, welche mehr Energie als MOS-Transistoren verbrauchen, aber eher schneller arbeiten.
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Ausgangsschaltungen verwenden typischerweise einen Pullup-Transistor zum Übertragen von logischen HOCH-Signalen, die dem Vcc-Potential zugeordnet sind, und Pulldown-Transistoren zum Übertragen von logischen NIEDRIG-Signalen, die wiederum dem Vcc-Potential zugeordnet sind. Für Ausgangsschaltungen auf der Basis von Bipolartransistoren ist es wünschenswert, ihren Stromverbrauch zu minimieren, indem sie als Funktion der an die Ausgangsschaltung angelegten Last arbeiten. Falls insbesondere die Last am Ausgangsknoten der Schaltung, der mit einem Bus gekoppelt sein kann, zunimmt, ist es vorzuziehen, die Basissteuerung zum Bipolartransistor erhöhen zu können, um sicherzustellen, daß das Ausgangssignal dasselbe bleibt. Wenn die Last am Ausgang reduziert wird, ist es alternativ dazu wünschenswert, die Basissteuerung zu reduzieren, wodurch Energie gespart wird. Dies kann erreicht werden mit einer mit dem Ausgangsknoten gekoppelten Rückkopplungsschleife, um Laständerungen abzufühlen und eine geänderte Basissteuerung für den bipolaren Ausgangstransistor zu erzeugen.
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Eine bestehende Ausgangsschaltung, die MOS- und Bipolarvorrichtungen mischt, um eine variable Basissteuerung am bipolaren Ausgangstransistor zu ermöglichen, ist in 1 dargestellt. Die Ausgangsschaltung mit variabler Basissteuerung nach dem Stand der Technik enthält einen ersten regulierenden PMOS-Transistor M1, der durch ein Freigabesignal an seinem Gate aktiviert wird, das über einen Freigabeknoten EN geliefert wird. Ein stromregulierender Widerstand R1 liefert, wenn M1 eingeschaltet ist, über einen immer eingeschalteten NMOS-Transistor M2 einen Strom Ic zum Kollektor eines bipolaren Pulldown-Transistors Q1. Der Betrieb von M2 wird durch eine Steuerung über eine stabile Referenzquelle Vref stabil gehalten, die dem Bereich von Schwingungen nicht unterworfen ist, der von einer Hochpotential-Versorgungsschiene Vcc erfahren werden kann. Wenn das zum Ausgangsknoten AUS der Ausgangsschaltung zu übertragende Logiksignal NIEDRIG ist, muß Q1 in Betrieb sein. Dies geschieht, wenn das ankommende Signal am Knoten DATEN ein logisches HOCH-Signal in der Schaltung von 1 ist.
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Der Strom Ic durch Q1 ist durch die Charakteristiken dieses Pulldown-Transistors sowie den an die Basis von Q1 angelegten Basissteuerstrom Ib definiert. Der Basissteuerstrom Ib ist durch einen die Basissteuerung steuernden Zweig definiert, der einen Durchgang durch NMOS-Transistoren M4 und M5 und einen Rückkopplungstransistor M3 einschließt. Wenn die Last am Ausgangsknoten AUS des Ausgangstransistors reduziert ist, steigt der Strom durch den strombegrenzenden Widerstand R1 an, und der Strom durch den die Basissteuerung steuernden Zweig nimmt ab. Als Folge nimmt der an die Basis von Q1 angelegte Basissteuerstrom Ib ab. Umgekehrt bewirkt eine größere Last bei AUS eine Erhöhung des Stroms durch den den Rückkopplungstransistor M3 enthaltenden Zweig, so daß die Basissteuerung für Q1 erhöht wird. Diese Anordnung minimiert einen Stromverlust durch Minimieren von Ic während logischer NIEDRIG-Ausgangssignale und unterschiedlicher Lasten bei AUS.
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Die Ausgangsschaltung mit variabler Basissteuerung von 1 arbeitet für ein Vcc von etwa 2,7 V oder höher gut. Da es mit der Fertigung der aktiven Vorrichtungen der Ausgangsschaltung von 1 verbundene Schwankungen gibt, ist es notwendig, diese Vorrichtungen in einer Weise zu dimensionieren und zu koppeln, daß die schlechtesten bzw. ungünstigsten Fertigungsschwankungen keinen Ausfall der Schaltung verursachen werden. Bei Stromversorgungen mit geringerem Potential als 2,7 V kann als Folge die Ausgangsschaltung von 1 keine zufriedenstellende Signalübertragung bei minimalem Stromverbrauch liefern. Insbesondere begrenzen die Potentialabfälle über M3 (Vt), M4 und M5 (2VDS) und Q1 (VBE), wenn sie aufaddiert werden, den an die Basis von Q1 zu liefernden Strom, so daß er nicht unter allen Umständen betrieben werden kann. Aus diesem Grund arbeitet bei niedrigen Versorgungspotentialen die Ausgangsschaltung von 1 nicht.
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Daher wird eine Ausgangsschaltung mit der Fähigkeit benötigt, eine variable Basissteuerung an ihrem bipolaren Pulldown-Transistor zu liefern. Außerdem wird eine Ausgangsschaltung mit variabler Basisteuerung benötigt, die bei niedrigen Potentialen der Stromversorgung funktionsfähig ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ausgangsschaltung zu schaffen mit der Fähigkeit, eine variable Basisteuerung an ihren bipolaren Pulldown-Transistor zu liefern. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch, eine Ausgangsschaltung mit variabler Basissteuerung zu schaffen, die bei niedrigen Potentialen von Stromversorgungen einschließlich, nicht aber darauf begrenzt, unterhalb von Vcc = 2,7 V funktionsfähig ist.
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Diese und andere Aufgaben werden in der vorliegenden Erfindung gelöst, indem Stromsteuertransistoren M4 und M5 von 1 eliminiert und die Eingangs- und Rückkopplungstransistorkopplungen neu konfiguriert werden. Konkret enthält die Ausgangsschaltung mit variabler Basissteuerung der vorliegenden Erfindung wie zuvor den bipolaren Pulldown-Transistor. Die Basis dieses Transistors ist jedoch nicht langer über drei Potentialabfälle gekoppelt. Statt dessen ist die Basis des Pulldown-Transistors mit zwei Steuertransistoren gekoppelt, wodurch ein Potentialabfall in einer Weise eliminiert wird, die einen Betrieb von Q1 mit niedrigeren Stromversorgungen sicherstellt, ohne der Rückkopplung zu schaden, die eine Variabilität der Basissteuerung als Funktion einer Last am Ausgangsknoten ermöglicht. Dies wird ermöglicht durch Koppeln der Freigabe- und Eingangssignale mit der Schaltung in einer logischen Konfiguration, die die Signalbeziehung aufrechterhält, die notwendig ist, um den Zustand von Q1 sowie die Rückkopplungsschleife zu steuern.
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Eine Ausführungsform einer Ausgangsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein schematisches Diagramm einer Ausgangsschaltung nach dem Stand der Technik, die einen bipolaren Pulldown-Transistor mit einer Anordnung mit variabler Basissteuerung enthält; und
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2 ein schematisches Diagramm der Ausgangsschaltung mit variabler Basissteuerung und geringem Stromverbrauch der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 2 veranschaulicht ist, enthält eine Ausgangsschaltung 10 mit variabler Basissteuerung und geringem Stromverbrauch der vorliegenden Erfindung einen bipolaren Pulldown-Transistor Q1 zum Einrichten eines logischen NIEDRIG-Signals am Ausgang AUS als Funktion eines zu übertragenden Signals, das am Eingangsknoten DATEN in die Schaltung 10 eintritt. Die Ausgangsschaltung 10 wird mittels eines am Freigabeknoten EN empfangenen Signals freigegeben. Die Signale bei EN und DATEN werden durch ein Logikgatter 20 logisch so kombiniert, daß die Schaltung 10 freigegeben wird, wenn das Signal beim PMOS-Steuertransistor M1 ein logisches NIEDRIG-Signal ist. Der Fachmann kann eine Logikanordnung für ein Logikgatter 20 entwerfen, um die Signale für den Betrieb der Schaltung 10 und die Übertragung eines dem Signal bei DATEN entsprechenden Signals zu erzeugen. Ein solches Logikgatter 20 kann aus einer beliebigen Kombination von UND-, NAND-, ODER-, NOR- und XOR-Gattern oder einer anderen geeigneten Vorrichtung geschaffen werden.
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Die Schaltung 10 enthält ferner einen einen Basissteuerungsstrom regulierenden Zweig, der aus einem Transistor M1 und einem NMOS-Rückkopplungstransistor M2 geschaffen ist. Die Source und Masse des Transistors M1 sind mit einer Hochpotential-Versorgungsschiene Vcc und dessen Drain mit dem Drain eines Transistors M3 gekoppelt. Die Source des Transistors M3 ist mit der Basis des bipolaren Pulldown-Transistors Q1 gekoppelt. Die Potentialabfälle über M1 und M3 definieren den Strom, der an die Basis des Pulldown-Transistors Q1 geliefert wird. Der durch einen strombegrenzenden Widerstand R1 durchgehende Strom wiederum definiert ihren Strom. Der Hochpotentialknoten des Widerstands R1 ist mit dem Drain von M1 und dessen Niederpotentialknoten mit dem Gate von M3 gekoppelt. Diese Anordnung von M3 stellt sicher, daß die Basissteuerung von Q1 ausgeschaltet ist, wenn die Schaltung 10 gesperrt ist. Der Kollektor des Transistors Q1 ist mit AUS, seine Basis mit der Source von M3 und sein Emitter mit einer Niederpotential-Versorgungsschiene GND gekoppelt.
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Der durch R1 durchgehende Strom ist durch den Zustand von mit dem Ausgang gekoppelten Transistoren M2 und M6 definiert. Der Transistor M2 ist insofern immer eingeschaltet, als sein Gate mit einem stabilen Gateversorgungspotential Vref gekoppelt ist. Es ist besonders zu erwähnen, daß der Vref-Wert einen Potentialwert einer logischen niedrigen Ausgabe durch die Schaltung 10 festlegt, wie durch den Nutzer ausgewählt wird. Der Drain des Transistors M2 ist mit dem Niederpotentialknoten von R1 und seine Source mit dem Drain des Transistors M6 gekoppelt. Das Gate des Transistors M5 ist mit dem Ausgang eines Inverters IV1 gekoppelt, dessen Eingang mit dem Ausgang des Logikgatters 20 gekoppelt ist. Diese Anordnung läßt M1 eingeschaltet, wenn der Steuertransistor M1 der Schaltung eingeschaltet ist. Schließlich ist die Source von M6 mit AUS gekoppelt. Der Transistor M6 wirkt dahingehend, AUS während Überspannungszuständen an diesem Knoten von einem möglichen Leckpfad zu isolieren. Ferner ermöglicht die Verzögerung durch den Inverter IV1, daß das Gate von M3 auf das Potential von Vcc gesteuert wird, bevor die durch M2 und R1 geschaffene Komparatorschaltung einschaltet. Dies erhöht vorübergehend das Potential am Transistor M3, so daß an Q1 eine maximale Basissteuerung geliefert wird. Das heißt, wenn die Ausgabe der Schaltung 20 an das Gate von M1 ein logisches NIEDRIG-Signal ist, wird das Potential an der Source von M3 im wesentlichen auf das Vollschienenpotential von Vcc gesteuert. Dies geschieht, weil die Ausgabe von IV1 derart nacheilt, daß M6 ausgeschaltet bleibt. Diese Wechselwirkung beschleunigt das Einschalten von Q1. Wenn die IV1-Ausgabe umschaltet, um M6 zu aktivieren, wird die Zufuhr von der Source von M3 reduziert, und der Basisstrom Ib wird ebenfalls reduziert.
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Im Betrieb gibt ein logisches NIEDRIG-Signal am Gate von M1 die Schaltung 10 durch Einschalten dieses PMOS-Transistors frei. Gleichzeitig wird der Transistor M6 eingeschaltet, so daß durch den M1, R1, M2 und R6 einschließenden Zweig Strom fließt. Das Potential am Gate von M3 reicht aus, diesen Transistor einzuschalten, wodurch ein Stromweg von Vcc über M1 und M3 erzeugt wird. Dieser Strom reicht aus, Q1 einzuschalten, so daß das Ausgangssignal bei AUS auf ein NIEDRIG-Signal gezogen wird. Das Einschalten von Q1 erzeugt einen Strom Ic. Da die Last bei AUS reduziert ist, ist die Basissteuerung für Q1 im wesentlichen reduziert, so daß Ic reduziert ist. In der Schaltung 10 wird durch Reduzierung des Basissteuerungsstroms Ib Energie gespart. Da ferner Potentialabfälle nur durch M1, M3 und Q1 vorliegen, hat die vorliegende Erfindung einen ausreichenden Spielraum, um für Vcc-Potentiale unterhalb von 2,7 V funktionsfähig zu bleiben.
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Obgleich die vorliegende Erfindung mit speziellem Verweis auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll es sich verstehen, daß alle Modifikationen, Varianten und Äquivalente innerhalb des Umfangs der folgenden beigefügten Ansprüche liegen sollen.
