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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltungsvorrichtung,
die einen ersten Schaltungsabschnitt aufweist, der von einer niedrigeren
Versorgungsspannung unter Vorspannung gesetzt wird, und einen zweiten
Schaltungsabschnitt, der von einer höheren Versorgungsspannung unter Vorspannung
gesetzt wird.
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Integrierte
Schaltungsvorrichtungen (IC-Vorrichtungen) mit positiver und negativer
Spannungszuführung,
IC-Vorrichtungen mit separaten Schaltungsabschnitten, die von ersten
bzw. zweiten Versorgungsspannungen unter Vorspannung gesetzt werden
und einen gemeinsamen Bezug aufweisen, oder Schaltungen, die eine
höhere
Versorgungsspannung als eine maximal zulässige Gate-Sowce-Spannung eines
MOS-Transistors innerhalb der Vorrichtung haben, benötigen in
der Regel eine Signal-Pegelumsetzungsschaltung, die ein Eingangssignal,
das an einem Eingang eines der ersten und zweiten Schaltungsabschnitte
empfangen wird, an den Ausgang des anderen Schaltungsabschnitts überträgt. In der
vorliegenden Offenbarung, im Falle einer ersten Spannungszuführung mit
einem Masseanschluss, der „GND" genannt wird, und
einer Anschlussklemme, die VCC (eine übliche Vereinbarung bei IC-Schaltungen) genannt
wird, und einer zweiten Spannungszuführung, die auch einen Masseanschluss „GND" und eine Anschlussklemme „VCC" aufweist, wobei
die zweite Spannungszuführung
auf den GND-Anschluss der ersten Spannungszuführung referenziert wird und
einen höheren
Spannungspegel als die erste Spannungszuführung hat, besitzt in der vorliegenden
Offenbarung die niedrigere Spannungszuführung Anschlussklemmen, die GND_LOW
und VCC_LOW genannt werden, und die höhere Spannungszuführung besitzt Anschlussklemmen,
die GND_UPP und VCC_UPP genannt werden. In einer Konfiguration mit
positiver und negativer Spannungszuführung, die einen gemeinsamen
Masseanschluss GND haben, würden ähnliche
Bezeichnungen entsprechend verwendet werden.
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Ein
Signal-Pegelumsetzer sollte ein auf Masse bezogenes Gleichstromsignal
in ein Gleichstromsignal umsetzen, das auf den VCC-Anschluss bezogen
ist, ein VCC-referenziertes Gleichstromsignal auf ein massebezogenes
Gleichstromsignal oder ein Gleichstromsignal, das auf einen beliebigen
Anschluss einer ersten Spannungszuführung bezogen ist, in ein Gleichstromsignal,
das auf einen beliebigen Anschluss einer zweiten Spannungszuführung bezogen
ist. Standard-Gleichstromsignal-Pegelumsetzer in
integrierten MOS-, CMOS- oder BiCMOS-Schaltungen haben eine relativ hohe
Laufzeitverzögerung, besonders,
wenn Kaskodenstufen benötigt
werden, um unzulässig
hohe Spannungen zwischen Schaltungsabschnitten oder Schaltungskomponenten
zu blockieren.
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Die
vorliegende Erfindung bietet eine integrierte Schaltungsvorrichtung
mit einem Signal-Pegelumsetzer, der die Laufzeitverzögerung durch
eine einfache Schaltungskonfiguration auf ein Minimum bringt. Im
Speziellen weist die integrierte Schaltungsvorrichtung der Erfindung
einen ersten Schaltungsabschnitt auf, der von einer niedrigeren
Spannungszuführung
unter Vorspannung gesetzt wird, und einen zweiten Schaltungsabschnitt,
der von einer höheren
Spannungszuführung
unter Vorspannung gesetzt wird. Einer der ersten und zweiten Schaltungsabschnitte
besitzt ein RS-Flipflop mit komplementären Signalausgängen, und
der andere der ersten und zweiten Schaltungsabschnitte besitzt einen
Signaleingang und umfasst einen ersten Schalttransistor, der ein
Gate aufweist, das mit dem Signaleingang verbunden ist, und einen
zweiten Schalttransistor, der ein Gate aufweist, das mit dem Signaleingang über einen
Inverter verbunden ist. Der erste und der zweite Schalttransistor
haben jeweils einen Stromkanal, der ohne galvanische Trennung in
Reihe mit einem entsprechenden in Kaskode geschalteten Transistor
gekoppelt ist, der an einen der entsprechenden Signalausgänge angeschlossen
ist. Einer dieser Ausgänge
ist mit dem Eingang durch eine erste Vorwärtskopplungs-Wechselstrom-Reihenschaltung
aus einem Inverter und einem ersten Kopplungskondensator gekoppelt.
Der andere Ausgang ist mit dem Signaleingang durch eine zweite Vorwärtskopplungs-Wechselstromschaltung
gekoppelt, die einen zweiten Kopplungskondensator einschließt. Auf
diese Art besitzt die integrierte Schaltungsvorrichtung einen Gleichstrompfad
zwischen dem Eingang und dem Signalausgang und einen anderen Gleichstrompfad
zwischen dem Eingang und dem komplementären Ausgang, wobei jeder Gleichstrompfad
durch den einen oder anderen der zwei Schalttransistoren und einen
entsprechenden in Kaskode geschalteten Transistor gebildet wird.
Es gibt parallel zu jedem Gleichstrompfad einen Vorwärtskopplungs-Wechselstrompfad
mit einem Kopplungskondensator. Wenn diese Kondensatoren viel größer als
die parasitären Kondensatoren
an den Ausgängen
des Flipflops sind, erhöht
sich die Geschwindigkeit drastisch, da die Kondensatoren für vorübergehende
Signale als Kurzschlüsse
mit niedriger Impedanz gesehen werden können. Auf der anderen Seite
fungieren die Kondensatoren bei Gleichstrom als „Offsetspannungsquellen". Die Laufzeitverzögerung ist
auf eine oder zwei Inverterverzögerungen
im Wechselstrompfad beschränkt.
Die Signale an den Ausgängen
der integrierten Schaltungsvorrichtung folgen direkt den Signalen
auf den Wechselstrompfaden, sogar bevor das Flipflop seinen Zustand ändert. Der
komplette Ausgangsspannungshub eines Inverters im Wechselstrompfad
kann an die Ausgänge übertragen
werden.
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Wenn
die Wechselstrompfade parallel zu den Gleichstrompfaden sind, ist
die Wechselstrom-Ausgangsimpedanz viel niedriger, als wenn nur Gleichstrompfade
vorhanden wären.
Wenn nur Gleichstrompfade vorhanden sind, ergibt sich die Impedanz
aus der Reihenschaltung von zwei Transistoren: ein Schalttransistor
und ein in Kaskode geschalteter Transistor. Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung
ermöglicht
es, die Ausgänge
des Flipflops gegen Masse zu ziehen oder an die Versorgungsspannung
des Schaltungsabschnitts zu legen, der das Flipflop mit der niedrigen
Impedanz der Wechselstrompfade umfasst. Ohne die Vorwärtskopplungs-Wechselstrompfade
muss die Impedanz der Gleichstrompfade niedrig genug für ein Umsteuern
des Flipflops sein. Wenn es für
die Kaskode-Transistoren keine besondere Vorspannung gibt, kann
dies nur sehr schwer erreicht werden. Wenn bei einem Signal-Umsetzer
von einem niedrigeren auf einen höheren Pegel die Gates des Kaskode-Transistors
auf den höheren
Massepegel unter Vorspannung gesetzt sind, hat die Kaskode fast
keine Gate-Source-Spannung minus Schwellwert-Spannung, um einen
der Flipflop-Ausgänge auf diesen
höheren
Massepegel zu treiben. Dies bedeutet, dass die Kaskode-Transistoren
groß sein
müssen.
Außerdem
müssen
ihre Rück-Gates
mit der Source verbunden sein, um ein Ansteigen der Schwellwertspannung
durch den Körpereffekt
dieser Transistoren zu vermeiden, wodurch die Kapazität an den
Ausgängen
des Flipflops vergrößert wird,
die zusätzlich
von den Kaskodenausgängen
geladen und entladen werden muss. Folglich sind die Gleichstrompfade
relativ langsam.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
jeder der Ausgänge
mit einem Verbindungsknoten eines komplementären Transistorenpaares verbunden,
das in Reihe zwischen den ersten und zweiten Anschlussklemmen einer
entsprechenden Versorgungsspannung geschaltet ist. Jedes komplementäre Transistorenpaar
hat einen ersten Transistor mit einem Gate, das mit einer ersten
Anschlussklemme verbunden ist, und einen zweiten Transistor, dessen Gate
mit der zweiten Anschlussklemme verbunden ist. Diese Transistorenpaare
bilden so genannte Klemmschaltungen, die ein Sperren des Flipflops während der
Zeit verhindern, in der die Kondensatoren in den Wechselstrompfaden
auf ihre Gleichstromspannungen geladen werden, oder dann, wenn die Differenz
zwischen den Werten der niedrigeren Spannungszuführung und der höheren Spannungszuführung sehr
groß ist.
Jedes komplementäre
Transistorenpaar verhindert das Sperren an einem entsprechenden
Flipflop-Ausgang. Wenn die Spannung an einem Flipflop-Ausgang um
den Wert einer Schwellwertspannung Vt über seiner Versorgungsspannung
liegt, oder um den Wert einer Schwellwertspannung Vt unter Massepegel
liegt, hält
einer der Transistoren die Spannung.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Figur:
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1 stellt
ein Diagramm der erfindungsgemäßen integrierten
Schaltungsvorrichtung dar.
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Unter
Bezugnahme auf 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel
umfasst eine integrierte Schaltungsvorrichtung mit einem Signal-Pegelumsetzer
einen ersten Schaltungsabschnitt mit einem niedrigeren Versorgungsspannungsanschluss
VCC_LOW und einem niedrigeren Masseanschluss GND_LOW und einen zweiten
Schaltungsabschnitt mit einem höheren
Versorgungsspannungsanschluss VCC_UPP und einem höheren Masseanschluss
GND_UPP. Im ersten Schaltungsabschnitt wird ein Signaleingang IN
bereitgestellt. Im zweiten Schaltungsabschnitt werden komplementäre Signalausgänge OUT
und OUT_Z bereitgestellt. Der erste Schaltungsabschnitt umfasst
zwei NMOS-Schalttransistoren
M1 und M2 und drei Inverter I1, I4 und I5. Der zweite Schaltungsabschnitt
umfasst zwei komplementäre
Transistorenpaare M5/M6 und M7/M8, sowie zwei Inverter I2 und I3.
Die zwei Schaltungsabschnitte sind durch eine Kaskoden-Anordnung
mit zwei PMOS-Transistoren M3 und M4 und durch zwei Kondensatoren
C1 und C2 verbunden.
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Die
Source-Anschlüsse
der NMOS-Schalttransistoren M1 und M2 sind jeweils mit dem Masseanschluss
GND_LOW verbunden. Der Eingang IN ist direkt mit dem Gate von Transistor
M1 verbunden, während
er über
den Inverter I1 mit dem Gate von Transistor M2 verbunden ist. Der
Eingang IN ist über einen
Wechselstrompfad, der Inverter I4 und Kondensator C1 einschließt, mit
dem Ausgang OUT_Z verbunden; der Eingang IN ist außerdem über einen Wechselstrompfad,
der Inverter I1 und I5 und Kondensator C2 einschließt, mit
dem Ausgang OUT verbunden. Die Inverter I1, I4 und I5 sind durch
die niedrigere Versorgungsspannung VCC_LOW unter Vorspannung gesetzt.
Der Drain-Anschluss des Transistors M1 ist über den Kaskoden-Transistor
M3 mit dem Ausgang OUT_Z verbunden; und der Drain-Anschluss des
Transistors M2 ist über
den Kaskoden-Transistor M4 mit dem Ausgang OUT verbunden. Die Transistoren
M3 und M4 sind an ihren Gates miteinander und mit dem höheren Masseanschluss GND_UPP
verbunden. Die Rück-Gates
der Transistoren M3 und M4 sind mit ihren jeweiligen Source-Anschlüssen verbunden.
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Im
zweiten Schaltungsabschnitt sind die Inverter I2 und I3 über Kreuz
verbunden, um ein RS-Flipflop mit komplementären Ausgängen zu bilden. Der Ausgang
von Inverter I2 ist mit Ausgang OUT_Z verbunden; und der Ausgang
des Inverters I3 ist mit Ausgang OUT verbunden. Die Inverter I2
und I3 sind durch die höhere
Versorgungsspannung VCC_UPP unter Vorspannung gesetzt. Der NMOS-Transistor
M5 ist zwischen den Anschlussklemmen VCC_UPP und GND_UPP mit dem PMOS-Transistor
M6 in Reihe geschaltet. Der Verbindungsknoten zwischen ihren Source-Anschlüssen ist
mit Ausgang OUT_Z verbunden. Das Gate des Transistors M5 ist mit
der Anschlussklemme GND_UPP verbunden; und das Gate des Transistors M6
ist mit der Anschlussklemme VCC_UPP verbunden. Auf dieselbe Weise
ist der NMOS-Transistor M7 in Reihe mit dem PMOS-Transistor M8 zwischen
den Anschlussklemmen VCC_UPP und GND_UPP geschaltet. Der Verbindungsknoten
zwischen ihren Source-Anschlüssen ist
mit Ausgang OUT verbunden. Das Gate des Transistors M7 ist mit der
Anschlussklemme GND_UPP verbunden; und das Gate des Transistors
M8 ist mit der Anschlussklemme VCC_UPP verbunden.
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Im
Betrieb wird eine Änderung
von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel am Eingang IN durch
die Vorwärtskopplungs-Wechselstromschaltungen
direkt an beide Ausgänge übertragen.
Im Wechselstrompfad zwischen Eingang IN und Ausgang OUT_Z ändert der
Inverter I4 die Polarität
der Eingangssignale. Für
ein vorübergehendes
Signal stellt der Kondensator C1 einen Kurzschluss dar, so dass
das Eingangssignal invertiert an den Ausgang OUT_Z übertragen
wird, und OUT_Z auf niedrig gesetzt wird. Die für die Übertragung benötigte Zeit
ist nur die Verzögerungszeit
von Inverter I4. Auf ähnliche
Weise stellt der Kondensator C2 im Wechselstrompfad zwischen Eingang
IN und Ausgang OUT einen Kurzschluss für ein vorübergehendes Signal dar, und
das Eingangssignal wird durch den Inverter I1 und noch einmal durch
den Inverter I5 invertiert, so dass es keine Änderung der Polarität am Ausgang OUT
gibt, OUT=hoch. Die Signalverzögerungszeit
ist nur die Verzögerungszeit
der Inverter I1 und I5.
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Selbstverständlich wird
das Eingangssignal auch auf den Gleichstrompfaden übertragen.
Ein hoher Pegel an Eingang IN schaltet den Transistor M1 an, so
dass die Drain-Spannung des Transistors M1 auf den Spannungspegel
GND_LOW getrieben wird. Da das Eingangssignal an das Gate des Transistor M2 über den
Inverter I1 übertragen
wird, wird der Transistor M2 abgeschaltet. Da der Schalttransistor M1
ohne galvanische Trennung an den Ausgang des Inverters I2 in Reihe
mit dem in Kaskode geschalteten Transistor M3 gekoppelt ist, wird
dieser Ausgang auf einen niedrigen Pegel getrieben. Der Schalttransistor
M2 ist ohne galvanische Trennung an den Ausgang des Inverters I3
in Reihe mit dem in Kaskode geschalteten Transistor M4 gekoppelt,
wodurch dieser Ausgang einen hohen Pegel annehmen kann. Wenn die
Spannung am Ausgang von I2 auf einen Wert niedriger als der Eingangs-Schwellwert
des Inverters I1 getrieben wird, ändert das RS-Flipflop Zustand
auf OUT=hoch und OUT_Z=niedrig. Die für den Inverter I2 durch die
Transistoren M5 und M6 und für
den Inverter I3 durch M7 und M8 gebildeten Klemmschaltungen werden
nur benötigt,
um ein Sperren der Inverter während
der Zeit, in der die Kondensatoren C1 und C2 auf ihre Gleichstromspannungen
geladen werden, oder wenn der Wert der Versorgungsspannung VCC_LOW
viel größer als
die Versorgungsspannung VCC_UPP ist, zu verhindern. Wenn die Spannung
am Ausgang des Inverters I2 um eine Schwellwertspannung Vt über der
Versorgungsspannung VCC_UPP liegt, hält Transistor M6 die Spannung.
Wenn die Spannung am Ausgang des Inverters I2 um eine Schwellwertspannung
Vt unter dem Massepegel GND_UPP liegt, hält Transistor M5 die Spannung.
Die Transistoren M7 und M8 funktionieren auf dieselbe Weise für Inverter
I3. Wenn die Körperdioden
der PMOS- und NMOS-Transistoren in den Invertern I2 und I3 gut genug
isoliert sind, um eine Substratinjektion zu vermeiden, werden keine Klemmschaltungen
benötigt.
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Die
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung
wurde ausführlich
für die Änderung
eines Eingangssignals von niedrigem auf hohen Pegel erläutert. Bei
einer Änderung
von hohem auf niedrigen Pegel am Eingang verhält sich die Funktionsweise prinzipiell
gleich und der Ausgang OUT wechselt auf „niedrig" und der komplementäre Ausgang OUT_Z auf „hoch". Selbstverständlich kann
die Schaltung PMOS-Schalttransistoren an Stelle der NMOS-Transistoren
M1 und M2 für
eine Signalumsetzung von einem höheren
Versorgungsspannungspegel auf einen niedrigeren Versorgungsspannungspegel
verwenden.