DE102008012809B4

DE102008012809B4 - Potentialwandlerschaltung

Info

Publication number: DE102008012809B4
Application number: DE102008012809A
Authority: DE
Inventors: Nikolay Ilkov
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: DE102008012809A1; US7932753B2; US20090289682A1

Abstract

Potentialwandlerschaltung (300) zum Wandeln eines bipolaren Eingangssignals (321; 421) in ein unipolares Ausgangssignal (322; 422), mit folgenden Merkmalen:
einem Eingang (301; 401);
einem Ausgang (302; 402);
einem ersten MOSFET-Transistor (303; 403), der einen mit dem Ausgang (302; 402) verbundenen Sourceanschluss (331), einen mit dem Eingang (301; 401) verbundenen Drainanschluss (333; 433) und einen mit einem Bezugspotential (305; 405) verbundenen Gateanschluss (332; 432) aufweist; und
einem zweiten MOSFET-Transistor (304; 404), der einen mit dem Bezugspotential (305; 405) verbundenen Sourceanschluss (341), einen mit dem Ausgang (302; 402) verbundenen Drainanschluss (343; 443) und einen mit dem Eingang (301; 401) verbundenen Gateanschluss (342; 442) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Potentialwandlerschaltung, insbesondere auf eine Potentialwandlerschaltung zum Wandeln eines bipolaren Eingangssignals in ein unipolares Ausgangssignal.
Bei Halbleiterschaltungen, die MOSFET-Transistoren umfassen, begrenzen die Zuverlässigkeitsanforderungen eine maximal auftretende Spannung über dem Gateoxid des Halbleiters auf beispielsweise einen Wert von etwa 3,6 Volt (z. B in der Fertigungstechnologie C7NP). Das heißt, eine Spannung zwischen Gate und Source bzw. Gate und Drain eines MOSFET-Transistors sollte keinen Betrag größer als etwa 3,6 Volt aufweisen, um eine zuverlässige Arbeitsweise des Transistors zu gewährleisten. Eine direkte Ansteuerung des Gates mit der bipolaren Eingangsspannung von beispielsweise +/–3 Volt kann eine Zerstörung des Transistors bewirken.
Um zu verhindern, dass eine bipolare Eingangsspannung direkt am Eingang des Transistors anliegt, werden Potentialwandlerschaltungen eingesetzt. Die DE 31 00 297 A1 beschreibt z. B. eine Amplitudenbegrenzungsschaltung, die eine Verbindung zwischen einer Eingangsklemme, an der eine Eingangsspannung anliegt, und einer Ausgangsklemme unterbricht und unter Verwendung von Schaltern eine von zwei vorgegebenen Spannungspegeln auf die Ausgangsklemme schaltet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Potentialwandlerschaltung mit reduziertem Leistungsverbrauch zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Potentialwandlerschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Da nur bei einem Potentialwechsel des Eingangssignals ein Strom verbraucht wird, wird nur in diesem Fall eine Leistung verbraucht. Die Potentialwandlerschaltung kann somit sehr leistungseffizient betrieben werden, da im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltungen nicht permanent Leistung verbraucht wird, sondern nur für die kurze Zeitdauer des Potentialwechsels des Eingangssignals.
Mit der Potentialwandlerschaltung kann ein bipolares Logiksignal, das beispielsweise den Spannungsbereich von –V_dd bis +V_dd umfasst, und somit eine maximale Potentialdifferenz von 2·V_dd aufweist, in ein unipolares Logiksignal, das beispielsweise den Spannungsbereich von 0 Volt bis –V_dd umfasst, und damit nur eine maximale Potentialdifferenz von V_dd aufweist, gewandelt werden. Das gewandelte unipolare Logiksignal erlaubt ein zuverlässiges Betreiben der Transistoren in CMOS-Schaltkreisen, da an den Transistoren der CMOS-Schaltkreise, das heißt, über dem Gateoxid der Transistoren, nur der halbe Spannungsausschlag des bipolaren Eingangssignals anliegt. Damit ist es möglich, CMOS-Schaltkreise zuverlässig und mit geringem Leistungsverbrauch zu betreiben.
Der reduzierte Leistungsverbrauch gegenüber herkömmlichen Schaltungen wirkt sich kostensenkend auf die Prozesskosten aus. Weiterhin erlaubt der geringe Leistungsverbrauch auch eine Skalierung der Schaltung mit der Halbleitertechnologie. Die Potentialwandlerschaltung kann auch bei kleineren Strukturgrößen, als beispielsweise in einer C7NP Technologie üblich, vorteilhaft eingesetzt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Schaltungsdiagramm einer beispielhaften Potentialwandlerschaltung;
2 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Potentialwandlerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Potentialwandlerschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Nachfolgenden werden nun bezugnehmend auf die beiliegenden 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Potentialwandlerschaltung detailliert dargelegt.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für funktional identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche, äquivalente Elemente zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer beispielhaften Potentialwandlerschaltung 200. Eine Potentialwandlerschaltung 200 zum Wandeln eines bipolaren Eingangssignals 202 in ein unipolares Ausgangssignal 203 kann einen ersten Schalter 206 und einen zweiten Schalter 207 aufweisen. Der erste Schalter 206 ist zwischen einem Eingang 204 und einem Ausgang 205 der Potentialwandlerschaltung 200 geschaltet und weist eine erste Umschaltkapazität 208 auf. Ein zweiter Schalter 207 ist zwischen dem Ausgang 205 und einem Bezugspotential 213 der Potentialwandlerschaltung 200 geschaltet und weist eine zweite Umschaltkapazität 209 auf. Der erste Schalter 206 und der zweite Schalter 207 sind konfiguriert, um nur bei einem Potentialwechsel des Eingangssignals 202 die Umschaltkapazitäten 208, 209 der Schalter 206, 207 zu laden und zu entladen. Um diese Funktionsweise zu gewährleisten, weist die Potentialwandlerschaltung 200 eine Steuerung 210 auf, die ausgelegt ist, um den ersten Schalter 206 unter Verwendung eines ersten Steuersignals 211 und den zweiten Schalter 207 unter Verwendung eines zweiten Steuersignals 212 anzusteuern. Die Steuerung 210 generiert die zwei Steuersignale 211, 212 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal 202.
Um aus dem bipolaren Eingangssignal 202 das unipolare Ausgangssignal 203 zu erzeugen, kann die Steuerung 210 beispielsweise bei einem positiven Signalwert des Eingangssignals 202 mit dem ersten Steuersignal 211 ein Schließen des ersten Schalters 206 ansteuern und mit dem zweiten Steuersignal 212 ein Öffnen des zweiten Schalters 207 ansteuern und bei einem negativen Signalwert des Eingangssignals 202 mit dem ersten Steuersignal 211 ein Öffnen des ersten Schalters 206 ansteuern und mit dem zweiten Steuersignal 212 ein Schließen des zweiten Schalters 207 ansteuern. Dies bedeutet, bei einem positiven Signalwert des Eingangssignals 202 ist der erste Schalter 206 geschlossen und der zweite Schalter 207 geöffnet, so dass das positive Potential bzw. der positive Signalwert des Eingangssignals 202 auf den Ausgang 205 hindurchgeschaltet wird, so dass das Ausgangssignal 203 einen positiven Signalwert aufweist. Andererseits ist bei einem negativen Signalwert des Eingangssignals 202 der erste Schalter 206 geöffnet und der zweite Schalter 207 geschlossen, so dass am Ausgang 205 das Bezugspotential 213 anliegt, beispielsweise Masse bzw. Null Volt. Dies entspricht einer Betriebsweise der Potentialwandlerschaltung 200 gemäß der Darstellung in 1. Das Ausgangssignal 203 ist ein unipolares Signal mit dem positiven Potential des Eingangssignals 202 und dem Bezugspotential 213.
Andererseits kann die Steuerung 210 auch beispielsweise bei einem positiven Signalwert des Eingangssignals 202 mit dem ersten Steuersignal 211 ein Öffnen des ersten Schalters 206 ansteuern und mit dem zweiten Steuersignal 212 ein Schließen des zweiten Schalters 207 ansteuern und bei einem negativen Signalwert des Eingangssignals 202 mit dem ersten Steuersignal 211 ein Schließen des ersten Schalters 206 ansteuern und mit dem zweiten Steuersignal 212 ein Öffnen des zweiten Schalters 207 ansteuern. In diesem Fall ist bei einem positiven Signalwert des Eingangssignals 202 der erste Schalter 206 geöffnet und der zweite Schalter 207 geschlossen. Somit liegt am Ausgang 205 das gemeinsame Bezugspotential 213 an. Bei einem negativen Signalwert des Eingangssignals 202 hingegen ist der erste Schalter 206 geschlossen, und der zweite Schalter 207 geöffnet, so dass der negative Signalwert des Eingangssignals 202 ungehindert auf den Ausgang 205 geschaltet werden kann. Das Ausgangssignal 203 weist somit den inversen Signalverlauf gemäß der Darstellung in 1 auf, das heißt, ein Wechsel von negativem Potential, beispielsweise –3 Volt, und gemeinsamem Bezugspotential, beispielsweise 0 Volt.
Die Steuersignale 211, 212 der Steuerung 210 können beispielsweise Spannungen sein. Der erste Schalter 206 und der zweite Schalter 207 können beispielsweise MOSFET-Transistoren sein, so dass die Steuersignale 211, 212 beispielsweise die zwischen Gate und Source oder Gate und Drain angelegten Steuerspannungen der MOSFET-Transistoren sind. Die MOSFET-Transistoren können beispielsweise Transistoren des gleichen Typs sein, sie können beispielsweise n-Kanal MOSFET-Transistoren oder p-Kanal MOSFET-Transistoren sein. Sie können Transistoren vom Anreicherungstyp oder vom Verarmungstyp sein. Beispielsweise können die MOSFET-Transistoren in einer C7NP-Halbleitertechnologie gefertigt sein. Eine Ausführung des ersten Schalters 206 und des zweiten Schalters 207 als MOSFET-Transistoren wird in den zwei folgenden Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 näher beschrieben.
Allgemein betrachtet, können die Potentialwandlerschaltungen 200, 100 auch als Gleichrichterschaltungen angesehen werden, da sie ein bipolares Eingangssignal 202, 102 in ein unipolares Ausgangssignal 203, 103 wandeln. Das Eingangssignal 202, 102 kann beispielsweise auch ein Wechselstrom oder eine Wechselspannung sein, das beispielsweise ein sinusförmiges Signal sein kann. Die Potentialwandlerschaltung 200, 100 sperrt bei Anliegen des positiven Signalteils und lässt nur den negativen Signalteil durch oder sperrt bei Anliegen des negativen Signalteils und lässt nur den positiven Signalteil durch. Dies ist die Funktionsweise eines Gleichrichters.
2 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Potentialwandlerschaltung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Potentialwandlerschaltung 300 weist einen Eingang 301, einen Ausgang 302, einen ersten MOSFET-Transistor 303 und einen zweiten MOSFET-Transistor 304 auf. Der erste MOSFET-Transistor 303 weist einen Sourceanschluss 331, einen Drainanschluss 333, einen Gateanschluss 332 und einen Bulkanschluss 334 auf. Der zweite MOSFET-Transistor 304 weist einen Sourceanschluss 341, einen Drainanschluss 343, einen Gateanschluss 342 und einen Bulkanschluss 344 auf. Beide Transistoren 303, 304 sind mit dem Eingang 301, dem Ausgang 302, einem Bezugspotential 305 und untereinander so verschaltet, dass der Sourceanschluss 331 des ersten MOSFET-Transistors 303 mit dem Ausgang 302 verschaltet ist, der Drainanschluss 333 des ersten MOSFET-Transistors 303 mit dem Eingang 301 verschaltet ist, und dass der Gateanschluss 332 des ersten MOSFET-Transistors 303 mit dem Bezugspotential 305 verschaltet ist. Ferner ist der Sourceanschluss 341 des zweiten MOSFET-Transistors 304 mit dem Bezugspotential 305 verschaltet, der Drainanschluss 343 des zweiten MOSFET-Transistors 304 mit dem Ausgang 302 verschaltet und der Gateanschluss 342 des zweiten MOSFET-Transistors 304 mit dem Eingang 301 verschaltet. Die Bulkanschlüsse 334, 344 der beiden Transistoren 303, 304 sind an den Ausgang 302 der Poten tialwandlerschaltung 300 angeschlossen, um eine Belastung durch eine höhere Spannung zu vermeiden.
Die Schaltungsstruktur der Potentialwandlerschaltung 300 verschaltet damit den ersten MOSFET-Transistor 303 zu einer „Common-Gate-Schaltung” (Common-Gate = Gateschaltung). Eine Gateschaltung ist eine von drei Grundschaltungen von Feldeffekttransistoren. Dabei dient der Drainanschluss 333 des ersten Transistors 303 als Eingang 301, der Sourceanschluss 331 des ersten Transistors 303 als Ausgang 302 und der Gateanschluss 332 des ersten Transistors 303 als gemeinsamer Eingang 301 und Ausgang 302. Da der Gateanschluss 332 des Transistors 303 mit einem Bezugspotential 305 verbunden ist, auf das sich das Eingangssignal 321 am Eingang 301 bezieht, und auf das sich auch das Ausgangssignal 322 am Ausgang 302 bezieht, ist der Gateanschluss 332 gemeinsam bezüglich des Eingangs 301 und des Ausgangs 302. Das Bezugspotential 305 kann beispielsweise ein Massepotential bzw. ein gemeinsames Massepotential darstellen. In den Signalverläufen gemäß 2 entspricht das Bezugspotential 305 der Nulllinie. Das Eingangssignal 321 ist ein bipolares Eingangssignal, es kann beispielsweise das positive Potential +V_in und das negative Potential –V_in aufweisen. Das Ausgangssignal 322 ist ein unipolares Ausgangssignal, es weist einen ersten Signalwert auf, der dem Bezugspotential 305 entspricht und es weist einen zweiten Signalwert auf, der beispielsweise –V_in oder +V_in sein kann, d. h. dem negativen oder dem positiven Potential des Eingangssignals 321 entspricht.
Der zweite MOSFET-Transistor 304 ist mittels einer „Common-Source-Schaltung” (Common-Source = Sourceschaltung) verschaltet. Eine Sourceschaltung ist eine weitere von drei Grundschaltungen von Feldeffekttransistoren. Bei der Sourceschaltung dient der Gateanschluss 342 des zweiten Transistors 304 als Eingang 301 und der Drainanschluss 343 des zweiten Transistors 304 als Ausgang 302 und der Sourceanschluss 341 des zweiten Transistors 304 ist sowohl Eingang 301 als auch Aus gang 302 gemeinsam. Der Sourceanschluss 341 des zweiten Transistors 304 ist mit dem Bezugspotential 305 verbunden, auf das sich sowohl der Eingang 301 als auch der Ausgang 302 beziehen. Somit ist der Sourceanschluss 341 als Common-Source-Schaltung (gemeinsamer Sourceanschluss) bezüglich Eingang 301 und Ausgang 302 ausgebildet.
Die Potentialwandlerschaltung 300 umfasst einen ersten Metalloxidfeldeffekttransistor 303, der in diesem Ausführungsbeispiel als ein n-Kanal MOSFET-Transistor ausgebildet ist und in einer Gateschaltung betrieben wird, und einen zweiten Metalloxidfeldeffekttransistor 304, der in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls als n-Kanal MOSFET-Transistor ausgebildet ist, und in einer Sourceschaltung betrieben wird. Beide Transistoren 303, 304 können im Anreicherungsmodus betrieben werden. Der Gateanschluss 332 des ersten Transistors 303 und der Sourceanschluss 341 des zweiten Transistors 304 liegen auf einem Bezugspotential 305, das beispielsweise ein gemeinsames Massepotential sein kann. Der Sourceanschluss 331 des ersten Transistors 303 und der Drainanschluss 343 des zweiten Transistors 304 sind mit dem Ausgang 302 verbunden. Der Drainanschluss 333 des ersten Transistors 303 und der Gateanschluss 342 des zweiten Transistors 304 sind mit dem Eingang 301 verbunden.
Die Potentialwandlerschaltung 300 wandelt ein bipolares Eingangssignal 321 in ein unipolares Ausgangssignal 322. Liegt beispielsweise am Eingang 301 der positive Abschnitt +V_in des Eingangssignals 321 an, so liegt das Potential +V_in auch am Drainanschluss 333 des ersten Transistors 303 und am Gateanschluss 342 des zweiten Transistors 304 an. Das Bezugspotential 305 entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der gemeinsamen Masse, das heißt, es weist den Potentialwert Null auf. Der Potentialwert 0 liegt somit auch am Sourceanschluss 341 des zweiten Transistors 304 und am Gateanschluss 332 des ersten Transistors 303 an. Die Spannung zwischen Gate 342 und Source 341 des zweiten Transistors 304 entspricht damit gleich dem Eingangspotential +V_in. Da das Eingangspotential +V_in in der üblichen Betriebsweise der Potentialwandlerschaltung 300 größer als eine Schwellenspannung V_th der Transistoren 303, 304 ist, bedeutet dies, dass der zweite Transistor 304 leitet. Somit wird das Potential 0 des Sourceeingangs 341 des zweiten Transistors 304 auf den Drainanschluss 343 des zweiten Transistors 304 geschaltet und liegt zugleich am Ausgang 302 der Potentialwandlerschaltung 300 an. Außerdem liegt das Potential 0 des Sourceanschlusses 341 des zweiten Transistors 304, der leitet, auch am Sourceanschluss 331 des ersten Transistors 303 sowie am Bulkanschluss 334 des ersten Transistors 303 und am Bulkanschluss 344 des zweiten Transistors 304 an. Damit ist die Spannung zwischen dem Gateanschluss 332 des ersten Transistors 303 und dem Sourceanschluss 331 des ersten Transistors 303 gleich Null, somit kleiner als eine Schwellenspannung V_th, was bedeutet, dass der erste Transistor 303 sperrt. Das noch am Drainanschluss 333 des ersten Transistors 303 anliegende Potential +V_in wird nicht auf den Ausgang 302 geschaltet. Der Ausgang 302 weist das Potential Null auf.
Liegt am Eingang 301 der negative Bereich des Eingangssignals 321, beispielsweise mit dem Potential –V_in an, so liegt das Potential –V_in ebenfalls am Drainanschluss 333 des ersten Transistors 303 sowie am Gateanschluss 342 des zweiten Transistors 304 an. Das Bezugspotential 305, das heißt, das Potential Null liegt weiterhin am Sourceanschluss 341 des zweiten Transistors 304 und am Gateanschluss 332 des ersten Transistors 303 an. Die Spannung zwischen Gate 342 des zweiten Transistors 304 und Source 341 des zweiten Transistors 304 beträgt –V_in, und ist somit kleiner als die Schwellenspannung V_th des Transistors 304. Dies bedeutet, der zweite Transistor 304 sperrt bei negativen Potentialen –V_in am Eingang 301. Liegt am Gateanschluss 332 des ersten Transistors 303 das Potential Null an und am Drainanschluss 333 des ersten Transistors 303 das negative Potential –V_in, so ist das Potential des Gateanschlusses 332 gegenüber dem Drainanschluss 333 po sitiv, die Spannung zwischen Gate 332 und Drain 333 des ersten Transistors 303 entspricht damit +V_in, das heißt, beispielsweise 3 Volt und ist somit größer als die Schwellenspannung V_th. Schwellenspannungen V_th können bei üblichen MOSFET-Transistoren beispielsweise im Bereich von 0,7 bis 0,2 Volt liegen. Bei einer Spannung zwischen Gate 332 und Drain 333 des ersten Transistors 303 von V_in, die größer als die Schwellenspannung ist, leitet der erste Transistor 303. Das Potential –V_in des Drainanschlusses 333 wird auf den Sourceanschluss 331 des ersten Transistors 303 durchgeschaltet und somit auch auf den Ausgang 302 der Potentialwandlerschaltung 300. Ebenfalls wird das Potential des Drainanschlusses 333 des ersten Transistors 303 auf den Bulkanschluss 334 des ersten Transistors 303, auf den Drainanschluss 343 des zweiten Transistors 304 und auf den Bulkanschluss 344 des zweiten Transistors 304 durchgeschaltet. Die Spannung zwischen Gate 332 und Source 331 des ersten Transistors 303 entspricht ebenfalls +V_in und ist damit auch größer als die Schwellenspannung V_th des ersten Transistors 303. Der Transistor 303 bleibt im leitenden Zustand.
Aufgrund der Verschaltung der Potentialwandlerschaltung 300 ist bei einer positiven Eingangsspannung, die größer als die Schwellenspannung V_th ist, der erste Transistor 303 gesperrt (Potential von Gate gegenüber Drain ist negativ) und der zweite Transistor 304 leitend (Potential von Gate gegenüber Source ist positiv), so dass das Bezugspotential 305 auf den Ausgang 302 geschaltet wird. Bei einem negativen Eingangssignal 321 leitet der erste Transistor 303 (Potential von Gate gegenüber Drain ist positiv) und der zweite Transistor 304 sperrt (Potential von Gate gegenüber Source ist negativ), so dass das negative Eingangspotential vom Eingang 301 auf den Ausgang 302 durchgeschaltet wird. Aus einem bipolaren Eingangssignal 321 wird ein negatives unipolares Ausgangssignal 322 erzeugt.
Der erste Transistor 303 entspricht seiner Funktionsweise nach dem ersten Schalter 206 gemäß 1 und der zweite Transistor 304 entspricht seiner Funktionsweise nach dem zweiten Schalter 207 gemäß 1.
3 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Potentialwandlerschaltung 400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Potentialwandlerschaltung 400 weist die gleichen Komponenten und die gleiche Verschaltung wie die Potentialwandlerschaltung 300 auf, auch die Bulkanschlüsse 434, 444 sind mit dem Ausgang 402 verschaltet. Der Unterschied besteht darin, dass die zwei Transistoren 403, 404 als p-Kanal Metalloxidfeldeffekttransistoren ausgeführt sind. Daraus ergibt sich eine unterschiedliche Funktionalität, die im Folgenden beschrieben wird.
Bei p-Kanal MOSFET-Transistoren leitet der Transistor, wenn die Potentialdifferenz von Gateanschluss und Sourceanschluss kleiner als eine negative Schwellenspannung wird und der Transistor sperrt, wenn die Potentialdifferenz von Gateanschluss und Sourceanschluss größer als die negative Schwellenspannung wird. Bei einem bipolaren Eingangssignal 421, das am Eingang 401 anliegt, und die zwei Polaritäten +V_in und –V_in aufweist, ergibt sich das folgende Verhalten: Liegt das positive Potential +V_in am Eingang 401 an, so liegt es ebenfalls am Drainanschluss 433 des ersten Transistors 403 und am Gateanschluss 442 des zweiten Transistors 404 an. Ein gemeinsames Potential 405, beispielsweise mit dem Potential 0, liegt am Sourceanschluss 441 des zweiten Transistors 404 und am Gateanschluss 432 des ersten Transistors 403 an. Die Potentialdifferenz zwischen Gateanschluss 442 des zweiten Transistors 404 und Sourceanschluss 441 des zweiten Transistors 404 entspricht dann +V_in, ist somit größer als eine negative Schwellenspannung –V_th, so dass der zweite Transistor 404 sperrt. Am ersten Transistor 403 ist die Potentialdifferenz zwischen Gateanschluss 432 und Drainanschluss 433 gleich dem negativen Eingangspotential, das heißt –V_in. Bei üblichen Werten des Eingangspotentials V_in von etwa 3 Volt, bei dem die Potentialwandlerschaltung 400 betrieben werden kann, und bei üblichen Schwellenspannungen von etwa 0,7 bis 0,2 Volt, die MOSFET-Transistoren 403, 404 aufweisen, ist damit die Potentialdifferenz zwischen Gate 432 und Drain 433 des ersten Transistors 403 kleiner als eine negative Schwellenspannung –V_th, so dass der erste Transistor 403 leitet. Das Potential des Drainanschlusses 433 wird auf den Sourceanschluss 431 des ersten Transistors 403 geschaltet und liegt auch am Ausgang 402 der Potentialwandlerschaltung 400 an. Das Potential +V_in des Sourceanschlusses 431 des ersten Transistors 403 liegt auch am Bulkanschluss 434 des ersten Transistors 403, am Drainanschluss 443 des zweiten Transistors 404 und am Bulkanschluss 444 des zweiten Transistors 404 an. Die Potentialdifferenz zwischen Gateanschluss 442 des zweiten Transistors 404 und Drainanschluss 443 des zweiten Transistors 404 ist damit gleich Null, somit immer noch größer als die negative Schwellenspannung –V_th, so dass der zweite Transistor 404 weiterhin sperrt.
Das heißt, bei positivem Potential des Eingangssignals 421 hat das Ausgangssignal 422 am Ausgang 402 ebenfalls positives Potential.
Liegt am Eingang 401 das negative Potential –V_in des Eingangssignals 421 an, so liegt es ebenfalls am Drainanschluss 433 des ersten Transistors 403 und am Gateanschluss 442 des zweiten Transistors 404 an. Die Potentialdifferenz zwischen Gateanschluss 442 des zweiten Transistors 404 und Sourceanschluss 441 des zweiten Transistors 404 ist damit gleich –V_in, das heißt, kleiner als die negative Schwellenspannung –V_th, so dass der zweite Transistor 404 leitet. Damit schaltet der zweite Transistor 404 das Bezugspotential 405 bzw. das Potential 0 auf den Drainanschluss 443 des zweiten Transistors 404 und auf den Ausgang 402. Das Potential 0 wird ebenfalls auf den Sourceanschluss 431 des ersten Transistors 403, auf den Bulkanschluss 434 des ersten Transistors 403 und auf den Bulkanschluss 444 des zweiten Transistors 404 geschaltet. Die Potentialdifferenz zwischen Gateanschluss 432 und Sourceanschluss 431 des ersten Transistors 403 ist damit gleich Null, somit größer als die negative Schwellenspannung –V_th, so dass der erste Transistor 403 weiterhin sperrt. Das heißt, ein negatives Potential des Eingangssignals 421 gelangt aufgrund des Sperrens des ersten Transistors 403 nicht auf den Ausgang 402.
Die Potentialwandlerschaltung 400 ist so ausgeführt, dass ein positives Potential des Eingangssignals 421 auf den Ausgang 402 geschaltet wird und bei einem negativen Potential des Eingangssignals 421 der erste Transistor 403 sperrt und gleichzeitig der zweite Transistor 404 leitet, um das Bezugspotential 405 auf den Ausgang 402 zu schalten. Der erste Transistor 403 entspricht damit in seiner Funktionsweise dem ersten Schalter 206 gemäß 1 und der zweite Transistor 404 entspricht seiner Funktionsweise nach dem zweiten Schalter 207 gemäß 1. Auf den Ausgang 402 wird entweder das Potential des Eingangs 401 geschaltet oder das Potential des Bezugspotentials 405. Jeweils einer der Transistoren 403, 404 leitet, während der andere sperrt. Der Schaltvorgang erfolgt zuverlässig, wenn das Potential am Eingang größer als eine positive Schwellenspannung ist bzw. kleiner als eine negative Schwellenspannung, wobei die Schwellenspannungen den Schwellenspannungen von Metalloxidfeldeffekttransistoren entsprechen.
Die Transistoren 403, 404 können beispielsweise vom Anreicherungstyp sein, sie können beispielsweise in einer C7NP-Halbleitertechnologie gefertigt sein. Bei den Potentialwandlerschaltungen 300, 400 aus den Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 tritt nur bei den Umschaltvorgängen ein Stromfluss auf, um die Gatekapazitäten der Transistoren umzuladen. Somit wird eine Leistung auch nur im Umschaltvorgang verbraucht, um die Kapazitäten zu laden und zu entladen. Weiterhin ist zu beobachten, dass der höchste Betrag des Poten tials über dem Gateoxid beider Transistoren 303, 403 bzw. 304, 404 das Potential V_in nicht überschreitet. Zu keinem Zustand, in dem sich die Schaltung 300, 400 befindet, liegt ein doppelter Betrag, das heißt 2·V_in über dem Gateoxid einer der Transistoren an. Damit können die Transistoren 303, 403 bzw. 304, 404 in einem zugelassenem Spannungsbereich arbeiten. Weiterhin kann die Potentialwandlerschaltung 300, 400 sehr platzsparend auf einem Halbleitersubstrat implementiert werden, da nur zwei Transistoren zur Realisierung der Schaltung benötigt werden. Dies hat nicht zuletzt den Vorteil, dass sich die Schaltgeschwindigkeit erhöht gegenüber herkömmlichen Schaltungen, welche eine größere Anzahl an Transistoren benötigen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben. Um die Versorgungsspannung in hoch-linearen CMOS-Schaltkreisen zu reduzieren und die Verwendung von DC-Blockkondensatoren auszuschließen, werden die Gateanschlüsse der Schalttransistoren in hoch-linearen CMOS-Schaltkreisen mit bipolarer Spannung betrieben. Da der Steuerungsschaltkreis aber mit Standardlogikpotentialen arbeiten sollte, wird ein Potentialwandler benötigt, um ein unipolares in ein bipolares Signal zu wandeln. Der erfindungsgemäße Potentialwandler wandelt ein bipolares in ein unipolares Signal und kann im Rückkopplungszweig des Transistortreiberschaltkreises verwendet werden. Da die Zuverlässigkeitsanforderung eine maximale Spannung über dem Gateoxid auf beispielsweise 3,6 Volt in der C7NP-Technologie begrenzt, erlaubt der direkte Ansatz kein Schalten von +/–3 Volt. Seit kurzem wurde dazu ein Ohm'scher Potentialwandler mit einem Common-Gate-Transistor verwendet. Dieser Ansatz verbraucht jedoch Strom, der beispielsweise von der eingebetteten Ladungspumpe zur Verfügung gestellt werden kann, und benötigt eine große Fläche. Ein zweiter Ansatz mit kapazitiv gekoppelter Logik ist ebenfalls getestet worden, wurde jedoch aufgrund eines undefinierten Zustandes, in dem sich die Schaltung nach Anlegen der Versorgungsspannung befand, wieder aufgegeben. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, Standardlogikzellen zu betreiben, ohne einen zusätzlichen Strom zu ziehen. Sie benötigt bemerkenswert wenig Platz auf dem Chip und erfüllt die Zuverlässigkeitsanforderungen. Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen eine Kombination von MOSFET-Transistorschaltern in einer Common-Gate und einer Common-Source-Schaltung dar, um die Potentialwandlung durchzuführen. Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen einen zuverlässigen, Niedrigleistungspotentialwandler dar. Die Po tentialwandlerschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wandelt ein bipolares Logiksignal, das heißt ein Signal, das von beispielsweise –V_dd bis +V_dd reicht, und damit einen Spannungsbereich von 2·V_dd umspannt, in ein unipolares Logiksignal, das beispielsweise von 0 Volt bis –V_dd reicht, ohne dabei das Gateoxid des Transistors mit mehr als dem halben Spannungsausschlag des Eingangssignals zu beaufschlagen. Dies führt dazu, die Zuverlässigkeit der Transistoren in CMOS-Schaltkreisen zu erhöhen.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst die Potentialwandlerschaltung einen ersten NMOS-Transistor Q1 in einer Common-Gate-Schaltung und einen zweiten NMOS-Transistor in einer Common-Source-Schaltung. Beide Transistoren operieren im Anreicherungsmodus. Das Gate des Transistors Q1 und der Sourceanschluss des Transistors Q2 liegen auf gemeinsamem Massepotential, der Sourceanschluss von Q1 und der Drainanschluss von Q2 sind mit dem Ausgang verbunden. Der Drainanschluss von Q1 und das Gate von Q2 sind mit dem Eingang verbunden. Wenn positiv bezüglich Masse wird die Eingangsspannung +V_in auf den Eingang gelegt. Der Transistor Q2 wird leitend, wenn die Eingangsspannung V_in größer ist als eine Schwellenspannung V_th des entsprechenden Transistors, so dass Q2 einen Strompfad mit geringem Widerstand vom Ausgang nach Masse liefert. Q1 wird nicht-leitend, da sein Gatepotential sowohl gegenüber Source, als auch Drain negativ ist. Das höchste Potential bezüglich der Gateanschlüsse ist V_gd. Q1 = V_gs, Q2 = V_in. Bei negativer Spannung –V_in wird Q1 leitend für V_in größer V_th, um so einen Strompfad mit niedrigem Widerstand am Eingang zu liefern. Das höchste Potential über dem Gateoxid von beiden Transistoren überschreitet nicht V_in. Der einzige Strom, der durch den Schaltkreis benötigt wird, ist derjenige, um die Gatekapazitäten während des Schaltvorgangs umzuladen. Eine ähnliche Schaltung kann für positive Logik entworfen werden mittels Nutzung von zwei PMOS-Transistoren. In diesem Fall wird das bipolare Eingangslogiksignal von +V_dd/–V_dd in V_dd/0 Volt gewandelt.

Claims

Potentialwandlerschaltung (300) zum Wandeln eines bipolaren Eingangssignals (321; 421) in ein unipolares Ausgangssignal (322; 422), mit folgenden Merkmalen: einem Eingang (301; 401); einem Ausgang (302; 402); einem ersten MOSFET-Transistor (303; 403), der einen mit dem Ausgang (302; 402) verbundenen Sourceanschluss (331), einen mit dem Eingang (301; 401) verbundenen Drainanschluss (333; 433) und einen mit einem Bezugspotential (305; 405) verbundenen Gateanschluss (332; 432) aufweist; und einem zweiten MOSFET-Transistor (304; 404), der einen mit dem Bezugspotential (305; 405) verbundenen Sourceanschluss (341), einen mit dem Ausgang (302; 402) verbundenen Drainanschluss (343; 443) und einen mit dem Eingang (301; 401) verbundenen Gateanschluss (342; 442) aufweist.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß Anspruch 1, bei der der erste MOSFET-Transistor (303) und der zweite MOSFET-Transistor (304) n-Kanal Transistoren sind.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß Anspruch 1, bei der der erste MOSFET-Transistor (403) und der zweite MOSFET-Transistor (404) p-Kanal Transistoren sind.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der beide der Transistoren (303, 304; 403, 404) Transistoren vom Anreicherungstyp sind.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Bulkanschluss (334; 434) des ersten MOSFET-Transistors (303; 403) und ein Bulkanschluss (344; 444) des zweiten MOSFET-Transistors (304; 404) mit dem Ausgang (302; 402) verbunden sind.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Eingangssignal (321; 421) ein bipolares Logiksignal ist.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß Anspruch 6, bei der das bipolare Logiksignal zwei Logikzustände beschreibt, die durch eine positive Versorgungsspannung und durch eine negative Versorgungsspannung vorgegeben sind.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Ausgangssignal (322; 422) ein unipolares Logiksignal ist.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß Anspruch 8, bei der das unipolare Logiksignal zwei Logikzustände beschreibt, die durch eine negative bzw. positive Versorgungsspannung und ein Bezugspotential (305; 405) vorgegeben sind.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der erste MOSFET-Transistor (303; 403) in einer Gateschaltung verschaltet ist.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der zweite MOSFET-Transistor (304; 404) in einer Sourceschaltung verschaltet ist.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der das Bezugspotential (305; 405) ein Massepotential ist.
Potentialwandlerschaltung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die MOSFET-Transistoren (303, 304; 403, 404) in einer C7NP-Technologie ausgeführt sind.