DE112004002449T5

DE112004002449T5 - Ausgangstreiberschaltung, die sich an variable Versorgungsspannungen anpasst

Info

Publication number: DE112004002449T5
Application number: DE112004002449T
Authority: DE
Inventors: David Los Altos Hills Pilling; Kar-chung Leo San Jose Lee; Mario Fulam Fremont Au
Original assignee: Integrated Device Technology Inc
Current assignee: Renesas Electronics America Inc
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-10-26
Also published as: US20050184768A1; US7586343B2; WO2005062468A3; GB2424135B; GB2424135A; GB0611457D0; US7224195B2; WO2005062468A2; US20070285135A1

Abstract

Ausgangstreiberschaltung mit:
einem ersten Transistor, der zwischen eine Versorgungsspannung und eine Ausgangskontaktstelle gekoppelt ist;
einem zweiten Transistor, der zwischen den ersten Transistor und die Ausgangskontaktstelle gekoppelt ist;
einem Pegelumsetzer, der zwischen den ersten Transistor und ein Eingangssignal gekoppelt ist, wobei der Pegelumsetzer ein Signal zu einem Gate des ersten Transistors liefert;
einer Steuerschaltung, die mit einem Gate des zweiten Transistors gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltung ein Signal zum Gate des zweiten Transistors in Reaktion auf das Eingangssignal und ein Versorgungsspannungs-Steuersignal liefert;
wobei der Pegelumsetzer und die Steuerschaltung mit einer Vorspannung gekoppelt sind, wobei die Vorspannung auf die Erdung gesetzt wird, wenn das Versorgungsspannungs-Steuersignal eine niedrige Versorgungsspannung angibt, und die Vorspannung auf eine Zwischenspannung gesetzt wird, wenn das Versorgungsspannungs-Steuersignal eine hohe Vorspannung angibt, und
wobei die über ein Gateoxid des ersten Transistors und ein Gateoxid des zweiten Transistors angelegten Spannungen die niedrige Versorgungsspannung nicht...

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung steht mit der vorläufigen US-Anmeldung 60/529 411, "Output Drive Circuit Which Tolerates Variable Supply Voltages", eingereicht am 11. Dezember 2003, von David Pilling, Leo Lee und Mario Au, die durch den Hinweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird, in Beziehung und beansprucht deren Priorität.
HINTERGRUND Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgangssteuereinheit und insbesondere einen Ausgangstreiber, der sich an variable Versorgungsspannungen anpasst.
Erörterung des Standes der Technik
Die Schaltungsentwicklung ist häufig ein Ergebnis einer technologischen Änderung. 1960 waren die N-Kanal-MOS-Gateoxiddicken etwa 2000 Å, um Gatevorspannungspotentiale von etwa 18 Volt zu unterstützen. In den letzten zehn Jahren werden Produkte, die mit 130 Å dicken Gates für Versorgungen von fünf Volt entworfen wurden, nun für Betriebsversorgungsspannungen von 3,3 Volt mit Kernversorgungen von 2,5 Volt entworfen. Jüngere Entwürfe mit Kernspannungen von 1,0 Volt weisen externe Ansteuerungen mit 3,3 Volt mit Gateoxiden von Kerntransistoren mit Gatedicken von 16 Å auf. Diese späteren Verringerungen auf Entwürfe mit einer Versorgung von einem Volt erfordern nun den zusätzlichen Aufwand eines Doppeloxidprozesses, beispielsweise eines Prozesses für 80 Å für Bauelementpotentiale von 3,3 Volt und einen Prozess für 16 Å für Bauelementpotentiale von 1,0 Volt. Die niedrigeren Bauelementpotentiale können zu einem niedrigeren Leistungsverbrauch führen.
Ferner verwenden viele Bauelemente immer noch eine höhere Spannungsversorgung, selbst wenn einige der integrierten Schaltungen mit dünneren Gateoxiden ausgebildet werden (und daher für Anwendungen mit niedrigerer Spannung entworfen sind). Die Anwendung von Spannungen, die größer sind als die Entwurfsspezifikation für eine spezielle Gateoxiddicke, kann zu einer Beschädigung des Transistors führen. Ferner kann die Anwendung von hohen Spannungsversorgungen in Schaltungen, die mit Transistoren für eine niedrigere Spannung ausgebildet sind, die Zeitsteuerung dieser Schaltungen beeinflussen.
Daher besteht ein Bedarf, die Kosten der Verarbeitung für zwei Gateoxiddicken zu verringern und externe Versorgungsspannungen zu ermöglichen, die entweder bei einer hohen Spannung oder bei einer niedrigen Spannung arbeiten.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß der Erfindung wird eine Treiberschaltung beschrieben, die ermöglicht, dass ein einzelner Prozess für ein dünnes Gateoxid verwendet wird, wo ein Doppeloxidprozess normalerweise erforderlich sein kann. Schaltungen, die nur Bauelemente mit dünnem Gateoxid verwenden, werden als Entwurfsbasis für ein einzelnes Produkt mit einem einzelnen Satz von Werkzeugausrüstung und Fertigungsprozess verwendet, um innerhalb derselben Zeitsteuerspezifikationen für eine Kernspannungs-Ausgangsansteuerung sowie für eine höhere Systemansteuerung zu arbeiten.
Einige Ausführungsbeispiele einer Ausgangstreiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen einen ersten Transistor, der zwischen eine Versorgungsspannung und eine Ausgangskontaktstelle gekoppelt ist; einen zweiten Transistor, der zwischen den ersten Transistor und die Ausgangskontaktstelle gekoppelt ist; einen Pegelumsetzer, der zwischen den ersten Transistor und ein Eingangssignal gekoppelt ist, wobei der Pegelumsetzer ein Signal zu einem Gate des ersten Transistors liefert; und eine Steuerschaltung, die mit einem Gate des zweiten Transistors gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltung ein Signal zum Gate des zweiten Transistors in Reaktion auf das Eingangssignal und ein Versorgungsspannungs-Steuersignal liefert. Der Pegelumsetzer und die Steuerschaltung sind mit einer Spannung gekoppelt, die auf die Erdung gesetzt wird, wenn das Versorgungsspannungs-Steuersignal eine niedrige Versorgungsspannung angibt, und auf eine Zwischenspannung gesetzt wird, wenn das Versorgungsspannungs-Steuersignal eine hohe Versorgungsspannung angibt. In einer solchen Anordnung überschreiten die über ein Gateoxid des ersten Transistors und ein Gateoxid des zweiten Transistors angelegten Spannungen die niedrige Versorgungsspannung nicht. In einigen Ausführungsbeispielen kann ein monostabiles Kippglied mit der Spannung gekoppelt sein, um die Spannung vorübergehend zu erden, um die Laderate der Ausgangskontaktstelle zu erhöhen, wenn das Versorgungsspannungs-Steuersignal die hohe Versorgungsspannung angibt.
Ein Verfahren zum Ansteuern einer Ausgangsspannung gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst das Liefern einer Spannung zu einem Pegelumsetzer, wobei die Spannung eine Zwischenspannung ist, wenn eine hohe Spannung angelegt wird, und die Spannung eine Erdungsspannung ist, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird, und das Anlegen der Spannung an ein Gate eines ersten Transistors, um den ersten Transistor durchzusteuern, wenn eine Ausgangskontaktstelle aufgeladen wird. In einigen Ausführungsbeispielen kann ein weiterer Schritt des vorübergehenden Erdens der Spannung bei einem Übergang einer Eingangsspannung von niedrig auf hoch durchgeführt werden.
Es soll selbstverständlich sein, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung nur beispielhaft sind und die Erfindung, wie beansprucht, erläutern und nicht einschränken. Diese und weitere Ausführungsbeispiele werden nachstehend mit Bezug auf die folgenden Figuren weiter beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B stellen Transistorstrukturen dar.
2 stellt eine Treiberschaltung gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar.
3 stellt eine Treiberschaltung gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar.
4A zeigt eine vereinfachte Schaltung, die einem Teil des Ausführungsbeispiels von 3 entspricht, für den Fall, in dem eine hohe Versorgungsspannung verwendet wird.
4B zeigt eine vereinfachte Schaltung, die einem Teil des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht, welche die Bedingung mit drei Zuständen darstellt.
5A und 5B stellen verschiedene Spannungen von Beispielen des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels mit typischen Betriebsspannungen und -bedingungen dar.
6A und 6B stellen vereinfachte Schaltungen der Ausführungsbeispiele von 3 für eine Ausgangsansteuerung mit niedriger Spannung und eine Ausgangsansteuerung mit hoher Spannung gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar.
7 stellt eine Ausgangsfreigabeschaltung für einen Ausgangstreiber gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar.
In den Figuren haben Elemente mit derselben Bezeichnung dieselbe oder eine ähnliche Funktion.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Treiberschaltung dargestellt, die mit einer niedrigen Versorgungsspannung oder einer hohen Versorgungsspannung arbeiten kann. Die Transistoren der Schaltung können dem Anlegen der niedrigen Versorgungsspannung standhalten, können jedoch durch direktes Anlegen der hohen Versorgungsspannung beschädigt werden.
Die Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung können mindestens zwei Entwurfsziele erfüllen. Erstens sollten die mit dünnen Gateoxiden bearbeiteten Transistoren festgelegte Entwurtsgrenzen in der Umgebung mit hoher Spannung (d.h. beim Anlegen der hohen Spannungsversorgung) nicht überschreiten. Zweitens sollten die Verzögerungen der Schaltung für Ausgangstreiber mit sowohl hoher als auch niedriger Spannung gleich sein. Die 1A und 1B stellen das erste Entwurfsziel dar. 1A stellt einen N-Kanal-Transistor dar, wobei die Bezeichnungen A, B, C und D die Source-, Gate-, Drain- bzw. Substratknoten bedeuten. 1B stellt einen P-Kanal-Transistor dar, wobei E, F, G und H den Sourcepol, das Gate, den Drainpol bzw. das Substrat bedeuten. Die Spannungen zwischen dem Gate- und dem Source-, Drain- oder Substratknoten sollten beispielsweise die festgelegten Bauelementgrenzen nicht überschreiten oder eine Beschädigung des Transistors kann sich ergeben. In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung können die an die in 1A und 1B gezeigten Transistoren angelegten Spannungen eine niedrige Spannung (z.B. 2,5 V) beispielsweise nicht überschreiten, ohne den Transistor zu beschädigen. In einigen Anwendungen wird jedoch eine Versorgung mit hoher Spannung (z.B. 3,3 V) als Ansteuerspannung verwendet.
2 stellt eine Treiberschaltung 200 gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar. Die Treiberschaltung 200 steuert die Aufladung einer Ausgangskontaktstelle 204 auf VDDX für Ansteuerbedingungen mit hoher und Kernspannung. In dem Ausführungsbeispiel der Treiberschaltung 200, das in 2 gezeigt ist, wird das Eingangssignal an den Eingangsknoten 208 (DI) angelegt, während eine Angabe dessen, ob VDDX eine hohe Spannung oder eine niedrige Spannung (z.B. 3,3 V bzw. 2,5 V) ist, an den Eingang 205 (H2.5) angelegt wird. In einigen Ausführungsbeispielen wird ein "hohes" Signal an den Eingang 205 angelegt, um eine niedrige Versorgungsspannung (z.B. 2,5 V) anzugeben, während ein "niedriges" Signal an den Eingang 205 angelegt wird, um eine hohe Versorgungsspannung (z.B. 3,3 V) anzugeben.
Wie in 2 dargestellt ist, wird die Treiberschaltung 200 ferner mit einer internen Spannung versorgt, die von der Versorgungsspannung unabhängig ist und die geringer als oder gleich der niedrigen Versorgungsspannung ist. Ferner ist die niedrige Versorgungsspannung niedrig genug, dass, wenn die niedrige Versorgungsspannung über das Gateoxid eines Transistors wie z.B. jener, die in der Treiberschaltung 200 verwendet werden, geliefert wird, der Transistor innerhalb seiner Entwurfsspezifikationen liegt. Ferner wird angenommen, dass, wenn die hohe Versorgungsspannung über das Gateoxid eines Transistors wie z.B. jener, die in der Treiberschaltung 200 verwendet werden, angelegt wird, die Entwurtsspezifikationen für diesen Transistor überschritten werden können.
In einigen Ausführungsbeispielen wird ein Ausgangsfreigabesignal (OE) an den Eingang 224 angelegt. In einigen Ausführungsbeispielen wird, wenn das Ausgangsfreigabesignal "niedrig" ist, die Schaltung deaktiviert, während, wenn das Ausgangsfreigabesignal "hoch" ist, die Treiberschaltung 200 aktiviert wird. Wenn das Ausgangsfreigabesignal "niedrig" ist, dann ist das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND-Gatter 202 ungeachtet des an 208 angelegten Eingangssignals DI "hoch". Daher ist das aus dem Pegelumsetzer 201 ausgegebene Signal hoch und der Transistor 210 ist aufgrund des Inverters 225 "gesperrt". Daher ist das Signal am Knoten 209 "hoch" und der Transistor 217 ist "gesperrt". Das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND-Gatter 213 hängt vom Signal H2.5 ab, was dazu führt, dass einer des Transistors 214 oder Transistors 215 durchgesteuert wird, was das Gate des Transistors 218 mit entweder der internen Spannung oder einer durch die Stromquelle 220 und die Spannungsversorgung 221 festgelegten Spannung versorgt. In welchem Fall, ob der Transistor 218 durchgesteuert ist oder nicht, da der Transistor 217 "gesperrt" ist, die Spannung zwischen dem Gate und dem Sourcepol, Drainpol oder Substrat des Transistors 218 die Spannungsentwurfsspezifikationen des Transistors 218 nicht überschreitet. Wenn ein "niedriges" Ausgangsfreigabesignal an den Eingang 224 angelegt wird, ist ferner das Ausgangssignal aus dem NICHT-ODER-Gatter 226 "niedrig". Obwohl der Transistor 222 immer "durchgesteuert" ist, da der Transistor 225 "durchgesteuert" ist, ist der Transistor 223 daher "gesperrt". Daher werden wieder keine Spannungen jenseits der Entwurfsspezifikation zwischen dem Gate und dem Sourcepol, Drainpol oder Substrat der Transistoren 222 oder 223 angelegt.
Für den Rest der Erörterung des Ausführungsbeispiels der Treiberschaltung 200, das in 2 gezeigt ist, wird angenommen, dass das Ausgangsfreigabesignal, das an den Eingang 224 angelegt wird, "hoch" ist. In diesem Fall hängt das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND-Gatter 202 vom Eingangssignal in den Eingang 208 ab und ist "niedrig", wenn das Eingangssignal "hoch" ist, und "hoch", wenn das Eingangssignal "niedrig" ist. Ferner hängt das Ausgangssignal aus dem NICHT-ODER-Gatter 226 vom Eingangssignal in den Eingang 208 ab und ist "niedrig", wenn das Eingangssignal "hoch" ist, und "hoch", wenn das Eingangssignal "niedrig" ist.
Für Ansteuerbedingungen mit niedriger Spannung (z.B. VDDX auf 2,5 V) wird der Eingang 205 "hoch" gesetzt und der Transistor 206 ist "durchgesteuert", was den PBIAS-Knoten 207 auf den "niedrigen" Pegel setzt. Wie vorstehend angegeben, ist, wenn das Eingangssignal am Eingang 208 "hoch" ist, das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND-Gatter 202 "niedrig". Aufgrund des Inverters 225 ist der Transistor 210 "durchgesteuert". Ferner wird das Ausgangssignal aus dem Pegelumsetzer 201 auf den PBIAS-Knoten 207 auf den niedrigen Pegel gesetzt, welcher über den Transistor 206 mit der Erdung gekoppelt ist. Bei einem stationären "hohen" Eingang ist außerdem das Ausgangssignal aus dem monostabilen Kippglied 203 "niedrig" und daher ist der Transistor 219 "gesperrt".
Unter diesen Bedingungen wird der UP-Knoten 209 durch den Transistor 210 und das Ausgangssignal aus dem Pegelumsetzer 201 im Wesentlichen auf Erdung "niedrig" gesetzt. Wenn der Eingang 205 "hoch" ist und das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND-Gatter 202 niedrig ist, ist der Knoten 212 (das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND-Gatter 213) "hoch", was den Transistor 214 "durchsteuert" und den Transistor 215 "sperrt", wobei der Knoten 216 mit dem Knoten 207 gekoppelt wird, der wiederum über den Transistor 206 mit der Erdung gekoppelt wird. Daher ist der Transistor 217 "durchgesteuert", wobei die Potentialdifferenz zwischen dem Gate und dem Sourcepol, Drainpol oder Substrat des Transistors 217 innerhalb der zulässigen niedrigen Spannungsgrenzen (z.B. 2,5 Volt) liegt. Der Transistor 218 ist auch "durchgesteuert" mit der vollen Potentialdifferenz des Knotens 216 am Gate gegen die zulässigen Potentiale von 2,5 Volt des Sourcepols, Drainpols und Substrats.
Wenn das Eingangssignal am Eingang 208 "hoch" ist, ist ferner das Ausgangssignal aus dem NICHT-ODER-Gatter 226 niedrig und daher ist der Transistor 223 "gesperrt". Die Spannungen vom Gate zum Sourcepol, Drainpol oder Sourcepol in beiden Transistoren 222 und 223 liegen wiederum innerhalb der zulässigen Entwurfsgrenzen (z.B. 2,5 V).
Wenn das an den Eingang 208 angelegte Eingangssignal "niedrig" ist, dann ist das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND 202 "hoch" und der Transistor 210 ist "gesperrt". Daher ist der UP-Knoten 209 "hoch" und die Transistoren 217 und 218 sind "gesperrt". Ferner ist das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND 213 "hoch", was den Transistor 215 "sperrt" und den Transistor 214 "durchsteuert". Der Transistor 218 ist dann "durchgesteuert". Wiederum liegen die zwischen dem Gate und dem Sourcepol, Drainpol oder Substrat von einem der Transistoren 217 und 218 angelegten Spannungen innerhalb der zulässigen Spannungsgrenzen in der Einstellung mit niedriger Spannung (z.B. VDDX=2,5 Volt).
Wenn das Signal H2.5 am Eingang 205 "niedrig" gehalten wird, was anzeigt, dass sich VDDX auf einer hohen Spannung (z.B. 3,3 Volt) befindet, ist der Transistor 206 "gesperrt". Wenn der Dateneingangsknoten 208 dann "hoch" gehalten wird, ist das Ausgangssignal des NICHT-UND 202 "niedrig", was den Transistor 210 durchsteuert und den Knoten 209 mit dem PBIAS-Knoten 207 koppelt. Ferner zieht der Pegelumsetzer 201 mit einem "niedrigen" Eingang auch den Knoten 209 auf den Spannungspegel des PBIAS-Knotens 207 auf niedrig. Bei einem stationären hohen Eingang in das monostabile Kippglied 203 ist wiederum das Ausgangssignal aus dem monostabilen Kippglied 203 "niedrig" und daher ist der Transistor 219 "gesperrt". Ferner ist das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND 213, am Knoten 212, "hoch", was den Knoten 216 mit dem Knoten 207 koppelt, indem der Transistor 214 "durchgesteuert" wird und der Transistor 215 "gesperrt" wird. Das Potential am Knoten 207 ist durch die Stromquelle 220 und die Spannungsquelle 221 festgelegt. Das Potential am Knoten 207 sollte ungefähr gleich der oder höher als die Differenz der Spannung zwischen hohem VDDX und niedrigem VDDX gesetzt werden, aber nicht so hoch, dass, wenn es an das Gate eines Transistors angelegt wird, es vielmehr den Effekt von "hoch" als von "niedrig" hat. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Spannung am Knoten 207 mit einem hohen VDDX bei 3,3 V und einem niedrigen VDDX bei 2,5 V auf etwa 0,8 Volt gesetzt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Stromquelle 220 deaktiviert werden, um den Leistungsverbrauch zu verringern.
Wenn der Knoten 208 "hoch" ist, wird der Knoten 209 durch die Wirkung des Transistors 210 und des Ausgangssignals aus dem Pegelumsetzer 201 auf das Potential des Knotens 207 auf einen niedrigen Pegel gesetzt. Die Knoten 209 und 216 werden daher auf dem Spannungspegel des Knotens 207 gehalten, beispielsweise ungefähr 0,8 Volt. Die Gates der Transistoren 217 und 218 werden dann auf die Spannung des PBIAS-Knotens 207 oder in diesem Beispiel ungefähr 0,8 Volt gesetzt. Daher werden die Potentiale vom Gate zum Sourcepol, Drainpol oder Substrat der Transistoren 217 und 218 innerhalb der Grenzen der Spezifikation von 2,5 Volt der Grenzen für dünne Gateoxide der Transistoren 217 und 218 gehalten. Ferner schränkt die verringerte Gateansteuerung, die an die Pull-up-Transistoren 217 und 218 angelegt wird, die schnellere Reaktion ein, die durch die erhöhte Versorgung VDDX=3,3 Volt erreicht werden kann. Ferner sind die Gatespannungen für die Transistoren 217 und 218 immer noch niedrig genug, so dass die Transistoren 217 und 218 "durchgesteuert" werden.
Wie vorstehend erörtert, ist der Transistor 223 mit einem Eingangssignal, das "hoch" ist, "gesperrt". Die Gateansteuerungen an den Pull-down-Transistoren 222 und 223 bleiben auf der internen Kernspannung für entweder 2,5 Volt oder 3,3 Volt an VDDX. Ferner liegen die Spannungen vom Gate zum Sourcepol, Drainpol oder Substrat der Transistoren 222 und 223 innerhalb der Entwurfsspezifikationen für diese Dünnschichttransistoren.
Da die Gates der Transistoren 222 und 223 mit den internen Kernspannungen für entweder 2,5 oder 3,3 Volt, die an VDDX angelegt werden, angesteuert werden, werden die Ausgangsabfallzeiten für die Kontaktstelle 204 durch die Differenzen von VDDX nicht erheblich beeinflusst. Die Ladungszeiten der Kontaktstelle 204 bei einem Übergang des Eingangssignals von "niedrig" auf "hoch" können jedoch dadurch drastisch beeinflusst werden, ob eine hohe oder eine niedrige Spannung an VDDX angelegt wird. Die Treiberschaltung 200 verbessert die Aufladezeit für VDDX mit hoher Spannung, so dass sich die Kontaktstelle 204 auf eine "hohe" Spannung (d.h. VDDX) in im Wesentlichen derselben Zeit auflädt, ob VDDX ein hoher Spannungspegel (z.B. 3,3 V) oder ein niedriger Spannungspegel (z.B. 2,5 V) ist.
Wie vorstehend erörtert, sind mit einem Eingangssignal am Eingang 208, das auf "niedrig" gesetzt ist, die Transistoren 217 und 218 beide gesperrt und die Transistoren 222 und 223 sind "durchgesteuert". Wenn das Signal H2.5 auf "niedrig" gesetzt ist, liegt der PBIAS-Knoten 207 auch auf einer Zwischenspannung (z.B. 0,8 V). Wenn das Eingangssignal von "niedrig" auf "hoch" überführt wird, geht das Eingangssignal in das monostabile Kippglied 203 von "niedrig" auf "hoch" über, was bewirkt, dass das monostabile Kippglied 203 mit einem einzelnen "hohen" Impuls mit kurzer Dauer auslöst. Der Transistor 219 wird dann vorübergehend "durchgesteuert" und PBIAS 207 wird auf die Erdung entladen. Ferner geht der Knoten 212 von "niedrig" auf "hoch" über, so dass der Transistor 215 "gesperrt" wird und der Transistor 214 "durchgesteuert" wird. Ferner steuert ein hoher Signaleingang in das monostabile Kippglied 203 den Transistor 210 an der Kopplung des Knotens 209 mit dem Knoten 207 durch. In der Zeit, die durch die Zeitkonstante im monostabilen Kippglied 203 festgelegt ist, wird der Transistor 219 "gesperrt" und der PBIAS-Knoten wird auf den Zwischenpegel (z.B. 0,8 V), der durch die Stromquelle 220 und die Spannungsquelle 221 festgelegt wird, zurückgebracht. Die Spannungen an den Knoten 209 und 216, die nun die Transistoren 217 und 218 "durchsteuern", nehmen mit der Zeit zu, so dass die Potentiale über den Gateoxiden der Transistoren 217 und 218 die Entwurfsparameter nicht überschreiten, aber auch so, dass die Transistoren 217 und 218 schneller "durchgesteuert" werden als es ansonsten der Fall wäre.
3 stellt ein detailliertes Beispiel eines Ausführungsbeispiels der Treiberschaltung 200 gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 3 gezeigt, sind ausführliche Beispiele des Pegelumsetzers 201 und des monostabilen Kippgliedes 203 gezeigt. Ferner ist der Ausgangstreiberabschnitt für den Fall, in dem das Eingangssignal am Eingang 208 "niedrig" ist, vorgesehen. Das monostabile Kippglied 203 kann beispielsweise Inverter 301, 302 und 303 und Kondensatoren 304 und 305 umfassen. Ferner kann der Transistor 306 in Reihe mit dem Transistor 219 enthalten sein, so dass, wenn das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND 202 "hoch" ist, der Transistor 219 vom PBIAS-Knoten 207 abgekoppelt wird. Daher ist der Transistor 219 nur mit dem PBIAS-Knoten 207 gekoppelt, wenn das Eingangssignal am Eingang 218 "hoch" ist. Beim Übergang des Eingangssignals von "niedrig" auf "hoch" wird der Transistor 306 "durchgesteuert" und der Transistor 219 wird durchgesteuert gehalten, wobei der PBIAS-Knoten 207 für eine Zeitdauer geerdet wird, die durch das Entladen der Kondensatoren 304 und 305 bestimmt ist.
Ferner umfasst die Spannungsquelle 221 Transistoren 307 und 308. Die Transistoren 307 und 308 erzeugen einen Widerstandsweg zwischen dem PBIAS-Knoten 207 und der Erdung. Die Stromquelle 220 umfasst Transistoren 309, 310, 311 und 312. Der Transistor 310 ist "gesperrt", wenn H2.5 "hoch" ist, was eine Versorgung von 2,5 V angibt. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Stromquelle 220 daher nur eingeschaltet, wenn die Spannungsversorgung VDDX auf der hohen Spannung (z.B. 3,3 V) liegt. Wenn der Transistor 310 "durchgesteuert" ist, fließt ein Strom durch den Transistor 312 von der Spannungsversorgung VDDX, was eine Spannung durch die Transistoren 307 und 308 am PBIAS-Knoten 207 erzeugt.
Der Transistor 210 ist mit dem Transistor 313 ergänzt. Die Transistoren 210 und 313 sind mit dem UP-Knoten 209 über die Transistoren 315 bzw. 314 gekoppelt. Die Gates der Transistoren 315 und 314 sind mit den Eingangssignalen PUA bzw. PUB gekoppelt, die auf eine "hohe" interne Spannung gesetzt sind.
Der Pegelumsetzer 201 umfasst, wie in dem Ausführungsbeispiel von 3 gezeigt, Transistoren 316, 317, 318, 319, 320, 321, 322, 323, 324 und 325. Zusammen können diese Transistoren als die zwei Inverter arbeiten, die in 2 als Pegelumsetzer 201 gezeigt sind, wobei der "niedrige" des Ausgangsinverters mit dem PBIAS-Knoten 207 gekoppelt ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass andere Strukturen für den Pegelumsetzer 201 implementiert werden können. Ein Sourcefolger-Pegelumsetzer kann beispielsweise auch als Pegelumsetzer 201 verwendet werden.
Ferner ist in dem Ausführungsbeispiel der Treiberschaltung 200, das in 3 gezeigt ist, der Inverter 227 mit Transistoren 326, 327 und 328 gebildet, und im Fall, dass das Eingangssignal in den Eingang 208 "niedrig" ist, wird das Gate des Transistors 223 durch eine Kombination von Transistoren 328 und 329 auf einen hohen Pegel gesetzt. Die Transistoren 328 und 329 sind mit dem Gate der Transistoren 223 über die Transistoren 327 bzw. 330 gekoppelt. Die Gates der Transistoren 327 und 330 werden durch Eingangssignale PDA bzw. PDB angesteuert. Beide Eingangssignale PDA und PDB sind "niedrig", wenn die Treiberschaltung 200 in Betrieb ist.
4A stellt eine vereinfachte Version von 3 in dem Fall dar, in dem die Versorgungsspannung hoch ist (z.B. VDDX=3,3 V), und daher ist das Signal H2.5 am Eingang 205 "niedrig". Das Gate des Transistors 310 in der Stromquelle 220 wird daher niedrig gehalten und der Transistor 310 ist "durchgesteuert". Der Knoten 340 wird dann auf eine Spannung vorgespannt, die durch die Diodenwirkungen der Transistoren 309 und 311 und den Widerstand des "durchgesteuerten" Transistors 310 bestimmt ist. Wie in 4A gezeigt, ist der Knoten 340 sowohl mit dem Gate des Transistors 312 als auch dem Gate des Transistors 320 gekoppelt.
Wie dargestellt ist, sind beide Transistoren 324 und 317 "durchgesteuert", da der Transistor 225 ihre Gates mit der internen Spannung koppelt. Ferner ist die Stromquelle 220 in Betrieb, was den PBIAS-Knoten 207 auf eine niedrige Zwischenspannung (z.B. 0,8 V, wie vorstehend beschrieben) treibt. Daher sind die Transistoren 323, 321 und 318 "durchgesteuert", da ihre Gates auf einen "niedrigen" Pegel gesetzt werden.
Wenn das Signal ONAND, das das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND-Gatter 202 ist, "hoch" ist, wird der Transistor 325 "durchgesteuert", was den Knoten 402 auf die Erdung zieht. Der Transistor 316 ist daher "gesperrt" und der Knoten 403 wird auch auf die Spannung des Knotens 402 gesetzt, die "niedrig" ist. Der Transistor 319 wird daher durchgesteuert, was die Spannung VDDX, "hoch", mit dem Knoten 209 koppelt. Ferner wird der Transistor 322 durch die hohe Spannung an seinem Gate "gesperrt". Unter diesen Umständen wird der Knoten 403 auf 1,5 V gesetzt, die durch den PBIAS-Knoten 207 und den Transistor 321 festgelegt wird. Daher wird die Entwurfsspezifikation des Transistors 319 nicht verletzt.
Wenn das Signal ONAND "niedrig" ist, ist jedoch der Transistor 325 "gesperrt". Der Knoten 209 wird durch die Transistoren 315 und 210 auf die Spannung an PBIAS 207 getrieben. Daher ist der Transistor 322 "durchgesteuert", was den Knoten 402 in Richtung von VDDX auf den hohen Pegel setzt. Wenn der Knoten 402 "hoch" ist, wird der Transistor 316 "durchgesteuert", was den Knoten 209 weiter in Richtung des PBIAS-Knotens 207 treibt. Der Knoten 403 ist auch "hoch" und daher ist der Transistor 319 "gesperrt".
Der Transistor 320 schützt den Transistor 319 im Fall, dass der Knoten 403 auf der hohen Versorgungsspannung VDDX gehalten wird. Der Transistor 320 wird "durchgesteuert", wenn die Spannung am Knoten 403 die durch die Spannung am Knoten 340 festgelegte Schwelle überschreitet. Wenn der Transistor 320 "durchgesteuert" wird, wird der Knoten 403 in Richtung von VDDX gesetzt, was sicherstellt, dass über das Gateoxid des Transistors 319 angelegte Spannungen die Entwurfsgrenzen des Transistors 319 nicht überschreiten.
4B stellt die Treiberschaltung 200 unter der Bedingung mit drei Zuständen dar. Die Bedingung mit drei Zuständen tritt beim Übergang des Eingangssignals in den Eingang 208 von "niedrig" auf "hoch" am Beginn des Aufladeprozesses auf. Unter diesem Umstand sind die Transistoren 217 und 223 beide "gesperrt". Das ONAND-Signal ist "hoch". Wenn der Knoten H2.5 "hoch" ist, was angibt, dass VDDX die niedrige Spannungsversorgung (z.B. 2,5 V) ist, wird der PBIAS-Knoten 207 durch den Transistor 206 geerdet. Der Transistor 214 "steuert durch", was den Knoten 216 auf die Erdung entlädt. Wenn der Knoten H2.5 "niedrig" ist, was angibt, dass VDDX auf der hohen Spannung (z.B. 3,3 V) liegt, ist der Knoten 212 niedrig, was den Transistor 215 "durchsteuert" und den Knoten 219 auf die interne Spannung VDD auflädt, wobei folglich die Gates der Transistoren 216 und 217 geschützt werden, wenn die Kontaktstelle 204 auf die extern gesteuerte hohe Versorgungsspannung (z.B. 3,3 V) aufgeladen wird.
Die 5A und 5B sind wieder Vereinfachungen des Ausführungsbeispiels der Treiberschaltung 200, das in 3 gezeigt ist. Die 5A und 5B stellen dar, dass die Entwurfsbegrenzungen von jedem der Transistoren mit dünnem Gateoxid, die die Treiberschaltung 200 bilden, erfüllt werden. 5A ist eine Vereinfachung des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels, die die detaillierten Knotenspannungen im Pegelumsetzer 201 für die Beispielbedingungen zeigt, dass VDDX die hohe Spannung von 3,3 V ist, die interne Kernspannung und die niedrige Versorgungsspannung 2,5 V sind und das Signal ONAND auf einem logisch "hohen" Pegel von 2,5 V liegt. 5B ist eine Vereinfachung des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels, die die detaillierten Knotenspannungen im Pegelumsetzer 201 für die Beispielbedingungen zeigt, dass VDDX die hohe Spannung von 3,3 V ist, die interne Kernspannung und die niedrige Versorgungsspannung 2,5 V sind und das Signal ONAND auf einem logisch "niedrigen" Pegel von 0 V liegt. Wie durch die in den 5A und 5B gezeigten Spannungen zu sehen ist, überschreitet keine der Spannungen über den Gateoxiden der Transistoren 2,5 V. In 5A ist die Spannung über dem Gateoxid des Transistors 325 beispielsweise 2,5 V, die Spannung über dem Gateoxid des Transistors 324 ist 2,5 V und die Spannung über dem Gateoxid des Transistors 323 ist 0,85 V. Ebenso ist in 5B die Spannung über dem Gateoxid des Transistors 325 1,8 V und die Spannung über dem Gateoxid des Transistors 324 ist etwa 0,8 V.
Die Ausführungsbeispiele des Pegelumsetzers 201 können daher an den Entwurfsspezifikationen der Transistoren ungeachtet dessen festhalten, ob die hohe Spannungsversorgung (z.B. 3,3 V) oder die niedrige Spannungsversorgung (z.B. 2,5 V) verwendet wird. Ein Fachmann wird alternative Ausführungsbeispiele des Pegelumsetzers 201 und der Treiberschaltung 200, bei denen die in der Schaltung verwendeten Transistoren die Entwurfsspezifikation der Dünnschichttransistoren nicht überschreiten, für den Betrieb mit entweder der niedrigen Spannungsversorgung oder der hohen Spannungsversorgung erkennen.
Die 6A und 6B stellen vereinfachte Schaltungen dar, die dem Ausführungsbeispiel der Treiberschaltung 200, das in 3 gezeigt ist, entsprechen. 6A stellt eine vereinfachte Schaltung für den Fall dar, in dem VDDX die niedrige Versorgungsspannung (z.B. 2,5 V) ist. 6B stellt eine vereinfachte Schaltung für den Fall dar, in dem VDDX die hohe Versorgungsspannung (z.B. 3,3 V) ist. Wie in 6A gezeigt, ist, wenn VDDX die niedrige Versorgungsspannung ist, das Eingangssignal H2.5 am Knoten 205 "hoch". Daher ist der PBIAS-Knoten 207 über den Transistor 206 geerdet. Ferner werden die Stromquelle 220 und die Spannungsquelle 221 nicht verwendet. 6B stellt die vereinfachte Schaltung für den Fall dar, in dem das Eingangssignal H2.5 "niedrig" ist, was den Fall darstellt, in dem VDDX die hohe Versorgungsspannung (z.B. 3,3 V) ist. In diesem Fall ist gezeigt, dass die Stromquelle 220 und die Spannungsquelle 221 den PBIAS-Knoten 207 auf einer Zwischenspannung (z.B. etwa 0,8 V) halten.
7 stellt eine Beispiel-Ausgangsfreigabeschaltung dar, die in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Treiberschaltung 200 verwendet werden kann. Wenn das Ausgangsfreigabesignal "hoch" ist, hängen, wie vorstehend erörtert, das Ausgangssignal des NICHT-UND 202 und NICHT-ODER 226 vom Eingangssignal am Eingang 208 ab. Wenn jedoch das Ausgangsfreigabesignal "niedrig" ist, ist ungeachtet des an den Eingang 208 angelegten Eingangssignals das Ausgangssignal aus dem NICHT-UND 202 "hoch" und das Ausgangssignal aus dem NICHT-ODER-Gatter 226 ist "niedrig".
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind für Fachleute aus der Betrachtung der Patentbeschreibung und der Ausführung der hierin offenbarten Erfindung ersichtlich. Es ist vorgesehen, dass die Patentbeschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden, wobei ein wahrer Schutzbereich und Gedanke der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angegeben wird.
Zusammenfassung
Gemäß der Erfindung wird eine Treiberschaltung beschrieben, die ermöglicht, dass ein einzelner Prozess für ein dünnes Gateoxid verwendet wird, wo ein Doppeloxidprozess normalerweise erforderlich sein kann. Schaltungen, die nur Bauelemente mit dünnem Gateoxid verwenden, werden als Entwurfsbasis für ein einzelnes Produkt mit einem einzelnen Satz von Werkzeugausrüstung und Fertigungsprozess verwendet, um innerhalb derselben Zeitsteuerspezifikationen für eine Kernspannungs-Ausgangsansteuerung sowie für eine höhere Systemansteuerung zu arbeiten.

Claims

Ausgangstreiberschaltung mit: einem ersten Transistor, der zwischen eine Versorgungsspannung und eine Ausgangskontaktstelle gekoppelt ist; einem zweiten Transistor, der zwischen den ersten Transistor und die Ausgangskontaktstelle gekoppelt ist; einem Pegelumsetzer, der zwischen den ersten Transistor und ein Eingangssignal gekoppelt ist, wobei der Pegelumsetzer ein Signal zu einem Gate des ersten Transistors liefert; einer Steuerschaltung, die mit einem Gate des zweiten Transistors gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltung ein Signal zum Gate des zweiten Transistors in Reaktion auf das Eingangssignal und ein Versorgungsspannungs-Steuersignal liefert; wobei der Pegelumsetzer und die Steuerschaltung mit einer Vorspannung gekoppelt sind, wobei die Vorspannung auf die Erdung gesetzt wird, wenn das Versorgungsspannungs-Steuersignal eine niedrige Versorgungsspannung angibt, und die Vorspannung auf eine Zwischenspannung gesetzt wird, wenn das Versorgungsspannungs-Steuersignal eine hohe Vorspannung angibt, und wobei die über ein Gateoxid des ersten Transistors und ein Gateoxid des zweiten Transistors angelegten Spannungen die niedrige Versorgungsspannung nicht überschreiten.
Schaltung nach Anspruch 1, welche ferner ein monostabiles Kippglied umfasst, das mit der Vorspannung gekoppelt ist, wobei das monostabile Kippglied die Vorspannung vorübergehend erdet, um die Ladrate der Ausgangskontaktstelle zu erhöhen, wenn das Versorgungsspannungs-Steuersignal die hohe Versorgungsspannung angibt.
Schaltung nach Anspruch 1, welche ferner einen dritten Transistor umfasst, der zwischen die Ausgangskontaktstelle und eine Erdung gekoppelt ist, wobei der dritte Transistor in der Lage ist, ein Erdungssignal an der Ausgangskontaktstelle zu liefern.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor durchgesteuert sind und der dritte Transistor gesperrt ist, wenn das Eingangssignal hoch ist, und der erste Transistor und der zweite Transistor gesperrt sind und der dritte Transistor durchgesteuert ist, wenn das Eingangssignal niedrig ist.
Schaltung nach Anspruch 1, welche ferner eine Stromquelle umfasst, die mit einer Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist, um die Zwischenspannung zu liefern.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Stromquelle deaktiviert wird, wenn die Versorgungsspannung die niedrige Versorgungsspannung ist.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Stromquelle zwei Diodenstrukturen umfasst, die in Reihe geschaltet sind, in denen die Vorspannung erzeugt wird.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Vorspannung mit dem Pegelumsetzer gekoppelt ist.
Verfahren zum Ansteuern einer Ausgangsspannung, umfassend: Liefern einer Vorspannung zu einem Pegelumsetzer, wobei die Vorspannung eine Zwischenspannung ist, wenn eine hohe Spannung angelegt wird, und die Vorspannung eine Erdungsspannung ist, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird; Anlegen der Vorspannung an ein Gate eines ersten Transistors, um den ersten Transistor durchzusteuern, wenn eine Ausgangskontaktstelle aufgeladen wird.
Verfahren zum Ansteuern einer Ausgangsspannung nach Anspruch 9, welches ferner das vorübergehende Erden der Vorspannung bei einem Übergang einer Eingangsspannung von niedrig auf hoch umfasst.
Verfahren zum Ansteuern einer Ausgangsspannung nach Anspruch 9, welches ferner das Anlegen einer Erdung an die Ausgangskontaktstelle, wenn ein niedriges Eingangssignal geliefert wird, und das Aufladen der Ausgangskontaktstelle, wenn ein hohes Eingangssignal geliefert wird, umfasst.
Verfahren zum Ansteuern einer Ausgangsspannung nach Anspruch 9, welches ferner das Sicherstellen, dass die über Gateoxide angelegten Spannungen niedriger sind als die Entwurfsbegrenzungen, umfasst.
Treiberschaltung mit: einer Einrichtung zum Koppeln einer Versorgungsspannung mit einer Ausgangskontaktstelle, um die Ausgangskontaktstelle aufzuladen, beim Empfang eines hohen Eingangssignals; einer Einrichtung zum Koppeln einer Erdung mit der Ausgangskontaktstelle, um die Ausgangskontaktstelle zu entladen, beim Empfang eines niedrigen Eingangssignals; einer Einrichtung zum Erzeugen von Steuersignalen für die Einrichtung zum Koppeln, wobei eines der Steuersignale ein Erdungssignal ist, wenn die Versorgungsspannung eine niedrige Versorgungsspannung ist, und ein Zwischensignal ist, wenn die Versorgungsspannung eine hohe Versorgungsspannung ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 13, welche ferner eine Einrichtung zum vorübergehenden Erden der Zwischenspannung bei einem Übergang von der niedrigen Versorgungsspannung auf die hohe Versorgungsspannung umfasst.