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Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft Ausgangspuffer, die in integrierten Schaltungen angewendet werden, und betrifft insbesondere das Steuern von Anstiegsraten bzw. Anstiegsgeschwindigkeiten derartiger Ausgangspuffer.
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Hintergrund der Erfindung
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Hochgeschwindigkeitsdatenbusse, etwa PCIX 2.0, besitzen gewisse Anforderungen im Hinblick auf Änderungen in der Anstiegsrate. Die Anstiegsrate bzw. Anstiegsgeschwindigkeit ist in diesem Zusammenhang die Rate der Änderung einer Ausgangssignalspannung. Beispielsweise sind in dem PCIX 2.0 die Anforderungen hinsichtlich der Anstiegsrate 1,8 V/ns < Anstiegrate < 3.0 V/ns. Eine Möglichkeit, eine Steuerung der Anstiegsrate vorzusehen, besteht darin, ein Abbild der Schaltung eines Ausgangspuffers aufzubauen, die in genauer Weise die Ausgabeanstiegsrate wiedergibt. Es wird dann ein Steuerungsstrom für die Anstiegsrate eingestellt, bis die Messwerte der Anstiegsrate der nachgebildeten Schaltung innerhalb gewisser Grenzen liegen. Das geeignete Einstellen der nachgebildeten Schaltung erfordert Technologien mit externer Zeitbasis und externen Messtechniken für die Anstiegsrate.
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Bei der Herstellung integrierter Schaltungen unterliegt der Fertigungsprozess gewissen Schwankungen, woraus sich integrierte Schaltungen ergeben, die unterschiedliche Leistungseigenschaften aufweisen, selbst wenn das gleiche Bauteil in der gleichen Fertigungsstätte hergestellt wurde. Auf Grund der Prozessschwankungen und der möglichen Betriebsbereiche verhalten sich somit integrierte Schaltungen unterschiedlich. Folglich können integrierte Schaltungen auf der Grundlage des Leistungsverhaltens in „schnelle Bereiche” und „langsame Bereiche” eingestuft werden. In dem schnellen Bereich arbeiten integrierte Schaltungen schneller auf Grund von Schwankungen solcher Faktoren, wie etwa der Prozesse, der Spannung oder der Temperatur. Zu Prozessschwankungen gehören Faktoren wie die Schwellwertspannung (Vt), die Gatelänge, die Eingangskapazität, der Schichtwiderstand und die Kapazität zwischen Gate und Drain. Integrierte Schaltungen, die zum schnellen Bereich gehören, besitzen typischerweise Prozesseigenschaften, die zu einem schnelleren Leistungsverhalten führen, etwa eine geringere Vt, eine kleinere Gatelänge, eine geringere Eingangskapazität, etc. In ähnlicher Weise kann eine hohe Versorgungsspannung VDD zu einem verbesserten Leistungsverhalten der integrierten Schaltung führen. Für die integrierten Schaltungen, die zum langsamen Bereich gehören, ist die Betriebsgeschwindigkeit auf Grund von Faktoren, etwa einer geringen VDD und einem hohen Vt, geringer. Von besonderem Interesse ist hierin das variierende Leistungsverhalten von Ausgangstreiberschaltungen auf Grundlage von Prozess-, Spannungs- und/oder Temperatur-(PVT)Schwankungen.
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In der
US 6 690 192 B1 wird ein stromkompensierter CMOS Puffer beschrieben, in dem, wenn die Temperatur niedrig, Vcc hoch und der Prozess schnell ist, und in dem der Strom durch Einstellen der Steuerspannung reduziert werden kann, wodurch die Entladungsgeschwindigkeit eines Gateknotens verringert wird.
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Leistungsschwankungen auf Grund von Prozessen, Spannungen und Temperatur machen es schwierig sicherzustellen, dass die Erfordernisse im Hinblick auf die Anstiegsrate über normale Prozessschwankungen hinweg eingehalten werden. D. h., ein Ausgangssignal kann sich zu rasch oder zu langsam ändern, um die Erfordernisse im Hinblick auf die Anstiegsrate zu erfüllen.
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Überblick über die Erfindung
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Es wird ein Verfahren mit folgenden Schritten bereitgestellt:
Reduzieren der Schwankung der Anstiegsgeschwindigkeit eines Ausgangssignals einer Ausgangstreiberschaltung in einer integrierten Schaltung durch Erzeugen und Zuleiten eines ersten Stromes zu einem Knoten, der mit einem Gate eines ersten Transistors der Ausgangstreiberschaltung verbunden ist, wobei der erste Strom eine Stärke aufweist, die umgekehrt proportional zu einem Strom ist, der auf Grund von Prozess-, Spannungs-, und/oder Temperaturschwankungen variiert;
Zuleiten eines zusätzlichen Stromes zu dem Knoten, der mit dem Gate des ersten Transistors der Ausgangstreiberschaltung verbunden ist, über eine Feedback-Schaltung, wenn das Ausgangssignal der Ausgangssignaltreiberschaltung sich einem vorgegebenen Ausgangswert nähert, wobei der Ausgangswert einem Wert eines ersten oder zweiten Versorgungsspannungsknotens entspricht.
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Weiterhin wird eine integrierte Schaltung bereitgestellt mit:
einer Ausgangsschaltung mit einem ersten Transistor, der einen Ausgangsanschluss der integrierten Schaltung mit einem ersten Versorgungsspannungsknoten verbindet, wenn von der Ausgangsschaltung auszugebende Daten einen ersten Wert aufweisen, wobei ein Gate des ersten Transistors mit einem ersten Knoten verbunden ist, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Strom zu empfangen, der umgekehrt proportional zu einem Strom ist, der auf Grund von Prozess-, Spannungs-, und/oder Temperaturschwankungen variiert; und
einem oder mehreren zusätzlichen Transistoren, die mit dem ersten Knoten verbunden sind, wobei der eine oder die mehreren zusätzlichen Transistoren dazu ausgebildet sind, einen zusätzlichen Strom an den ersten Knoten zu liefern, wenn ein Ausgangssignal der Ausgangsschaltung einen gegebenen Ausgangswert erreicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung kann besser verstanden werden und ihre zahlreichen Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden für den Fachmann ersichtlich, indem auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
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1 zeigt einen Bereich zum Spannungsherunterziehen einer Ausgangsstufe einer integrierten Schaltung.
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2 ist eine Blockansicht auf höherer Ebene, wobei ein Gatestrom bereitgestellt ist, der umgekehrt proportional zu Schwankungen im Betriebsverhalten auf Grund der Prozesse, der Spannung und der Temperatur ist.
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3 zeigt ein nicht-erfindungsgemäßes Beispiel der Referenzstromerzeugungsschaltung, die in 2 gezeigt ist.
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4 zeigt ein Beispiel der Erzeugungsschaltung für prozessabhängige Ströme, die in 2 gezeigt ist.
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5a ist eine vereinfachte Ansicht, in der ein ein nicht-erfindungsgemäßes Beispiel einer Ausgangspufferschaltung gezeigt ist, die die hierin beschriebene Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit verwendet.
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5b zeigt eine weitere Darstellung eines Integrators, der durch die in 5a gezeigte Schaltung gebildet ist.
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6 zeigt die Funktionsweise der Subtrahierschaltung in 2, die den in 5 verwendeten Strom bereitstellt.
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7 zeigt, wie sich die Pufferspannung in Reaktion auf eine Änderung von Vin mit einem konstanten Iin ändert, wobei Vin die Spannung an dem Gate des Ausgangstransistors ist.
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8 zeigt eine ein nicht-erfindungsgemäße Ausgangspufferschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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9 zeigt ein weiteres nicht-erfindungsgemäßes Beispiel, in dem der erzeugte Referenzstrom umgekehrt proportional zum Betriebsverhalten entsprechend zu beispielsweise Prozessvariationen ist.
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10 zeigt den Verlauf eines Stromes, der eine stärkere inverse Prozessabhängigkeit im Vergleich zum Strom in 9 aufweist.
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11 die Funktionsweise eines weiteren ein nicht-erfindungsgemäßen Beispiels, wobei ein Strom verwendet wird, der sich in der in 9 und 10 gezeigten Weise verhält.
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Art bzw. Arten zum Ausführen der Erfindung
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In 1 ist ein Bereich zur Spannungsabsenkung auf ein bestimmtes Potential bzw. ein Bereich zum Herunterziehen einer Ausgangsstufe einer integrierten Schaltung gezeigt.
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Durch einen Transistor 101, der, wenn er als Resultat eine Signals DATA mit dem Wert 0, das auf einen Knoten 102 zugeleitet wird, eingeschaltet wird, wird die Kontaktfläche 103 auf einen tiefen Pegel herabgezogen. Mit einem idealerweise konstanten Gatestrom aus einer Stromquelle 107 gibt es eine beträchtliche (mehr als 2:1) Schwankung in der Ausgangsanstiegsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Prozessen, Spannungen und der Temperatur (PVT). Wenn der Gatestrom stattdessen eine inverse Abhängigkeit zu den Größen PVT aufweist, d. h., der Gatestrom nimmt ab, wenn das Leistungsvermögen auf Grund der Änderung in den Größen PVT zunimmt, läge der Gatestrom näher an dem Gatestrom, der für eine konstantere oder im Wesentlichen konstante Ausgangsanstiegsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Schwankungen im Prozess, der Spannung und/oder der Temperatur erforderlich wäre.
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In 2 wird in einem Blockdiagramm auf höherer Ebene ein nicht-erfindungsgemäßes Beispiel dargestellt, das einen Gatestrom liefert, der umgekehrt abhängt von Leistungsschwankungen auf Grund von Prozessen, der Spannung der Temperatur. D. h., wenn das Leistungsvermögen ansteigt, nimmt der Strom ab, und umgekehrt. In dem in 2 dargestellten Beispiel wird ein Referenzstrom in einer Referenzstromerzeugungsschaltung 201 erzeugt und ein prozessabhängiger Strom wird in der Schaltung 203 zum Erzeugen eines prozessabhängigen Stromes erzeugt. Der prozessabhängige Strom wird dann von dem Referenzstrom in der Subtrahierschaltung 205 subtrahiert. Der resultierende Strom wird als ein Gatestrom für einen Transistor in der Ausgangstreiberstufe 207 bereitgestellt.
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3 zeigt ein ein nicht-erfindungsgemäßes Beispiel einer Referenzstromerzeugungsschaltung 201. Ein externer Widerstand REXT 301 ist mit einem Ausgangsanschluss der integrierten Schaltung an der Kontaktfläche 303 verbunden. Da der Widerstand ein externer Widerstand ist, kann ein Hochpräzisionswiderstand, beispielsweise mit einer Genauigkeit von besser als 1%, verwendet werden. Die an der Kontaktfläche 303 anliegende Spannung wird mit einer Spannung VREF 310 verglichen, die dem Komparator 305 von dem Spannungsteiler, der aus Widerständen 307 und 308 gebildet ist, zugeführt wird. Der Strom durch den variablen Widerstand (RTRIM) 309 wird durch Transistoren 311 und 315 gespiegelt. Der Referenzstrom IOut, wird als das Ausgangssignal der Referenzstromerzeugungsschaltung 201 verwendet.
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Während des Betriebs ändert sich die Spannung der Kontaktfläche 303 auf Grund des veränderlichen Widerstandes 309, bis der Komparator 305 eine Übereinstimmung zwischen der Spannung an der Kontaktfläche 303 und der dem Komparator von dem Spannungsteiler zugeführten Spannung erkennt. Wenn eine Übereinstimmung eintritt, ist durch eine bekannte Spannung an der Kontaktfläche 303, die durch VIO und die Widerstände 307 und 308 festgelegt ist, und einen bekannten Widerstand bei REXT 301 ein Strom festgelegt, der intern gespiegelt wird, um den Referenzstrom IOut zu bilden.
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In einem nicht-erfindungsgemäßen Beispiel, die in
3 gezeigt ist, ist der Widerstand
301 R
EXT = 114 Ω, N = 37 (wobei N das Verhältnis der Transistorgrößen ist), der Widerstand
309 R
TRIM = N × R
EXT und I
OUT durch den Transistor
315 beträgt:
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Zu beachten ist, dass, wenn die Spannung VIO eine unakzeptable große Schwankung aufweist, eine stabilere Spannungsversorgung verwendet werden kann. Andere Fehler in dem Ausgangsstrom IOut können auf Grund eines nicht genau übereinstimmenden N-Verhältnisses für die Transistoren 311, 313 und 315 hervorgerufen werden. Eine geringe Verstärkung in der Differenzverstärkung in dem Komparator 305 kann ebenfalls einen Fehler hervorrufen.
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In 4 sind nicht-erfindungsgemäße Beispiele einer Schaltung zum Erzeugen von prozessabhängigen Strömen 203 dargestellt. Die Beispiele in 4 zeigen den Verlauf eines prozessabhängigen Stromes, der proportional zum Leistungsverhalten ist, wobei PMOS-Transistoren 401, 403 und 405 und NMOS-Transistoren 411, 413 und 415 verwendet werden. Der Strom proportional zum Leistungsverhalten, der als IPVT dargestellt ist und von der Substrahierschaltung 205 (siehe 2) verwendet wird, um einen Gatestrom zu erhalten, wird zum Ansteuern eines Transistors in der Ausgangsstufe 207 verwendet. Es können zwei Subtrahierschaltungen verwendeten werden, um einen Strom zu dem Hochzieh- und Herunterziehbereich der Ausgangstreiberschaltung zu führen. Der prozessabhängige Strom wird von dem Referenzstrom abgezogen und der resultierende Strom dient als eine Stromreferenz zum Ansteuern des Ausgangstransistors, der den Ausgangsanschluss mit der hochpegeligen oder tiefpegeligen Versorgungsspannung in der Ausgangsstufe verbindet.
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Für jene integrierten Schaltungen, die in dem schnellen Bereich liegen, wird der prozessabhängige Strom, der von dem in 4 gezeigten Schaltungen bereitgestellt wird, einen höheren Wert im Vergleich zu jenen integrierten Schaltungen aufweisen, die zu dem langsamen Bereich gehören, für den der prozessabhängige Strom geringer ist. Ohne die technische Lehre, die hierin offenbart ist, würden jene integrierte Schaltungen, die zum schnellen Bereich gehören, und jene die zum langsamen Bereich gehören, unakzeptabel unterschiedliche Anstiegsgeschwindigkeiten aufweisen.
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5a ist eine vereinfachte Ansicht, in der eine Ausgangspufferschaltung gezeigt ist, in der die hierin offenbarte Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit verwendet ist. Stromreferenzen 501 und 503 liefern einen Storm zu den Gates von Transistoren 505 und 507, die die Kontaktfläche 502 entsprechend dem Steuersignal auf ein höheres oder tieferes Spannungsniveau ziehen, wobei die Steuersignale den Gates der Transistoren 505 und 507 zugeleitet sind. Andere Bereiche des Ausgangstreibers, etwa die in 1 gezeigten zusätzlichen Details, sind der Einfachheit halber hier weggelassen. Der Bereich des Ausgangstreibers zum Herunterziehen, der die Stromreferenz 503 enthält, liefert Strom (der in einer Weise erzeugt wird, wie dies in Bezug zu 2 beschrieben ist) zu dem Gate von Transistoren 507. Ein Integrator ist in der Ausgangsstufe gebildet und enthält den Transistor 507 und die Gate-Drain-Kapazität Cgd 509, die mit dem Transistor 507 verknüpft ist. Der Hochziehbereich des Ausgangspuffers arbeitet in ähnlicher Weise.
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Der durch die in
5a gezeigte Schaltung gebildete Integrator kann auch in der in
5b gezeigten Weise vorgesehen werden. Der Integrator enthält eine Stromquelle
510, die einen Verstärker
511 mit einer Verstärkung Av versorgt, und enthält einen Kondensator
512. Die Stromquelle
510 repräsentiert die Stromquelle
501 oder
503 und der Kondensator
512 ist die Gate-Drain-Kapazität, die mit dem Transistor
505 oder
507 verknüpft ist. Der Integrator in
5 arbeitet gemäß der folgenden Gleichung:
wobei C eine Konstante ist. Für einen großen Wert Av beträgt die Anstiegsrate, bevor der Eingang den Schwellwert des Verstärkers an dem Gate erreicht:
wobei nI
REF der Strom ist, der von der Stromquelle
510 geliefert wird. Während des Ausgebens beträgt die Anstiegsgeschwindigkeit:
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6 zeigt die Funktionsweise der Subtrahierschaltung 205 in 2, die den in 5 verwendeten Strom liefert. Der Referenzstrom IREF 601 wird von der Referenzstromerzeugungsschaltung 201 geliefert. Dieser Strom kann im Wesentlichen im Hinblick auf Prozess- und Spannungsschwankungen konstant sein oder kann eine gewisse Schwankung aufweisen, wie dies zuvor beschrieben ist. Der prozessabhängige Strom IPVT 603, der beispielsweise von dem in 4 gezeigten Schaltungen erzeugt wird, wird von dem Referenzstrom abgezogen und der resultierende Strom ISLEW wird als Gatestrom beispielsweise dem Transistor 507 (siehe 5) zugeführt. Zu beachten ist, dass der Gatestrom ISLEW kleiner wird, wenn das Leistungsvermögen ansteigt.
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7 zeigt, wie die Spannung an der Anschlussfläche und Vin sich ändert, wenn ein konstanter Iin (siehe 510 in 5) angenommen wird, wobei Vin die Spannung an dem Gate des Ausgangstransistors (z. B. der Transistor 507 in 5) ist, der die Kontaktfläche mit einer Versorgungsspannung (d. h. hohe Versorgungsspannung oder Masse) verbindet, und Av repräsentiert die Verstärkung der Ausgangsschaltung. Zu beachten ist, dass Iin die Eingangskapazität vor und nach einer Richtungsänderung des Ausgangssignals schneller auflädt.
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8 zeigt eine Ausgangspufferschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Referenzstrom, der z. B. wie in 3 dargestellt erzeugt wird, wird einem Knoten 801 zugeführt. Die Schaltungen zum Erzeugen prozessabhängiger Ströme 803 und 805 stellen den Strom bereit, der direkt entsprechend dem Leistungsverhalten auf Grund von z. B. Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen variiert. Die Schaltungen zum Erzeugen prozessabhängiger Ströme 803 und 805 liefern Ströme zu dem Summationsknoten 807 bzw. 809, in denen eine Kopie des Referenzstromes, der auf dem Knoten 801 bereitgestellt wird, erzeugt wird. Der prozessabhängige Strom wird von dem Referenzstrom an den Summationsknoten 807 und 809 subtrahiert, um den Gatestrom 605 (ISLEW) zu erzeugen, der in 6 gezeigt ist. Wenn die Eingangsdaten, die dem Knoten 815 zugeleitet werden, den Wert Null besitzen, wird ein Strom in dem Zweig 807a erzeugt, der einen Wert von IREF–IPVT besitzt, der dem Gate des Transistors 811 über einen Knoten 862 und den Transistor 812 zugeleitet wird. Der Transistor 812 dient als ein Durchlassgate, das so gesteuert ist, dass es leitend ist, wenn die Anstiegssteuerung verwendet wird. Es kann in gewissen Ausführungsformen ausgeschaltet werden, wenn der Ausgangspuffer so gestaltet ist, dass er ohne die Anstiegssteuerung arbeitet, um einen Schutz bereitzustellen, wenn VIO 3,3 Volt beträgt. In dem Anstiegssteuerungsmodus in der dargestellten Ausführungsform beträgt VIO für 1,5 Volt.
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Wenn die an dem Knoten 815 bereitgestellten Daten den Wert 1 besitzen, wird ein Strom im Zweig 809a erzeugt, der einen Wert von IREF–IPVT besitzt, der dem Gate eines Hochzieh-Transistors 817 über einen Knoten 860 und einen Durchlasstransistor 818 zugeleitet wird, der ähnlicher Weise ausgebildet ist, wie der Durchlasstransistor 812. Der Transistor 814 liefert eine Rückkopplung, um eine Voransteuerungsauslenkung zu ermöglichen.
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Obwohl dies für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist, können die Steuereingänge CTL1, CTL2, CTL3 und CTL4 so konfiguriert sein, dass ein Betrieb im 3,3 Volt-Modus in Verbindung mit anderen Schaltungen (nicht gezeigt) möglich ist, in denen ein Anstiegssteuerung nicht verwendet wird. Dies ermöglicht es, dass der gleiche Ausgangstreiber für unterschiedliche Betriebsarten eingesetzt wird, um die Ausgangskapazität in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung zu begrenzen. Beim Betrieb mit 3,3 Volt wird die Anstiegssteuerung nicht verwendet, so dass Details für das Bereitstellen dieser Fähigkeit weggelassen werden, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind. Im asymmetrischen Steuerungsmodus und bei VIO ungefähr 1,5 Volt sind CTL1, CTL2 und CTL4 ungefähr 3,3 Volt und CTL3 = 0.
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Zu beachten ist, dass die Eingangs/Ausgangs-Logik häufig auf einer unterschiedlichen Leistungsebene angeordnet sind, wobei z. B. VIO im Gegensatz zu VDD Verwendung findet, wobei geeignete Schaltungen erforderlich sein können, um eine Verbindung zwischen den zwei Leistungsebenen herzustellen, z. B. wenn Daten auf einem Knoten 815 empfangen werden, in einer Weise, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
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8 zeigt auch eine Ausführungsform, in der eine zusätzliche Hochzieh- oder Herabzieh-Schaltung vorgesehen ist, um den Voransteuerungsschalter bereitzustellen. Derartige Schaltungen können eingesetzt werden, um eine Änderung im Logikpegel innerhalb der zugeordneten Zeit zu erreichen, beispielsweise in einer Bitzeit. In der dargestellten Ausführungsform wird der Wert an der Ausgangskontaktfläche 869 an den Knoten 850 zurückgespeist, wodurch der Transistor 851 oder der Transistor 853 eingeschaltet wird. Wenn daher der Wert der Ausgangskontaktfläche einen Sollwert erreicht, wird die Voransteuerung rascher bewerkstelligt. Wenn beispielsweise die Ausgangskontaktfläche sich einem Logikwert von 1 annähert, wird die Spannung an den Knoten 850 zurückgekoppelt, wodurch der Transistor 853 beginnt durchzuschalten. Der Transistor 855 ist bereits auf Grund des Wertes der an dem Knoten 815 eingespeisten Daten durchgeschaltet. Somit wird der Knoten 869 in der zugeordneten Zeit vollständiger herabgezogen. Dies hilft, eine Beendigung der Einschwingzeit der internen Knoten in der zugewiesenen Zeit sicherzustellen, um damit eine Zwischensymbol-Störung (ISI) zu vermeiden.
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In
9 ist in eine weiteres ein nicht-erfindungsgemäßes Beispiel gezeigt, in dem der Referenzstrom direkt abhängig von dem Leistungsverhalten, das beispielsweise von Prozessschwankungen abhängt. Der Referenzstrom
wobei V
gs eine Funktion des Prozesses, der Spannung und der Temperatur und der Widerstandstoleranz ist. Gemäß
10 wird ein Strom I
PVT, erzeugt, der eine stärkere Prozessabhängigkeit besitzt,
Sodann wird I
PVT von I
REF abgezogen, um den Gatestrom I
SLEW zu erzeugen, der in
11 gezeigt ist. Zu beachten ist, dass der resultierende Strom I
SLEW weiterhin umgekehrt in Beziehung steht zum Leistungsverhalten, da I
PVT einen steileren Verlauf als I
REF aufweist. Zu beachten ist ferner, dass wie in
11 gezeigt ist, bei einer Änderung von R der Strom I
PVT und der Strom I
REF ebenso variieren. Minimale und maximale Kurvenverläufe sowohl für I
REF und I
PVT auf Basis von R sind dargestellt. Für I
REF ist eine einzelne Kurve gezeigt, wobei die Kurve auch variieren kann in Abhängigkeit davon, welche Werte für I
PVT und I
REF verwendet werden, um I
SLEW zu erzeugen.