DE1537263B2 - Treiberschaltung mit mos feldeffekttransistoren - Google Patents

Treiberschaltung mit mos feldeffekttransistoren

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DE1537263B2 DE19671537263 DE1537263A DE1537263B2 DE 1537263 B2 DE1537263 B2 DE 1537263B2 DE 19671537263 DE19671537263 DE 19671537263 DE 1537263 A DE1537263 A DE 1537263A DE 1537263 B2 DE1537263 B2 DE 1537263B2
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    • H03K5/023—Shaping pulses by amplifying using field effect transistors

Description

1 2
Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung mit einen relativ hohen Widerstand darstellenden ersten
MOS-Feldeffekttransistoren (MOS-FETs). Derartige Schalters eine Ladung, und die Spannung am G-PoI
Treiberschaltungen können in Verbindung mit Tor- des ersten MOS-FETs erhöht sich über den Konden-
steuerschaltungen verwendet werden. sator, jedoch bleibt die Spannungsdifferenz zwischen
Die bekannten Torsteuerschaltungen mit MOS- 5 dessen G-PoI und dem Ausgang konstant. Die rück-
FETs liefern gewöhnlich keinen ausreichenden Strom gekoppelte Spannung hält den ersten MOS-FET im
für die nachfolgenden Stufen. Es ist daher nötig, leitenden Zustand und bringt den Ausgang auf den
eine Treiberschaltung zwischen eine Torsteuerschal- Wert der Versorgungsspannung,
tung und die folgenden Stufen einzufügen, um den Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Er-
für die nachfolgenden Stufen verfügbaren Strom so- io findung an Hand der F i g. 1 bis 6 erläutert. Es zeigt
wie die Spannung zu erhöhen. Eine derartige Trei- F i g. 1 ein Schaltbild der Treiberschaltung gemäß
berschaltung sollte nur wenig Platz in Anspruch neh- der Erfindung in einer ersten Ausführungsform mit
men und einen möglichst geringen Leistungsverbrauch kapazitiver Rückkopplung,
aufweisen. F i g. 2 ein Schaltbild der Treiberstufe nach F i g. 1
Die bekannten Treiberschaltungen haben einen 15 mit einer Gegentaktstufe,
großen Leistungsverbrauch und sind wegen des F i g. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungs-
Schwellenspannungsabfalls zwischen der Betriebs- form der Treiberschaltung gemäß der Erfindung mit
spannung und der Ausgangsspannung eines MOS- einem weiteren Schalter und einem Verzögerungs-
FETs nicht ausreichend wirksam, d. h., die Ausgangs- kondensator,
Spannung einer Treiberschaltung ist gewöhnlich 20 F i g. 4 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsweniger negativ als die Betriebsspannung, und zwar form der Treiberschaltung gemäß der Erfindung mit um den Wert der Schwellenspannung für jede Trei- einem Verzögerungskondensator und einem Verzögeberstufe. Da bei den meisten Treiberschaltungen rungswiderstand,
wenigstens zwei Stufen verwendet werden, ist die F i g. 5 eine Aufsicht auf eine im Diffusionsverfah-
Ausgangsspannung der letzten Stufe um den Wert 35 ren hergestellte Treiberschaltung der F i g. 1 und
zweier Schwellenspannungen niedriger als die Be- F i g. 6 den Verlauf verschiedener Spannung der
triebsspannung. Für einen gegebenen Wert der Aus- Treiberschaltung der Fig. 1.
gangsspannung muß daher die Betriebsspannung er- Die in F i g. 1 dargestellte Treiberschaltung weist
höht werden, um den Spannungsabfall auszugleichen. einen ersten MOS-FET 5 auf, dessen D-Pol mit dem
Eine erhöhte Betriebsspannung bewirkt jedoch einen 30 einen Pol — V einer Spannungsquelle verbunden ist.
erhöhten Leistungsverbrauch der Treiberschaltung. An dem S-PoI 10 des Transistors 5 liegt der Aus-
Eine Erhöhung der Betriebsspannung kann auch eine gang 3 der Treiberschaltung, und zwischen den S-PoI
neue Dimensionierung anderer Schaltungen oder die 10 und den G-PoI 4 ist ein Kondensator C geschaltet.
Verwendung von zwei Betriebsspannungen erforder- Zwischen den einen Pol — F der Spannungsquelle
lieh machen. 35 und den G-PoI 4 ist ein erster Schalter in Form eines
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zweiten MOS-FETs 7 geschaltet, dessen G-PoI 8 und eine Treiberschaltung mit MOS-Feldeffekttransisto- dessen D-Pol 9 mit dem einen Pol — F der Spanren zu schaffen, bei der der Einfluß der Schwellen- nungsquelle verbunden sind und dessen S-PoI 6 mit spannung der Feldeffekttransistoren auf die Aus- mit dem G-PoI 4 des ersten MOS-FETs verbungangsspannung der Treiberschaltung möglichst ge- 4° den ist.
ring ist. Ein zweiter Schalter in Form eines dritten MOS-
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der D-Pol FETs 12 ist zwischen den Eingang und den Auseines ersten MOS-FETs mit dem einen Pol einer gang 3 der Treiberschaltung geschaltet. An seinem Spannungsquelle verbunden ist, daß ein Kondensator G-PoI 13 liegt der Eingang der Treiberschaltung. Sein zwischen den S-PoI, an dem der Ausgang der 45 D-Pol 9 ist mit dem Ausgang 3 der Treiberschaltung Treiberschaltung liegt, und den G-PoI geschaltet ist bzw. dem S-PoI 10 des ersten Transistors 5 verbun- und die Spannung des S-PoIs zu dem G-PoI zurück- den. Der S-PoI des Transistors 12 liegt an dem andekoppelt, nachdem der Kondensator geladen ist, um ren Pol, dem Massepol der Spannungsquelle,
den ersten MOS-FET in den leitenden Zustand zu Die Treiberschaltung der Fig. 1 arbeitet wie folgt: bringen, daß zwischen den einen Pol der Spannungs- 5° Wenn der am Eingang der Treiberschaltung liegende quelle und den G-PoI ein erster Schalter geschaltet Transistor 12 durch ein negatives Eingangssignal in ist, der während der Ladung des Kondensators einen den leitenden Zustand gebracht wird, tritt am Ausrelativ niedrigen und nach der Ladung des Konden- gang 3 der Treiberschaltung und am S-PoI 10 des sators einen relativ hohen Widerstand darstellt, und Transistors 5 das Potential des anderen Pols der daß ein zweiter Schalter vorgesehen ist, an dessen 55 Spannungsquelle, also das Massepotential auf. Dies Steuerelektrode der Eingang der Treiberschaltung geht auch aus den Kurven α und b der F i g. 6 hervor, liegt und der den S-PoI des ersten MOS-FETS bzw. Der Transistor 7 bleibt leitend, da dessen G-PoI mit den Ausgang der Treiberschaltung während der La- dem — F-PoI der Spannungsquelle verbunden ist und dung des Kondensators mit dem anderen Pol der daher mindestens um die Schwellenspannung F7- des Spannungsquelle verbindet und nach der Ladung des 60 Transistors 7 negativer ist als sein S-PoI 6.
Kondensators von diesem trennt. Bei dieser Treiber- Während der Zeit, in der der Transistor 12 leitend schaltung wird, falls am Eingang ein geeignetes Signal ist, wird der Kondensator C auf die Spannung — F anliegt, das den zweiten Schalter öffnet, der Konden- der Spannungsquelle zuzüglich der Schwellenspansator über den einen relativ niedrigen Widerstand nung F7- des Transistors 7 aufgeladen. Die Ladung darstellenden ersten Schalter auf die Spannung des 65 des Kondensators entspricht der Differenz zwischen einen Pols der Spannungsquelle aufgeladen. Wenn der am Ausgang 3 der Treiberschaltung liegenden jedoch am Eingang nicht ein geeignetes Signal an- Spannung und der Spannung des G-PoIs 4. Da die liegt, hält der Kondensator infolge des nunmehr Ausgangsspannung etwa O V beträgt, wird der Kon-
densator auf die obengenannte Spannung aufgeladen. In F i g. 6 zeigt die Kurve c die Spannung des Kondensators C und des G-PoIs des Transistors 5. Ist der Kondensator voll aufgeladen, so wird der Transistor 7 gesperrt, so daß er zwischen dem Kondensator C und der Spannungsquelle einen relativ großen Widerstand darstellt, während er während der Ladung des Kondensators C einen niedrigen Widerstand bildet. Obwohl dieser Widerstand verhältnismäßig groß ist, fließt ein kleiner Strom, der die in F i g. 6 in der Kurve c dargestellten Spitzen verursacht.
Tritt am Eingang der Treiberschaltung nicht das richtige Signal auf, so wird die Ausgangsspannung negativ. Da die Ausgangsspannung über den Kondensator C zu dem G-PoI 4 des Transistors 5 zurückgekoppelt wird, wird der G-PoI negativer als der Ausgang, und zwar um mindestens 2 Schwellenspannungen. Der Transistor bleibt leitend, bis der Ausgang die Spannung — F erreicht, wie die Kurve b in Fig. 6 zeigt.
Ohne Verwendung des Kondensators C könnte die Ausgangsspannung nicht negativer als die Spannung — V zuzüglich der beiden Schwellenspannungen der Transistoren 5 und 7 werden. Da der G-PoI immer um wenigstens eine Schwellenspannung negativer sein muß als der S-PoI und da die an dem S-PoI des MOS-FETs 7 und des G-PoIs 4 liegende Spannung um eine Schwellenspannung niedriger ist als die Spannung — V, ist die an dem S-PoI des Transistors 5 liegende Spannung um eine Schwellenspannung klei- ■ ner als die an der Steuerelektrode auftretende Spannung. Ohne den Kondensator C wäre daher die Ausgangspannung um zwei Schwellenspannungen weniger negativ als die Spannung der Spannungsquelle.
Da in der Treiberschaltung notwendigerweise Kapazitäten und Streukapazitäten auftreten, die schematisch mit C1 bezeichnet sind, muß der Wert des Kondensators C so gewählt werden, daß die auf die Kondensatoren verteilte Ladung die gewünschte Spannungszunahme an den G-PoI 4 des Transistors 5 bewirkt.
Wenn C1 viel kleiner als C ist, wird die Arbeitsweise der Schaltung nur geringfügig beeinflußt. Ist jedoch C1 nicht klein gegenüber C, so verteilt sich die Ladung auf die beiden Kapazitäten, und die an dem G-PoI 4 auf tretende effektive Spannung wird vermindert. Sind z. B. beide Kapazitäten gleich groß, so verteilt sich die Ladung !gleichmäßig auf die beiden Kondensatoren. Da bei der Ausführungsform der F i g. 1 die Erhöhung der an dem G-PoI liegenden Spannung wenigstens gleich zwei Schwellenspannungen sein sollte, muß die Differenz zwischen der Spannung des Ausgangs und des G-PoIs gleich oder größer zwei Schwellenspannungen sein, damit der Transistor 12 völlig leitet.
Der Transistor 7, der zwischen den Kondensator C und die Spannungsquelle geschaltet ist, kann auch durch einen verhältnismäßig großen Widerstand oder eine Diode, die die Ladung des Kondensators halten, während der Ausgang negativ ist, ersetzt werden.
Der Transistor 5 wirkt als geschalteter Widerstand, der einen großen Widerstand aufweist, wenn der Transistor 12 leitend ist, und der einen verhältnismäßig kleinen Widerstand aufweist, wenn der Transistor 12 gesperrt ist. Dies bedeutet, daß der Widerstandswert der Treiberschaltung kleiner wird, wenn die an der Steuerelektrode liegende Spannung ansteigt. Wegen des kleineren Widerstandes kann der Transistor rascher aus dem gesperrten in den leitenden Zustand übergehen und kann direkt als Ausgangstreiberstufe verwendet werden, ohne daß eine Gegentaktstufe erforderlich ist, wie in F i g. 2 gezeigt ist. Der Transistor kann ferner kleiner als üblicherweise sein, d. h., ein Transistor mit einem höheren gm kann verwendet werden, ohne daß die üblichen Spannungsteilerschwierigkeiten zwischen den Transistoren 5 und 7 auftreten. Solange die Spannung zwischen der Steuerelektrode und dem S-PoI konstant bleibt, wirkt der Transistor als konstante Spannungsquelle.
Die in F i g. 2 dargestellte Schaltung weist zusätzlich eine Gegentaktstufe 16 auf, die aus den MOS-FETs 17 und 18 besteht. Tritt am Eingang ein negatives Signal auf, so werden die Transistoren 18 und 12 leitend, während der Transistor 17 leitend wird, wenn der Ausgang 3 negativ wird. Der Transistor 17 wird verhältnismäßig groß dimensioniert, so daß er mehr Strom führen kann als der Transistor 5. Im übrigen ist die Schaltung der F i g. 2 der der F i g. 1 gleich.
In F i g. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Treiberschaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Treiberschaltung weist vier MOS-FETs 20, 21, 26 und 27 auf. Der Kondensator C ist zwischen die D-Pole 22 und 23 der Transistoren 20 und 21 und die S-PoIe 24 und 25 der Transistoren 26 und 27 geschaltet. Der Ausgang ist mit dem S-PoI 24 und dem D-Pol 22 der Transistoren 20 bzw. 26 verbunden. Zwischen den Ausgang und Masse ist ein Verzögerungskondensator Cd geschaltet. Die sich durch den schaltungstechnischen Aufbau ergebenden Kapazitäten sind durch den Kondensator C1 angedeutet. Der G-PoI 28 des Transistors 26 ist ebenfalls mit der einen Seite des Kondensators C verbunden. Der G-PoI des Transistors 27 ist an den — F-PoI der Spannungsquelle angeschlossen, so daß der Transistor im leitenden Zustand gehalten wird. Der Transistor 20 dient als weiterer Schalter.
Liegt am Eingang der Treiberschaltung das richtige Signal an, so werden die Transistoren 20 und 21 leitend, und beide Anschlüsse des Kondensators C werden auf Massepotential gelegt. Liegt dagegen am Eingang der Treiberschaltung nicht das richtige Signal an, so werden die Transistoren 20 und 21 gesperrt, und der S-PoI des Transistors 27 wird um den Wert der Spannungsquelle zuzüglich der Schwellenspannung des Transistors negativ.
Der Verzögerungskondensator Cd verhindert, daß der Ausgang negativ wird, und zwar so lange, bis der Kondensator C sich auf die Spannung aufgeladen hat, die an dem S-PoI des Transistors 27 liegt. Die Ausgangsspannung wird negativ, wenn der Kondensator Cd aufgeladen ist und wird, wie bei der Schaltung der Fig. 1, auf den Wert — V gebracht.
Der zusätzliche Schalttransistor 20 bewirkt demnach, daß der G-PoI 28 des Transistors 26 mit dem Massepol der Spannungsquelle verbunden wird, während der Ausgang der Treiberschaltung mit dem — F-PoI der Spannungsquelle verbunden ist, und daß der G-PoI 28 vor der Ladung des Verzögerungskondensators Cd von dem Massepol der Spannungsquelle getrennt wird.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Treiberschaltung gemäß der Erfindung arbeitet im wesentlichen wie die zuvor beschriebenen Treiber-
schaltungen. Ein Verzögerungskondensator Cd und ein Verzögerungswiderstand Rd, die zwischen den Eingang der Treiberschaltung und den Massepol der Spannungsquelle geschaltet sind, verzögern die durch den zweiten Schalter 30 bewirkte Trennung des Ausgangs 31 der Treiberschaltung von dem Massepol der Spannungsquelle, während der Verzögerungskondensator Cd über den Verzögerungswiderstand Rd auf den Wert der Eingangsspannung aufgeladen wird. Damit wird erreicht, daß die Ausgangsspannung dieser Schaltung verzögert negativ wird. Der den Widerstand Rd bildende Transistor wird als Zeitkonstantwiderstand benutzt und bleibt leitend, da dessen G-PoI mit dem —F-PoI der Spannungsquelle verbunden ist. Wenn das richtige Signal an dem Eingang der Treiberschaltung anliegt, so wird Cd auf den Wert der Eingangssignalspannung aufgeladen; dies ist bei der dargestellten Ausführungsform ein negatives Spannungssignal. Liegt dagegen am Eingang nicht das richtige Signal an, so wird der Kondensator Cd über den Widerstand R1, auf Massepotential entladen. Der Transistor 30 bleibt so lange leitend, bis der Kondensator C sich auf den Wert der Spannung aufgeladen hat, die an dem S-PoI des Transistors 31 vorhanden ist. Danach wird der Ausgang negativ und erreicht schließlich den Wert — F.
F i g. 5 zeigt die Anordnung der Bauelemente der Treiberschaltung der F i g. 1 bei Anwendung an sich bekannter Diffusionsverfahren.
30

Claims (6)

  1. Patentansprüche:
    ■■·■ 1. Treiberschaltung mit MOS-Feldeffekttransistoren (MOS-FETs), dadurch gekennzeichnet, daß der D-Pol (15) eines ersten MOS-FETs (5) mit dem einen Pol (-F) einer Spannungsquelle verbunden ist, daß ein Kondensator (G) zwischen den S-PoI (10), an dem der . Ausgang (3) der Treiberschaltung liegt, und den G-PoI (4) geschaltet ist und die Spannung des S-PoIs (10) zu dem G-PoI zurückkoppelt, nachdem der Kondensator geladen ist, um den ersten MOS-FET (5) in den leitenden Zustand zu bringen, daß zwischen den einen Pol der Spannungsquelle und den G-PoI (4) ein erster Schalter (7) geschaltet ist, der während der Ladung des Kon-. derisators (C) einen relativ niedrigen und nach der Ladung des Kondensators (C) einen relativ hohen Widerstand darstellt, und daß ein zweiter Schalter (12) vorgesehen ist, an dessen Steuerelektrode (13) der Eingang der Treiberschaltung liegt und der den S-PoI(IO) des ersten MOS-FETs (5) bzw. den Ausgang (3) der Treiberschaltung während der Ladung des Kondensators (C) mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbindet und nach der Ladung des Kondensators (C) von diesem trennt.
  2. 2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter (7) ein zweiter MOS-FET ist, dessen G-PoI (8) und dessen D-Pol (9) mit dem einen Pol (-F) der Spannungsquelle verbunden sind und dessen S-PoI (6) mit dem G-PoI (4) des ersten MOS-FETs (5) verbunden ist.
  3. 3. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (12) ein dritter MOS-FET ist, dessen G-PoI (13) mit dem Eingang der Treiberschaltung, dessen S-PoI mit dem anderen Pol der Spannungsquelle und dessen D-Pol mit dem Ausgang (3) der Treiberschaltung verbunden ist.
  4. 4. Treiberschaltung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen Verzögerungskondensator (C d, F i g. 3), der zwischen den Ausgang (2) der Treiberschaltung und den anderen Pol der Spannungsquelle geschaltet ist, um die Trennung des S-PoIs (24) des ersten MOS-FETs (26) von dem anderen Pol der Spannungsquelle zu verzögern, bis der Verzögerungskondensator (Cd) geladen ist, wobei die Verzögerung ausreicht, um den Kondensator (C) auf die Spannung der Spannungsquelle zu laden, und durch einen dritten Schalter (20), dessen Steuerelektrode mit dem Eingang der Treiberstufe verbunden ist, um den G-PoI (28) des ersten MOS-FETs (26) mit dem anderen Pol der Spannungsquelle zu verbinden, während der Ausgang der Treiberschaltung mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden ist, und um den G-PoI (28) vor der Ladung des Verzögerungskondensators (C d) von dem anderen Pol der Spannungsquelle zu trennen.
  5. 5. Treiberschaltung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen Verzögerungswiderstand (Rd, F i g. 4) und einen Verzögerungskondensator (C d), die zwischen den Eingang der Treiberschaltung und den anderen Pol der Spannungsquelle geschaltet sind, um die Trennung des Ausgangs (31) der Treiberschaltung von dem anderen Pol der Spannungsquelle durch den zweiten Schalter (30) zu verzögern, während der Verzögerungskondensator (Cd) über den Verzögerungswiderstand (Rd) auf den Wert der Eingangsspannung aufgeladen wird.
  6. 6. Treiberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungswiderstand (R11) ein MOS-FET ist, dessen G-PoI mit dem einen Pol der Spannungsquelle (-F) verbunden ist und dessen weitere Elektroden mit dem Eingang der Treiberschaltung einerseits und der Steuerelektrode des zweiten Schalters (30) andererseits verbunden sind.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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