DE1958618A1 - Niederspannungs-Kopplungselektronik - Google Patents

Description

North American Rockwell Corporation, ί?1 Segundo, Calif/USA

N i fderspaimungs-KoppIurigstiiektronik

Di·* ti-i'indun«; bezieht sich auf tsine Schaltung, vorzugsweise einen MUS—SchaltkruI β, die sinh durch entsprechende Vorspannung zur Einkopplung von opaiiiiungasigtulen relativ geringer Größo in andore Schaltungen, vorzugsweise ebenfalls MOS-Schaltkreise, eignet»

In .Schaltungen, bo i φ Li? Iswn i se eines MUS »Computers, angeordnete MOS-fcl'imente benötigen zur gegenseitigen. Kopplung SpanntmgaHignaJ e relativ großer Amplitude ( 10 - 15 V") . Der Bnerßieliedarf■ Lst dom tiuadrat der Signnlspannung proportional, so daß infolge der hohen Spannung ein beträchtliches Gi'undrauschen in das ^ ys tont kommt«

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ßs ist deshalb eine Kopplungseiektronik anzustreben, die die Kopplung der MO5-Anordnungen mittels Signalen geringer Spannung erlaubt. Dies wird durch, die Erfindung erreicht.

Die Erfindung umfaßt im Prinzip' ein Eingangs-MOS-Element, dessen Schalt- oder Steuerelektrode eine geringfügig über einem Schwellwert liegende Vorspannung aufweist. Infolgedessen läßt sich das Eingangselement durch relativ kleine Spannungen einschalten, die kleiner als die Vorspannung sind. Anders ausgedrückt, darf die Zusatzspannung oder Vorspannung kein absolutes Potential besitzen, das größer ist als die maximale (absolute) Amplitude eines Eingangssignales geringer Größe. Wenn das Eingangssignal von annähernd Massepotential auf negatives Potential wechselt, darf die Zusatzepannung nicht negativer sein als das maximale negative Niveau des Eingangssignales. ¥enn das Signal zwischen annähernd Massepotential und einem positiven Potential wechselt, so darf die Zusatzspannung nicht positiver sein als die maximale positive Größe des Eingangssignales.

Das Eingangselement ist mit einem Ausgangs-MÜS-Eleraent in Reihe gesdaltefc, das als Widerstand arbeitet und mit einer Ausgangselektrode an das Eingangselement angeschlossen ist. Bei eingeschaltetem Eingangseiernent fällt praktisch die ganze Spannung der Spannungsquelle am Ausgangs-MOS-Element ab, so daß der Ausgangsanschluß annähernd an Masse liegt. Bei abgeschaltetem Eingangselement steht am Ausgangsanschluß eine nutzbare Ausgangsspannung an.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Transistor zur Verstärkung des durch das Eingangselement fließenden Stromes zwischen die MOS-Elemente geschaltet, wodurch sich das Eingangselement sehr klein ausführen läßt. Das heißt mit anderen Worten, daß man durch die Verwendung eines Transistors erreichen kann, daß die Elemente unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen, obgleich sie die gleichen Abmessungen besitzen. Ohne die Verwendung des Transistors müßte ein Element erheblich größer sein als das andere.

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Eine Spannung«teHerschaltung arbeitet mit einem Transistor zum Verstärken des durch einen MOS-Viderstand fließenden Stromes, wodurch die Vorspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird, der geringfügig über einem Schwellwert liegt.

Somit wird durch die Erfindung ein Schaltkreis geschaffen, durch den sich Signalspannungen geringer Größe in andere Schaltkreise einkoppeln lassen. Bei der erfindungsgemäßen MOS-Kopplungselektronik sind MOS-Elemente zur Erzeugung eines relativ großen Ausgangesignales als Funktion eines relativ niedrigen Eingangssignales und einer Vorspannung in eine Vorspannungsschaltung gelegt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines MOS-Schaltkreises, der auf relativ kleine Spannungssignale zur Kopplung von Schaltkreisen mit MOS-Elerne ntβη anspricht,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Niedrigspannungs-MOS-Schaltkreiees mit einer aus MOS-Widerständen gebildeten Vorspannungsschaltung,

Fig. 3 eine Weiterentwicklung der Ausführungafora nach Fig. mit einem zweiten MOS-Element, das zwischen eine Spannungsquelle und ein Eingangs-MOS-Element geschaltet ist und di· Schaltzeit des Ausgange· verbessert, und

Flg. k «ine Variant· der Ausführung·form nach Fig. 1.

In Fig. 1 erkennt itn eine MOS-Kopplungsschaltung 1 mit einem Eingangs-MOS-El*m*nt 2, dessen Quellenelektrode 3 «it einem Eingang«anschIuO k und ά····η Abzugselektrod« 5 mit «ine« AusfaBfsanschluß 6 verbunden iet. AuB«rd«aeicht dl« Abxugsel*ktr«4e 5 alt der Aban*·elektrode 7 «la·· NOS-Eleaent·· 8 In V«r%indun(.

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Die Quellenelektrode 9 des MOS-Elementes 8 1st mit der Spannungsquelle verbunden (-V), während seine Steuerelektrode 10 an einer Signalquelle liegt, angedeutet durch 0, die das . Element au bestimmten Zeitpunkten einschaltet.

Die Steuerelektrode Π des MOS-Elementes 2 ist mit der Vorspannungsquelle 12 verbunden, um die Steuerelektrode 11 bis etwas oberhalb der Schwellspannung (V,) des Elementes 2 vorzuspannen. Die Vorspannungsquelle 12 kann eine Vorspannung von beispielsweise V + 2V. liefern. Die Spannung V. kann durch den Spannungsabfall von Dioden gebildet werden, damit die Vorspannung an der Steuerelektrode 11 die Schwellspannung überschreitet, so daß, wenn das Eingangskopplungssignal kleiner ist als die Spannung 2V., das Element 2 eingeschaltet w ird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sei angenommen, daß das Element 2 wesentlich größer ist als das Element 8, s οd aß der Widerstand des Elementes 2 beträchtlicher kleiner ist als der Widerstand des Elementes 8. Xn einer Ausführungsform kann das Widerstandsverhältnis i60 : 1 betragen. Die Bedeutung des Widers tandsvexhältnisses wird im folgenden Abschnitt erläutert.

Wenn die Eingangsspannung kleiner ist als die zusätzliche Vorspannung an der Steuerelektrode des Elementes 2, wird dieses eingeschaltet und der Ausgangsansehluß 6 liegt annähernd an Masse. Angenommen sei, daß das Signal 0 ansteht, so daß das Element 8 ebenfalls eingeschaltet ist. Da der Widerstand des Elementes 2 wesentlich kleiner ist als derjenige des Elementes 8, fällt praktisch die ganze Spannung am Element 8 ab, so daß der Ausgang annähernd an Masse liegt.

Wenn dagegen die Eingangsspannung größer ist als die zusätzliche Vorspannung an der Steuerelektrode 11, so wird das Element 2 abgeschaltet und am Ausgang 6 liegt die Quellenspannung -V, wenn das Signal der Quelle 0 um einen Schwell-

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wert größer ist als -V. Andernfalls würde die Ausgangsspannung durcjx den Betrag der S_chwellspannung für das MOS-Element 8 reduziert werden.

Die Schaltung nach Fig. 1 kann auch in einer anderen als der oben beschriebenen Art betrieben werden, wodurch die Notwendigkeit der ¥iderstandsauftei lung der MOS-Elemente entfällt. Beispielsweise wird der Kondensator 13 auf annähernd -V aufgeladen. Der Kondensator 14, der mit dem Eingangsanschluß verbunden ist, wird auf die gleiche Weise auf eine Spannung aufgeladen, um das MOS-Element 2 abzuschalten. Der Kondensator kann beispielsweise auf -3 V geladen werden. Nach Aufladung beider Kondensatoren wird 0 abgeschaltet, wodurch der Eingangsanschluß auf Hassepotential entladen wird. Infolgedessen wird das MOS-Element 2 wieder eingeschaltet und der Kondensator 3 nach Masse entladen. Falls der Kondensator 14 nicht mit Masse verbunden ist, bleibt die Spannung der Kondensatoren ungeändert. Dadurch weist die Ausgangsspannung, unabhängig vom Widerstandsverhältnis der MOS-Elemente einen Spannungswert auf, der etwa gleich -V oder Massepotential entspricht, als Funktion der Ladung des Kondensators 14.

Dadurch wird bei kleinen Signalen, von etwa Massepotential oder weniger als 2V, das Element 2 eingeschaltet, so daß der Ausgang an Masse liegt. Wenn das Signal größer als 2V. ist, beispielsweise -3 V, geht der Ausgang auf ca. -V, so daß sich die Schaltung ohne weiteres als Kopplungsschaltung für Eingangssignale relativ niedriger Spannung eignet.

Die Vorspannung kann von jeder geeigneten Quelle abgeleitet werden, beispielsweise von der Stromversorgung, wird aber vorzugsweise von einer vorgespannten Schaltung nach Fig. 2 geliefert. Aus praktischen Gründen sind Stromversorgungen unerwünscht, da die Schwellspannungen der MOS-Elemente je nach Trägermaterial schwankt. Dadurch würde somit eine einstellbare Stromversorgung bzw. eine Vielzahl von Stromver-

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sorgungen, erforderlich. Durch Verwendung eines Schaltungsnqtzes nach Pig· 2, bei dem die das Schaltungsnetzwerk bildenden Elemente im gleichen Trägermaterial oder in der gleichen Schaltungsplatte hergestellt werden, wie die die Schaltung ausgleichenden Elemente, werden keine Einstellungen benötigt. Das Schaltungsnetz läßt eich zum Vorspannen aller 'Kopplungsschaltungen einer Trägerplatte verwenden.

Es wurde schon darauf hingewiesen , daß die beschriebenen und in den Figuren gezeigten MOS-Elemente P-leitende Elemente sind, wenn auch die Erfindung nicht auf solche Elemente beschränkt ist· N-leitende Elemente liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Die beiden Halbleiterarten lassen sich durch entsprechende Umpolung der Spannungsanschlüsse gegeneinander vertauschen.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die MOS-Elemente der Schaltung in einem Trägermaterial (chip) mit annähernd gleichen physikalischen Eigenschaften hergestellt sind.

Das Eingangs-MOS-Element 20 besitzt eine Quellenelektrode 21, angeschlossen an den Eingangs anSchluß 22, eine Steuerelektrode 23, angeschlossen an das Vorspannungsschaltungsnetz Zh und eine Ausgangselektrode 25, angeschlossen an die Basiselektrode 26 des NPN-Transistors 27» der als Emitterfolger geschaltet ist. Die Kollektorelektrode 28 des Transistors 27 liegt an Masse, während seine Emitterelektrode 29 mit dem Ausgangsanschluß 30 und der Ausgangselektrode 31 des MOS-Elementes 32 verbunden ist. Die Steuerelektrode 33 und die Eingangselektrode 3^· des MOS-Elementes 32 sind mit der Spannungs quelle -V verbunden. Der Kondensator 5^ ist zwischen den Ausgangsanschluß 30 und Masse geschaltet und speichert das an der Ausgangs elektrode auftretende Potential. Der Kondensator 15 liegt an der Ausgangselektrode 25 des MOS-Elementes 20. Der Kondensator repräsentiert die der Ausgangselektrode des MOS» Elementes 20 zugeordnete! eingeprägte Kapazität.

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Dae Vorspannungssehaltungsnetz Zk enthält ein MOS-Element 35, dessen Eingangeelektrode 36 und Steuerelektrode 37 mit der Spannungsquelle -V verbunden sind, und dessen Ausgangselektrode 33 &n die Steuerelektrode 23 des Elementes 20 und den Kathodenanschluß der Diode 39 des Schaltungsnetzes gelegt ist. Der Anodenanschluß der Diode 39 liegt am Emitter ^O des Transistors 4i, der als Emitterfolger geschaltet ist. Der Kollektor kZ des Transistors kl liegt an Masse. Die Eingangselektrode kk und die Steuerelektrode k5 des MOS-Elementes k6 stehen mit der Basis k3 des Transistors k"\ in Verbindung. Die Auegangselektrode kj des Elementes liegt elektrisch an Masse.

Die MOS-Elemente des Vorspannungseehaltungsnetzes Zk arbeit en als Widerstände und liefern eine Vorspannung -(V. + 2V.). Die Spannung an der Steuerelektrode 23 des MOS-Elementes 20 wird infolge der Schaltung des MOS-Elementes k6 im Stromkreis auf einer annähernd konstanten Vorspannung gehalten.

Die Ausgangselektrode kl liegt an Masse, während die zugehörige Steuerelektrode mit der Eingangselektrode kk verbunden ist, so daß bei geringer Stromstärke im Element die Eingangsspannung etwa V. (ein Schwellwert) beträgt.

Zur Herabsetzung der Stromstärke ist der Transistor k3 als Emitterfolger geschaltet. Die Basis k\ des Transistors steht ■it der Schwellspannung des MOS-Elementes k6 in Verbindung und der Emitter kO ist über die Diode 39 an das MOS-Element 35 angeschlossen. Infolgedessen fließt nur i//3 der Stromstärke im MOS-Eleaent 35 durch das MOS-Element k6 und die Ausgangselektrode 38 des MOS-Elementes 35 wird auf einer negativen Spannung von ca· V + 2V. gehalten.

Bei der gezeigten Vorspannungsanordnung kann ein relativ kleines Spannungssignal von ca. 3 Volt Amplitude als Kopplungssignal dienen. Das heißt mit anderen Worten, daß lediglich eine Amplitude von 3 VoIi;, vom Signal erreicht werden muß,

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um die MOS-Schaltung mit anderen Schaltungen koppeln zu können, die eine relativ höhere Spannung -V vonbeispfelsweise -15 Volt erfordern.

Wenn die Eingangselektrode 21 des Elementes 20 mit Masse verbunden ist, ist das Element 20 eingeschaltet, so daß es einen kleinen Strom führt. Der Strom wird infolge der Verstärkung (a) des Transistors 27 vervielfacht, so daß die Ausgangselektrode 31 des MOS-Elementes 32 nach Masse geht. Der Ausgangsanschluß 30 liegt ebenfalls annähernd an Masse, da er mit der Ausgangselektrode 31 verbunden ist.

Wenn die Ausgangselektrode 21 des Elementes 20 mit einer Eingangs spannung beaufschlagt ist, die größer, d.h. negativer ist als die zusätzliche Vorspannung (-2V.), so ist das Element 20 abgeschaltet. Infolgedessen geht der Auegangsanschluß auf ein nutzbares MOS-Signal, über das MOS-Element 32.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Ausführungsform nach Fig. 2. Wenn das Element 20 durch die Eingangsspannung abgesc hai tob wird, so daß sein Ausgang wechselt, d.h. von etwa Massepotential auf eine Spannung von ca. -V geht, muß die eingeprägte Kapazität 15 über den Transistor 27 aufgeladen werden, bevor der Ausgang -V erreicht. Da der Kondensator über die Basis des Transistors nur sehr langsam aufgeladen wird, ist eine schnellere Aufladung erwünscht. Das MOS-Element 50 verringert diese Ladezeit, indem es einen Ladeweg von -V zum Kondensator 15 herstellt. Die Steuerelektrode 51 und die Eingangselektrode 52 stehen mit der Spannung -V in Verbindung. Die Ausgangselektrode 53 ist an die Basis 26 des Transistors und an den Kondensator 15 angeschlossen. Das Element 50 besitzt einen relativ großen Widerstand, so daß der Strom ausreichend reduziert wird, wenn der Kondensator ■ 15 nicht geladen wird.

Fig. k zeigt eine Abwandlung des Systems nach Fig. 1, wobei die MOS-Elemente 55 bis 59 an die Stelle des MOS-Elementes

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in Fig. 1 getreten sind, wodurch eine nicht umkehrende Logikschaltung, eine Und-Schaltung gebildet wird. Selbstverständlich lassen sich auch andere nicht umkehrende Schaltfunktionen durch entsprechende Verbindung der MOS-Elemente erzielen. Die Eingangsanschlüsse 60 bis 6k stehen mit Signalquellen relativ kleiner Spannung in Verbindung, wie dies schon bei Fig. 1 erwähnt wurde. Die Vorspannungsquelle 12¹ liegt an jedem der MOS-Elemente und liefert eine Vorspannung, die über dem Schwellwert der MOS-Elemente liegt. Diese zusätzliche Spannung is t nicht größer als die maximale Spannungsamplitude der Eingangssignale. Die Ausgangselektrode (nicht gezeigt) der MOS-Elemente ist an einem gemeinsamen Punkt mit dem MOS-Element 8¹ und dem Ausgangsanschluß 6' verbunden. Sobald eines der Elemente eingeschaltet wird, geht der Ausgangsanschluß etwa auf das Potential des kleinen Eingangssignales-Sind alle Elemente abgeschaltet, so liegt am Ausgang die relativ hohe Spannung -V.

Erwähnt sei noch, daß sich anstelle der erwähnten MOS-Schaltelemente auch MNS- und MNOS-Elemente sowie weitere verstärkende Feldeffektelemente verwenden lassen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Kopplungsschaltung zur Umwandlung von Eingangssignalen geringer Spannung, gekennzeichnet durch ein erstes Schaltelement mit an Ein- und Ausgangsanschlüsse entsprechend angeschlossenen Ein- und Ausgangselektroden sowie mit einer Steuerelektrode, durch an die Steuerelektrode angeschlossene Mittel zum derartigen Vorspannen des ersten Schaltelementes, daß dieses in Funktion der Eingangssignalgröße einschaltbar ist, wobei die Vorspannung größer ist als die Schwellspannung des ersten Schaltelementes, aber nicht größer als die Eingangssignalgröße, und durch Mittel zum Einstellen des Ausgangsanschlussee auf eine relativ hohe Spannung, wenn die Eingangssignalgröße mindestens gleich der Vorspannung ist.

   Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Einstellen des Ausgangsanschlusses ein zweites Schaltelement aufweist, das mit einer ersten Elektrode an Spannung liegt und mit einer zweiten Elektrode an den Ausgangsanschluß angeschlossen ist, das, ferner eine Steuerelektrode aufweist und Mittel zum Aussteuern der Steuerelektrode zum Schalten des zweiten Schaltelementes mindestens während der Zeit, in der die Eingangssignalgröße mindestens gleich der Zusatzspannung ist.

   3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker zwischen die Ausgangselektrode des ersten Elementes und den Ausgangsanschluß geschaltet ist, der den Strom durch das erste Element verstärkt und den wirksamen Widerstand des ersten Elementes gegenüber dem zweiten Element herabsetzt.

   k. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltelement einen Widerstand aufweist, der

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   wesentlich kleiner ist als der Widerstand des zweiten Schaltelementeβ, so daß ein am ersten und zweiten Schaltelement liegendes Potential im wesentlichen am zweiten Schaltelement abfällt, wenn das erste Schaltelement eingeschaltet 1st.

   5« Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis k, gekennzeichnet durch ein drittes Schaltelement mit relativ hohem Widerstand, das zwischen die Spannung und die eingeprägte Kapazität der Ausgangselektrode des ersten Schaltelementes gelegt ist und einen Ladestrom für die eingeprägte Kapazität bewirkt, wenn das erste Schaltelement abgeschaltet ist, wodurch die zum Ändern der Ausgangsspannung von einem relativ niedrigen Wert auf einen relativ hohen Wert erforderliche Zeitspanne verringeret wird.

   6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mitteln/eines Spannungsniveaus, wobei das Vorspannungen!ttel ein erstes MOS-Widerstandselement aufweist, das zwischen die Spannung und die erste Steuerelektrode geschaltet 1st, und ein zweites MOS-Widerstandsd.ement, das »wischen die erste Steuerelektrode und Masse geschaltet ist und die Spannung an der ersten Steuerelektrode auf die Vorspannung begrenzt, die geringfügig über der Schwellspannung des ersten Schaltelementes liegt.

   7. Schaltung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zwischen d*as zweite Widerstands element und die erste Steuerelektrode geschalteten Verstärker zum Verstärken des Stromes des zweiten Widerstandselementes, um dadurch die Spannung an der Steuerelektrode auf einer Spannung zu halten, die geringfügig über der Schwellspannung liegt, und um einen relativ kleinen Strom durch das zweite Widerstandselement fließen zu lassen.

   *) zur Lieferung

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   8. Schaltung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch eine Diode, die zwischen die erste Steuerelektrode und den Ausgang des Verstärkers geschaltet ist und die Vorspannung an der Steuerelektrode um den Zusatzwert erhöht«

   9- Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere der zuerst genannten Schaltelemente, wobei jedes der Elemente mit einer Ausgangselektrode an den Ausgangsanschiuß angeschlossen ist und wobei jedes Element eine getrennte Eingangselektrode und Steuerelektroden aufweist, und wobei das an die erste Steuerelektrode angeschlossene Mittel auch mit sämtlichen Steuerelektroden der Schaltelemente verbunden ist, um die Schaltelemente vorzuspannen, derart, daß eine Einschaltung erfolgt als Funktion der Spannung der Eingangssignale an den entsprechenden Eingangsarischlüssen.

   10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mehrere der zuerst genannten Schaltelemente, die eine nicht umkehrende Schaltfunktion bilden, wobei jedes Element eine Steuerelektrode aufweist, die an das erwähnte Vorspannungsmittel angeschlossen ist, sowie Eingangselektroden zur Aufnahme relativ kleiner Eingangssignale und mit dem Ausgangsanschluß verbundene Ausgangselektroden*

   11. Schaltung nach einem der -vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente als MOS-Elemente ausgeführt sind.

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