DE19732842C2

DE19732842C2 - Dimensionierbares analoges Bauelementearray

Info

Publication number: DE19732842C2
Application number: DE1997132842
Authority: DE
Inventors: Juergen Kampe; Steffen Arlt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: DE19732842A1

Description

Die Erfindung betrifft ein dimensionierbares analoges Bauelementearray mit unter schiedlichen Elementar-Bauelementen zur Realisierung verschiedener analoger Kom plexschaltungen.

Auf dem breiten Sektor der digitalen Schaltungstechnik ist die programmierbare Ver schaltung von Bauelementen bereits seit vielen Jahren bekannt. Die Adaption der im digitalen Schaltungsbereich bewährten Techniken auf den analogen Bereich ist bisher jedoch aufgrund der Komplexität der Beziehungen zwischen Schaltungseigen schaften und repräsentierenden Parametern nur teilweise und unzureichend erfolgt. Es ist bekannt, vorstrukturierte Anordnungen auf einem masterähnlichen Untergrund so anzuordnen, daß eine gewünschte Schaltung aus einer bestimmten/begrenzten Anzahl von möglichen Varianten durch entsprechende Verdrahtung realisiert werden kann.

Die Patentschrift US-A-4 847 612 zeigt ein konfigurierbares Array, mit matrixartig angeordneten Grundblöcken, sowie matrixartigen Verbindungen zu den Ein- und Ausgängen der Grundblöcke. Jede der Verbindungslinien kann durch eine Schalter matrix erster Ordnung programmiert werden. Die Grundblöcke können jedoch nur zu digitalen Funktionsblöcken konfiguriert werden, wie z. B. PLA-Strukturen.

Zur Realisierung von schaltungstechnischen Systemlösungen ist heutzutage der digi tale Bereich nicht mehr ausschließlich relevant. Vielmehr liegt das Hauptaugenmerk auf optimalen analogen Ansätzen, die bisher, aufgrund ihrer Komplexität in der Beschreibung der Zusammenhänge, immer noch aus dem Erfahrungspotential eines Analogentwerfers resultieren. Die Automatisierung im Analogentwurf ist bisher nur in verschiedenen, beherrschbaren Details umgesetzt worden. Dabei wurde verstärkt im Layoutbereich versucht, die zeitaufwendigen Entwurfsarbeiten zu automatisieren. Angelehnt an den digitalen Bereich gibt es Versuche durch eine Vorstrukturierung (Master) den Aufwand nur auf die Verdrahtung von Grundblöcken zu reduzieren.

Ein Beispiel ist in der europäischen Patentschrift EP-0705465 B1 beschrieben, die in einer Anordnung aus mindestens zwei Matrizen erster Ordnung besteht, welche durch mindestens eine Matrix zweiter Ordnung verbunden ist. Die Matrizen erster Ordnung bestehen hierbei aus sogenannten Grundbausteinen und einer Schalterma trix, die über ein Schieberegister die Konfigurationsdaten parallel erhält. Die ana logen Grundblöcke umfassen dabei wenigstens eine der Komponenten: Integratoren, Komperatoren, Verstärker, Phasendetektoren und einstellbare Referenzen, die aus multiplizierenden D/A-Wandlern gebildet sind. Die beschränkte Auswahl analoger Komponenten als Grundbausteine erweist sich jedoch in vielen Anwendungsbereichen als unzureichend.

Eine ebenfalls anwenderprogrammierbare integrierte Schaltungsanordnung mit einem analogen, einem digitalen und einem Schnittstellen-Abschnitt, die jeweils anwen derkonfigurierbar sind, ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-0499383 A2 bekannt. Die Konfiguration beinhaltet jedoch lediglich eine entsprechende Vernetzung der Elemente und damit eine beschränkte Auswahl an realisierbaren Schaltungen. Beispielsweise ist keine, in der analogen Schaltungstechnik häufig erforderliche, Rück kopplung von Schaltungselementen möglich.

In der Patentanmeldung JP 4-365 367 A wird eine Bauelementeanordnung beschrie ben, die eine Konfiguration der Struktur während des Halbleiterprozesses durch Überdeckung der Bauelementestrukturen mit Verdrahtungsmasken ermöglicht. Diese Konfiguration entspricht keiner Dimensionierung von Bauelementen im herkömm lichen Sinn, da die Bauelementeparameter durch die Maskierung nicht beeinflußt werden können. Die Konfiguration der Bauelemente ist mit dem Herstellungsprozeß abgeschlossen und kann vom Anwender nicht mehr geändert werden.

In der Patentschrift EP 0322382 B1 wird ein Ansatz zur konfigurierbaren analogen Schaltung beschrieben. Die hierin vorgestellte Anordnung besteht aus mehreren Batte rien von elektronischen Normkomponeneten (CMOS-Transistoren und Kapazitäten), die entweder parallel oder seriell verschaltet sind und durch einen Schalter im Sour cezweig der Transistoren zu den gemeinsamen Anschlüssen der Batterie verbunden werden können. Die Verbindung der Batterien ist fest vorgegeben, wodurch sich nur eine spezielle Klasse von Operationsverstärkern mit dieser Anordnung realisieren läßt. Ein Nachteil dieser konfigurierbaren Batterien ist der stromdurchflossene Schalter im Sourcezweig der angeschlossenen Transistoren, mit seinem zusätzlichen Spannungsab fall. Nachteilig wirkt sich auch die permanent anliegende gesamte Gatekapazität am Gateknoten der nicht angeschlossenen Transistoren auf das Verhalten der Schaltung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dimensionierbares analoges Bauele mentearray anzugeben, das durch den Anwender konfigurierbar und programmierbar ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß das Bauelementearray aus Elementar-Bauelementen besteht, wobei die Elementar-Bauelemente mit Schalt elementen zur Dimensionierung verbunden sind und die Elementar-Bauelemente mit Schaltelementen zur Strukturierung untereinander verbunden sind. Die Anordnung in der hier vorliegenden Patentschrift bezieht sich in der Wahl der zu realisierenden Schaltung auf ein breites Spektrum analoger CMOS-Schaltungen und ist daher universell anwendbar.

Beschreibung der Anordnung

Das im folgenden beschriebene dimensionierbare analoge Bauelementearray basiert auf einer Idee zur Flexibilisierung analoger Schaltungskomponenten. Es liegt ein dimensionierbares Elementarbauelement [EBx] zugrunde, welches analoge Basisbau steine (wie Transistoren, Widerstände oder Kapazitäten) sowie Schaltelemente [SEx] eines Schalterblocks [SBx] und eine Schieberegisterkette [SRx] bestehend aus Flip- Flops [FFx] enthält, wobei die Basisbausteine mit den Schaltelementen [SEx] des Schalterblocks [SB] verbunden sind und das Elementarbauelement über die Schiebere gisterkette [SRx] die Informationen zur Dimensionierung des Elementarbauelementes enthält, siehe Abb. 1 und 2.

Bei den Transistoren handelt es sich um MOS Transistoren, je nach Leitfähigkeit des Kanals, N- oder P-Typs. Die Transistoren bestehen je nach Dimensionierungsbereich aus mehreren gleich oder unterschiedlich gestuften Gates [G], wobei die unterschied liche Stufung den überstreichbaren Bereich der möglichen W/L-Verhältnisse, sowie deren Auflösung wesentlich erhöht, siehe Abb. 2. Die Widerstände und Kapazitäten setzen sich ebenfalls aus mehreren Feldern unterschiedlicher Größe entsprechend dem realisierbaren Wertebereich zusammen, so daß der überstreichbare Bereich der Kapa zitäts- und Widerstandswerte, sowie deren Auflösung in gleicher Weise sehr groß ist, siehe Abb. 5 und 4.

An den elektrischen Verbindungspunkten (VIA's) innerhalb der Elementarbauelemen te [EB] befinden sich Schaltelemente [SE], die entsprechend der Dimensionierungsvor gabe die jeweiligen Gateanschlüsse bei Transistoren bzw. die Abgriffe bei den passiven Elementarbauelementen mit dem entsprechenden elektrischen Potential verbinden oder von diesem elektrischen Potential isolieren. Die Verdrahtung der Drain/Source- Gebiete der Transistorbauelemente bleibt von der Dimensionierung unbeeinflußt be stehen. Die Informationen über die Dimensionierung des Elementarbauelementes [EB] werden den Ausgängen einer Schieberegisterkette [SR] entnommen, welche die Infor mationen aus einem seriellen zentralen Datenstrom erhält. Die Verdrahtung der von der Dimensionierung unabhängigen fixen Anschlußpunkte (Terminals) eines Elemen tarbauelementes [EB] erfolgt programmierbar über Transferschalter, welche prinzipiell die entsprechenden Terminals mit den schaltungstechnisch erforderlichen Potentialen verbinden. Da die Verbindungen möglichst verlustarm realisiert werden sollen, sind 8 innere Programmierpotentiale direkt, d. h. ohne Transferschalter im Signalpfad so an Terminals von Elementarbauelementen angeschlossen, daß alle Querstrompfade über nur einen Schalter zwischen zwei Elementarbauelementen programmierbar sind.

Die Transistor-Elementarbauelemente können zudem als spezielle Matchingstruktur ausgeführt werden, indem zwei gleich gestufte Transistoren ein Paar von Elemen tarbauelementen bildet, indem sie gemäß Abb. 3 gegenüberliegend ineinander ange ordnet sind. Die damit erreichbaren Eigenschaften, wie identische Sourcepotentiale und geringe technologische Abweichungen über die Fläche sind Grundlage für einige Grundkomponenten der analogen Schaltungstechnik wie z. B. Differenzeingangsstufen.

Durch eine ausgewählte Anordnung von einer definierten Anzahl von Elementar bauelementen wie z. B. Kondensatoren, Widerstände sowie N- und P-Kanal-CMOS Transistorpaaren mit unterschiedlicher Kanallänge, können diese zu abgeschlossenen Funktionsblöcken zusammengefaßt werden, siehe Abb. 6. Mit diesem Funktionsblock kann im schaltungstechnischen Sinn eine separate Teilschaltung realisiert werden wie z. B. Verstärkerstufen, etc. Durch eine geeignete Anordnung etwa durch Anein anderreihung zu einer Arraystruktur, entstehen Verdrahtungskanäle zwischen den einzelnen Funktionsblöcken, die als Versorgungstrassen genutzt werden. Dabei werden die Versorgungspotentiale über die Versorgungsleitungen mit der Schaltermatrix eines jeden Funktionsblockes verknüpft, sowie untereinander die Versorgungstrassen und die Funktionsblöcke über elektrisch programmierbare Schalterboxen verbunden, siehe Abb. 7.

Claims

1. Dimensionierbares analoges Bauelementearray mit unterschiedlichen Elementar- Bauelementen, die zur Realisierung verschiedener analoger Komplexschaltungen Basisbausteine und Schaltelemente enthalten, wobei

- die Basisbausteine mit Schaltelementen verbunden und dadurch die Elementar- Bauelemente dimensionierbar sind und
- Elementar-Bauelemente über die Schaltelemente untereinander verbunden und dadurch zu Funktionsblöcken konfigurierbar sind.

2. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schaltelemente mit einem elektrisch programmierbaren Element verbunden sind.

3. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Basisbausteine als P-Kanal-MOS-Transistoren, N-Kanal-MOS Transistoren, Widerstände und Kapazitäten ausgebildet sind und entsprechende Elementarbauelemente bilden.

4. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Transistoren mindestens zwei Gates enthalten, die der Realisierung des gewünschten W/L-Verhältnisses dienen und die einzelnen Ga tes durch die Schaltelemente elektrisch programmierbar sind, indem sie mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden.

5. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über das gewünschte einzu stellende W/L-Verhältnis oder den Widerstandswert oder den Kapazitätswert über die Ausgänge einer Schieberegisterkette den Schaltelementen zur Verfügung gestellt wird.

6. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Bauelemente eines Funktions blockes untereinander durch mit Hilfe einer Schaltermatrix programmierbare innere Leitungen verbunden sind.

7. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsblöcke über Leitungssegmente in äußeren Verdrahtungstrassen miteinander verbunden sind.

8. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der äußeren Verdrahtungs trasse über Schalterboxen programmiert werden können, indem die aufeinander folgenden Leitungssegmente miteinander verbunden oder voneinander isoliert werden.

9. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsblöcke und Verdrahtungstrassen mit den Schaltboxen regulär zu einer Arraystruktur angeordnet sind.

10. Dimensionierbares analoges Bauelementearray nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schaltelemente ihre Konfiguration über serielle Schieberegisterketten erhalten.