DE19906860C2 - Tristate-Differenz-Ausgangsstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tristate-Differenz- Ausgangsstufe mit zwei parallelen Schaltungszweigen, die jeweils zwei in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren unterschiedlichen Leitungstyps enthalten und die einerseits mit einer Versorgungsspannungsklemme und andererseits mit einem Anschluß einer Stromquelle verbunden sind, deren anderer Anschluß an Masse liegt, wobei die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren des einen Leitungstyps mitein­ ander verbunden sind und die Gate-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren des anderen Leitungstyps Eingangs­ anschlüsse bilden, während die verbundenen Drain-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren in jeweils einem Schaltungszweig die Ausgangsanschlüsse bilden.

Tristate-Differenz-Ausgangsstufen dieser Art werden in Bus- Schnittstellenschaltungen eingesetzt. Diese Schnittstellen­ schaltungen haben die Aufgabe, von einem Modul erzeugte Signale an einen Bus anzulegen, über den sie zu einem ande­ ren Modul übertragen werden können. Die Übertragung kann dabei bidirektional sein, was bedeutet, daß die Signale auch über den Bus und die an ihn angeschlossene Schnittstellen­ schaltung zu einem Modul übertragen werden können, indem sie unter Umständen weiterverarbeitet werden. Die Ausgangsstufe steht dabei über zwei Ausgangsanschlüsse mit dem Bus in Ver­ bindung, und sie kann drei Zustände annehmen, nämlich einen ersten Zustand, in dem der erste Ausgangsanschluß Strom empfängt und der zweite Ausgangsanschluß Strom liefert, einen zweiten Zustand, in dem der erste Ausgangsanschluß Strom liefert und der zweite Ausgangsanschluß Strom emp­ fängt, und einen dritten Zustand, in dem sich beide Aus­ gangsanschlüsse in einem hochohmigen Zustand befinden, also weder Strom liefern noch Strom empfangen. Der zuletzt genannte Zustand wird auch als Z-Zustand bezeichnet. An solche Tristate-Differenz-Ausgangsstufen werden immer höhere Anforderungen bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit gestellt. Insbesondere sollen sie einen hohen Ausgangsstrom liefern können, sie sollen einen großen Gleichtaktspannungsbereich und einen niedrigen Gleichtaktausgangsstrom haben, und ihre Arbeitsgeschwindigkeit soll hoch sein. Bei Herstellung sol­ cher Ausgangsstufen in der Technik der integrierten Schal­ tungen sollen sie außerdem möglichst mit wenigen Bauelemen­ ten zu verwirklichen sein, die auf dem Halbleiter-Plättchen wenig Platz in Anspruch nehmen.

Eine Ausgangsstufe der oben geschilderten Art ist aus der US-PS 4 808 853 bekannt.

Zur Erzielung des gewünschten hohen Ausgangsstroms ist es bei der Herstellung in Form einer integrierten Schaltung erforderlich, Feldeffekttransistoren einzusetzen, die große Abmessungen haben, so daß sie auf dem Halbleiter-Plättchen viel Platz in Anspruch nehmen. Zur Unterdrückung von Gleich­ taktstörungen müssen die in den einzelnen Zweigen vorhan­ denen Transistoren möglichst gleichzeitig geschaltet werden. Außerdem müssen die Gate-Kapazitäten der Transistoren beim Umschalten der Ausgangsstufe zwischen den verschiedenen Schaltzuständen sehr schnell geladen und entladen werden, was insbesondere beim Ladevorgang einen sehr hohen Stör­ stromimpuls erzeugt, der zu einem kurzzeitigen Spannungs­ abfall der Versorgungsspannung führen kann.

Dieser Spannungsabfall kann wiederum Auswirkungen auf die Schaltung haben, an deren Ausgang die Tristate-Differenz- Ausgangsstufe verwendet wird. Der Störstromimpuls ließe sich zwar reduzieren, indem die Umschaltzeit der Transistoren in den Schaltungszweigen der Ausgangsstufe herabgesetzt wird, jedoch wird es dann sehr schwierig, das gleichzeitige Schalten der Transistoren zu erreichen, was wiederum zu einer Gleichtaktstörung führen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tristate- Differenz-Ausgangsstufe der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die die hohen Anforderungen hinsichtlich des hohen Ausgangsstroms, des großen Gleichtaktspannungsbereichs bei niedrigem Gleichtaktausgangsstrom sowie der hohen Arbeits­ geschwindigkeit erfüllt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer solchen Aus­ gangsstufe gelöst durch einen mittels eines Steuersignals steuerbaren ersten Schalter zum Anlegen einer ersten Referenzspannung an die verbundenen Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren des einen Leitungstyps, die diese beiden Transistoren im gesperrten Zustand hält, einen mittels des Steuersignals steuerbaren zweiten Schalter zum Anlegen einer zweiten Referenzspannung an die verbundenen Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren des einen Leitungstyps, die diese beiden Transistoren im leitenden Zustand hält und eine Entladeschaltung zur Erzeugung eines Impulses zum Entladen der Gate-Kapazitäten der Feldeffekt­ transistoren des einen Leitungstyps aus dem Steuersignal, wenn dieses den zweiten Schalter in den leitenden Zustand zum Anlegen der zweiten Referenzspannung an deren Gate- Anschlüsse versetzt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ausgangs­ stufe können die in der Ausgangsstufe als Stromquellen wirkenden Transistoren gemeinsam über einen Schalter ge­ schaltet werden, wobei dieses Schalten mit einem niedrigen Spannungshub erfolgen kann, so daß kein Störstromimpuls auftritt. Die als Stromquellen eingesetzten Transistoren können mit relativ kleinen Abmessungen ausgeführt werden, so daß ihr gleichzeitiges Schalten ermöglicht wird. Die Entla­ deschaltung trägt besonders dazu bei, die Gatekapazitäten der umzuschaltenden Transistoren schnell zu entladen, was die Beschleunigung des Schaltvorgangs ergibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Schaltbild der Tristate-Differenz-Aus­ gangsstufe nach der Erfindung zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte Tristate-Differenz- Ausgangsstufe enthält einen Differenzschaltungsteil 10 mit zwei parallelen Schaltungszweigen, die jeweils zwei in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren 12, 14 bzw. 16, 18 aufweist. Die Feldeffekttransistoren 12 und 16 sind p-Kanal- Transistoren; ihre Gate-Anschlüsse sind miteinander verbun­ den. Die Feldeffekttransistoren 14 und 18 sind n-Kanal- Transistoren; ihre Gate-Anschlüsse bilden die Signaleingänge des Differenzschaltungsteils 10. Die verbundenen Drain- Elektroden der Transistoren 12, 14 bzw. 16, 18 sind die Ausgänge OUT-P und OUT-N. Die verbundenen Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 12 und 16 stehen mit einem Ver­ sorgungsanschluß 20 in Verbindung, an dem die Versorgungs­ spannung Vcc liegt. Die verbundenen Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 14 und 18 sind mit einer von einem n- Kanal-Feldeffekttransistor 22 gebildeten Stromquelle ver­ bunden, deren Source-Anschluß an Masse liegt. Am Gate- Anschluß dieses Feldeffekttransistors 22 liegt eine Refe­ renzspannung V_ref2 zur Einstellung des durch diesen Feld­ effekttransistor fließenden Stroms.

Wie ferner zu erkennen ist, ist ein von einem Feldeffekt­ transistor 24 gebildeter erster Schalter 26 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Feldeffekttransistoren 12 und 16 gemeinsam aus- und eingeschaltet werden können. Über einen zweiten Schalter 28 können die verbundenen Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 12 und 16 an eine Referenzspannung V_ref1 gelegt werden. Ein zwischen dem Versorgungsspannungs­ anschluß 20 und dem an der Referenzspannung V_ref1 liegenden Schaltungspunkt liegender Kondensator 30 dient dazu, die Referenzspannung V_ref1 konstant zu halten. Der Schalter 28 besteht aus zwei parallel geschalteten Feldeffekttransi­ storen, nämlich einem n-Kanal-Feldeffekttransistor 32 und einem p-Kanal-Feldeffekttransistor 34. Diese beiden Feld­ effekttransistoren bilden zusammen ein sogenanntes Übertra­ gungsgatter, und sie werden in einer noch zu erläuternden Weise so angesteuert, daß sie entweder beide leitend oder beide gesperrt sind.

Es ist ferner eine Entladeschaltung 36 vorgesehen, die an zwei Eingängen 38 und 40 die Steuersignale empfängt, die auch den Schalter 28 steuern. Wie noch erläutert wird, erzeugt die Entladeschaltung 36 aus diesen beiden Steuer­ signalen einen kurzen Entladeimpuls, der einen Feldeffekt­ transistor 42 in den leitenden Zustand versetzt, so daß zwischen den verbundenen Gate-Anschlüssen der Transistoren 12 und 16 und Masse ein Entladeweg zum Entladen der Gate­ kapazitäten dieser Transistoren für die Dauer dieses kurzen Entladeimpulses geschaffen wird.

Die Signale zum Steuern der Ausgangsstufe 10 werden einem Dateneingang 44 und einem Freigabe/Sperr-Eingang 46 zuge­ führt. Üblicherweise wird das dem Dateneingang 44 zugeführte Signal mit D bezeichnet, während das Freigabe/Sperr-Signal mit E/D bezeichnet wird. Wie zu erkennen ist, wird in der Ausgangsstufe aus dem Freigabe/Sperr-Signal E/D auch durch Invertierung in einen Negator 48 auch das invertierte Signal E/D erzeugt. Durch Verknüpfung in einer UND-Schaltung 50 und durch Invertierung in einem Negator 52 werden aus dem negierten Freigabe/Sperr-Signal E/D und aus dem Datensignal D die zur Steuerung des Differenzschaltungsteils 10 benötigten Signale IN-P und IN-N erzeugt.

Die Wirkungsweise der bisher in ihrem Aufbau beschriebenen Ausgangsstufe wird nun näher erläutert.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der Arbeitsweise wird davon ausgegangen, daß sich die Tristate-Differenz-Aus­ gangsstufe im Z-Zustand befindet, d. h. in dem Zustand, in dem die beiden Ausgänge OUT-P und OUT-N hochohmig sind. Dieser Z-Zustand ist vorhanden, wenn das Freigabe/Sperr- Signal E/D am Eingang 46 den hohen Signalwert H hat, also einen Spannungswert im Bereich der Versorgungsspannung Vcc. Das invertierte Signal E/D hat dabei den niedrigen Signalwert L im Bereich des Massewerts, was zur Folge hat, daß sich der Transistor 24 im Schalter 26 im leitenden Zustand befindet, so daß an die Gate-Anschlüsse der Feld­ effekttransistoren 12 und 16 eine hohe Spannung gelangt, die unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls am Feldeffekt­ transistor 24 im vorliegenden Beispiel etwa 3,6 V beträgt. Diese Spannung bewirkt die Sperrung der Feldeffekttransi­ storen 12 und 16.

Aufgrund des hohen Werts H des Freigabe/Sperr-Signals E/D und des entsprechenden niedrigen Signalwerts L des inver­ tierten Freigabe/Sperr-Signals E/D haben zur Folge, daß die Transistoren 34 bzw. 32 im Schalter 28 gesperrt sind, so daß die Referenzspannung V_ref1 nicht zu den Gate- Anschlüssen der Feldeffekttransistoren 12 und 16 gelangen kann.

Nunmehr wird angenommen, daß die Ausgangsstufe in den aktiven Zustand versetzt wird, in dem abhängig vom Signal D am Eingang 44 der Ausgangsstrom des Differenzschaltungsteils 12 vom Ausgang OUT-P zum Ausgang OUT-N oder umgekehrt vom Ausgang OUT-N zum Ausgang OUT-P fließen kann. Mit dem Umschalten des Freigabe-Sperr-Signals E/D vom hohen Wert H auf den niedrigen Wert L und dem entsprechenden Umschalten des invertierten Freigabe/Sperr-Signals E/D vom niedrigen Wert L auf den hohen Wert H treten gleichzeitig folgende Wirkungen ein:

• a) Der Feldeffekttransistor 24 im Schalter 26 geht in den gesperrten Zustand über, so daß den Gate-Anschlüssen der Feldeffekttransistoren 12 und 16 nicht mehr die erwähnte hohe Spannung von 3,6 V zugeführt wird.
• b) Die Feldeffekttransistoren 32 und 34 im Schalter 28 werden in den leitenden Zustand versetzt, so daß die durch den Kondensator 30 stabil gehaltene Referenzspan­ nung V_ref1 an die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttran­ sistoren 12 und 16 angelegt wird. Im beschriebenen Beispiel hat diese Spannung V_ref1 einen Wert von 2,9 V. Dies hat zur Folge, daß die Feldeffekttransistoren 12 und 16 in den leitenden Zustand übergehen und ihre Funktion als Stromquellen ausüben können.
• c) Das Freigabe/Sperr-Signal E/D gelangt an eine NOR- Schaltung 54 in der Entladeschaltung 36, und das inver­ tierte Freigabe/Sperr-Signal E/D gelangt, verzögert über drei Pufferschaltungen 56, 58 und 60 an den anderen Eingang der NOR-Schaltung 48. Aufgrund des verzögerten Anlegens der Signale an die NOR-Schaltung 54 haben die an deren Eingängen anliegenden Signale kurzzeitig den gleichen Signalwert, nämlich den niedrigen Wert L, der zur Abgabe eines Signals mit dem hohen Wert H an ihrem Ausgang führt. Dieser nur für eine kurze Zeitperiode vorhandene hohe Signalwert H hat zur Folge, daß der Feld­ effekttransistor 42 für die Dauer dieser kurzen Zeit­ periode in den leitenden Zustand übergeht, so daß ein Entladeweg für die verbundenen Gate-Anschlüsse der Feld­ effekttransistoren 12 und 16 nach Masse entsteht. Über diesen Entladeweg können die Gate-Kapazitäten der Feld­ effekttransistoren 12 und 16 schnell entladen werden, so daß der Übergang dieser Feldeffekttransistoren in den leitenden Zustand dementsprechend schnell stattfinden kann. Ohne diesen Entladeweg müßten sich die Gate-Kapa­ zitäten über die die Referenzspannung V_ref1 liefernde Quelle entladen, jedoch könnte dieser Entladevorgang nicht mit der gleichen hohen Geschwindigkeit erfolgen.

Es sei bemerkt, daß beim Übergang der Feldeffekttransistoren 12 und 16 von ihrem gesperrten Zustand in den leitenden Zustand lediglich eine Gate-Spannungsänderung von 3,6 V auf 2,9 V erfolgen muß, also nur ein kleiner Spannungshub auf­ tritt. Auch im umgekehrten Fall, wenn die Feldeffekttran­ sistoren 12 und 16 vom leitenden in den gesperrten Zustand umgeschaltet werden, muß ihre Gate-Spannung lediglich um 0,7 V von 2,9 V auf 3,6 V angehoben werden. In beiden Fällen kann dieser kleine Spannungshub sehr schnell durchlaufen werden, und er führt auch nicht zu einem großen Störimpuls im Versorgungsstrom. Gleichtaktstörungen werden auf diese Weise wirksam unterdrückt.

Wenn sich die Tristate-Differenz-Ausgangsstufe nun im aktiven Zustand befindet, kann durch Anlegen des entspre­ chenden Datensignals D an den Eingang 44 entweder der Feld­ effekttransistor 14 oder der Feldeffekttransistor 18 in den leitenden Zustand versetzt werden. Durch die Verknüpfung des invertierten Freigabe/Sperr-Signals E/D in den UND- Schaltungen 50 und 62 wird erreicht, daß nur im freigege­ benen oder aktiven Zustand der Ausgangsstufe das Datensignal D je nach seinem Wert (H oder L) einen der beiden Feldef­ fekttransistoren 14 oder 18 in den leitenden Zustand ver­ setzen kann. Wenn beispielsweise das Datensignal D den hohen Signalwert H hat, dann tritt am Ausgang der UND-Schaltung 50 ebenfalls ein Signal mit hohem Wert H auf, das den Feld­ effekttransistor 14 in den leitenden Zustand versetzt. Gleichzeitig wird durch Invertierung im Negator 52 an die UND-Schaltung 62 ein Signal mit dem niedrigen Wert L ange­ legt, so daß ihr Ausgangssignal ebenfalls den niedrigen Wert L annimmt, das den Feldeffekttransistor 18 sperrt. In diesem Zustand ist im Differenzschaltungsteil 10 der Ausgangsstufe ein Stromweg vorhanden, der von der Versorgungsspannungs­ klemme 20 über den Feldeffekttransistor 16, die Ausgangs­ klemme OUT-N zur angeschlossenen Schaltung und von dieser über die Ausgangsklemme OUT-P und über den Feldeffekttran­ sistor 14 sowie über den Feldeffekttransistor 22 nach Masse führt. Der als Stromquelle wirkende Feldeffekttransistor 22 wird dabei mit Hilfe der Referenzspannung V_ref2 so einge­ stellt, daß durch ihn der gewünschte Gesamtstrom fließen kann.

Wenn das Datensignal D am Eingang 44 dagegen den niedrigen Wert L hat, gibt die UND-Schaltung 50 ebenfalls ein Signal mit dem niedrigen Wert L ab, so daß der Feldeffekttransistor 14 gesperrt wird. Über dem Negator 52 und die UND-Schaltung 62 wird dagegen am Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors 18 ein Signal mit dem hohen Wert H erzeugt, der diesen Feldeffekttransistor in den leitenden Zustand versetzt. Nun verläuft der Stromweg im Differenzschaltungsteil 10 von der Versorgungsspannungsklemme 20 über den Feldeffekttransistor 12, die Ausgangsklemme OUT-P, die daran angeschlossene Schaltung, die Ausgangsklemme OUT-N, den Feldeffekttran­ sistor 18 und den Feldeffekttransistor 22 nach Masse.

Mit Hilfe des Datensignals D kann somit die Ausgangsstufe in die zwei gewünschten Betriebszustände versetzt werden. Mit Hilfe des Freigabe/Sperr-Signals E/D kann, wie erwähnt, die Ausgangsstufe deaktiviert oder aktiviert werden.

Es ist gezeigt worden, daß die beschriebene Tristate-Diffe­ renz-Ausgangsstufe die gestellten Anforderungen hinsichtlich der Schnelligkeit der Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebszuständen bei reduzierten Gleichtaktstörungen er­ gibt. Außerdem erfordert sie keine großen Stromquellen mit dementsprechend großen Transistoren, so daß sie bei Herstel­ lung als integrierte Schaltung auf einem Halbleiter-Plätt­ chen nur einen geringen Platzbedarf hat.

Claims (3)

1. Tristate-Differenz-Ausgangsstufe mit zwei parallelen Schaltungszweigen, die jeweils in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren unterschiedlichen Leitungstyps enthalten, und die einerseits mit einer Versorgungsspan­ nungsklemme und andererseits mit einem Anschluß einer Stromquelle verbunden sind, deren anderer Anschluß an Masse liegt, wobei die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren des einen Leitungstyps miteinander verbunden sind und die Gate-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren des anderen Leitungstyps Eingangsanschlüsse bilden, während die verbundenen Drain-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren in jeweils einem Schaltungszweig Ausgangsanschlüsse bilden, gekennzeichnet durch einen mittels eines Steuersignals (E/D) steuerbaren ersten Schalter (26) zum Anlegen einer ersten Referenzspannung an die verbundenen Gate- Anschlüsse der Feldeffekttransistoren (12, 16) des einen Leitungstyps, die diese beiden Transistoren im gesperrten Zustand hält, einen mittels des Steuersignals (E/D, E/D) steuerbaren zweiten Schalter (28) zum Anlegen einer zweiten Referenzspannung an die verbundenen Gate- Anschlüsse der Feldeffekttransistoren (12, 16) des einen Leitungstyps, die diese beiden Transistoren im leitenden Zustand hält und eine Entladeschaltung (36) zur Erzeugung eines Impulses zum Entladen der Gate-Kapazitäten der Feldeffekttransistoren (12, 16) des einen Leitungstyps aus dem Steuersignal (E/D, E/D), wenn dieses den zweiten Schalter (28) in den leitenden Zustand zum Anlegen der zweiten Referenzspannung an deren Gate-Anschlüsse versetzt.

2. Tristate-Differenz-Ausgangsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter (26, 28) von Feld­ effekttransistoren (24; 32, 34) gebildet sind, wobei der zweite Schalter (28) aus zwei parallel geschalteten Feld­ effekttransistoren (32, 34) entgegengesetzten Leitungstyps besteht, an deren Gate-Anschlüsse das Steuersignal in direkter (E/D) bzw. invertierter (E/D) Form angelegt wird, so daß die beiden Feldeffekttransistoren (32, 34) abhängig vom Steuersignal immer gleichzeitig leitend oder gleichzeitig gesperrt sind.

3. Tristate-Differenz-Ausgangsstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeschaltung (36) eine NOR-Schaltung (48) enthält, die an einem Eingang das Steuer­ signal in direkter Form (E/D) unverzögert und am anderen Eingang das Steuersignal in invertierter Form (E/D) über wenigstens ein Verzögerungsglied (50, 52, 54) empfängt, daß die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds so einge­ stellt ist, daß die Signale an den beiden Eingängen der NOR- Schaltung (54) nur für die gewünschte Dauer des Entlade­ impulses den gleichen Signalwert haben, der am Ausgang der NOR-Schaltung (54) zur Abgabe des Entladeimpulses führt, und daß mit dem Ausgang der NOR-Schaltung (54) ein weiterer Schalter (42) verbunden ist, der unter der Steuerung durch den Entladeimpuls für dessen Dauer einen Entladeweg für die Gate-Kapazitäten der beiden Feldeffekttransistoren (12, 16) des gleichen Leitungstyps in den parallelen Schaltungszwei­ gen herstellt.