DE19930178C1 - ECL/CMOS-Pegelwandler - Google Patents

Abstract

Bei einem ECL-CMOS-Pegelwandler ist ein PMOS-Differenzverstärker (15) unmittelbar an die Ausgänge eines ECL-Differenzverstärkers (13) angeschlossen. Die in den Kollektorzweigen des ECL-Differenzverstärkers fließenden Ströme werden in die Zweige des MOS-Differenzverstärkers (15) gespiegelt. Durch Steuerung des Stromflusses im ECL-Differenzverstärker (13) läßt sich der Stromfluß im MOS-Differenzverstärker und damit der Ausgangspegel steuern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Pegelwandler, insbesondere ECL- /CMOS-Pegelwandler.

Allgemein sind in integrierten Schaltkreisen, in denen analo­ ge Signale mit recht kleinen Pegeln von zum Beispiel 1 bis 500 mVeff in digitalen Stufen weiterverarbeitet werden sol­ len, Pegelwandler erforderlich, die den Signalpegel auf den jeweils benötigten höheren MOS-Pegel von zum Beispiel 3 bis 5 V verstärken.

In Design & Elektronik "BiCMOS für schnelle analoge und digi­ tale Systeme" von Dr. Wolfgang Heimsch (Siemens), Ausgabe 19 vom 18.09.1990, Seiten 100 bis 105, ist in Bild 6 ein ECL- CMOS-Wandler gezeigt, bei dem an die Ausgänge eines eingangs­ seitigen ECL-Differenzverstärkers Emitterfolger angeschlossen sind, deren Emitter mit Pegelverschiebungselementen in Form von Dioden und mit Stromquellen gekoppelt sind. Mit den Ab­ griffen zwischen den Dioden und den Stromquellen sind die Ga­ tes von MOS-Transistoren verbunden, die im Ausgangszweig lie­ gen und mit dem Ausgangsanschluß verbunden sind. Bei dieser Gestaltung müssen die Emitterfolger allerdings mit relativ großen Pegelhüben gefahren werden, da bei ihnen immer noch der ECL-Pegel aufgrund ihres Verstärkungsfaktors von 1 vor­ liegt. Der durch die Pegelverschiebungselemente hervorgerufe­ ne Pegelversatz muß sehr genau an die Schwellenspannung der MOS-Transistoren angepaßt sein, damit diese korrekt arbeiten. Hierbei ist zudem problematisch, daß die Schwellenspannungen der MOS-Transistoren in der Praxis bis ca. +/-20% weitestge­ hend unabhängig von den Schwankungen der Parameter der bipo­ laren Schaltungselemente variieren.

In der EP 0 880 229 A1 ist ein Pegelwandler zur Umsetzung von ECL-Pegeln auf CMOS-Pegel gezeigt. Der Pegelwandler umfaßt einen eingangsseitigen ECL-Differenzverstärker, dessen emit­ tergekoppelte Bipolartransistoren kollektorseitig über einen MOS-Transistor sowie einen Widerstand an einen Versorgungs­ spannungsanschluß angeschlossen ist. Die Gate- und Drain- Anschlüsse der MOS-Transistoren sind jeweils gekoppelt und steuern stromspiegelweise außerdem jeweils einen weiteren MOS-Transistor an, welcher seinerseits wiederum über je einen Widerstand an den Versorgungsspannungsanschluß angeschlossen ist. Die Strompfade der weiteren Transistoren sind über einen Stromspiegel miteinander gekoppelt.

In der EP 0 485 291 A2 ist ein ECL-CMOS-Pegelwandler gezeigt, dessen ECL-Differenzverstärker lastseitig jeweilige MOS- Transistoren enthält, die direkt an einen Versorgungsspan­ nungsanschluß angeschlossen sind. Ausgangsseitig steuert die­ ser Differenzverstärker jeweilige MOS-Transistoren an, die ebenfalls direkt an diesen Versorgungsspannungsanschluß ge­ schaltet sind. Letztere Transistoren sind außerdem über einen Stromspiegel gekoppelt. Ein in der EP 0 785 629 A1 gezeigter ECL-MOS-Pegelwandler enthält eingangsseitig einen MOS- Differenzverstärker, der lastseitig über jeweilige Widerstän­ de an einen Versorgungsspannungsanschluß angeschlossen ist. Ein weiterer ECL-CMOS-Pegelwandler ist in der US 5 528 171 gezeigt.

In der JP 9-261032 ist ein ECL-CMOS-Pegelwandler gezeigt, der eingangsseitig einen ECL-Differenzverstärker mit lastseitigen PMOS-Transistoren enthält, die unmittelbar an einen Versor­ gungsspannungsanschluß angeschlossen sind. Deren Gate- Anschlüsse sind einerseits miteinander verbunden und anderer­ seits über jeweilige Widerstände mit ihren Drain-Anschlüssen. Ausgangsseitig steuert der ECL-Differenzverstärker einen MOS- Differenzverstärker mit einem lastseitigen Stromspiegel an. Die Sourceanschlüsse der MOS-Transistoren des MOS-Differenz­ verstärkers sind miteinander verbunden und über einen Wider­ stand an den Versorgungsspannungsanschluß geschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pegelwandler zu schaffen, der sich durch relativ einfachen, funktionszu­ verlässigen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird der MOS-Differenzverstärker ohne Ein­ satz von Emitterfolgern direkt in die bipolare Differenzver­ stärkerstufe (CML oder ECL) eingebunden. Hierbei wird gewähr­ leistet, daß Schwankungen der Schwellenspannung oder sonsti­ ger Parameter der MOS-Transistoren keinen wesentlichen Ein­ fluß auf die Funktion der Schaltung haben. Damit ist die beim Stand der Technik erforderliche, sehr genaue Einstellung des Gleichspannungspegels für die MOS-Transistoransteuerung nicht länger notwendig, was zu höherer Funktionssicherheit und da­ mit auch zu erhöhter Ausbeuterate bei der Produktion der Pe­ gelwandler führt. Zudem beeinflußt der erfindungsgemäße Pe­ gelwandler abgesehen von der gewünschten Pegelanhebung die übrigen Eigenschaften des Eingangssignals, zum Beispiel des­ sen Tastverhältnis, im wesentlichen nicht. Ferner ist die im Pegelwandler entstehende Verzögerungszeit äußerst minimal. Zudem ist ausreichend hoher Ansteuerungspegel für die MOS- Transistoren gewährleistet, so daß Schwellenspannungsänderun­ gen der MOS-Transistoren ohne Auswirkung bleiben. Würde der MOS-Pegel nämlich deutlich unter 3 V liegen, würden sich Schwellenspannungsschwankungen der MOS-Transistoren durch längere Verzögerungszeiten auswirken, die letztendlich sogar bis zum Funktionsausfall der Schaltung führen könnten. Solche Probleme sind bei dem erfindungsgemäßen Pegelwandler weitest­ gehend ausgeschlossen.

Vorzugsweise ist der Pegelwandler derart ausgelegt, daß die MOS-Transistoren des MOS-Differenzverstärkers im wesentlichen den gleichen Strom wie die Transistoren des ECL-Differenzver­ stärkers führen. Durch Steuerung des in den ECL-Differenzver­ stärker eingeprägten Stroms läßt sich nun zugleich auch der Strom im MOS-Differenzverstärker und damit der an dessen Aus­ gang auftretende Pegel variabel einstellen. Damit können nachfolgende Stufen zuverlässig geschaltet werden. Zugleich kann die Gesamtverstärkung entsprechend justiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pegelwandlers in Form eines ECL-MOS-Pegelwandlers 14 mit Ein­ gangs- und Ausgangsbeschaltung. Die Schaltung weist zwei Ein­ gangsanschlüsse 1, 2 auf, an die zwei Eingangssignale ange­ legt sind, die beispielsweise miteinander zu vergleichen sind und von denen das eine z. B. eine Referenzspannung sein kann. Der Eingang 1 ist mit der Basis eines bipolaren Transistors 3 verbunden, der Teil einer Reihenschaltung mit einem Wider­ stand 4, einer Stromquelle 5, einem Steuertransistor 6 und einem Widerstand 7 ist. Diese Reihenschaltung ist zwischen positives Versorgungsspannungspotential 8 und Null- Versorgungsspannungspotential 9 (Masse) geschaltet. Die Basis des Steuertransistors 6 ist an eine vorzugsweise variable Steuerspannungsquelle 10 zur Steuerung der Basisspannung an­ geschlossen. Der Eingang 2 ist gleichartig wie der Eingang 1 an die Basis eines bipolaren Transistors 12 angeschlossen, der Bestandteil einer identisch wie die Reihenschaltung 3 bis 7 aufgebauten und verschalteten Reihenschaltung mit Wider­ stand 4', Stromquelle 5', Steuertransistor 6' und Widerstand 7' ist.

Die an Abgriffen 11, 11' zwischen dem Widerstand 4 (bzw. 4') und der Stromquelle 5 (bzw. 5') abgegriffenen Spannungen wer­ den an einen ersten, in ECL-Technik mit bipolaren Transisto­ ren ausgebildeten Differenzverstärker 13 angelegt, der Teil des erfindungsgemäßen Pegelwandlers 14 ist, der ferner einen zweiten, in MOS-Technik ausgeführten Differenzverstärker 15 umfaßt. Der erste Differenzverstärker 13 enthält einen bipo­ laren Transistor 16, dessen Basis mit dem Abgriff 11 verbun­ den ist und in dessen Kollektorstrecke ein PMOS-Transistor 17 eingefügt ist, dessen Gate und Drain kurzgeschlossen sind und der über einen Source-Widerstand 18 an die Spannungsversor­ gung 8 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 16 ist mit dem Emitter eines Transistors 23 gekoppelt, dessen Basis an den Abgriff 11' angeschlossen ist, und weiterhin über den gemeinsamen Emitterkoppelpunkt mit einer Stromquelle 24 ver­ bunden, die in Reihe mit einem bipolaren Transistor 25 und einem Widerstand 26 gegen Massepotential 9 geschaltet ist. Die Basis des Transistors 25 ist gemeinsam mit den Basen der Transistoren 6, 6' an die Steuerspannungsquelle 10 ange­ schlossen, durch die der Stromfluß durch den Transistor 25 steuerbar ist. Im Kollektorzweig des Transistors 23 liegt identisch wie im Kollektorzweig des Transistors 16 ein PMOS- Transistor 21 und ein Widerstand 20, wobei auch hier Drain und Gate des PMOS-Transistors 21 kurzgeschlossen sind. Die Widerstände 18, 20, die PMOS-Transistoren 17, 21 und die bi­ polaren Transistoren 16, 23 sind jeweils gleich ausgebildet, so daß Symmetrie vorliegt. Vorzugsweise ist auch der Wider­ stand 26 an die Widerstände 18 und 20 angepaßt, das heißt weist gleichen Widerstandswert und gleiche Kennwerte, bei­ spielsweise Temperaturgang, auf. Dadurch wird ebenfalls sehr gute Symmetrie und hoher Anpassungsgrad (matching) erreicht.

Der Verbindungspunkt zwischen dem PMOS-Transistor 17 und dem bipolaren Transistor 16 stellt einen ersten Ausgang 19 dar, während der zweite Ausgang 22 des ECL-Differenzverstärkers 13 an der Verbindung zwischen dem Transistor 23 und dem PMOS- Transistor 21 liegt.

Der zweite Differenzverstärker 15 enthält zwei PMOS- Transistoren 27, 28, deren Gates mit dem Ausgang 19 bzw. 20 verbunden sind und deren miteinander verbundene Sourcean­ schlüsse über einen Source-Widerstand 29 an hohe Versorgungs­ spannung 8 gelegt sind. Der Widerstand 29 ist vorzugsweise gleich groß wie die Widerstände 18 und 20 und weist dieselben Kennwerte auf. Ebenso sind die PMOS-Transistoren 27, 28 vor­ zugsweise identisch ausgebildet wie die PMOS-Transistoren 17, 21, so daß auch insoweit Symmetrie erzielt ist. Der Drainan­ schluß des PMOS-Transistors 27 ist über eine Stromquelle 30 mit einem Stromspiegel 31 verbunden, der aus zwei NMOS-Tran­ sistoren 32, 34 mit gekoppelten Gates besteht. Die Drain- Source-Strecke des Transistors 32 ist zwischen die Stromquel­ le 30 und Massepotential 9 geschaltet und weiterhin mit sei­ nem Gateanschluß verbunden. In gleichartiger Weise ist auch der PMOS-Transistor 28 mit einer Stromquelle 33 und dem NMOS- Transistor 34 des Stromspiegels 31 in Reihe geschaltet. Die Verbindung zwischen dem PMOS-Transistor 28 und der Stromquel­ le 33 bildet den Ausgang 35 des Pegelwandlers 14, an den ein hier mehrstufig ausgebildeter Invertierer 36 angeschlossen ist, der an einem Schaltungsausgang 37 das Ausgangssignal der Schaltung generiert.

Durch die gezeigte Verschaltung wird erreicht, daß der in dem Differenzverstärkerzweig 16 bis 18 fließende Strom gewisser­ maßen gespiegelt in den PMOS-Transistor 27 eingeprägt wird, da die MOS-Transistoren 17 und 27 aufgrund ihrer identischen Sourcebeschaltung und gegenseitigen Basisverbindung wie ein Stromspiegel wirken. Gleiches gilt auch für die PMOS- Transistoren 21 und 28, so daß der im Differenzverstärker­ zweig 20 bis 23 fließende Strom in den PMOS-Transistor 28 eingeprägt wird. Hierbei kann der Ausgang 35 über die gezeig­ te Verschaltung problemlos auf einen zur zuverlässigen Aus­ steuerung der nachgeschalteten MOS-Komponenten ausreichenden Pegel hochgezogen werden. Ferner läßt sich durch Einstellung der Basisspannung des Transistors 25 der im ECL- Differenzverstärker 13 insgesamt fließende Strom und damit zugleich auch der im MOS-Differenzverstärker 15 fließende Strom (aufgrund der gezeigten und beschriebenen Verkopplung) auf gewünschten Wert einstellen, so daß die Verstärkung ge­ zielt variiert und auch der Pegel am Ausgangsanschluß 35 auf gewünschten Wert gebracht werden kann. Bei der gezeigten Schaltung läßt sich also die Stromsteuerung im bipolaren Be­ reich ausführen und hierdurch der Ausgangspegel sowie Hub und Steilheit des MOS-Differenzverstärkers einstellen. Dies ist einfacher ausführbar als eine Pegelsteuerung unmittelbar im MOS-Schaltungsabschnitt.

Der Pegelwandler zeichnet sich somit durch sehr gute Symme­ trie und hohen Matching-Grad bei einfachem Schaltungsaufbau aus.

Bezugszeichenliste

1

,

2

Eingänge

3

Transistor

4

,

4

' Widerstand

5

,

5

' Stromquelle

6

,

6

' Transistor

7

,

7

' Widerstand

8

,

9

Versorgungsspannungsanschluß

10

Basistreiberschaltung

11

,

11

' Differenzverstärker-Eingänge

12

Transistor

13

ECL-Differenzverstärker

14

Pegelwandler

15

MOS-Differenzverstärker

16

bipolarer Transistor

17

PMOS-Transistor

18

Widerstand

19

Differenzverstärkerausgang

20

Widerstand

21

PMOS-Transistor

22

Differenzverstärkerausgang

23

bipolarer Transistor

24

Stromquelle

25

Transistor

26

Widerstand

27

,

28

PMOS-Transistor

29

Source-Widerstand

30

Stromquelle

31

NMOS-Stromspiegel

32

NMOS-Transistor

33

Stromquelle

34

NMOS-Transistor

35

Pegelwandlerausgang

36

Invertierer

37

Schaltungsausgang

Claims (6)

1. Pegelwandler mit einem ersten, eingangsseitigen in ECL- Technik ausgeführten Differenzverstärker (13), an dessen bei­ den Eingängen Eingangssignale anliegen und in dessen Kollek­ torzweige MOS-Transistoren (17, 21) geschaltet sind, die über jeweils einen Widerstand (18, 20) mit einem Versorgungsspan­ nungsanschluß (8) verbunden sind und deren Gate- und Drainan­ schlüsse jeweils miteinander verbunden sind, und einem zwei­ ten in MOS-Technik ausgeführten Differenzverstärker (15), dessen Eingänge an Ausgänge (19, 22) des ersten Differenzver­ stärkers (13) angeschlossen sind und der mindestens zwei MOS- Transistoren (27, 28) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistoren (27, 28) des zweiten Differenzverstär­ kers (15) an ihren Source-Anschlüssen gekoppelt sind und über einen Widerstand (29) an den Versorgungsspannungsanschluß (8) angeschlossen sind und daß in den Emitterzweig des ersten Differenzverstärkers (13) ein Transistor (25) geschaltet ist, der durch eine Basistreiberschaltung (10) auf unterschiedli­ che Stromwerte zur Ausgangspegeleinstellung des zweiten Dif­ ferenzverstärkers (15) einstellbar ist.

2. Pegelwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verbundenen Emitteranschlüsse von bipolaren Transistoren (16, 23) des ersten Differenzverstärkers (13) über einen Widerstand (26) mit dem anderen Versorgungsspan­ nungsanschluß (9) gekoppelt sind, und daß dieser Widerstand (26) gleiche Kennwerte wie die in den Kollektorzweigen des ersten Differenzverstärkers (13) vorhandenen Widerstände (18, 20) und der im Source-Zweig des zweiten Differenzverstärkers (15) vorhandene Widerstand (29) aufweist.

3. Pegelwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistoren (17, 21) des ersten Differenzverstärkers (13) und die MOS-Transistoren (27, 28) des zweiten Differenz­ verstärkers (15) jeweils gleiche Kennwerte aufweisen.

4. Pegelwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gateanschluß jedes MOS-Transistors (17, 21) des ersten Differenzverstärkers (13) jeweils mit dem Gateanschluß eines der MOS-Transistoren (27, 28) des zweiten Differenzverstär­ kers (15) verbunden ist.

5. Pegelwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainanschlüsse der MOS-Transistoren (27, 28) des zweiten Differenzverstärkers (15) über einen MOS-Stromspiegel, insbe­ sondere NMOS-Stromspiegel (31), miteinander verknüpft sind.

6. Pegelwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistoren (17, 21) des ersten Differenzverstärkers (13) PMOS-Transistoren sind.