Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Schaltung bereitzustellen, welche schnell Signale für einen Bauelementkern
zur Verfügung
stellen kann, der bei einer geringen Spannung betrieben wird, wenn
ein Signal einer höheren
Spannung empfangen wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Busteilnehmer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Es wird eine dynamische Rückkopplungsvorspannungsschaltung
offenbart. Ein die Vorspannungsschaltung benutzendes System enthält einen ersten
und einen zweiten Busteilnehmer. Der erste Busteilnehmer erzeugt
ein Signal, das einen ersten Spannungshub oder Spannungsaussteuerbereich aufweist.
Der zweite Busteilnehmer weist einen Kern auf, welcher bei einer
Kernbetriebsspannung betrieben wird, wobei die Kernbetriebsspannung
eine Amplitude aufweist, die geringer als der erste Spannungshub
ist. Der zweite Busteilnehmer weist eine Eingangsschaltung auf,
welche das Signal von dem ersten Bus teilnehmer empfängt. Die
Eingangsschaltung des zweiten Busteilnehmers wird von der dynamischen
Rückkopplungsvorspannungsschaltung
so vorgespannt, daß sie
ein Kernsignal mit einem Spannungshub bereitstellt, der in etwa
gleich oder geringer als die Kernbetriebsspannung ist.
Vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft anhand
der Figuren der begleitenden Zeichnungen veranschaulicht.
1 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
eines Systems der vorliegenden Erfindung.
2 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
der in 1 gezeigten Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105.
3 veranschaulicht
ein anderes Ausführungsbeispiel
der Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105 gemäß 1.
4A veranschaulicht
einen Weg, auf dem die Vorspannung durch die dynamische Vorspannungsschaltung
entwickelt werden kann, und die sich über einem Eingangsbauelement
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ergebende Spannung, wenn eine Eingangsspannung
angelegt wird, die zeitlich zwischen einer minimal erwarteten Spannung
(Vmin) und einer maximal erwarteten Spannung (Vmax) variiert.
4B veranschaulicht
die Ausgangsspannung (Vo1), die von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung erzeugt wird, wenn eine Eingangsspannung (Vin) angelegt
wird.
5 veranschaulicht
Details der Spannungsreferenzquellen und statischen Stromverhinderungseinrichtungen
eines Ausführungsbeispiels
der Eingangssignalaufbereitungsschaltung.
6 veranschaulicht
ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Eingangssignalaufbereitungsschaltung
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung schafft
eine dynamische Vorspannungsschaltung, die eine frühe Spannungsklemmschaltung
und translineare Techniken benutzt. In der folgenden Beschreibung
werden zahlreiche spezielle Details, wie beispielsweise Transistortypen,
Spannungspegel, Logikaufteilungen und Integrationsauswahlen angegeben,
um ein besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Für einen Fachmann ist es jedoch
klar, daß die
Erfindung auch ohne diese speziellen Details ausgeführt werden
kann. An anderen Stellen werden Steuerstrukturen und Schaltungen
auf Gatterebenen nicht im Detail gezeigt, um die Erfindung nicht
zu verdecken. Fachleute werden anhand der enthaltenen Beschreibungen
in der Lage sein, die erforderlichen Logikschaltungen ohne übermäßige Experimente
zu implementieren.
Die dynamische Vorspannungsschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann in einer Vielzahl von Kontexten verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel
gestattet es die Schaltung einem Busteilnehmer, der eine Kernbetriebsspannung aufweist,
zu Signalen höherer
Spannungen, wie beispielsweise Eingangssignalen für den Busteilnehmer,
eine Schnittstelle zu bilden. Die erfindungsgemäße Schaltung gestattet vorteilhafterweise
die Verwendung einer transistorbasierten dynamischen Rückkopplungsvorspannungsschaltung,
um eine Eingangseinrichtung auf eine Weise vorzuspannen, die die Überschreitung
der EOS-Spannung der Eingabeeinrichtung vermeidet. Demzufolge wird
die Verwendung relativ großer
und relativ langsamer resistiver und kapazitiver Mittel der Einstellung
der Eingangsspannungspegel weitgehend vermieden. Zusätzlich schafft
die Verwendung von frühen
Spannungsklemmschaltungstechniken bei einigen Ausführungsbeispielen
ein schnelles Ansprechen, um das Überschreiten der EOS-Spannung
der Einrichtung(en), die das Eingangssignal empfangen, zu vermeiden.
Ferner kann die erfindungsgemäße Schaltung
unter Verwendung "ursprünglicher" Bauelemente für einen
bestimmten Prozeß hergestellt
werden. Ein "ursprüngliches" Bauelement ist ein
Bauelement, welches im allgemeinen im wesentlichen die gleichen Charakteristika
(mit Ausnahme veränderlicher
Dimensionierungsparameter) aufweist, wie andere Bauelemente auf
demselben Chip. Beispielsweise können
sämtliche
ursprünglichen
Bauelemente auf einem Chip im wesentlichen die gleiche Gate-Oxiddicke
oder EOS-Toleranz haben, da sie alle unter Verwendung derselben
Prozeßschritte
hergestellt sind. Einige Halbleiterherstellungsprozesse können spezialisierte
Bauelemente enthalten, welche beispielsweise dickere Gate-Oxide
oder andere abweichende Charakteristika haben, weil eine spezielle
Verarbeitung bei ihrer Herstellung verwendet wird. Während solche
nicht-ursprünglichen
Bauelemente erwünschte
Charakteristika für
solche Anwendungen, wie beispielsweise die Eingangssignalaufbereitung,
haben können,
kann die zusätzliche
Bearbeitungskomplexität
ein Nachteil sein. So schafft die vorliegende Erfindung den zusätzlichen
Vorteil, daß sie
in der Lage ist, die Eingangssignalaufbereitung unter Verwendung ausschließlich der
ursprünglichen
Bauelemente, welche keine speziellen Bearbeitungsschritte erfordern, auszuführen.
Schließlich reduzieren einige Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung den statischen Leistungsverbrauch im
Vergleich zu Eingangssignalaufbereitungsschaltungen, die Widerstandsteilerschaltungen
wie im Stand der Technik verwenden. Ein verringerter Energieverbrauch
kann insbesondere bei Niedrigenergieanwendungen von Vorteil sein, bei
denen oftmals Halbleiterbauelemente benutzt werden, die neue Niedrigspannungsprozesse
benutzen.
1 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
eines Systems, das die vorliegende Erfindung benutzt. Bei diesem
System wirkt ein Prozessor 100 mit einem Busteilnehmer 140 und
einer Busbrücke 150 über einen
Host-Bus 130 zusammen.
Andere Einrichtungen, wie beispielsweise ein
Speicher und Peripherieeinrichtungen, sind typischerweise in einem
solchen System vorhanden. Bei diesem System erzeugen die Busteilnehmer,
wie beispielsweise der Busteilnehmer 140 und der Busteilnehmer 150,
Signale auf dem Host-Bus, die einen Spannungshub aufweisen, der
etwa gleich einer Systemspannung (System-Vcc) ist.
Der Prozessor 100 andererseits
weist einen Prozessorkern 120 auf, welcher bei einer niedrigeren Spannung
(Kern-Vcc) als die Systemspannung arbeitet. Die Kern-Vcc (Vccc)
wird an den Kern 120 auf einer Stromversorgungsleitung 122 angelegt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen
kann der Prozessor die Kern-Vcc aus der System-Vcc unter Verwendung
einer chipeigenen Schaltung erzeugen. Wie hier jedoch veranschaulicht,
kann die System- oder Peripheriespannung auf einer separaten Stromversorgungsleitung 107 angelegt
werden.
Damit der Prozessor 100 mit
den anderen Busteilnehmern in Wechselwirkung treten kann, werden
die auf den Signalleitungen, wie beispielsweise der Signalleitung 112,
empfangenen Signale vor dem Erreichen des Kerns 120 durch
eine Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105 durchgeleitet.
Das Eingangssignal von der Signalleitung 112 wird von einer Eingangseinrichtung 110,
wie beispielsweise einem Verstärker,
empfangen. Die Eingangseinrichtung 110 wird durch eine
dynamische Vorspannungsschaltung 115 vorgespannt, so daß die Ausgangsspannung
der Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105, die zu dem
Kern 120 auf einer Signalleitung 114 weitergeleitet
wird, einen Spannungshub aufweist, welcher im wesentlichen gleich
der oder geringer als die Amplitude der Kern-Vcc ist.
Das Ausgangssignal der Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105 ist
etwa gleich der oder geringer als die Kern-Vcc, um ein Anlegen einer
Spannung zu vermeiden, die die EOS-Spannung eines Transistors in dem Kern 120 überschreitet.
Dementsprechend ist eine Spannung, welche etwa gleich der oder geringer
als die Kernspannung ist, innerhalb des Bereichs derjenigen Spannungen,
die von der Kernschaltung verarbeitet werden können. Sie kann geringer als
der typische Kernspannungshub sein, da Transistoren oftmals ziemlich
effektiv bei einem Umschalten in Abhängigkeit von Eingangsspannungen in
einem Bereich mit einer Amplitude, die geringer als ihre volle Betriebsspannung
ist, sind. Außerdem
können
Schaltungen, wie beispielsweise Differenzverstärker, verwendet werden, um
die Spannungshübe zu
erhöhen,
sofern sie zu gering für
die Kernschaltungen sind. Andererseits können die Spannungen, die dem
Kern eingegeben werden, gleich der oder geringfügig größer als die Kernspannung sein,
ohne die EOS-Grenze der Kernschaltungen zu überschreiten. In ähnlicher
Weise können
vorübergehende
Signalartifakte auf der Signalleitung 114 vorübergehend
die Kernspannung überschreiten,
ohne daß sie
für eine ausreichend
lange Zeitdauer eine Spannung halten, die hoch genug ist, um eine
elektrische Oxid(EOS)-Zerstörung
zu bewirken.
So kann die Eingangssignalaufbereitungsschaltung
den Kern 120 gegenüber
einer EOS-Zerstörung
abschirmen, indem dem Kern eine Ausgangspannung zur Verfügung gestellt
wird, welche insgesamt gesehen etwa gleich der oder geringer als
die Kernspannung ist. weitere Details der Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105 bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind in 2 veranschaulicht.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird ein Eingangssignal
auf einer Eingangsleitung 202 von der Signalleitung 112 empfangen,
welche mit dem Host-Bus 130 in 1 verbunden ist. Ein Verstärker 205,
der eine Verstärkung
von weniger als oder gleich 1 aufweist, wird als Eingangseinrichtung benutzt,
welche das Eingangssignal empfängt.
Der Verstärker
ist außerdem
so eingekoppelt, daß er
eine Vorspannung von einer Vorspannungsleitung 235 empfängt und
eine erste Ausgangsspannung (Vo1) auf einer Signalleitung 207 erzeugt.
Die bei Vo1 erzeugte Ausgangsspannung gibt die Ein gangsspannung
wieder mit der Ausnahme, daß die
Ausgangsspannung gedämpft
oder bei bestimmten Spannungspegeln geklammert sein kann, so daß eine Spannung
aufrechterhalten wird, die niedrig genug ist, um ein EOS der Kernschaltung
zu vermeiden.
Eine Ausgangs- und Vorspannungspegeleinstellschaltung 210 ist
so eingekoppelt, daß sie
die Ausgangsspannung bei Vo1 empfängt und eine zweite Ausgangsspannung
(Vo2) auf Signalleitung 212 erzeugt. Die Ausgangssignal-
und Vorspannungspegeleinstellschaltung 210 stellt allgemein
die Ausgangsspannung bei Vo1 für
eine Rückkopplungsschleife
ein und reduziert sie typischerweise. Ein geringeres Spannungssignal,
das das Eingangssignal wiedergibt, kann bei einer Verwendung in
der dynamischen Rückkopplungsschleife
zusätzlich
zu der potentiellen Verwendung von Vo2 in dem Kern wünschenswert
sein. Wie veranschaulicht, erzeugt die Ausgangssignal- und Vorspannungspegeleinstellschaltung 210 ein
eingestelltes Signal auf einer Signalleitung 214. Das eingestellte
Signal wird im Spannungspegel von der Ausgangsspannung auf der Signalleitung 207 eingestellt,
gibt aber noch das auf Signalleitung 202 empfangene Eingangssignal
wieder. Die Ausgangssignal- und Vorspannungspegeleinstellschaltung 210 ist
bei Ausführungsbeispielen,
bei denen nachfolgende Stufen in der dynamischen Rückkopplungsschleife
das von dem Verstärker 205 erzeugte
Ausgangssignal akzeptieren können,
nicht erforderlich.
Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
empfängt
eine Referenzauswahlschaltung 220 das eingestellte Signal
aus der Ausgangssignal- und Vorspannungspegeleinstellschaltung 210 und
wählt in
Abhängigkeit
von diesem Signal eine oder mehrere von n Spannungsversorgungen
(Vref1-Vrefn) für
eine Unterstützung
beim Vorspannen der Vorspannungsleitung 235 aus. Da das
eingestellte Signal auf Signalleitung 214 das Eingangssignal
reflektiert, spannt die Referenzauswahlschaltung 220 die
Vorspannungsleitung 235 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal
vor. Diese dynamische Rückkopplungsvorspannungsschleife
gestattet es der Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105 zu
vermeiden, daß eine die
EOS-Spannung überschreitende
Spannung an den Verstärker 205 angelegt
wird.
Die Referenzauswahlschaltung 220 enthält einen
Abtastverstärker 225,
der so eingekoppelt ist, daß er
das eingestellte Signal empfängt,
und eine Auswählerschaltung,
die das Ausgangssignal einer oder mehrerer Spannungsversorgungen
auswählen kann.
Der Abtastverstärker 225 erzeugt
ein Referenzauswahlsignal oder Referenzauswahlsignale über die
Signalleitung(en) 227. Das Referenzauswahlsignal gestattet
es dem Auswähler 230,
die richtige Spannungsreferenzquelle auszuwählen. Wie veranschaulicht,
stellt jede der Spannungsreferenzschaltungen eine Referenzspannung
bei einem Referenzspannungsausgang zur Verfügung. Beispielsweise erzeugt
eine erste Referenzspannungsschaltung (Vref1) 240 eine
erste Referenzspannung an einem ersten Referenzspannungsausgang 242.
In ähnlicher Weise
erzeugt eine letzte Spannungsreferenzschaltung (Vrefn) 245 eine
Referenzspannung am Referenzspannungsausgang 247.
So veranschaulicht die Eingangssignalaufbereitungsschaltung
gemäß 2 die Verwendung einer dynamischen
Rückkopplungsvorspannungsschaltung,
um eine oder mehrere einer Mehrzahl von Spannungsversorgungen auszuwählen, um
eine Eingangseinrichtung, wie beispielsweise den Verstärker 205,
vorzuspannen. Wie zuvor angemerkt, kann eine derartige Schaltung
verwendet werden, um Eingangssignale aufzubereiten, um ein EOS der
nachfolgenden Schaltungsanordnungen zu vermeiden. Zusätzlich kann
eine derartige Schaltungsanordnung bei anderen Anwendungen nützlich sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel
beispielsweise, bei dem die Referenzauswahlschaltung 220 eine
von n Vorspannungen auswählt,
schaffen die Vorspannungen auf der Vorspannungsleitung 235 eine
digitalisierte Version des Eingangssignals. Wie unter Bezug nahme
auf 6 näher erörtert wird,
kann eine derartige Schaltung bei einem Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Umsetzer
nützlich
sein. Zusätzlich
kann die dynamische Rückkopplungsvorspannungsschaltung
verwendet werden, um eine beliebige Art eines Verstärkers vorzuspannen,
durch welchen der Verstärker 205 ersetzt
werden kann.
3 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
einer Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105, welche
insbesondere beim Vermeiden einer EOS nachfolgender Schaltungsanordnungen
nützlich
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird eine von zwei Spannungsreferenzquellen durch den Auswähler 230 ausgewählt, um
den Verstärker
auf eine Weise vorzuspannen, die ein EOS dieser Schaltung vermeidet.
Der Verstärker 205 wird
durch einen n-Kanal-Transistor 425 gebildet, der in einer üblichen Gate-Verstärkeranordnung
geschaltet ist. Die Source des Transistors ist mit der Signalleitung 207 gekoppelt,
das Gate mit der Vorspannungsleitung 235 und das Drain
mit der Signalleitung 202, welche das Eingangssignal empfangen
kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Pegeleinstellschaltung 210 durch
ein Paar von n-Kanal-Transistoren 450 und 455 gebildet,
deren Gate- und Drain-Elektroden miteinander verbunden sind. Bei
dieser Anordnung ist der Dynamikbereich der zweiten Ausgangsspannung
(Vo2) geringer als der von Vo1. Die zweite Ausgangsspannung wird
ebenfalls an den Abtastverstärker 225 auf
der Signalleitung 214 weitergeleitet.
Der Abtastverstärker 225 ist so konstruiert, daß sein Ausgangssignal
in Abhängigkeit
von ziemlich begrenzten Änderungen
seiner Eingangssignale umschaltet. Ein p-Kanal-Transistor 430,
dessen Source mit der Kern-Vcc verbunden ist und dessen Gate- und
Drain-Anschlüsse
miteinander verbunden sind, in Verbindung mit einem n-Kanal-Transistor 445,
dessen Source mit einem Masseanschluß verbunden ist und dessen
Gate- und Drain-Anschlüsse miteinander
verbunden sind, begren zen den Betriebsbereich eines Invertierers,
der im Endeffekt durch einen p-Kanal-Transistor 435 und
einen n-Kanal-Transistor 440 gebildet wird. Die Gates der
Transistoren 435 und 440 sind so eingekoppelt,
daß sie das
eingestellte Signal auf der Signalleitung 214 empfangen;
jedoch begrenzen die Transistoren 430 und 445 den
Betriebsbereich dieser Inverterstruktur auf etwa zwei Diodenabfälle weniger
als die Amplitude der Kernbetriebsspannung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel liefert der Abtastverstärker 225 ein
einziges Referenzauswahlsignal auf der Signalleitung 227 an
die Selektorschaltung 230. Die Selektorschaltung 230 koppelt
selektiv entweder eine Hochspannungsreferenzschaltung 405 oder
eine Niedrigspannungsreferenzschaltung 410 mit der Vorspannungsleitung 235.
Wenn sich das Referenzauswahlsignal auf einem hohen logischen Pegel
befindet, ist der Transistor 420 als Durchlaßgatter
zwischen der Niedrigspannungsreferenzschaltung 410 und
der Vorspannungsleitung 235 freigegeben, womit die Vorspannungsleitung
auf der Spannung der Niedrigspannungsreferenzschaltung 410 vorgespannt
wird. Somit bewirkt ein geringer Spannungswert des Eingangssignals
auf Signalleitung 202, daß eine niedrige Vorspannung
an die Vorspannungsleitung 235 angelegt wird. Da die Ausgangsspannung
der Niedrigspannungsreferenzschaltung 410 etwa bei der
minimal erwarteten Spannung des Eingangssignals plus der EOS-Spannung
für die Schaltung
liegt, sichert dieses Vorspannen, daß die EOS-Grenze für den Transistor 425 nicht überschritten
wird.
In ähnlicher Weise wird dann, wenn
das Eingangssignal auf Signalleitung 202 sich auf einem
hohen Signalpegel befindet, das Referenzauswahlsignal auf Signalleitung 227 auf
einen niedrigen Spannungswert angesteuert. Dies gibt den Transistor 415 frei,
welcher als Durchlaßgatter
zwischen der Hochspannungsreferenzschaltung 405 und der
Vorspannungsleitung 235 eingekoppelt ist. Da die Ausgangsspannung
der Hochspannungsreferenzschaltung 405 etwa gleich der
maximal er warteten Eingangsspannung abzüglich der EOS-Spannung für die Schaltung
ist, sichert dieses Vorspannen, daß eine hohe Eingangsspannung
den Transistor 425 ebenfalls nicht zerstört. Somit
vermeidet die dynamische Rückkopplungsvorspannungsschaltung
durch selektives Koppeln einer der beiden Spannungsreferenzschaltungen
zum Vorspannen der Eingangseinrichtung, des Transistors 425,
eine EOS-Zerstörung
der Eingangseinrichtung.
4a und 4b veranschaulichen den Betrieb eines
Ausführungsbeispiel
der Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105. Gemäß 4a wird eine mit Vinput
bezeichnete Spannung, die von einer minimalen erwarteten Eingangsspannung
(Vmin) bis zu einer maximal erwarteten Eingangsspannung (Vmax) reicht,
an einen Eingang eines Ausführungsbeispiels der
Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105 auf Signalleitung 202 angelegt. 4a veranschaulicht die sich
ergebende Vorspannung auf der Vorspannungsleitung 235 (die
mit Vbias) bezeichnet ist und die Drain-Gate-Spannung des Transistors 425 (die als
Vdg425 bezeichnet ist).
Anfänglich beginnt die Vorspannung
beim Ausgangsspannungspegel der Niedrigspannungsreferenzschaltung 410 (Vref1),
da ein niedriges Eingangssignal dazu führt, daß das Referenzauswahlsignal
auf der Signalleitung 225 den Transistor 420 freigibt.
Wenn sich die Eingangsspannung erhöht, beginnt der Abtastverstärker schließlich damit,
das Referenzauswahlsignal auf der Signalleitung 227 auf
einen niedrigen Spannungswert anzusteuern, wodurch der Transistor 420 gesperrt
und der Transistor 415 freigegeben wird.
Ein erster Kippunkt 490 ist
in 4a gezeigt, der anzeigt,
wo der Transistor 420 beginnt auszuschalten und der Transistor 415 beginnt
zu leiten. Ein zweiter, mit 495 bezeichneter Kippunkt zeigt
einen Punkt an, bei dem der Transistor 415 freigegeben
ist, der Transistor 420 gesperrt ist und die Hochspannungsreferenzschaltung
die Vorspannungsleitung 235 mit ihrer Ausgangsspannung
(Vrefh) vorspannt. Diese Art des Vorspannens wird als translinear
bezeichnet, da die lineare Antwort vom Kippunkt 490 bis 495 an
beiden Seiten durch feste Spannungsreferenzschaltungen unterbrochen
wird, welche die Antwortcharakteristik ändern. Bei dieser Definition
würden
viele Vorspannungsschemata, welche selektiv mehrere Spannungsreferenzen
zum Erzeugen einer Vorspannung koppeln, als translineare Vorspannungsschaltungen
qualifiziert werden.
Im Ergebnis der an den Transistor 425 angelegten
Vorspannung überschreitet
die an den Transistor 425 angelegte Spannung nicht die
EOS-Spannung dieses Bauelements. Die Vorspannungsschaltung erreicht
dies trotz des Umstands, daß der
Eingangsspannungsbereich mehr als doppelt so groß wie die EOS-Spannung ist.
4b veranschaulicht
das Ausgangssignal eines Ausführungsbeispiels
der Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105, das in Abhängigkeit
von einem Eingangssignal erzeugt wird, das von Vmin bis Vmax und
wieder zurück übergeht.
Wie veranschaulicht, wird die Ausgangsspannung (Vo1) maßstäblich reduziert,
indem Vinput bei einem Klemmpegel frühzeitig bei dem Übergang
zwischen Vmin und Vmax geklammert wird. Diese frühe Klammertechnik gestattet
nicht nur, daß EOS-Probleme
in der die Ausgangsspannung empfangenen Schaltung vermieden werden,
sondern stellt darüber
hinaus einen Ausgangsspannungsübergang
sehr schnell zur Verfügung.
Beispielsweise zeigt, wie in 4b gezeigt
ist, die Zeitdauer Δ die
Zeitdifferenz zwischen dem Punkt, bei dem die Ausgangsspannung ihren
Maximalspannungswert erreicht, und dem Punkt an, bei dem die Eingangsspannung
ihre Maximalspannung erreicht.
Wie deutlich zu sehen ist, ist bei
Verwendung dieser frühe
Spannungsklemmtechnik die Ausgangsspannung vollständig übergewechselt,
bevor die Eingangsspannung Vo1 ihren Übergang abgeschlossen hat.
Somit kann die Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105 im
Endeffekt eine negative Ausbreitungsverzögerung aufweisen, sofern die
Verzögerungen
unter Verwendung eines bestimmten Prozentsatzes des erwarteten Gesamtspannungsübergangs (z.B.
des 50%-Punktes) als Meßpunkt
gemessen werden. Unabhängig
von der genauen Ausbreitungsverzögerungsmessung
stellt die Eingangssignalaufbereitungsschaltung 105 eine
sehr schnelle Eingangssignalaufbereitung zur Verfügung, da
lediglich ein Transistor (Transistor 425) das Eingangssignal von
dem Ausgangssignal trennt. Bezüglich
des Abwärtsübergangs
der Eingangsspannung tritt keine derartige potentielle negative
Ausbreitungsverzögerung
bei diesem Ausführungsbeispiel
auf; jedoch wird die Ausgangsspannung der Eingangsspannung eng nachgeführt, nachdem
die Eingangsspannung unter die hohe Referenzspannung fällt.
Zusätzlich dazu, daß die hohe
Geschwindigkeit der Ausgangssignalaufbereitungsschaltung für die Ausgangsspannung
empfangene Schaltungen vorteilhaft ist, ist die geringe Verzögerung durch
die Rückkopplungsschleife
außerdem
wichtig bei der rechtzeitigen Einstellung der Vorspannung, um ein EOS
der Eingangseinrichtung, des Transistors 425, zu vermeiden.
Die schnelle Rückkopplung
gestattet, daß die
Vorspannung eingestellt wird, bevor eine EOS-Verletzung auftreten
kann. So sind sowohl die geringe Verzögerung zwischen dem Eingangssignal und
dem Ausgangssignal als auch der relativ kurze Rückkopplungspfad vorteilhaft
für eine
Schaltung, die ein dynamisches Rückkopplungsvorspannen
verwendet, um eine Eingangssignalaufbereitung durchzuführen.
5 veranschaulicht
Details einer Referenzquelle 520 für eine hohe Spannung und einer Referenzquelle 500 für eine niedrige
Spannung, die bei einem Ausführungsbeispiel
verwendet werden. Zusätzlich
zeigt 5 Details der
Verwendung der Transistoren 550 und 560, um Gleichspannungssignalpfade
zu beseitigen, wenn ein NODC#-Signal an die Signalleitung 555 angelegt
wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 bildet ein Transistor 540 die
Eingangseinrichtung, welche das Eingangssignal von der Signalleitung 202 empfängt und
durch eine Vorspannungsleitung 514 vorgespannt wird. Das
Ausgangssignal dieser Eingangssignalaufbereitungsschaltung (Vo1)
wird auf der Signalleitung 542 erzeugt. Drei Transistoren, die
Transistoren 544, 546 und 548, sind in
der Art einer Diode in Reihe geschaltet, wobei jeweils die Gate-Elektrode
mit der Source verbunden ist. Unter den drei Transistoren, den Transistoren 544, 546 und 548,
ermöglicht
ein Transistor 550, daß dieser
Eingangsstapel vom Masseanschluß getrennt
wird, wenn ein NODC#-Signal an der Signalleitung 555 angelegt
wird. In ähnlicher
Weise trennt ein Transistor 570 die erste Spannungsreferenz 500 von
Vccc, wenn das NODC#-Signal angelegt wird.
Das Eingangssignal für den Abtastverstärker 225 wird
von der Source des oberen Transistors 544 abgegriffen,
wodurch ein größerer Spannungshub dem
Abtastverstärker 225 zur
Verfügung
gestellt wird, als von der Source entweder des Transistors 546 oder
des Transistors 548 verfügbar wäre. Wie veranschaulicht, ist
der Abtastverstärker 225 mit
den Transistoren 430–445 so
konfiguriert, wie es zuvor in 3 gezeigt
wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird der Abtastverstärker 225 durch
das Kern-Vcc-Signal (Vccc) versorgt, und die Masse ist dementsprechend
die Kern-Masse (GNDC).
Der Abtastverstärker 225 erzeugt das
Referenzauswahlsignal auf der Signalleitung 530, welche, wie
zuvor erörtert,
selektiv die hohe und niedrige Spannungsreferenzschaltung 520 und 500 mit
der Vorspannungsleitung 514 koppelt. Neu an diesem Ausführungsbeispiel
ist der Transistor 560, welcher das Referenzauswahlsignal
auf den Kernspannungswert ansteuert, wenn das NODC#-Signal auf Signalleitung 555 angelegt
wird. Dies hindert den Ausgangsknoten des Abtastverstärkers 225 daran,
auf ein schwimmendes Potential zu gehen, und erzeugt einen Gleichspannungspfad
durch den Abtastverstärker 225.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die niedrige
Spannungsreferenzschaltung 500 eine stromspiegelbasierte
Schaltung, welche eine Ausgangsspannung geringer Änderung
auf der Signalleitung 505 zur Verfügung stellt, welche sich bei Änderungen der
Kern-Vcc nicht ändert.
Die niedrige Spannungsreferenzschaltung 500 enthält zwei
p-Kanal-Transistoren 506 und 508, deren Source
jeweils mit der Kern-Vcc verbunden ist. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 506 und 508 sind
miteinander verbunden. Das Drain des Transistors 506 stellt
die Ausgangsspannung auf Signalleitung 505 zur Verfügung und
ist mit dem Drain eines n-Kanal-Transistors 504 gekoppelt.
Die Source des n-Kanal-Transistors 504 ist mit dem Kern-Massesignal über einen
Widerstand 502 verbunden. Ein weiterer n-Kanal-Transistor 510 ist
mit seiner Source mit dem Kern-Massesignal
verbunden und mit seinem Gate mit dem Gate des Transistors 504.
Zusätzlich
ist das Drain des Transistors 510 mit dem Gate der Transistoren 504 und 510 ebenso
wie mit dem Drain des Transistors 508 verbunden. Diese
Anordnung schafft eine Ausgangsspannung geringer Änderungen
auf der Signalleitung 505 trotz zeitlicher Schwankungen
auf Vccc, solange die Breite-zu-Länge-Verhältnisse der Transistoren 506 und 508 gleich
sind und das Breite-zu-Länge-Verhältnis des
Transistors 504 größer als
das des Transistors 510 ist. Unter derartigen Bedingungen
ist die Spannung auf der Signalleitung 505 eine Funktion
der Gate-Source-Spannungen der Transistoren 504 und 510 ebenso
wie des Wertes des Widerstands 502.
Die hohe Spannungsreferenzschaltung 520 enthält zwei
Stapel von in Reihe geschalteten p-Kanal-Transistoren, die in der
Art einer Diode geschaltet sind. Die Source des Transistors 522 ist
mit der Peripheriespannungsversorgungsleitung (Vccp) verbunden.
Das Gate des Transistors 522 ist mit dem Drain des Transistors 522 verbunden,
und die Transistoren 524, 526 und 528 sind
in gleicher Weise in Reihe geschaltet, wobei ihre Gates mit ihren
Drains verbunden sind und wobei der letzte Transistor, Transistor 528,
mit seinem Drain mit dem Peripheriemassesignal GNDp verbunden ist.
Die Source des Transistors 531 ist mit dem Gate des Transistors 522 verbunden, und
sein Gate ist mit seinem Drain verbunden. In gleicher Weise ist
die Source des Transistors 532 mit dem Drain des Transistors 531 verbunden,
und seine Gate- und Drain-Anschlüsse
sind miteinander verbunden. Am Drain-Anschluß des Transistors 532 stellt
die Hochspannungsreferenzschaltung 520 die Ausgangsspannung
zur Verfügung,
welche auf die Vorspannungsleitung 514 getrieben wird,
wenn der Durchleittransistor 534 von dem Referenzauswahlsignal
freigegeben ist.
Es ist zu beachten, daß bei dieser
Anordnung der Transistor 534 vorgespannt bleiben kann, so
daß er
schwach eingeschaltet ist, wenn das Referenzauswahlsignal auf seinem
hohen Spannungspegel ist, und folglich eine gewisse Konkurrenz zu
der Niedrigspannungsreferenzschaltung 500 bewirken kann.
Indem der Transistor 534 schwach eingeschaltet gehalten
wird, wird die Vorspannung der Hochspannungsreferenzschaltung 520 bewahrt
und außerdem
die Verringerung von Übergangseffekten
unterstützt,
welche anderenfalls die Vorspannung beeinflussen können. Der
Transistor 512 jedoch sollte so dimensioniert werden, daß dann,
wenn der Transistor 512 freigegeben ist, die Niedrigspannungsreferenzschaltung 500 stark
dominiert und die Vorspannung auf einen niedrigen Wert gezogen wird.
So dominiert bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 jede Spannungsversorgung
in einem bestimmten Spannungsbereich, welcher bewirkt, daß sein Durchleittransistor
in starkem Maße
freigegeben wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Peripheriespannung
3,3 Volt, die Kernspannung 2,0 Volt und die EOS-Spannung (Elektrische-Oxid-Spannung)
etwa 2 Volt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist
die Ausgangsspannung der Niedrigspannungsreferenzschaltung 500 etwa
1,3 Volt und die Ausgangsspannung der Hochspannungsreferenzschaltung 520 etwa
2,3 Volt. Bei einer erwarteten Minimaleingangsspannung von –0,7 Volt
und einer erwarteten Maximaleingangsspannung von 4,3 Volt verhindert die
Schaltung gemäß 5, daß die EOS-Spannung für irgendeines
dieser Bauelemente überschritten wird.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen
können
größere oder
geringere Spannungen toleriert werden. Bei einer Anwendung, die
eine größere Differenz
zwischen der Kern-Vcc und der Amplitude der Differenz zwischen den
erwarteten Minimal- und
Maximalspannungen aufweist, kann ein herkömmlicher Spannungspegelschieber
anstelle des Abtastverstärkers 225 verwendet
werden, um EOS-Probleme in Bauelementen der Referenzauswahlschaltung
zu vermeiden.
Zusätzlich kann es vorteilhaft
sein, Kondensatorschaltungen an bestimmten Punkten in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 hinzuzufügen, beispielsweise
Kondensatoren zwischen der Vorspannungsleitung 514 und
Masse, zwischen der Vorspannungsleitung 514 und der Signalleitung 542 (Vo1),
zwischen Vccc und dem Ausgang der Niedrigspannungsreferenzschaltung 500 (Leitung 505),
zwischen GNDc und Leitung 505 und zwischen Vccc und GNDc
in der Spannungsreferenzschaltung 500 anzuordnen.
6 veranschaulicht
ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer dynamischen Rückkopplungsvorspannungsschaltung.
Diese Schaltung verwendet translineare Techniken, die drei Spannungsreferenzschaltungen
einschließen.
Eine derartige Schaltung kann bei einer Analog-Digital-Umsetzung
nützlich sein.
In 6 wird das Eingangssignal
wiederum auf einer Signalleitung 202 empfangen und dann
zu einem Verstärker 205 weitergeleitet,
der aus einem Transistor 425 besteht. Wiederum wird die
Pegeleinstellschaltung 210, wie sie zuvor unter Bezugnahme auf 3 diskutiert wurde, verwendet.
6 jedoch
benutzt eine Referenzauswahlschaltung 605, welche von den
zuvor gezeigten abweicht. Die Referenzauswahlschaltung 605 enthält drei
Inverter, Inverter 610, 615 und 620,
welche als ihr Eingangssignal das Vo2-Signal aus der Pegeleinstellschaltung 210 verwenden.
Die Ausgänge
dieser drei Inverter sind jeweils mit den Gates der drei Durchlaßgatter 625, 630 und 635 gekoppelt.
Die Durchlaßgatter
sind p-Kanal-Transistoren, die folglich grundsätzlich freigegeben sind, wenn
eine niedrige Spannung an ihren Gates angelegt ist.
Die erste Spannungsreferenzschaltung
ist eine Reihenkombination von drei p-Kanal-Transistoren, Transistoren 640, 645 und 650,
welche in Reihe zwischen Vccc und der Source des Durchlaßgatters 635 eingekoppelt
sind. Bei jedem der Transistoren 640, 645 und 650 ist
das Gate mit seinem Drain verbunden.
In ähnlicher Weise enthält die zweite
Spannungsquelle zwei in Reihe gekoppelte p-Kanal-Transistoren 655 und 660,
die zwischen Vcc und der Source des Durchlaßtransistors 630 eingekoppelt sind.
Die Transistoren 655 und 660 sind ebenfalls in der
Art einer Diode geschaltet, wobei ihre Gates mit ihren Drains gekoppelt
sind. Schließlich
ist die dritte Spannungsquelle ein einziger Transistor 670,
dessen Source mit Vcc verbunden und dessen Gate und Drain mit der
Source des Durchlaßtransistors 625 verbunden
sind.
Wenn eine sich erhöhende Eingangsspannung
angelegt wird, erhöht
sich die Spannung bei Vo2, wodurch die Spannungen an den Ausgängen der
Inverter 610, 615 und. 620 veranlaßt werden,
abzusinken. Da die Source des Durchlaßgatters 625 am nächsten an
Vcc ist, stellt jeder Abfall in der Spannung des Gates 625 eine
größere Gate-Source-Spannung
am Gate des Transistors 625 zur Verfügung, als sie an beiden Transistoren 630 und 635 vorhanden
wäre. So
spannt bei einem ersten und geringsten Spannungspegel des Eingangssignals
Vref3 der Transistor 425 über die Vorspannungsleitung 680 vor.
Bei einer höheren
Spannung wird die Gate-Source-Spannung des Transistors 630 ausreichen,
um auch diesen Transistor freizugeben, wodurch auch die zweite Spannungsreferenzschaltung
mit der Vorspannungsleitung 680 gekoppelt wird. In ähnlicher Weise
wird bei einem dritten Spannungspegel des Eingangssignal der Transistor 635 freigegeben,
wodurch eine dritte Stufe in der Spannung auf der Vorspannungsleitung 680 erzeugt
wird.
Im Endeffekt stellt die Vorspannungsleitung 680 folglich
eine digitalisierte Version des Eingangssignals zur Verfügung. Mit
anderen Worten, die Vorspannung (Vbias), die in 4a gezeigt ist, würde bei dieser Schaltung drei
diskrete Stufen aufweisen. Zusätzliche
Spannungsreferenzschaltungen könnten hinzugefügt werden,
wenn zusätzliche
Schritte der Digitalisierung erforderlich sind; diese Schaltung
demonstriert jedoch, wie eine dynamische Rückkopplungsvorspannung verwendet
werden kann, um einen schnellen Analog-Digital-Umsetzer zu erzeugen.
So schafft die vorliegende Erfindung
eine dynamische Vorspannungsschaltung, welche in einer Vielzahl
von Kontexten verwendet werden kann. Während bestimmte Ausführungsbeispiele
beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen gezeigt wurden,
ist es klar, daß die
Ausführungsbeispiele bloß der Veranschaulichung
dienen und die breite Erfindung nicht einschränken, und daß diese
Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen speziellen Konstruktionen
und Anordnungen eingeschränkt werden
soll, da verschiedene andere Modifikationen Fachleuten beim Studium
dieser Offenbarung in den Sinn kommen können.