DE2036619A1 - Transistorisierter Schaltkreis - Google Patents

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE ♦ DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087

North American Rockwell Corporation, El Segundo, Calif./USA

■ Transistorisierter Schaltkreis

Die Erfindung betrifft einen transistorisierten Schaltkreis mit einer Potentialquelle, einer Eingangsund einer Ausgangsklemme und einer Logikeinrichtung zwischen der Ausgangsklemme und einem Bezugspunkt, dessen Eingang mit der Eingangsklemme verbunden ist, um das Ausgangssignal zwischen dem Bezugspunkt und der Potentialquelle zu schalten. Ein solcher transistorisierter Schaltkreis kann einen statischen Ausgang aufrechterhalten, dessen Höhe mindestens so groß wie die Potentialversorgung des Kreises ist.

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ORIGINAL

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In Schaltkreisen vom MOS-Typ werden die statischen Ausgänge der Kreise durch die Verwendung externer Hochziehwiderstände oder interner p-Bereichswiderstände im wesentlichen auf der Versorgungsspannung gehalten, welche im allgemeinen eine negative Spannung ist. Die Widerstände mit hohen Werten, 20 kiloder mehr, nehmen große Flächen auf dem die MOS/Elemente tragenden Plättchen ein. P-Bereichswiderstände von weniger als 20 kJ2 Widerstand verbrauchen eine Menge Leistung. Daher wäre es sehr vorteilhaft, einen Schaltkreis zu haben, bei welchem der p-Bereichswiderstand weggelassen werden kann, wobei der Kreis gleichzeitig weniger Fläche benötigt und weniger Leistung verbraucht als mit den bisher verwendeten p-Bereichswiderständen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgäbe zugrunde, einen Schaltkreis vorzusehen, mit welchem ein Ausgang mindestens auf dem Niveau der Potentialquelle des Kreises gehalten werden kann, ohne p-Bereichswiderstände mit hohen Werten zu verwenden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine gesteuerte Lasteinrichtung mit zwei möglichen Zuständen zwischen die Potentialquelle und die Ausgangs-" klemme geschaltet ist, wobei einer der Zustände geringe Leitfähigkeit und der andere große Leitfähigkeit darstellt, ein komplementäres Paar von Bootstrapschaltungen mit der Lasteinrichtung zur Steuerung der Lasteinrichtung zwischen den zwei Zuständen verbunden ist und Takteinrichtungen zum Takten des Paares von Bootstrapschaltungen in einander überlappende Leitfähigkeit vorgesehen sind. Durch die Erfindung ist es möglich, p-Bereichswiderstände mit hohen Werten bei integrierten Schaltkreisen mit MOS-Elementen auszuschließen.

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Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und aus den Ansprüchen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Schaltkreis mit einem p-Bereichswiderstand als Lastwiderstand,

Fig. la einen bekannten Schaltkreis, bei welchem der p-Bereichswiderstand durch einen Transistor ersetzt ist,

Fig. 2 ein elektrisches Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltkreises,

Fig. j5a und 3b für den Betrieb des Schaltkreises nach Fig. 2 brauchbare Wellenformen von Taktimpulsen, und

Fig. 4 eine Ausgangswellenform zum besseren Verständnis des Betriebs des erfindungsgemäßen Schaltkreises.

In Fig. 1 ist die einfachste Form einer bekannten Vorrichtung gezeigt, bei welcher ein einziger Feldeffekttransistor

30 mit einer Steuerelektrode 31> einer Quellenelektrode 33 und einer Senkenelektrode 32 verwendet wird. Die Senkenelektrode ist mit einer Ausgangsklemme und einem relativ großen Widerstand R, allgemein mit 20 k-ß. oder mehr verbunden, welcher seinerseits mit einer mit-V bezeichneten Potentialquelle verbunden ist. Die Quellenelektrode des Feldeffekttransistors ist mit einer Bezugsklemme, z.B. Erde verbunden. Im Betrieb schaltet ein negativer Eingangsimpuls an der Steuerelektrode

31 den Feldeffekttransistor ein, wodurch im wesentlichen die Klemme der Senkenelektrode 32 mit derjenigen der Quellenelektrode 33 verbunden wird. Hierdurch wird die Ausgangsklemme

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wirksam auf Erdpotential oder ein Bezugspotential gebracht. Wenn das Eingangssignal von der Steuerelektrode j51 entfernt wird, wird der Feldeffekttransistor abgeschaltet und das Potential -V tritt an der Ausgangsklemme auf. Der Betrag des Stromes, welcher durch den großen Widerstand R und über die Klemmen d=r Senkenelektrode 32 und der Quellenelektrode fließt, wenn der Feldeffekttransistor 30 ausgeschaltet ist, ist verhältnismäßig klein. Daher tritt an der Ausgangsklemme im wesentlichen das Potential -V auf. Der Nachteil dieses Kreises liegt in dem großen erforderlichen Flächenbedarf für die Herstellung des Lastwiderstandes.

In Fig. la, welche Fig. 1 ähnlich ist, ist der Lastwiderstand durch einen einzigen Feldeffekttransistor 35 ersetzt, welcher eine Steuerelektrode 4l, eine Quellenelektrode 40 und eine Senkenelektrode 39 aufweist. Die Steuerelektrode 4l und die Senkenelektrode 39 sind beide mit einer Potentialquelle -V verbunden, und die Quellenelektrode 40 ist mit einer Ausgangsklemme verbunden. Der zweite Feldeffekttransistor 34 in Fig. la mit Senkenelektrode 36, Quellenelektrode 37 und Steuerelektrode 38 wird auf die gleiche Weise wie der Feldeffekttransistor 30 in Fig. 1 betrieben. Die Ausgangsklemme in Fig. la wird nie das Potential -V erreichen, weil der innere Spannungsabfall zwischen Steuerelektro-) de 4l und Quellenelektrode 40 etwa 5 V beträgt. Dieser Spannungsabfall ist der besondere Nachteil des Kreises nach Fig.la.

In Fig. 2 ist ein Ersatekreis gezeigt, welcher die gleichen Funktionen wie der Kreis in Fig. 1 wirksamer erfüllt, ohne den großen Widerstand R verwenden zu müssen, und ohne daß der unerwünschte Spannungsabfall nach Fig. la auftritt. Obwohl der Kreis nach Fig, 2 komplizierter als der vereinfachte Kreis nach Fig. 1 aufgebaut ist, ist der gesamte von

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dem Kreis nach Fig. 2 eingenommene Raum auf einem Substratplättchen geringer als derjenige für den Kreis nach Fig. 1, da Widerstände, besonders solche, mit Widerstandswerten von mehr als 20 k JL , großflächig aufgebaut werden müssen. Wenn daher ein komplizierterer Kreis auf einer kleineren Fläche untergebracht werden kann, treten tatsächlich Einsparungen in der Gesamtgröße eines Kreises auf. Die im einzelnen in der Vorrichtung nach Fig. 2 verwendeten Transistoren sind Feldeffekttransistoren mit Steuer-, Quellen- und Senkenelektroden. Die Steuerelektrode 8 und die Senkenelektrode 9 des Feldeffekttransistors 7 sind mit einer Potentialquelle -V verbunden. Die Quellenelektrode 6 ist mit der Steuerelektrode 4 des Feldeffekttransistors 5 und mit der Steuerelektrode 17 des Feldeffekttransistors 16 sowie mit einer Klemme eines Kondensators C, verbunden. Die Senkenelektrode 15 des Feldeffekttransistors 5 ist mit der Potentialquelle -V verbunden. Die Quellenelektrode 10 ist mit der anderen Klemme des Kondensators C, und mit der Senkenelektrode 11 des Feldeffekttransistors 12 verbunden. Die Steuerelektrode Ij5 des Feldeffekttransistors 12 ist mit einem Tanktlmpuls ^₁ verbunden. Die Quellenelektroden 14 und 23 der Feldeffekttransistoren 12 bzw. 20 sind mit einer gemeinsamen Potentaialquelle, meistens Erde, verbunden. Die Senkenelektrode 18 des Feldeffekttransistors 16 ist mit der Potentialquelle -V und die Quellenelektrode 19 des Feldeffekttransistors 16 mit einer Ausgangsklemme und der Senkenelektrode Zd des Feldeffekttransistors 20 verbunden. Ein komplementärer Kreis, welcher dem oben beschriebenen Kreis gleich aufgebaut ist, besteht aus den Feldeffekttransistoren 28, 26, 27, einem Kondensator C₂ und einem Feldeffekttransistor 25, und ist mit dem zuerst beschriebenen Kreis verbunden. Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist für beide Seiten mit Ausnahme der Zeitgebereteuerung gleich. D.h., die Zeltgebersteuerung oder das Auftreten von Vorgängen auf der einen Seite erfolgt nicht gleichzeitig mit den gleichen

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Vorgängen auf der anderen Seite. Die Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren 16 und 28 sind mit den Buchstaben A bzw. B bezeichnet und die an diesen Elektroden auftretenden Wellenformen sind in Pig. 4 gezeigt.

Flg. 5a und 3b zeigen die Phasenlage der Taktimpulse $2^ und 0g. Es ist nur erforderlich, daß die zwei Impulse nicht gleichzeitig negativ sind und daß ihre Wiederholungsfrequenz genügend hoch ist, um Leckwirkungen auf einem Minimum zu halten. Der Feldeffekttransistor 20 umfaßt die Eingangslogik des Kreises. Es versteht sich, daß mehrere Vorf richtungen und verschiedene Konfigurationen als Eingangslogik verwendet werden können.

Im Betrieb wird der Feldeffekttransistor 12 eingeschaltet, wenn ein Taktimpuls ^₁ an der Steuerelektrode 135 des Feldeffekttransistors 12 auftritt, und eine Klemme des Kondensators C. wird mit Erde verbunden. Der Feldeffekttransistor 7 bleibt eingeschaltet, weil seine Steuerelektrode 8 mit der Potentialquelle -V verbunden ist, wodurch seine Quellenelektrode um mindestens den Wert einer Schwellspannung positiver als die Steuerelektrode ist, wodurch der Kondensator C, auf die Spannungshöhe der Versorgungsspannung -V plus die Schwellspannung V_fc des Feldeffekttransistors 7 geladen wird. Tatsächlich wird der Kondensator C₁ auf die Differenz zwischen der Spannung an der Quellenelektrode 10 und an der Steuerelektrode 4 des Feldeffekttransistors 5 geladen. Da die Spannung an der Quellenelektrode 10 des Transistors 5 ungefähr Null ist, wird der Kondensator im wesentlichen auf das Potential -V geladen. Wenn der Kondensator voll geladen ist, wird der Feldeffekttransistor 12 ausgeschaltet, wodurch die Quellenelektrode 10 negativ werden kann, welche über den Kondnsator mit der Steuer-

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elektrode 4 verbunden ist. Wenn der Taktimpuls 0, NullwLrd, wird die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 5 nun in bezug auf die Quellenelektrode 10 durch die Ladung auf dem Kondensator C₁ negativer gehalten. Hierdurch wird andereraäts der Feldeffekttransistor 5 eingeschaltet gehalten, wodurch die Steuerelektrode 4 um mindestens zwei Stellspannungsabfalle negativer als die Quellenelektrode 10 wird. Der Feldeffekttransistor 5 bleibt eingeschaltet, bis das Potential an der Quellenelektrode 10 auf -V Volt gesetzt wird. Bei dem Vorgang hat die Steuerelektrode 17 des Feldeffekttransistors 16 die Ladung auf dem Kondensator C, zusätzlich zu dem Potential -V abgefühlt, welches später an der Quellenelektrode 10 auftrat. Die Steuerelektrode wird ihrerseits auf einen Wert gebracht, welcher negativer als derjenige der Potentialquelle ist, wodurch weiter die Quellenelektrode 19 des Feldeffekttransistors 16 einen Wert annimmt, der um einen Schwellspannungsabfall unter dem Potential an der Steuerelektrode 17 oder auf -V liegt, je nachdem, welcher Wert weniger negativ ist. Wenn daher das Potential an der Steuerelektrode 17 größer als -V ist, und ein Schwellspannungsabfall zwischen den Elektroden 17 und 18 abgezogen wird, tritt an der Ausgangsklemme eine Ausgangsgröße auf, die gleich dem Potential -V der Versorgung ist. Der Feldeffekttransistor 20 als Eingangslogik könnte z.B. zu diesem Zeitpunkt durch einen negativen Impuls an seiner Steuerelektrode 21 eingeschaltet werden, wodurch die Ausgangsklemme wirksam mit Erde verbunden wäre, unter der Annahme, daß der Widerstand des eingeschalteten Feldeffekttransistors 20 wesentlich geringer als der entsprechende Widerstand der Feldeffekttransistoren 16 und/oder 28 ist, wobei ein Signal mit zwei Zuständen vorgesehen wird, dessen Wert auf der einen Seite auf Erdpotential und auf der anderen Seite auf dem Potential -V liegt. Die Ladung, welche anfänglich in dem Kondensator C₁ gespeichert war, wird mit der Zeit infolge von beispielsweise Verlusten zwischen den

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Elektroden und anderen Streuwiderstandsverlusfcen abgebaut. Es ist daher notwendig, den Kondensator C, periodisch wieder aufzuladen, um einen statischen Ausgang aufrechtzuerhalten, welcher gleich oder größer als der Wert der Potentialquelle -V ist. Dies kann dadurch erfolgen, daß ein identischer Kreis, welcher vorher aufgeladen worden ist, übernimmt und den Ausgang auf dem Potential -V hält, während der Kondensator, welcher angefangen hat sich zu entladen, wieder aufgeladen wird. Dieser Vorgang erfolgt durch einen komplementären Kreis, welcher in jeder Hinsicht zu

^ dem zuerst beschriebenen Kreis identisch ist, und welcher von einem zweiten Taktimpuls 0₂ gesteuert ist, wie er in Fig. yo gezeigt ist. Die Taktimpulse (2Γ, und 0₂ selbst überlappen sich nicht, aber ihre Perioden sind derart, daß sie nach der Umschaltung ein Überlappen des Ausgangs des Kreises wie in Fig.'4 gezeigt, bewirken, d.h. daß im Ergebnis die Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren 16 und 28 beträchtlich negativer als das Potential -V der Versorgung sind, welche mit im wesentlichen keinem Schwellspannungsabfall einschaltet. Die Feldeffekttransistoren 16 und 28 scheinen tatsächlich Lastwiderstände mit Oder-Verhalten zu sein, welche gewöhnliche p-Bereichswiderstände simulieren, da sie keine bleibende Abweichung aufweisen und den Strom in beiden Richtungen auf verhältnismäßig lineare Weise durchlassen.Wenn in Fig. 2 zwei Feldeffekttransistoren 42 und 43 wie mit gestrichelten Linien angedeutet hinzugefügt werden, werden die Feldeffekttransistoren 16 und 28 nicht eingeschaltet, wenn der Feldeffekttransistor 20 eingeschaltet ist, woraus sich ein Gegentaktkreis oder aktiver Steuerkreis ergibt, welcher große Steuerströme abgeben und diese in jedem logischen Zustand unbegrenzt aufrechterhalten kann.

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Claims (8)

1. - 9 - ■
   Patent an s ρ r Ü c h e

   Iy Transistorisierter Schaltkreis mit einer Potentialquelle, einer Eingangs- und einer Ausgangsklerame und einer Logikeinrichtung zwischen der Ausgangsklemme und einem Bezugspunkt, dessen Eingang mit der Eingangsklemme verbunden ist, um das Ausgangssignal zwischen dem Bezugspunkt und der Potentialquelle zu schalten, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesteuerte Lasteinrichtung (16, 28) mit zwei möglichen Zuständen zwischen die Potentialquelle (-V) und die Ausgangsklemme geschaltet ist, wobei einer der Zustände geringe Leitfähigkeit und der andere große Leitfähigkeit darstellt, ein komplementäres Paar von Bootstrapschaltungen (5, 7, C₁, 26, 27, C₂) mit der Lasteinrichtung (16, 28) zur Steuerung der Lasteinrichtung zwischen den zwei Zuständen verbunden ist, und Takteinrichtungen (12, 25) zum Takten des Paares von Bootstrapschaltungen (5, 7'> C,, 26, 27, Cg) in einander überlappende Leitfähigkeit vorgesehen sind.
2. 2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Takteinrichtungen (12, 25) die Bootstrapschaltungen (5, 1, C₁, 26, 27, Cg) mit dem gemeinsamen Bezugspunkt verbinden.
3. 3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Jede der Bootstrapschaltungen besteht aus einem ersten Feldeffekttransistor (5, 26), dessen Senke (15) mit der Potentialquelle (-V), dessen Quelle (10) mit der Takteinrichtung (12, 25) und dessen Steuereingang (4) mit der Lasteinrichtung (16, 28) verbunden ist, einem zwischen die Quelle (10) und den Steuereingang (4) des ersten Feldeffekttransistors (5, 26) geschalteten Speicherkondensator (C₁, C₂) und einem zweiten Feldeffekttransistor (7*27) dessen Senke (9) und Steuereingang (8) mit der Potentialquelle

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   (-V) und dessen Quelle (6) mit dem Steuergaing (4) des ersten Feldeffekttransistors (5, 26) so verbunden ist, daß der Speicherkondensator (C₁, C₂) über einen Weg großer Leit fähigkeit ladbar ist und ein Entladungsweg niedriger Leitfähigkeit vorsehbar ist, wenn der Speicherkondensator C₂) geladen ist.
4. 4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennz e i ohne t, daß die Takteinrichtungen aus einem Paar Feldeffekttransistoren (11, 25), je einem für jede Bootstrapschaltung (5, 7, C₁, 26, 27, C₂) bestehen, deren Senken (11) mit der Quelle (10) eines entsprechenden ersten Feldeffekttransistors (5, 26), deren Quellen (14) mit dem gemeinsamen Bezugspunkt und deren Steuereingänge (13) mit einer Quelle für ein zweiphasiges TaktsiHgnal derart verbunden sind, daß das Paar von Feldeffekttransistoren (11, 25) wechselweise in einem Takt ein- und ausgeschaltet wird, durch welchen die Ladung dsr Speicherkondensatoren (C₁, C₂) im wesentlichen aufrechterhaltbar ist.
5. 5· Schaltkreis nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Lasteinrichtung mit zwei möglichen Zuständen aus einem Paar Feldeffekttransistoren (16, 28) besteht, deren Senken (18) mit der Potentialquelle (-V) und deren Quellen (19) mit der Ausgangsklemme verbunden sind, während der Steuereingang (17) des einen (16) mit einer der Bootsstrapschaltungen (5j 7> C₁) und der Steuereingang des anderen (28) mit der anderen Bootstrapschaltung (27, 27, C₂) verbunden ist.
6. 6. Transistorisierter Kreis mit einer Potentialquelle, einer Eingangs- und einer Ausgangsklemme und einer Logikeinrichtung zwischender Ausgangsklemme und einem Bezugspunkt, dessen Eingang mit der Eingangsklemme verbunden ist, um das Ausgangs-

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   signal zwischen dem Bezugspunkt und der Potentialquelle zu schalten, gekennzeichnet durch ein Paar als Last wirkender Feldeffekttransistoren (16, 28), deren Senken

   (18) mit der Potentialquelle (-V) und deren Quellen (19) mit der Ausgangsklemme verbunden sind, ein Paar Bootstrapschaltungen, von welchen jede besteht aus

   1) einem ersten Feldeffekttransistor (5, 26), dessen Senke (15) mit der Potentialquelle (-V) und dessen Steuereingang (4) mit einem Steuereingang (1.7) eines der als Last wirkenden Feldeffekttransistoren (16, 28) verbunden ist,

   2) einen zwischen die Quellen (10) und den Steuereingang (4) des ersten Feldeffekttransistors (5, 26) geschalteten Speicherkondensator (C,, Cg),

   3) einem zweiten Feldeffekttransistor (7* 27), dessen Senke (9) und Steuereingang (b) mit der PotentJalquelle (-V) und dessen Quelle (6) mit dem Steuereingang (4) des ersten Feldeffekttransistors (5, 26) derart verbunden ist, daß der Speicherkondensator (Ci*Cg) über einer einen Weg großer Leitfähigkeit ladbar ist und ein Entladungsweg niedriger Leitfähigkeit vorsehbar ist, wenn der Speicherkondensator (C^,C₂) geladen ist,

   und mit den Quellen (10) der ersten Feldeffekttransistoren (5, 26) verbundene Takteinrichtungen (12, 25) zum Takten des Paares von Bottstrapschaltungen (5# 7'> C₁, 26, 27, Cg) in einander überlappende Leitfähigkeit.
7. 7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch ge k e η η ζ e i c hn e t, daß die Takteinrichtungen (12, 25) die Bootstrapschaltungen (5, 7, C₁, 26, 27, C₂) mit dem gemeinsamen Bezugspunkt verbinden.

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8. 8. Schaltkreis nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Takteinrichtungen aus einem Paar Feldeffekttransistoren (11, 25), je einem für jede Bootstrapschaltung (5, 7, C,, 26, 27, Cp) bestehen, deren Senken (11) mit der Quelle (10) eines entsprechenden ersten Feldeffekttransistors (5, 26), deren Quellen (14) mit dem gemeinsamen Bezugspunkt und deren Steuereingänge (13) mit einer Quelle für ein zweiphasiges Taktsignal derart verbunden sind, daß das Paar von Feldeffekttransistoren "(11, 25) wechselweise in einem Takt ein- und ausgeschaltet wird, durch welchen die Ladung der Speicherkondensatoren (CL, Cp) im wesentlichen aufrechterhaltbar ist.

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