DE2336123A1

DE2336123A1 - Bootstrap-schaltung

Info

Publication number: DE2336123A1
Application number: DE19732336123
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Hatsukano; Kazu Minorikawa; Kosei Nomiya
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-07-21
Filing date: 1973-07-16
Publication date: 1974-02-14
Also published as: US3889135A; FR2194078B1; JPS5937614B2; GB1432406A; NL7310088A; JPS4931262A; FR2194078A1; IT991328B

Description

Bootstrap-Schaltung
(Priorität: 21. Juli 1972, Japan, 72528)

Die Erfindung· betrifft eine Bootstrap-Schaltung mit Transistoren mit isoliertem Gate (im folgenden als MOS-Transistoren bezeichnet), insbesondere eine Bootstrap-Schaltung zum Anheben des Ausgangspotentials einer digitalen Ausgangsschaltung.

Mit der schnellen Entwicklung der MOS-Transistoren wurden verschiedene Puffer mit MOS-Transistoren entwickelt. Bei Pufferschaltungen muß die Ausgangsimpedanz gering sein. Als logische Ausgangsschaltung mit MOS-Transistoren, die diese Forderung erfüllt, kann auf die Schaltung der Fig. 1 der beigefügten Zeichnnung hingewiesen werden. Dabei handelt es sich um einen Gegentaktpuffer aus vier MOS-Transistoren T₁ bis T. .

Bei einer Pufferschaltung diesen Aufbaus werden die Source-Potentiale der MOS-Transistoren T₂ und T, infolge des Substrateffekts wesentlich geringer als die Speisespannung Vqq. Bei der Schaltung der Fig. 1 ist die Source-Spannung des MOS-Transistors T₀ gleich (V_rr, - V₊. ) (V_+v = Schwellenspannung des Transistors T₉). Die Source-Spannung des MOS-Transistors T₇, d.h. das Potential eines Ausgangs OUT ist extrem gering, da die Schwellenspannung

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V., des MOS-Transistors T, noch von der Source-Spannung (V™ - V+γ.) des MOS-Transistors T^, subtrahiert wird. Zur Lösung dieses Problems wurde eine Gegentakt-Pufferschaltung vorgeschlagen, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei ist ein als Lastwiderstand dienender MOS-Transistor T_c zwischen den Gatean-Schluß des MOS-Transistors Tp und die Spannungsquelle V^ der Fig. 1 geschaltet, während ein Kondensator C mit einem Anschluß mit dem Gate des MOS-Transistors Tp verbunden ist, dessen anderem Anschluß ein Taktimpuls CP zugeführt wird. Bei dieser Schaltung wird die Gatespannung des Transistors Tp von der Klemmenspannung des Kondensators C auf eine Spannung angehoben, der die Spannung des Taktimpulses CP hinzuaddiert ist. Aus diesem Grunde tritt zwischen der Drain und der Source des MOS-Transistors T₂ kaum ein Spannungsabfall auf und die Source-Spannung des MOS-Transistors Tp wird im wesentlichen gleich dem Drainpotential desselben. Das Gatepotential des dritten Transistors T,, dem das Sourcepotential des MOS-Transistors T₂ zugeführt wird, wird somit ebenfalls angehoben. Infogedessen steigt das Sourcepotential des MOS-Transistors T, ähnlich dem obigen, und es kann am Ausgang OUT eine hohe Aus gangs spannung entnommen werden.

Da jedoch der Taktimpuls dem Kondensator C, der eine verhältnismäßig hohe Kapazität aufweist, direkt zugeführt wird, muß die Ausgangsimpedanz der Taktimpulsquelle niedrig gemacht werden. Dies bietet ernste Schwierigkeiten, insbesondere wenn die Taktimpulsquelle aus MOS-Transistoren aufgebaut ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bootstrap-Schaltung zu schaffen, bei der verhindert wird, daß sich das Ausgangspotential einer Pufferschaltung oder dergleichen absenkt, die aus Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate besteht, und zwar auch dann, wenn das Eingangssignal lange ansteht. Ferner soll die Bedingung für die Ausgangsimpedanz des Generators für die der Transistoren mit isoliertem Gate enthaltende Bootstrap-Schaltung zugeführten Taktimpulse behoben werden. Die Bootstrap-Schaltung soll in einer integrierten Halbleiterschaltung eine geringe Fläche einnehmen.

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Die erfindungsgemäße, Transistoren mit isoliertem Gate enthaltende Bo ot strap-Schaltung weist ein Lastelement' auf, das auf der einen Seite an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, einen zwischen die andere Seite des Lastelements und Masse geschalteten Transistor mit isoliertem Gate, ein zwischen die Spannungsquelle und einen Gateanschluß eines Transistors mit isoliertem Gate der folgenden Stufe geschaltetes Lastelement, und einen zwischen einen Verbindungspunkt der ersten Last mit dem ersten Transistor und die Spannungsquelle geschalteten Kondensator, wobei dem ersten Transistor ein Taktimpuls zugeführt wird, so daß das Ausgangspotential beispielsweise einer Gegentakt-Pufferschaltung, die die Bootstrap-Schaltung enthält, auf einem hohen Wert gehalten werden kann, ohne daß es mehrfach der Bedingung unterworfen wird, daß die Ausgangsimpedanz der Taktimpulsquelle gering sein muß.

Anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden naher erläutert. Es zeigen (die bereits erwähnten Figuren werden der Vollständigkeit halber nochmals mit aufgezählt):
Fig. 1 und 2 Schaltbilder bekannter Gegentakt-Pufferschaltungen

mit MOS-Transistoren;
Fig. 3 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels

einer Gegentakt-Pufferschaltung mit einer erfindungsgemäßen, Transistoren mit isoliertem Gate enthaltenden Bootstrap-Schaltung; Fig. 4 den Signalverlauf an verschiedenen Teilen der

Schaltung der Fig. 3; und

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Gegentakt-Puffers chaltung mit einer erfindungsgemäßen Bootstrap-Schaltung.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gegentakt-Pufferschaltung mit einer erfindungsgemäßen, Transistoren mit isoliertem Gate enthaltenden Bootstrap-Schaltung. Gleiche und ähnliche Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in

U O 9 b U 7 / 1 U U Ί

Fig. 2. Die Schaltung der Fig. 3 enthält einen MOS-Transistor Tg, der zwischen die zweite Klemme eines Kondensators C und Masse geschaltet ist, und dessen Gateanschluß ein Taktimpuls JiL zugeführt wird. In Reihe zum Transistor Tg liegt ein MOS-Transistor T₇, dessen Gateanschluß ein Taktimpuls ^₂ zugeführt wird, der gegenüber dem Taktimpuls φ* phasenverschoben ist. Ein Transistor T₅ ist zwischen die Spannungsquelle V_GG und den Gateanschluß des Transistors T₂ geschaltet. Seinem Gateanschluß wird der Taktimpuls jzL zugeführt.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Schaltung beschrieben. Dabei wird» wie auch im folgenden Beispiel, angenommen, daß die Schaltung ρ - Kanal - Anreicherungs - MOS - Feldeffekttransistoren enthält und daß von der Spannungsquelle V,™ ein negatives Potential zugeführt wird. Da die MOS-Transistoren Tc und Tg an der Periode des Taktimpulses fL einschalten, wird der Kondensator C während dieser Zeit aufgeladen. Wird nachfolgend ein mit dem Taktimpuls ^₂ gemäß Fig. 4 synchronisiertes Eingangssignal V. dem Eingang IN zugeführt, so wird der MOS-Transistor T₇ durch den Taktimpuls φ~ leitend und dem Gateanschluß des MOS-Transistors T₂ wird eine Spannung V. (Fig.4) zugeführt, die sich aus der Addition der Spannung der Spannungsquelle Vßp und der Ladespannung des Kondensators C ergibt (wenn der Spannungswert des Taktimpulses *L ^= V_GG + V., ). Infolgedessen wird die Gatespannung des MOS-Transistors Tp ausreichend höher als sein Drainpotential. Wenn daher der MOS-Transistor T. durch das Eingangssignal V. nichtleitend gehalten wird, verläuft das Sourcepotential V_ß des MOS-Transistors T₂ gemäß Fig. 4 und ist etwa gleich der Speisespannung V_GG· Damit nimmt das Ausgangspotential der Gegentakt-Pufferschaltung einen Wert an, der um das Schwellenpotential V., des MOS-Transistors T, geringer ist als das Speisepotential V_GG. Da die Gatespannung des MOS-Transistors T₂ ausreichend höher ist als seine Drainspannung, wird der Wert des Ausgangspotentials gegenüber dem des Ausgangspotentials der bekannten Gegentakt-Schaltung der Fig. 1 um die Schwellenspannung V., verbessert.

k 0 9 8 Ü 7 / 1 0 U 7

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Gegentakt-Pufferschaltung mit einer erfindungsgemäßen, Transistoren mit isoliertem Gate enthaltenden Bootstrap-Schaltung. Gleiche oder ähnliche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 3. Die Schaltung der Fig. 5 enthält einen als Be-' lastung dienenden MOS-Transistor Tg. Der Drainanschluß eines MOS-Transistors T_n ist über den MOS-Transistor T_Q an die Spannungsquelle angeschlossen. Der Sourceansehluß des Transistors Tq liegt an Masse. Seinem Gateanschluß wird der Taktimpuls $2 zugeführt. Ein Kondensator C_a ist zwischen den Sourceanschluß des MOS-Transistors Tp und den Drainanschluß des MOS-Transistors Tq geschaltet.

Diese Schaltung unterscheidet sich von der der Fig. 3 dadurch, daß der Kondensator C zu einer mit dem Taktimpuls jzL (wenn

SL iL.

der Transistor Tq leitend wird) synchronisierten Zeit aufgeladen wird, und daß, wenn der MOS-Transistor Tq durch den Taktimpuls gL ausgeschaltet wird, die Gatespannung des Transistors T., über einen Strompfad angehoben wird, der aus der Spannungsquelle V_GG,dem MOS-Transistor Tg, dem Kondensator C_a und dem Gateanschluß des MOS-Transistors T, besteht. Bei dieser Schaltung nimmt die dem Gateanschluß des MOS-Transistors T^ aufgedrückte Spannung einen Wert an, der sich aus der Addition der Spannung (V_GG - V^j₁) zur Ladespannung des Kondensators C ergibt. Der Absolutwert des Gatepotentials ist größer als der Absolutwert der negativen Drainspannung V_DD des Transistors T-,. Demzufolge ergibt sich eine Ausgangsspannung V ., die im wesentlichen gleich ist der Spannung V™.

Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, daß, wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, der MOS-Transistor Tc, dem der Taktimpuls φ* als Eingangssignal zugeführt wird, zwischen den Gateanschluß des MOS-Transistors Tp und die Spannungsquelle geschaltet ist. Ein ähnlicher Effekt wird auch dann erreicht, wenn der Transistor T₅ durch einen Widerstand, eine Diode oder eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und

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einer Diode ersetzt wird, wobei die Kathode der Diode an die Spannungsquelle V_GG angeschlossen ist. Der zwischen eine Klemme des Kondensators C und die Spannungsquelle V~„ geschaltete MOS-Transistor T„ kann durch einen Widerstand ersetzt werden. Ferner wird auch dann ein ähnlicher Effekt erreicht, wenn die Spannungsquelle V_GG an die Gateanschlüsse der MOS-Transistoren Tf- und Ty angeschlossen ist.

Die die Transistoren T_c bis Tr₇ und den Kondensator C enthaltende Bootstrap-Schaltung kann außer bei Gegentaktschaltungen auch bei anderen Schaltungen (beispielsweise bei Treiberschaltungen und Impulsgeneratoren) in der gleichen Weise angewendet werden. Auch hier kann das Ausgangspotential des an die Bootstrap-Schaltung angeschlossenen Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate erhöht werden.

Erfindungsgemäß kann dem Gateanschluß des MOS-Transistors Tp oder T, ein elektrisches Potential zugeführt werden, das sich aus der Addition der Speisespannung V~_G zur Ladespannung des Kondensators C oder C ergibt. D.h., es ergibt sich ein elektrisches Potential, das höher ist als das Drainpotential des Transistors Tp oder T,. Damit kann eine Absenkung der Ausgangsspannung verhindert werden. Darüberhinaus wird erfindungsgemäß der Taktimpuls φ. oder ?L ^em Gateanschluß des Transistors Tg, T„ oder Tg aufgedrückt, dessen Kapazität (Eingangskapazität) ausreichend geringer ist als die des Kondensators C. Mit anderen V/orten, die Ladung des Kondensators C und die Spannungsanhebung werden indirekt durch den Taktimpuls $L oder jL bewirkt, so daß die Beschränkung hinsichtlich der Ausgangsimpedanz des Taktimpulsgenerators gegenüber bekannten Schaltungen verringert wird. Darüberhinaus werden erfindungsgemäß die Spannungen der Kondensatoren kontinuierlich und periodisch durch die Taktimpulse angehoben, so daß die Absenkung des Ausgangspotentials auch bei einem Eingangssignal mit langer Periode verhindert werden kann. Außerdem werden bei den Bootstrapschaltungen der Fig·. 3 und 5 d->: Transistoren T₆ und T₇ nicht gleichseitig,

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sondern abwechselnd leitend. Der Platzbedarf des MOS-Transistors Tg ist daher extrem gering und es braucht das Widerstandsverhältnis der MOS-Transistoren während ihrer leitenden Zeit nicht beachtet zu werden.

Patentansprüche

4 0 9 8 ü 7 / 1 U U7

Claims

82336723 PATENTANSPRÜCHE

1. Bootstrap-Schaltung mit Transistoren mit isoliertem Gate, gekennzeichnet durch einen ersten Transistor (T₇) mit isoliertem Gate, der mit einem Anschluß an eine Spannungsquelle OW) angeschlossen ist und der als Belastung wirkt, durch einen zweiten Transistor (T/-) mit isoliertem Gate, der zwischen den anderen Anschluß des ersten Transistors und Masse geschaltet ist, und dem als Eingangssignal ein erster Taktimpuls (^₁) zugeführt wird, durch einen dritten Transistor (T^) mit isoliertem Gate, der zwischen die Spannungsquelle und den Gateanschluß eines Transistors (To) ^m** isoliertem Gate der folgenden Stufe geschaltet ist, und der als Belastung wirkt, und durch einen über den dritten Transistor mit isoliertem Gate zwischen eine Verbindung des ersten (Tg) und des zweiten Transistors (T₇) mit isoliertem Gate und die Spannungsquelle (V_GG) geschalteten Kondensator (C).

2. Bootstrap-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein gegenüber dem ersten (φ* ) phasenverschobener zweiter Taktimpuls ^p) ^em Gateanschluß des ersten Transistors (T₇) mit isoliertem Gate zugeführt wird.

3. Bootstrap-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der als Belastung wirkende erste und dritte Transistor (T₇,T^) wirkende Transistor mit isoliertem Gate durch Widerstände ersetzt sind.

k U 9 8 U 7 / 1 U U 7

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