DE2356974A1

DE2356974A1 - Aus feldeffekttransistoren aufgebaute gegentakt-treiberschaltung fuer digitale anwendungen

Info

Publication number: DE2356974A1
Application number: DE2356974A
Authority: DE
Inventors: William Benedict Chin; Teh-Sen Jen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-11-15
Publication date: 1974-07-04
Also published as: JPS4998955A; FR2212692A1; JPS5711177B2; US3806738A; GB1404266A; FR2212692B1

Description

Böblingen, den 8. Oktober 1973 moe/zi

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, IJ.Y. 10504

Amtl.' Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: FX 9 72 057

Aus Feldeffekttransistoren aufgebaute Gegentakt-Treiberschaltung für digitale Anwendungen - ' , '

Die Erfindung betrifft eine aus Feldeffekttransistoren aufgebaute Gegentakt-Treiberschaltung für digitale Anwendungen mit einem ersten und einem dazu in Reihe geschalteten zweiten Ausgangs-Feldeffekttransistor, deren gemeinsamer Verbindungspunkt den Schaltungsausgang darstellt, sowie mit einer Aufladeschaltung zur Aufladung der Gate-Elektrode des ersten Ausgangstransistors auf eine Spannung oberhalb der Betriebsspannung derart, daß am Schaltungsausgang die volle Betriebsspannung erreicht wird.

Integrierte mit Feldeffekttransistoren (FET) aufgebaute Gegentakt-Treiberschaltungen sind an sich bekannt. Solche Treiberschaltungen enthalten in der Regel zwei miteinander in Reine geschaltete und zwischen Betriebsspannung sowie Massepotential' liegende Feldeffekttransistoren, wobei der Schaltungsaus gang am Verbindungspunkt der beiden Feldeffekttransistoren zur Verfügung steht. Wegen des bei, FET-Sehaltungen dieser Art grundsätzlich in Kauf zu nehmenden Spannungsabfalls um den Wert einer Schwellenspannung wurden auch bereits sogenannte Bootstrapschaltungen benutzt, die mit einer kapazitiven Rückkopplung arbeiten und mit denen bestimmte Schaltungsknoten auf eine Spannung oberhalb der Betriebsspannung dynamisch angehoben werden können, vgl. z.B.

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US-Patentschrift 3 506 851. Dabei wird in der Praxis ein Schaltungspunkt zunächst auf eine Spannung voraufgeladen, die unterhalb der Betriebsspannung liegt, woraufhin mittels der Bootstrapschaltung eine zusätzliche Ladung zugeführt wird, die den Schaltungsknoten über die Betriebsspannung anhebt.

Wendet man diese Technik jedoch auf Gegentakt-Treiberschaltungen an, besteht das Problem, daß die zusätzlich zugeführte Ladung über die Bootstrapschaltung zur demgegenüber niedrigeren Betriebsspannung abfließt, so daß der Ausgang der Treiberschaltung unter den gewünschten Ausgangsspannungswert fällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Treiberschaltungen im Hinblick auf den genannten Nachteil zu verbessern. Bei einer Schaltung der eingangs genannten Art sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe eine aus Peldeffekttransistoren aufgebaute Gegentakt-Treiberschaltung der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Art vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Zuhilfenahme der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung ist das Schaltbild einer integrierten FET-Gegentaktt reibers chaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Zur Erläuterung der Erfindung wird für die Betriebsspannung VH eine negative Spannung etwa im Bereich von -9 V und für die Schwellenspannung VT der Feldeffekttransistoren etwa 2 V angenommen. Weiterhin wird für die Bezugsspannung 0 Volt bzw. Massepotential angenommen, und das dem Eingangs ans chluß A zugeführte Eingangssignal soll entweder den Spannungswert VH oder die Referenzspannung (O-Volt) annehmen können. Schließlich ist jeder der Feldeffekttransistoren vom Isolierschichttyp (IGFET) bzw. vom Metall-Oxyd-Halbleiter (MOS)-Typ.

Damit ein FET leitend ist, muß seine Gate-Spannung gegenüber der Source-Elektrode um mindestens den Xiert der Schwellenspannung VT

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negativer sein. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Schaltkreis 'sind -die Drain-Elektroden der Feldeffekttransistoren mit dem negativen Anschluß der Betriebsspannung VH und die Source-Elektroden mit Masse- bzw. einem Referenzpotential verbunden.

Zur Beschreibung der Arbeitsweise des dargestellten Schaltkreises soll angenommen werden, daß das Eingangssignal am Anschluß A gerade vom negativen Spannungswert VH auf Massepotential angestiegen ist. Der FET Tl wird dann ausgeschaltet und der Knoten B läuft in der solchen Bootstrapschaltungeh eigentümlichen Weise über den FET T13 und den Kondensator Gl auf die Spannung VH. Der Kondensator Cl war vorher durch den normalerweise leitenden FET T14, dessen Gate- und Drain-Elektroden mit VH verbunden sind, auf eine Spannung aufgeladen, die gleich der Differenz zwischen VH und der Schwellenspannung VT ist. Beim Abschalten von Tl wird über den Kondensator Cl das Gate von T13 auf einen. Spannungswert erheblich oberhalb VH aufgeladen, so daß der Schaltungsknoten B den VH-Pegel erreicht. ■

Da der Schaltungsknoten B die Spannung VH annimmt, schaltet der FET T3 ein und entlädt demzufolge den Ausgangsknotenpunkt C auf Massepotential. Die Spannung am Knoten B schaltet zu gleichen Zeit den FET T2 ein, und entlädt den Schaltungsknoten D auf Massepotential _t wodurch sichergestellt ist, daß der Äusgangstransistor T4 der Gegentaktschaltung ausgeschaltet ist. Der Ausgang der Schaltung befindet sich dann in seinem oberen Pegelzustand, d.h. auf Massepotential. Auch der weitere Schaltungsknoten F wird zu diesem Zeitpunkt auf Massepotential entladen, indem der FET T12 auf folgende Weise eingeschaltet wird: Die Spannung VH anv Knoten B schaltet den FET T8 ein, der seinerseits den Knoten G auf Massepotential entlädt, wodurch der FET TlO ausgeschaltet wird. Das Ausschalten des FET TlO erlaubt dem Schaltungsknoten H, sich über den FET T9 von VH auf eine Spannung aufzuladen, die gleich VH-VT ist. Diese Spannung am Knoten H reicht aus, um T. einzuschalten, über den der Knoten F nach Massepotehtial entladen werden kann.

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Wenn sich das Eingangssignal am Knoten A von Massepotential auf VH ändert, wird Tl eingeschaltet und entlädt den Knoten B auf Massepotential. Die Gate-Elektrode des PETs T3 wird damit an Massepotential gelegt und T3 schaltet ab. Zum selben Zeitpunkt wird die Gate-Elektrode von T2 an Massepotential gelegt, so daß auch T2 ausgeschaltet wird, wodurch der Knoten E über den Rückkopplungskondensator C2 eine Spannung oberhalb VH annehmen kann. Der FET 5 wird dadurch so stark eingeschaltet, daß der Knoten D sich auf VH aufladen kann, so daß der FET τ 4 am Ausgang der Gegentaktschaltung eingeschaltet wird. Der Ausgangsknotenpunkt C wird dabei auf eine Spannung VH-VT aufgeladen. Aufgrund der SchaltungsVerzögerungen wird T4 tatsächlich etwas später einge^- schaltet als T3 ausgeschaltet wird. Weiterhin wurde der Kondensator C2 durch den normalerweise leitenden FET T6 auf VH-VT aufgeladen, bevor das Eingangssignal auf die Spannung VH umgeschaltet wurde.

Die FETs T5 und T6, sowie der Kondensator C2 können als eine Bootstrapsehaltung zum Aufladen des Knotens D auf VH und damit des Ausgangsknotens C auf VH-VT aufgefaßt werden.

Wenn der Knoten B auf Masse potential entladen ist, wird T8 abgeschaltet und ermöglicht es so, daß der Knoten G durch den nor-, malerweise leitenden FET T7 auf VH-VT aufgeladen wird. Dabei schaltet TlO ein, so daß dadurch der Knoten H auf Massepotential entladen wird und T12 ausgeschaltet wird. Diese Schaltverzögerungen beim Schalten der FET T7, T8, T9 und TlO bewirken, daß T12 ein weniger später ausgeschaltet wird als T2, d.h. nachdem der Knoten D bereits auf VH voraufgeladen wurde.

Wenn T12 abschaltet, schaltet der FET TIl ein und der Knoten F nimmt über die Bootstrap-Funktion die Spannung VH an. Der daraus resultierende Impuls wird" über den Rückkopplungskondensator C3 gekoppelt, so daß der Knoten D sich auf eine Spannung aufladen kann, die wesentlich höher als VH ist, in typischen Fällen etwa 70 - 80 % höher als VH. Mit anderen Worten, es wird die auf dem

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Kondensator C3 befindliche Ladung der bereits am Knoten D befindlichen Vor ladung zugefügt, so daß siel* das Potential am Knoten D auf einen erheblich höheren Wert als VH erhöht. Folglich wird der Treiber-FET T4 sehr stark eingeschaltet und lädt den Ausgangsknoten C auf VH auf. Die Feldeffekttransistoren TIl und T12 sowie der Kondensator C3 können wieder als eine Boots traps chaltung zum Aufladen des Schaltungsknotens D ^!auf eine Spannung erheblich oberhalb VH aufgefaßt werden.

Da der Knoten D zu diesem Zeitpunkt jedoch auf eine gegenüber VH erheblich negativere Spannung aufgeladenist, kann es sein, daß sich die vom Kondensator C3,dem Knoten D zugeführte Ladung über den FET T5"zttr^iedrigeTi"B§^^ von

Leckströmen entlädt, wenn nicht T5 ausgeschaltet wird, um diesen Leckstrompfad zu verhindern, sind die einen Klenmsehaltkreis darstellenden Transistoren T15 und T16 zwischen den Schaltungsknoten E und Wasse eingeschaltet, um den E-Knoten schnell unter , VH zu entladen. Da sich der Knoten D auf einer Spannung oberhalb VH befindet, werden die FETs TlS und T16 stärk leitend und können den Knoten E schnell entladen, so daß der FET T5 seinerseits schnell gesperrt wird. Dadurch wird die Ladung des Schaltungsknotens D aufrechterhalten und kann sich nicht über T5 zur Betriebsspannung VH entladen. Der Knoten D verbleibt daher auf einem Spannungswert oberhalb VH und steilt somit sicher, daß der FET Τ4 so stark leitend .gehalten wird, daß der Ausgangsknoten C für einen entsprechend langen Zeitabschnitt* auf dem gewünschten Ausgangspotential VH bleibt.

Die oben anhand der Zeichnung beschriebene Schaltung stellt damit eine mit geringem Leistungsverbrauch arbeitende schnelle und zuverlässige FET-Gegentakttreiberschaltung dar, die insbesondere zum Betreiben einer starken kapazitiven Last verwendet werden kann, wie dies durch den in der Zeichnung mit 10 bezeichneten Kondensator angedeutet ist. ,

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Claims

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PATENTAMSP RÜCHE

Aus Feldeffekttransistoren aufgebaute Gegentakt-Treiberschaltung für digitale Anwendungen mit einem ersten und einem dazu in Reihe geschalteten zweiten Aus gangs-FET, deren gemeinsamer Verbindungspunkt den Schaltungsausgang darstellt, sowie mit einer Aufladeschaltung zur Aufladung der Gate-Elektrode des ersten Ausgangstransistors auf eine Spannung oberhalb der Betriebsspannung derart, daß am Schaltungsausgang die volle Betriebsspannung erreicht wird, gekennzeichnet durch eine erste zwischen den Schaltungseingang und die Gate-Elektrode des ersten Aus gangstransistors eingefügte Bootstrapsehaltung zur in Abhängigkeit vom Eingangssignal erfolgenden Voraufladung der Gate-Elektrode dieses Transistors auf den Wert der Betriebsspannung, durch eine parallel dazu eingefügte zweite Bootstrapsehaltung zur Lieferung einer zusätzlichen Ladung an die Gate-Elektrode des ersten Ausgangstransistors derart, daß die Gate-Spannung dieses Transistors über den Wert der Betriebsspannung angehoben wird und der Schaltungsausgang den vollen Wert der Betriebsspannung erreichen kann, sowie durch eine in Abhängigkeit von der Gate-Spannung des ersten Ausgangstransistors wirksame Klemmschaltung zur Verhinderung der Ableitung der zusätzlich zugeführten Ladung über die erste Bootstrapschaltung..
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Bootstrapschaltung (T5, T6, C2) einen Feldeffekttransistor (T5) enthält, der in Abhängigkeit vom jeweiligen Eingangssignal einschaltbar ist und der Gate-Elektrode (Knoten D) des ersten Ausgangstransistors (T4) eine Vorladung zuführt, und daß die Klemmschaltung in Abhängigkeit von der Gate-Spannung (Knoten D) des ersten Ausgangstransistors (T4) einen schnellen Entladungspfad, für das Gate-Potential (Knoten E) des Vorladungs-FST (T5) darstellt, wodurch dieser gesperrt wird.

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3. Treiberschaltung nach, den Ansprüchen 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung aus normal gesperrten Feldeffekttransistoren (T15, T16) besteht, die zwischen die Gate-Elektrode (Knoten E) des Vorladungs-FET (T5) und eine BezugsSpannungsquelle, vorzugsweise Massepotential, in Reihe geschaltet sind, daß die Gate-Elektrode der Feldeffekttransistoren (T15, T16) der Klemmschaltung mit der Gate-Elektrode (Knoten D) des ersten Ausgangstransistors (T4) verbunden ist und in Abhängigkeit von diesem Potential den Vorladungs-FET (T5) sperrt.
4. Treiberschaltung nach einem der' vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß an den Schaltungsausgang

~~ (Knoten C) eine kapazitive Last (10) angeschlossen ist.

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