DE2359647A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung einer kompensierten steuerspannung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur erzeugung einer kompensierten steuerspannungInfo
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Description
Böblingeri, den 19. November 1973 moe-sn
Anmelderin: . , International Business1Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 972 002
Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer
kompensierten Steuerspannung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung· mit Feldeffekttransistoren
(FjET1S) zur Bereitstellung einer gegen Schwellen- .
spannungsVeränderungen kompensierten und gegenüber der Betriebsspannung um einen festen Betrag erhöhten Vorspannung zur Steuerung
nachgeschalteter FET's, die vorzugsweise lineare Lastelernente von
Folgeschaltkreisen darstellen. .
Beim Aufbau von FET-Schaltungsanordnungen besteht häufig das Erfordernis, lineare Lastimpedanzen (linear load impedances) vorzusehen,
d.h. daß die als Lastelemente benutzten FET's im linearen
Bereich arbeiten müssen. In der US Patentschrift 3 406 298 wird
zur Lösung dieses Problems die Gate-Elektrode des als Lastelement
dienenden FET's auf einem gegenüber dem Drain-Potential dieses
FET's höheren Potential gehalten. In dieser Patentschrift wird weiter angegeben, daß das Ausgangspoten-tial an der Source-Elektrode
des als Lastelement dienenden FET's nicht den vollen Wert der an die Drain-Elektrode angelegten Betriebsspannung erreichen
kann, wenn die Gate-Elektrode nicht auf einem demgegenüber höheren Potential gehalten wird. Dieses Problem läßt sich ebenfalls
lösen, wenn man den Lastwiderstand linear macht. Häufig ist
es jedoch unerwünscht, eine zweite Betriebsspannungsquelle separat vorzusehen, um eine höhere Gate-Spannung bereitstellen zu können.
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Aus Gründen der Verlustleistungsminimierung ist es weiterhin erwünscht, die Gate-Elektrode des Lastelementes exakt auf einem
Potentialwert zu halten, der um den Wert einer Schwellenspannung über dem Drain-Potential liegt. Da bei FET-Schaltungen Schwellenspannungsabweichungen
bis zum Faktor 2 vorkommen können, sieht man sich bei externer Betriebsspannungsversorgung erheblichen Problemen
gegenüber, wenn man die exakte Beziehung zwischen den Drain- und Gate-Potentialen bei auf verschiedenen Halbleiterplättchen
realisierten Feldeffekttransistoren einhalten will.
Aus der US Patentschrift 3 564 290 ist es bekannt, den unerwünschten Effekt einer nichtlinearen Widerstandscharakteristik
durch Verwendung eines sogenannten Bootstrap-Kondensators; d.h.
durch eine kapazitive Rückkopplung des Last-FET's auszuschalten.
Bei der in der letztgenannten.Patentschrift angegebenen Schaltung wird ein Kondensator zwischen die Gate- und Source-Elektrode eines
Ausgangs-FET's geschaltet, wodurch beim Ansteigen des Ausgangspotentials
an der Source-Elektrode auch das Gate-Potential ansteigt und zwar über den Wert des an die Drain-Elektrode angelegten
Betriebsspannungspotentials. Ein solcher Rückkopplungsoder Bootstrap-Kondensator muß jedoch erheblich größer gewählt
werden als die Gate-Substrat-Kapazität> die ohnehin mit einem FET
verbunden ist. Angesichts der dadurch erforderlichen zusätzlichen
Halbleiterfläche kommen für viele, insbesondere logische Schaltkreise derartige kapazitiv rückgekoppelte Schaltungen nicht ohne
weiteres in Frage. Weiterhin besteht ein Problem darin, daß das an der Gate-Elektrode durch die kapazitive Rückkopplung bewirkte
relativ höhere Potential nur kurzzeitig zur Verfügung steht und durch Entladeeffekte abgebaut werden kann, so daß eine solche
Schaltung die an die gestellten Anforderungen dann nicht zu erfüllen in der Lage ist, wenn Ausgangssignale mit relativ langer
Standzeit benötigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Bereitstellung einer gegen Schwellenspannungsveränderungen kompensierten und gegenüber der Betriebsspannung um einen festen
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Betrag erhöhten Vorspannung zur Steuerung nachgeschalteter, vorzugsweise als lineare Lastelemente dienenden FET1S anzugeben. Die
Vorspannung soll dabei möglichst exakt um lediglich den Wert
einer Schwellenspannung über der Betriebsspannung liegen und gehalten werden. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine
Schaltungsanordnung der im" Patentanspruch 1 gekennzeichneten Art vor. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den ünteranspriichen
bezeichnet. I
Zusammengefaßt sieht die Erfindung eine auf demselben Halbleiterplättchen
mit den zu treibenden Feldeffekttransistoren vorgesehene. Impulsquelle vor* Diese Impulsquelle lädt einen ersten
Schaltungspunkt über einen Kondensator auf ein Potential oberhalb der Betriebsspannung auf . Dieses höhere Potential wird über
einen Isolations-FET zum Ausgang der Schaltung übertragen. Der
Ausgang." wird über eine Klemmschaltung auf einen. Potentialwert
fixiert, der genau um den Wert einer Schwellenspannung oberhalb
der Betriebsspannung liegt. Dieses Potential wird dann an alle
nachgeschalteten Lastelemente auf demselben Halbleiterplättchen weitergeleitet. Es ist bekannt, daß große Schwellenspannungsunterschiede
bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren unvermeidbar sind. Sie rühren häufig von .den besonders kritischen
Herstellxmgsschritten für das Gate-Oxyd her. Auf einem zusammenhängenden
Halbleiterplättchen streuen die Schwellenwertspannungen
jedoch nur sehr wenig. Sieht man nun auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen
sowohl die zu treibenden Schaltkreise als auch den erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Bereitstellung der Steuerspannung
vor, kann man sich in vorteilhafter Weise die obengenannte Eigenschaft der relativen Schwellenwertgleichheit zunutze
machen. Ba der Ausgang der erfindungsgemäßen Schaltung gleichzeitig
für eine große Zahl von linearen Lastelementen benutzt
werden kann, diese Schaltung also für viele Folgeschaltkreise nur einmal vorgesehen zu werden braucht, ist der damit verbundene
Aufwand angesichts der erzielbaren Vorteile unbedeutend.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung, die
mit einer linearen Lastschaltung verbunden ist, und
Fig. 2 entsprechende Spannungsverlaufe zur Erläuterung
der Arbeitsweise der Erfindung.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liefert eine astabile Impulsquelle 10 ihre Ausgangsimpulse über den Kondensator
Cl an den Knotenpunkt A. Mit dem Knoten A ist weiterhin ein Aufladetransistor T12 verbunden, dessen Drain-Source-Strecke
zwischen einem ersten Potential +V und dem Knoten A liegt. Die Gate-Elektrode von T12 ist ebenfalls mit der Spannung +V verbunden.
Die Spannung +V beträgt etwa 8 Volt und die Kapazität von Cl ist etwa 3pF. Zwischen den Knoten A und den Ausgangsknoten
B ist weiterhin die Drain-Source-Strecke des Isolationstransistors T14 eingeschaltet. Die Gate-Elektrode von T14 ist
ebenfalls mit dem Knoten A verbunden. Schließlich liegt zwischen dem Ausgangsknoten B und der Spannung +V ein weiterer Transistor
Tl6 als sogenannter Klemm-Transistor. Soweit die Beschreibung des
erfindungsgemäßen Schaltkreises zur Bereitstellung einer die FET-Schwellenspannung kompensierenden Vorspannung. In Fig. 1 ist
weiterhin ein möglicher von mehreren typischen Schaltkreisen dargestellt, mit denen der Schaltungsausgang normalerweise verbunden
werden kann. Ein solcher Schaltkreis besteht aus einem einfachen Inverter mit einem Signaltransistor T20 und einem weiteren FET
T22 als Lastelement, deren Drain-Source-Strecken in Reihe zwischen dem Betriebspotential +V und Masse liegen. Das Ausgangssignal
dieser Stufe wird "am gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen T20 und T22 entnommen, der mit einer Lastkapazität CL gegen Masse
belastet ist. Die Lastkapazität muß nicht notwendigerweise einen
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diskreten Kondensator darstellen,, sondern kann auch durch die
Kapazität nachfolgender Schaltungsstufen mit Feldeffekttransistoren
dargestellt werden» Die Gate-Elektrode von T20 erhält ein Eingangssignal, während die Gate-Elektrode des Lastelementes
T22 mit dem oben geschilderten erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Bereitstellung einer die FET Schwellenspannung kompensierenden
Vorspannung verbunden ist«
Der FET-Inverter aus den Transistoren T20 und T22 arbeitet in
an sich bekannter Weise» Tritt ander Gate-Elektrode von T20 ein
Eingangssignal auf, das sich auf dem oberen Pegelwert befindet,
wird dadurch T20 leitend geschaltet und der Ausgang geht auf Massepotential. Ein Eingangssignal des unteren Spannungspegels
an der Gate-Elektrode vonT20 schaltet diesen aus, wodurch der
Ausgang auf +V angehoben wird» Dieser obere Ausgangspegel wird
infolge der besonderen Vorspannung des Last-FET's T22 gemäß der
.Erfindung erreicht.
Zur Erklärung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen, die Vorspannung
bereitstellenden Schaltkreises wird zusätzlich auf Fig. 2 Bezug genommen. Das Ausgangssignal der astabilen Impulsquelle
10 ist eine Rechteckschwingung geeigneter Frequenz (z.B. IMHz) , wobei die Rechte ckspanming zwischen den verfügbaren Poten^-
tialpegeln +V und Masse· geschaltet wird* Als derartige Impulsquellen
sind viele,bekannte Schaltungen verfügbar. Die Ausgangs- impulse
der Impulsquelle 10 werden über den Kondensator Cl an
den Schaltungsknoten A angelegt. Zunächst wird der Knoten A über
den Aufladetransistor ΤΪ2 auf einen Spannungswert von +V abzüglich
einer Schwellenspannung aufgeladen. Infolge der kontinuierlich über üen Kondensator Cl zügeführten Impulse wird der
Knoten A schließlich aber auf einen Pegelwert oberhalb +V aufge-laden.
Dieses PotentiaLwird vermindert um den Wert einer
Schwellenspannung (infolge des Isolationstransistors T14) . zum Ausgangsknoten
B übertragen. Der Klemmtransistor ΤΪ6 verhindert .
jedoch, daß der Ausgangsknoten potentialmäßig höher als eine
Schwellenspannung.oberhalb +V aufgeladen wird. Da der Schwellen-
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Spannungsabfall von T16 mit den Schwellenspännungen der unter Umständen
mehrfach vorgesehenen Lastelemente, wie z.B. T22, auf demselben
Halbleiterplättchen gleich ist, wird die Gate-Elektrode des als Lastelement dienenden FET's, z.B. T22, genau auf einem
Potential von +V zuzüglich des Wertes einer Schwellenspannung gehalten.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der erfindungsgemäße
Schaltkreis unter Zugrundelegung von N-Kanal-FET's erläutert.
Bei entsprechender Umpolung der Betriebsspannungen sowie der Impulspolaritäten, kann die Schaltung jedoch auch ohne weiteres
mit P-Kanal-FET·s realisiert werden. Dabei ist bekanntermaßen
davon auszugehen, daß P-Kanal-FET's bei Gate-Signalen vom unteren
Spannungspegel einschalten und bei Gate-Signalen vom oberen Spannungspegel ausschalten. Auch die Bezeichnungen "Aufladen"
und "Entladen" sind nur als relative Ausdrücke zu verstehen und
bezeichnen lediglich einen Stromfluß in einen Kondensator hinein bzw, aus einem Kondensator heraus. Eine Umkehr der Ladungs- bzw.
Entladungsrichtungen ist deshalb im Rahmen der vorliegenden Erfindung
enthalten.
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FI 972 002
Claims (7)
- — 7 —
PATEN TANS PRUCHESchaltungsanordnung mit Feldeffekttransistoren zur Bereitstellung einer gegen Schwe1lenspannungsveränderungen kompensierten und gegenüber der Betriebsspannung um einen festen Betrag erhöhjten Vorspannung zur Steuerung ;nachgeschalteter Feldeffekttransistoren, die vorzugsweise lineare Lastelemente von Folgeschaltkreisen darstellen, gekennzeichnet durch eine zwischen die Potentialanschlüsse (+V; Masse) der Betriebsspannung eingeschaltete Reihenschaltung aus einer Impulsquelle (10), einer Kapazität (Cl bzw. Knoten A) und einem Auflade-FET (112) zur Aufladung des mit der Kapazität verbundenen Schaltungsknotens (A) auf ein gegenüber der Betriebsspannung stark erhöhtes, vorzugsweise etwa verdoppeltes Potential, durch einen zwischen diesen Schaltungsknoten (A) und, den Schaltungsausgang (B) eingefügten Isolations-FET (T14) sowie durch eine ausgangsseitige Klemmschaltung (T16) zur Fixierung des Ausgangspotentials auf den um eine Schwellenspannung. (VT) erhöhten Wert der Betriebsspannung (-KV). - 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren der die Vorspannung bereitstellenden Schaltung und die von dieser Vorspannung zu steuernden nachgeschalteten Feldeffekttransistoren (T22) zusammenhängend integriert hergestellt sind, so daß ihre Schwellenspannungswerte möglichst gleich sind.
- 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die' Impulsquelle (10) ein astabiler Multi-, vibrator ist, dessen Rechteckimpulse alternierend die Betriebsspannungspotentiale (+V, Masse) annehmen.
- 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadprch gekennzeichnet, daß die aus der Betriebs-Fi 972 002 409827/09 5 0-Spannungsquelle unter Einwirkung der Impulsquelle (1O) aufladbare Kapazität (Cl7 Knoten A) schrittweise von +V -VT bis auf 2 (+V) -VT mit VT:gleich der Schwellenspannung des Auflade-FETVs (T12) aufladbar ist.
- 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß'der Auflade-FET (Tl2) ein als Diode geschalteter FET ist.
- 6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolations-FET (T14). ein als Diode geschalteter FET ist, dessen Gate-Elektrode mit einer seiner gesteuerten Elektroden verbunden und an die Kapazität (Cl, Knoten A) angeschlossen ist.
- 7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung aus einem zwischen den einem Pol (+V) der Betriebsspannung und den Schaltungsausgang (Knoten B) eingefügten als Diode geschalteten FET (T16) be steht,; und; daß dieam Ausgang (Knoten B) bereitgestellte; Spannung den Wert +V +VT mit VT gleich der Schwellenspannung des Dioden-FET's (T16) erreicht, welche Schwellenspannung gleich der bzw. - den 'Schwellenspannung (en) des bzw. der nachfolgenden Iiast-FET's ist. \ [_..:....;..002
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