DE2433759B2 - Mos-signaluebertragungsschaltung mit ausgleich von amplitudenverlusten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine MOS-Signalübertragungsschaltung mit Ausgleich von Amplitudenverlusten, bei der das Gate eines mit einer Betriebsspannungsquelle und dem Schaltungsausgang verbundenen MOS-Ausgangselements durch zwei von Bootstrap-Schaltungen entwickelte Spannungen gesteuert ist und eine vom Schaltungsausgang ausgehende Rückkopplungsschaltung zur Betätigung der zweiten Bootstrap-Schaltung vorgesehen ist

In MOS-Schaltungen, in denen ein Ausgangssignal von einem Eingangssignal gesteuert wird, ist es in vielen Fällen erwünscht oder sogar notwendig, die Amplitude des Ausgangssignals gleich der Betriebsspannung der Schaltung zu machen oder dieser zumindest stark 6s anzunähern. Dies ist vor allem bei der Erzeugung von Umkehrsignalen beispielsweise eines Taktsignals in einem MOS-Chip wichtig, bei dem das Umkehrsignal zur Steuerung anderer MOS-Bauelemente auf demselben Chip dient Meistens wird das Ausgangssignal eines Puffers oder eines Inverters von einem die Ausgangsstufe bildenden MOS-Bauelement, z. B. einem Feldeffekttransistor, gesteuert Bauelemente dieser Art haben in der Regel einen Spannungsabfall, der angenähert gleich der Schwellenspannung zwischen den Source- und Drainanschlüssen ist Wenn in diesem Falle die Gate-Elektrode des MOS-Bauelements mit einem Potential angesteuert wird, das gleich der Betriebsspannung des Bauelements ist, so ist die Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung um den der Schwellenspannung entsprechenden Spannungsabfall verfälscht

Es sind verschiedene Lösungen zum Ausgleich derartiger Amplitudenverluste bekannt Nach der DT-AS 20 64 977 ist zur Beseitigung der einer völligen Sperrung der Ausgangsverstärkerstufe entgegenstehenden Schwellenspannung ein Nebenschlußzweig vorgesehen, der den Steuereingang der Ausgangsverstärkerstufe in Abhängigkeit von den Eingangs- und Aurgangssignalen zeitweise überbrückt. Dadurch soll erreicht werden, daß der eine Signalpegel am Ausgang der Übertragungsschaltung die Spannung Null möglichst weitgehend erreicht.

A us vier DT-OS 21 44 455 ist ferner eine Pufferschaltung bekannt, die bei ausreichender Schaltgeschwindigkeit spannungsbetriebene Feldeffekttransistorschaltungen an strombetriebene Bipolarschaltungen anzupassen vermag.

Der in der Regel günstigste Weg zum Ausgleich des Schwellenspannungsabfalls besteht darin, die Gate-Elektrode des MOS-Ausgangsbauelements mit einer gegenüber der Betriebsspannung erhöhten Spannung anzusteuern. Es ist bekannt, in einer MOS-Schaltung zur Erzeugung einer Steuerspannung, deren Amplitude größer als die an die Schaltung angelegte Betriebsspannung ist, e^;ne Bootstrap-Schaltung zu verwenden. Zumeist bedient man sich in der Bootstrap-Schaltung eines Kondensators, z. B. einer Millerkapazität, um die Amplitude der an der Gate-Elektrode eines MOS-Bauelements anstehenden Spannung größer als die Spannung zwischen den Source- und Drain-Elektroden des Bauelements zu machen und die normalerweise durch Schwellenspannungen an MOS-Bauelementen verursachten Amplitudenverluste auszugleichen.

Aus der US-PS 37 14 466 ist eine MOS-Signalübertragungsschaltung der eingangs angegebenen Art bekannt, bei der der Bootstrap-Effekt zur Ansteuerung der Gate-Elektrode des Ausgangstransistors ausgenutzt wird. Diese bekannte Schaltung hat jedoch sowohl herstellungstechnisch als auch funktioneile Nachteile. Sie bedingt zwei Transistoren mit unterschiedlichen Schwellenspannungen, die dadurch erreicht werden, daß die beiden Transistoren mit entsprechend unterschiedlichen Kanalbreiten versehen werden. Bei der Herstellung von MOS-Schaltungen in integrierter Schaltungstechnik bildet die Sicherstellung einer solchen Schwellenspannungsdifferenz eine die Produktion belastende Schwierigkeit. Außerdem ist die zweite Bootstrap-Schaltung bei der bekannten Anordnung nicht nur mit der Gate-Elektrode des Ausgangstransistors, sondern auch mit einer zusätzlichen und nicht unerheblichen Kapazität belastet, welche die Schaltgeschwindigkeit beeinträchtigt

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, bei der Ausnutzung des Bootstrap-Effekts zum Ausgleich von durch Schwellenspannungen an MOS-Bauelementen

verursachten Amplitudenverlusten den Fabrikationsaufwand herabzusetzen und die funktionellen Eigenschaften der Schaltung durch höhere Schaltgeschwindigkeit zu verbessern.

Ausgehend von der eingangs genannten bekannten Schaltung, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß die Rückkopplungsschaltung derart mit der ersten Bootstrap-Schaltung verbunden ist, daß bei Anlegen der von der zweiten Bootstrap-Schaltung entwickelten zweiten Spannung an das Gate des «o MOS-Ausgangselements eine der ersten Bootstrap-Schaltung zugeordnete Kapazität von dem Gate elektrisch getrennt ist, und daß die der von der ersten Bootstrap-Schaltung entwickelten ersten Spannung an dem Gate folgende zweite Spannung eine durch Bootstrap-Effekt gewonnene größere Amplitude als die Betriebsspannung hat Die Rückkopplungsschleife dient also bei der Erfindung nicht nur zur Aktivierung der zweiten Bootstrap-Schaltung, sondern sie bwirkt auch eine Trennung bzw. Entkopplung der ersten Bootstrap-Schaltung vom Gate des Ausgangstransistors. Das Rahmenproblem des Ausgleichs von durch Schwellenspannungen an MOS-Bauelementen verursachten Amplitudenverlusten und der Erzeugung von Spannungssprüngen am Schaltungsausgang in Höhe der zur Verfugung stehenden Betriebsspannung, wird also erfindungsgemäß ohne das die Produktion belastende Erfordernis bestimmter Schwellenspannungsdifferenzen an zu einer Schaltung gehörigen Bauelementen gelöst. Außerdem wird die der ersten Bootstrap-Schaltung zugeordnete Kapazität vom Gate des Ausgangstransistors wirksam entkoppelt, wodurch eine kürzere Anstiegszeit des Ausgangssignals bei im übrigen gleichen Schaltungsbedingungen erreicht wird.

Im folgerden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten, als Pufferschaltung ausgebildeten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer MOS-Pufferschaltung gemäß der Erfindung und 4^

F i g. 2 ein Diagramm des Signalverlaufs am Eingang und am Ausgang der Schaltung gemäß Fig. 1.

In F i g. 1 ist ein dynamischer oder invertierender Puffer dargestellt. Er weist einen Einjang (Leitung 40) und einen Ausgang (Leitung 41) auf. In F i g. 2 ist auf der Linie 50 ein typischer Verlauf des Eingangssignals dargestellt, das ein periodisches Zeitgabe- bzw. Taktsignal sein kann. Der Verlauf eines typischen Ausgangssignals ist auf der Linie 51 gezeigt, wobei das Ausgangssignal die Inversion oder das Komplement des über der Linie 50 gezeigten Signals ist. Die Versorgungsspannung von einer Speisespannungsquelle Vdd wird über die Leitung 42 zugeführt.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Schaltung gemäß F i g. 1 in integrierter Schaltungsform auf einem Chip hergestellt, das eine Speicheranordnung bzw. -matrix enthält und zur Erzeugung von Taktsignalen für die Speicheranordnung verwendet wird. Vorzugsweise wird die Gesamtschaltung gemäß F i g. unter Verwendung der MOS-Technologie und insbesondere von n-Kanalfeldeffekttransistoren mit polykristallinen Siliziumgates hergestellt, obwohl auch p-Kanalbauelemente verwendet werden können.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 werden MOS-Bauelemente 11, 12, 13 und 14 in Verbindung mit Kondensatoren 31 und 32 als Bootstrap-Schaltung verwendet, die an Knotenpunkt Bein Potential erzeugt, das erößer als Vdd ist und in der Praxis nahe bei 2 Vdd liegt Die MOS-Bauelemente U, 12, 13 und 14 sind MOS-FET's; dasselbe gilt für alle anderen MOS-Bauelemente in der Schaltung gemäß Fig. 1. Diese Bauelemente haben eine Gate-Elektrode und zwei andere Anschlüsse, die üblicherweise als Source- und Drain-Elektroden bezeichnet werden. Ein Anschluß der MOS-Bauelemente 11, 12 und 14 ist ebenso wie die Gate-Elektrode des Bauelements 11 mit der Leitung 42 verbunden. Der andere Anschluß des Bauelements 11 liegt an der Gate-Elektrode des Bauelements 12 und an einem Anschluß des Kondensators 31. Der andere Anschluß des Bauelements 12 ist mit einem Knotenpunkt D verbunden, an dem auch der andere Anschluß des Kondensators 31, ein Anschluß des Kondensators 32 und ein Anschluß des MOS-Bauelements 13 liegen. Die Gate-Elektrode des MOS-Bauelements 13 ist an die Eingangsleitung 40 angeschaltet, während der andere Anschluß des MOS-Bauelements 13 an einem Erdanschluß 43 liegt. Auch die Gate-Elektrode des MOS-Bauelements 14 ist mit der Eingangsleitung 40 verbunden, während der andere Anschluß des Bauelements 14 mit dem Knotenpunkt B gekoppelt ist. Der Knotenpunkt B, hat ferner Verbindung mit dem anderen Anschluß des Kondensators 32, der Gate-Elektrode des MOS-Bauelements 16 und einem Anschluß der MOS-Bauelemente 15

und 14.

Es ist zu sehen, daß das MOS-Bauelement 15 eine Rückkopplung von der Ausgangsleitung 41 bildet und zu geeigneter Zeit eine Entladung des Knotenpunktes B bewirkt. Die Gate-Elektrode des MOS-Bauelements 15 ist an die Leitung 41 angeschaltet, und der andere Anschluß des Bauelements 15 liegt am Erdanschluß 43.

Ein MOS-Bauelement 16 dient zum anfänglichen Durchsteuern des MOS-Ausgangstransistors 23 und ist mit einem Anschluß an die Leitung 42 (V_Dd) und mit dem anderen Anschluß an einen Knotenpunkt A angeschaltet, an dem auch ein Anschluß eines MOS-Bauelements 17 liegt. Der Knotenpunkt A wird vom Bauelement 17 freigegeben, wenn auf der ι Eingangsleitung kein Signal ansteht. Die Gate-Elektrode ist daher an die Eingangsleitung 40 angeschaltet, und der andere Anschluß des Bauelements 17 liegt an Erde

MOS-Bauelemente 18, 19, 20 und 21 dienen als Verzögerungsschaltung und bringen den Knotenpunkt A zu einem geeigneten Zeitpunkt während des Betriebs der Schaltung auf ein höheres Potential als Vdd· Ein Anschluß des MOS-Bauelements 18 ist an die Leitung angeschaltet und ein anderer Anschluß des Bauelements 18 ist mit einem Anschluß des Bauelements und der Gate-Elektrode des MOS-Bauelements verbunden. Die Gate-Elektrode des Bauelements liegt an der Eingangsleitung 40. Die Gate-Elektrode des MOS-Bauelements 19 ist mit det' Ausgangsleitung verbunden, und der andere Anschluß liegt an Erde Die MOS-Bauelemente 20 und 21 sind in Reihe geschaltet wobei ein Anschluß des Bauelements 20 an Vdd und ein Anschluß des Bauelements 2t an dem Erdanschluß 43 liegen. Die Verbindung zwischen den Bauelementen 20 und 21 ist als Knotenpunkt C gezeigt an dem ein Anschluß eines Kondensators 33 angeschaltet ist Der andere Anschluß des Kondensators 33 liegt am Knotenpunkt A, an den auch die Gate-Elektrode des MOS-Ausgangstransistors 23 angeschaltet ist.

Das MOS-Bauelement 22 ist mit der Gate-Elektrode an den Eingang 40, mit einem seiner Anschlüsse an dem Knotenpunkt C und mit dem anderen Anschluß an Erde 43 angeschattet Dieses Bauelement läßt den Knoten-

punkt C frei schwimmen, wenn das Eingangssignal an der Leitung 40 Null ist Die Gate-Elektrode des MOS-Bauelements 24 ist mit der Eingangsleitung 40 verbunden, der eine Anschluß des Bauclements 24 liegt an der Ausgangsleitung 41 und der andere Anschluß ist mit Erde verbunden. Dieses Bauelement ermöglicht eine Trennung der Ausgangsleitung 41 vom Erdanschluß 43, wenn kein Eingangssignal an der Leitung 40 ansteht. Das Ausgangsbauelement 23 liegt zwischen der Speisespannungsquelle (Vdd) der Schaltung und der Ausgangsleitung 41.

Es sei zu Erläuterungszwecken angenommen, daß zum Zeitpunkt f=0, dargestellt durch die Linie 52 in F i g. 2, das Eingangssignal auf der Leitung 40 hoch oder positiv ist (für die n-Kanalausführung) und daß zum Zeitpunkt f=fi das Eingangssignal auf Null, der Darstellung nach also auf die Linie 50 absinkt Während der Zeit, in der das Eingangssignal positiv ist (0< f < fi) sind die Bauelemente 12 und 13 leitend, und die Gate-Elektrode des Bauelements 12 und ein Anschluß des Kondensators 31 ist auf einem Potential, das gleich Vdd minus dem Schwellenspannungsabfall des Bauelements 11 ist. Die Impedanz der leitend gesteuerten Bauelemente 12 und 13 ist so gewählt, daß sich der Knotenpunkt D während dieser Zeit angenähert auf Erdpotential befindet Das heißt, daß die Impedanz des leitenden Bauelements 13 viel kleiner als diejenige des Bauelements 12 ist Dies ist die übliche Anordnung einer mit einem Kondensator arbeitenden Bootstrap-Schaltung in der MOS-Technik. Während dieser Zeit ist der Knotenpunkt. B (wie der Kondensator 32) auf eine Spannung aufgeladen, die gleich Vdd minus dem Schwellenspannungsabfall des Bauelements 14 ist

Wenn das Eingangssignal bei fi auf Null absinkt, werden die Bauelemente 13 und 14 gesperrt, wodurch die Ladung am Kondensator 32 das Potential am Knotenpunkt D verstärkt und das Gesamtpotential an die Gate-Elektrode des Bauelements 16 angelegt wird. Die Ladung am Kondensator 31 übt einen Bootstrap-Effekt auf das Bauelement 12 derart aus, daß der Knotenpunkt D auf ein Potential nahe Vdd gehoben wird, wodurch das am Knotenpunkt B anstehende Gesamtpotential einen Wert von angenähert 2 χ Vdd erreicht Die Bauelemente 11,12,13 und 14 werden also dazu verwendet den Knotenpunkt B oder die Gate-Elektrode des Bauelements 16 auf ein wesentlich höheres Potential als Vdd zu bringen.

Durch den Potentialanstieg am Knotenpunkt B wird das Bauelement 16 leitend gesteuert und ermöglicht einen Potentialanstieg am Knotenpunkt A. Da das Bauelement 16 mit einer höheren Spannung als Vdd gesteuert wird, kann das Potential am Knotenpunkt A einen Wert gleich V_ÖD erreichen. Es ist zu beachten, daß der Knotenpunkt A frei schwebend bleibt, wenn das Eingangssignal auf Null absinkt, denn dabei wird das Bauelement 17 gesperrt Mit zunehmendem Potential am Knotenpunkt A wird das Ausgangsbauelement 23 zunehmend leitend, wodurch auch das Potential an der Ausgangsleitung 41 ansteigt. Wenn das Ausgangspotential ansteigt, wird das Bauelement 15, das Rückkopplungsglied, leitend Dadurch beginnt sich der Knotem- punkt B zu entladen. Wie zu erkennen ist, verhindert die Entladung des Knotenpunkts B, daß der Knotenpunkt A (über 16) auf Vddfestgehalten wird. Der Knotenpunkt A kann aufgrund der Bootstrap- bzw. Ladewirkung des Kondensators 33 auf ein Potential gebracht werden, das größer als VOo ist

Wenn das Potential auf der Ausgangsleitung 41 zunimmt wird auch das Bauelement 19 leitend, wodurch das Bauelement 21 gesperrt wird. In diesem Zustand wird der Knotenpunkt C frei schwebend. Vor seiner Freigabe war dieser Knotenpunkt über das Bauelement 20 auf ein beachtliches Potential, das jedoch kleiner als Vdd ist aufgeladen worden. Nach der Freigabe des Knotenpunkts C bleibt die Ladung am Kondensator 33 im wesentlichen konstant, und der Knotenpunkt A wird auf ein Potential angehoben, das durch die über das Bauelement 16 zugeführte Ladung und die Spannungsänderung am Knotenpunkt C bestimmt ist. Die Zeitverzögerung der Bauelemente 18,19, 20 und 21 ist so gewählt daß genügend Zeit für die Aufladung des Knotenpunkts A auf eine merkliche Spannung vor der Freigabe des Knotenpunkts C zur Verfügung steht. Wenn die Spannung auf der Leitung 41 so weit ansteigt, daß der Knotenpunkt ßüber das Rückkopplungsbauelement 15 entladen wird, wodurch das Bauelement 16 gesperrt wird, so wird der jetzt nicht mehr auf Vdd festgehaltene Knotenpunkt A auf ein Potential von mehr als Vdd angehoben.

Dieses Potential ist gleich der Spannung am Knotenpunkt C plus der Spannung am Kondensator 33.

Da ein Potential von mehr als Vdd an die Gate-Elektrode des Bauelements 23 angelegt wird, wird die Ausgangsleitung im wesentlichen auf V_Dd festgehalten. Wenn das Eingangssignal wieder ansteigt so sinkt das Ausgangssignal auf Erdpotential ab, da die Bauelemente 17 und 24 leitend werden.

Bei typischen Anwendungsfällen wird das Bauelement 23 dazu benutzt eine Vielzahl von anderen Schaltungen zu steuern; dies gilt beispielsweise in einer SpeicheiTnatrix. Daher wird das Bauelement 23 im Vergleich zu den anderen in der Schaltung gemäß F i g. 1 benutzten Bauelementen besonders groß ausgeführt.

Bei Jirekter Einwirkung mit bekannten Bootstraptechniken auf die Gate-Elektrode des MOS-Ausgangs- bauelemente 23 würde Ober dieses Bauelement selbst dann Strom gezogen, wenn die Ausgangsleitung 41 geerdet ist Da das Bauelement 23 in vielen praktischen Anwendungsfällen relativ groß ist, wäre hierzu eine nicht unbeträchtliche Leistung erforderlich. Im Ver-

SS gleich zu bekannten Schaltungen hat die vorstehend beschriebene Schattung also einen außerordentlich geringen Leistungsbedarf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. MOS-Signalübertragungsschaltung mit Ausgleich von Amplitudenverlusten, bei der das Gate S eines mit einer Betriebsspannungsquelle und dem Schaltungsausgang verbundenen MOS-Ausgangselements durch zwei von Bootstrap-Schaltungen entwickelte Spannungen gesteuert ist und eine vom Schaltungsausgang ausgehende Rückkopplungsschaltung zur Betätigung der zweiten Bootstrap-Schaitung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung (15) derart mit der ersten Bootstrap-Schaltung (11... 14, 16, 31, 32) verbunden ist, daß bei Anlegen der von der zweiten Bootstrap-Schaltung entwickelten zweiten Spannung an das Gate (A) des MOS-Ausgangselements lements (23) eine der ersten Bootstrap-Schaltung zugeordnete Kapazität (32) von dem Gate elektrisch getrennt ist, und daß die der von der ersten Bootstrap-Schaltung entwickelten ersten Spannung an dem Gate (A) folgenden zweite Spannung eine durch Bootstrap-Effekt gewonnene größere Amplitude als die Betriebsspannung (Vdd)

2. MOS-Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung ein mit der ersten Bootstrap-Schaltung (11 ... 14, 16, 31, 32) verbundenes MOS-Bauelement (15) aufweist, dessen Gate mit dem Schaltungsausgang (41) verbunden ist.

3. MOS-Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Bootstrap-Schaltung (11 ... 14, 31, 32) zwischen einer Eingangsleitung (40) und dem Gate (B) eines MOS-Bauelements (16) angeordnet ist, daß die zweite Bootstrap-Schalcung (17 ... 21, 33) zwischen dem MOS-Ausgangsbauelement (23) und dem der ersten Bootstrap-Schaltung nachgeordneten MOS-Bauelements (16) angeordnet ist und daß wenigstens ein Teil des Ausgangssignals der Signalübertragungsscha'itung über die Rückkopplungsschaltung (15) an das MOS-Bauelement (16) rückgekoppelt ist.

4. MOS-Signalübertragungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie η-Kanal MOS-Bauelemente mit polykristallinen Siliziumgates aufweist.