DE2433759C3 - MOS-Signalübertragungsschattung mit Ausgleich von Amplitudenverlusten - Google Patents
MOS-Signalübertragungsschattung mit Ausgleich von AmplitudenverlustenInfo
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Description
50
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 [Jootstrap-Schaltunger.
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
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 2C 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 Ausgangssigna'en zeitweise überbrückt. Dadurch soll
erreicht werden, daß der eine Signalpegel am Ausgang der Übertragungsschaltung die Spannung Null möglichst
weitgehend erreicht.
Aus der 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-AusgangsbauelciiKMits 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, eine Bootstrap-Schaltung zu verwenden. Zumeist bedient man sich in der Bootstrap-Schaltung
eines Kondensators, z. B. einer Millerkapazitäl, 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 funktionell 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 Schwellcnspannungen an MOS-Bauelementen
verursachten Amplitiidenvcrlusten den Fabrikationsaufwand
herabzusetzen und die funktioneilen 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 Rückkopplungsschakung derart
mil der ersten Bootstrap-Schaltung verbunden ist, daß bei Anlegen der von der /weiten Bootstrap-Schaltung
entwickelten zweiten Spannung an das Gate des MOS-Ausgangselements eine der ersten Bootstrap
Schaltung zugeordnete Kapazität von dem Gate elektrisch gelrennt isi, 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. Knikopplung der ersten Bootstrap-Schaltung vorn Gate des Ausgangstransistors. Das
Rahmenproblem des Ausgleichs von durch Schwellenspannungen an MOS-Bauelementen verursachten Amplitudenvcrlusten
und der Erzeugung von Spannungssprüngen am Schaltungsausgang in Höhe der zur
Verfügung 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 folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten, als Pufferschaltung ausgebildeten
Ausführungsbeispiels naher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer MOS-Pufferschaltung
gemäß der Erfindung und
Fig. 2 ein Diagramm des Signalverlaufs am Eingang
und am Ausgang der Schaltung gemäß F i g. 1.
In Fig. 1 ist ein dynamischer oder invertierender Puffer dargestellt. Er weist einen Eingang (Leitung 40)
und einen Ausgang (Leitung 41) auf. In Fig. 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 Versor gungsspannung von einer Speisespannungsqucllc V/j»
wird über die Leitung 42 zugeführt.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Schaltung gemäß Fig. I 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 Fig. I
unter Verwendung der MOS-Technologie und insbesondere
von ii-Kanalfcldcl'fekilransiMoren mit polykristallinen
Sili/iumgales hergestellt, obwohl auch p-Kanalbauclcmentc
verwendet werden können.
Bei der Schaltung gemäß I·' i g. 1 werden MOS-Bauclcmente
11, 12, 13 und 14 in Verbindung mil (>s
Kondensatoren 31 und .32 als Bootstrap-Schaliung verwendet, die an Knotenpunkt Wein Potential erzeugt,
(his lirölJer als V/j/.i ist und in eier Praxis nahe bei 2 V
liegt. Die MOS-Bauelemente 11, 12, 1.3 und 14 sind
MOS-FET's; dasselbe gilt für alle anderen MOS-Bauelemente in der Schallung gemäß Fig. 1. Diese Bauelemente
haben eine Gate-Elektrode und zwei andere Anschlüsse, die üblicherweise als Source- und Druin-Elektroden
bezeichnet werden. Ein Anschluß der MOS-Bauelemente U1 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-Bauelcments 13 liegen. Die
Gate-Elektrode des MOS-Bauelcmcnts 13 ist an die Eingangsleilung 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 mil dem Knotenpunkt ögekoppelt ist. Der Knotenpunkt ö,
hat ferner Verbindung mit dem anderen Anschluß des Kondensators 32, der Gate-Elektrode des MOS-Bauelcmcnts
16 und einem Anschluß der MOS-Bauelcmcnic 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 Gatc-Elcktrode des MOS-BaueleniL'ius 15
ist an die Leitung 41 angeschaltet, und der andere Anschluß des Bauelements 15 liegt am Erdanschluß 43.
Ein MOS-Bauelemcni 16 dient /um anfänglichen
Durchsteuern des MOS-Ausgangstransistors 23 und ist mit einem Anschluß an die Leitung 42 (Vpp) und mit
dem anderen Anschluß an einen Knotenpunkt A angeschaltet, an dem auch ein Anschluß eines
MOS-Bauelcments 17 liegt. Der Knotenpunkt A wird vom Bauelement 17 freigegeben, wenn auf der
Eingangsleitung kein Signal ansteht. Die Gate-Elektrode ist daher an die Eingangsleitung 40 angeschaltet, und
der andere Anschluß des Bauelements 17 liegt an Erde 43.
MOS-Bauelemente 18, 19, 20 und 21 dienen als VerzögerungsschalUing und bringen den Knotenpunkt
A zu einem geeigneten Zeitpunkt während des Betriebs der Schaltung auf ein höheres Potential als Vpp. Ein
Anschluß des MOS-Bauclements 18 ist an die Leitung 42
angeschaltet, und ein anderer Anschluß des Bauelements 18 ist mit einem Anschluß des Bauelements 19
und der Gate Elektrode des MOS-Bauelcmcnts 21 verbunden. Die Gate-Elektrode des Bauelements 18
liegt an der Eingangsleitung 40. Die Gate-Elektrode des MOS-Bauclements 19 ist mit der Ausgangsleitung 41
verbunden, und der andere Anschluß liegt a:> Erde 43. Die MOS-Bauelemente 20 und 21 sind in Reihe
geschaltet, wobei ein Anschluß des Bauclements 20 an Vdd und ein Anschluß des Bauelements 21 an dem
Erdanschluß 43 liegen. Die Verbindung /wischen den Bauelementen 20 und 21 ist als Knotenpunkt C'gezeigt,
an dem ein Anschluß eines Kondensators 33 angeschaltet ist. Der andere Anschluß ties Kondensators 33 liegl
am Knotenpunkt A, an den auch die Gate-Elektrode des MOS-Ausgangstransisiors 23 angeschaltet ist.
Das MOS-Bauelement 22 ist mit der Galc-I'.lektrodc
an den Eingang 40, mit einem seiner Anschlüsse an dem Knotenpunkt C'und mil dem anderen Anschluß an Erde
43 angeschaltet. 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 Bauelements ?4 liegt an der Ausgangsleitung 41 und der andere Anschluß ist
mit Erde verbunden. Dieses Bauelement ermöglicht eine Trennung der Ausgangsleilung 41 vom Erdanschluß 43,
wenn kein Eingangssignal an der Leitung 40 ansteht. Das Ausgangsbauelement 23 liegt zwischen der
Speiscspannungsqucllc (Von) der Schaltung und der Ausgangsleitung 4t.
Es sei zu Erläuterungszwecken angenommen, daß zum Zeitpunkt r = 0, dargestellt durch die Linie 52 in
V i g. 2, das Eingangssignal auf der Leitung 40 hoch oder positiv ist (für die n-Kanalausführimg) und daß zum
Zeitpunkt f=f| das Eingangssignal auf Null, der
Darstellung nach also auf die Linie 50 absinkt. Während der Zeil, in der das Eingangssignal positiv ist (0<
f< /ι) 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
Vöd minus dem Schwellcnspannungsabfall des Bauelements
11 ist. Die Impedanz der leitend gesteuerten Bauelemente 12 und 13 ist so gewählt, daß sich der
Knotenpunkt /.) während dieser Zeil angenähert auf Erdpotential befindet. Das heißt, daß die Impedanz des
leitenden Bauelements 13 viel kleiner als diejenige des Bauclements 12 ist. Dies ist die übliche Anordnung einer
mit einem Kondensator arbeitenden Bootstrap-Schaltung in der MOS-Technik. Während dieser Zeit isl der
Knotenpunkt B (wie der Kondensator 32) auf eine Spannung aufgeladen, die gleich Viii) minus dem
Schwellcnspannungsabfall des Bauelements 14 ist.
Wenn das Eingangssignal bei /ι auf Null absinkt,
werden die Bauelemente 13 und 14 gesperrt, wodurch die Ladung am Kondensator 32 das Potential am
Knotenpunkt O verstärkt und das Gesamtpotential an die Gate-Elektrode des Bauelements 16 angelegt wird.
Die Ladung am Kondensator 31 übt einen Booistrap-Effekt
auf das Bauelement 12 derart aus, daß der Knotenpunkt D auf ein Potential nahe Von gehoben
wird, wodurch das am Knotenpunkt ß anstehende Gesamtpotential einen Wert von angenähert 2 χ Vo»
erreicht. Die Bauelemente It, 12, 13 und 14 werden also
da/u verwendet, den Knotenpunkt ß oder die Gate-Elektrode des Bauelements 16 auf ein wesentlich
höheres Potential als V/u>zu bringen.
Durch den Polentialanstieg am Knotenpunki /!wird
das Bauelement '6 leitend gesteuert und ermöglicht einen Polenluilansiieg am Knotenpunkt A. Da das
Bauelement 16 mit einer höheren Spannung als Von gesteuert wird, kann das Potential am Knotenpunkt A
einen Wert gleich Voo 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 Ausgangsbauclcmcnt 23
zunehmend leitend, wodurch auch das Potential an der Ausgangsleitung 41 ansteigt. Wenn das Ausgangspotential
ansteigt, wird das Bauelement 15, das Rückkopplungsglicd,
leitend. Dadurch beginnt sich der Knotenpunkt ß/.u entladen. Wie zu erkennen ist, verhindert die
Entladung des Knotenpunkts ß, daß der Knotenpunkt -4
(über 16) auf V/j» festgehalten wird. Der Knotenpunkt A
kann aufgrund der Bootstrap- bzw. Ladewirkung des Kondensators 33 auf ein Potential gebracht werden, das
ίο größer als V/joist.
Wenn das Potential auf der Ausgangslcitung 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
Vi)D ist, aufgeladen worden. Nach der Freigabe des
Knotenpunkts Cbleibt 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
Zeilverzögerung 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 Verfugung steht. Wenn die Spannung auf der Leitung 41 so weit ansteigt,
daß der Knotenpunkt düber das Rückkopplungsbauclcment
15 entladen wird, wodurch das Bauelement 16 gesperrt wird, so wird der jetzt nicht mehr auf Vp/)
festgehaltene Knotenpunkt A auf ein Potential von mehr als Vim angehoben.
Dieses Potential ist gleich der Spannung am Knotenpunkt C plus der Spannung am Kondensator 33.
Da ein Potential von mehr als Vpf.ian die Galc-Elcktro-
de des Bauelements 23 angelegt wird, wird die Ausgangsleilung im wesentlichen auf V/w festgehalten.
Wenn das Eingangssignal wieder ansteigt, so sinkt das Ausgangssignal auf F.rdpotcntial ab, da die Bauelemente
17 und 24 leitend werden.
Bei typischen Anwendungsfällcn wird das Bauelement
23 da/.u benutzt, eine Vielzahl von anderen Schaltungen zu steuern; dies gilt beispielsweise in einer
Spcichcrniatrix. Daher wird das Bauelement 23 im
Vergleich zu den anderen in der Schallung gemäß Fig. I benutzten Bauelementen besonders groß ausgeführt.
Bei direkter l-inwirkung mit bekannten Bootstrap·
tcchniken auf die Gate-Elektrode des MOS-Ausgangs-
bauelement 23 würde über dieses Bauelement selbst dann Strom gezogen, wenn die Ausgangslcitung 4t
geerdet ist. Da das Bauelement 23 in vielen praktischen Anwcndungsfüllen relativ groß ist, wllre hierzu eine
nicht unbctrüchtliche Leistung erforderlich, Im Vor-
gleich zu bekannten Schaltungen hat die vorstehend beschriebene Schaltung also einen außerordentlich
geringen Leistungsbedarf.
Claims (4)
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-Schaltung 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 GaIe
elektrisch getrennt ist, und daß die der von der ersten Bootstrap-Schaltung entwickelten ersten
Spannung an dem Gate (A) folgenden zweite Spannung eine durch Bootslrap-Effekt gewonnene
größere Amplitude als die Betriebsspannung (Von)
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 (Steines MOS-Bauelements (16) angeordnet ist, daß
die zweite Bootstrap-Schaltung (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 Signalübertragungsschaltung 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.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US38034873A | 1973-07-18 | 1973-07-18 | |
US38034873 | 1973-07-18 | ||
US05/564,855 US3937983A (en) | 1973-07-18 | 1975-04-03 | Mos buffer circuit |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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DE2433759A1 DE2433759A1 (de) | 1975-03-13 |
DE2433759B2 DE2433759B2 (de) | 1976-11-11 |
DE2433759C3 true DE2433759C3 (de) | 1977-06-30 |
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