DE2433759C3 - MOS-Signalübertragungsschattung 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 [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.

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-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.