DE2502689A1 - Verfahren und integrierte mos- schaltung zur erzeugung einer spannung - Google Patents

Verfahren und integrierte mos- schaltung zur erzeugung einer spannung

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DE2502689A1 DE19752502689 DE2502689A DE2502689A1 DE 2502689 A1 DE2502689 A1 DE 2502689A1 DE 19752502689 DE19752502689 DE 19752502689 DE 2502689 A DE2502689 A DE 2502689A DE 2502689 A1 DE2502689 A1 DE 2502689A1
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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R. BEETZ sen. Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-fng. R. B E ETZ jr.
8 MÜi-icheh 22, steinsdorfstr. 10
Tel, (Ö89) 2äi2OT72ä7244/äi9iä91O Telegr. Allpatent München
410-23.7OOP
23. 1. 1975
COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATQMIQ.UE, Paris (Frankreich)
Verfahren und integrierte MOS-Schaltung zur Erzeugung einer Spannung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Spannung, die in gewünschter Weise mit der Schwellenspannung eines MOS-Transistors variiert, und insbesondere auf ein Verfahren zur Verringerung der Streuung eines Betriebsparameters einer integrierten Schaltung mit MOS-Transistoren, wobei diese Streuung insbesondere dadurch bedingt ist, daß die Schwellenspannung der Transistoren selbst einer baulichen Streuung unterliegt; die Erfindung bezieht sich weiterhin auf integrierte Schaltungen, die dieses Verfahren verwenden, und
410-(B 5l67.3)-Ko-r (8)
509831/0808
2SO2 683
insbesondere auf einen Eonstantstrom generator und eine monostabile Kippstufe (Monoflop).
Bei zahlreichen integrierten Schaltungen, und insbesondere bei MOS-Schaltungen, wird eine Unabhängigkeit von technologischen Streuungen angestrebt, die die verschiedenen Transistoren der Schaltung beeinflussen. Beispielsweise wird bei MÖS-Transistoren die Schwellenspannung oft durch eine Streuung beeinflußt, die kompensiert werden muß. Dieses Problem soll die-Erfindung lösen.
Bei einem Verfahren zur Verringerung der Streuung eines Betriebsparameters einer integrierten Schaltung mit insbesondere mehreren MOS-Transistoren, wobei diese Streuung dadurch bedingt ist, daß die elektrischen Betriebsparameter der MÖS-Transistoren selbst einer baulichen Streuung unterliegen, wird dieses Problem dadurch gelöst, daß auf die verschiedenen Verhältnisse der Breite zur Länge des Kanals der verwendeten verschiedenen MOS-Transistoren eingewirkt wird, damit die Beziehung zwischen den Verhältnissen so erfüllt wird, daß die Schaltungs streuung minimal wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht bei einer integrierten Schaltung, die dieses Verfahren verwendet, in mehreren MOS-Transistoren, deren Verhältnisse von Breite zu Länge des Kanals durch eine Beziehung verknüpft sind, die die Streuung eines Betriebsparameters der integrierten Schaltung minimal im Verhältnis zu derjenigen Streuung macht, der einer der Betriebsparameter dieser Transistoren unterliegt .
5093 31/080
Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht bei einem Konstantstromgenerator mit einem MOS-Transistor und mit einer Quelle einer Spannung V.^, die zwischen dem Gatter und dem Substrat des
Gb
MOS-Transistors angelegt ist, darin, daß die Quelle der Spannung V eine Quelle fester Spannung aufweist, die mit dem Substrat des MOS-Transistors über eine Brücke von ή MOS-Transistoren mit Stromsättigungsbetrieb verbunden ist, wobei η > 2 ist, deren Kanäle in Reihe liegen und deren Gatter mit der Senke verbunden sind, wobei die Verhältnisse der Breite zur Länge des Kanals der MOS-Transistoren ^- , tf, Y*1, ..·, Jf betragen, und daß die Spannung V zwischen zwei
d* ό ΓΙ vjo
beliebigen MOS-Transistoren der Brücke abgenommen wird, wobei die Schwellenspannung νς der Transistoren eine Streuung A.V" zeigt, die eine Streuung AV.„ bewirkt, die ihrerseits proportional der abge-
Gb
nommenen Spannung V _ ist, wobei der Proportionalitätskoeffizient
Gb
zwischen AV ς und AV eine Funktion f( ^ ·> ^2? ··«? " Jf ). der Verhältnisse tf , Ϋ· ■, ·.*, fi isti und wobei diese Verhältnisse Jf1, tfo , ..., ^ der MOS-Transistoren der Brücke so gewählt sind, daß
Die Vorspannungsbrücke des so aufgebauten Stromgenerätors kann aus einer beliebigen Anzahl Transistoren bestehen, jedoch ist es vorteilhaft und einfach, wenn die Brücke die MOS-Transistoren enthält, von denen zwei gleich sein können.
Schließlich zeichnet sich die Erfindung bei einer monostabilen Kippstufe (Monoflop) mit konstanter Dauer des instabilen Zustande, mit einem Konstantstromgenerator der oben erläuterten Art und mit einer herkömmlichen Schaltung aus MOS-Transistoren, die einem Kon-
509831 /0808
densator zugeordnet sind, dadurch aus, daß der Kondensator durch den Konstantstromgenerator während des instabilen Zustands der monostabilen Kippstufe aufladbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Konstantstromgenerator mit einer Brücke aus drei MOS-Transistoren,
Fig. 2 eine Anwendung des in der Fig. 1 dargestellten Konstantstromgenerators zur Herstellung einer monostabilen Kippstufe, deren Dauer unabhängig von Streuungen der Schwellenspannung der Transistoren des Konstantstromgenerators ist, und
Fig. 3 Spannungen, die an vier verschiedenen Punkten der in der Fig. 2 dargestellten monostabilen Kippstufe auftreten.
Obwohl sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Verringerung der Streuung eines beliebigen Betriebsparameters einer integrierten Schaltung und dgl. bezieht, wobei der Betriebsparameter der Transistoren beliebig ist, dessen Streuung die Ursache eines zu beseitigenden Fehlers ist, wird im folgenden ein Generator eines Stromes erläutert, dessen Stärke trotz der Streuung konstant ist, die. die Schwellenspannung der verwendeten Transistoren beeinflußt.
Der im Kanal eines MOS-Transistors fließende Strom I hat im Sättigungsbereich des Stromes folgenden Wert;
Sö-9831 /
1 - /» cox T Ϊ (VGS - V2
^u = Ladungsträgerbeweglichkeit im Kanal,
Ox = spezifische Kapazität des Gatters,
Z = Kanalbreite,
L = Kanallänge,
V = Spannung am Gatter im Verhältnis zur Quelle, und
V = Schwellenspannung.
Ein MOS-Transistor, an dessen Gatter eine Spannung V liegt,
GS
verhält sich wie ein Generator eines Stromes der Stärke I. Wenn V durch eine Streuung AV beeinflußt wird, folgt daraus eine Streuung von I. Wenn die Spannung V aus einer Schaltung mit MOS-Transi-
Gb
stören erhalten wird, die ebenfalls einer Streuung der Schwellenspannung unterworfen sind, so liegt eine Streuung AV der Spannung V^_
Gb Gb
vor. Erfindungsgemäß wird die Streuung AV _ zur Kompensation der
Gb
Streuung von V ausgenutzt. Hierzu folgt aus der Gleichung
GS
hieraus folgt wiederum:
AV
— = 1 (2)
Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung, die ein besonderes Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konstantstromgenerators ist, erfüllt diese Beziehung.
509831/Ö8OS
Es soll darauf hingewiesen werden, daß diese Beziehung auf einen im linearen Bereich arbeitenden MOS-Transistor in gleicher Weise anwendbar ist, wobei das Ausgangssignal in diesem Fall von V- V
GS S
abhängt: Erfindungsgemäß kann in einen MOS-Transistor-Verstärker dessen Eingangssignal über eine MOS-Transistor-Schaltung eingespeist werden, die der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung gleicht.
Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung hat einen Transistor K, dessen Quelle mit Erde und dessen Senke mit einer Klemme 10 verbunden sind. Am Gatter des Transistors K liegt eine Spannung V in
bezug auf Erde. Diese Spannung V„_, wird von einer Schaltung erzeugt,
Gb
die eine Konstantspannungsquelle 12 für eine Spannung -V und drei
MOS-Transistoren T , T , T jeweils im Sättigungsbereich des Stromes aufweist, deren Kanäle in Reihe liegen und deren Gatter mit der Senke verbunden sind. Die Spannung V„„ wird in der Fig. 1 zwischen
Gb
den beiden Transistoren T und T abgegriffen.
J. £i
Mittels der oben angegebenen Gleichung (1) kann leicht die zwischen den Transistoren T und T abgegriffene Spannung V abhängig
1 ^ Gb
von den Betriebsparametern Ai, C , Z, L, V der drei Transistoren ermittelt werden. Anschließend kann die Streuung AV _ von V er-
Gb Gb
mittelt werden, die auf der Streuung A.V der Schwellenspannung V
b b
beruht. Wenn mit ϋ- , Ϋ~ , ^ die Verhältnisse der Kanalbreite zur Kanallänge der Transistoren T , Ί ; T bezeichnet werden, so ergibt sich die folgende Beziehung:
AV,
GS
AVs fäTh7 + ihh +
509331/0808
Diese Gleichung ergibt eine besondere Funktion f( V^ , * , χΟ' die die Streuungen AV und AV verknüpft. Erfindungsgemäß wer-
Gb b -
den die Streuungen von V kompensiert, indem entsprechend der Gleichung (2) der Funktion f ( ^ , ^ , β ) der Wert 1 gegeben wird. Für die Verhältnisse ft , /f , J- ergibt sich dann die folgende Beziehung:
Als Spezialfall können für die Transistoren T und T Transistoren gleicher Geometrie verwendet werden, was zu ^ = ^f = ύ führt. Die Beziehung, die die Verhältnisse ^ und 0 verknüpft, wird dann zu;
t- I6 JT1 (5)
Wenn die am Gatter des Transistors K liegende Spannung V so-
dann mit der gleichen Streuung wie die Spannung V beeinflußt wird, so folgt aus der Gleichung (2), daß der an der Klemme 10 der Schaltung verfügbare Strom I unabhängig von A V ist % Die
stellte Schaltung ist ein Konstantstromgenerator.
verfügbare Strom I unabhängig von A V ist % Die in der Fig. 1 darge-
Die Anzahl der Transistoren der Brücke, die die Quelle 12 mit
Erde verbinden, kann erhöht werden. Weiterhin kann die Spannung V
' GS
zwischen den Transistoren T und T abgegriffen werden.
Schließlich können die Verhältnisse durch die entsprechende geeignete Gleichung verknüpft werden.
5O9831/ÖSO8
Entsprechend dem weiter unten erläuterten Verfahren kann auf gleiche Weise, indem immer die Breite und die Länge des Kanals der Transistoren der Brücke berücksichtigt werden, eine Unabhängigkeit von Streuungen erzielt werden, die andere Betriebsparameter' als die Schwellenspannung der Transistoren beeinflussen, z. B. die Abmessungen des Kanals des MOS-Transistors. In diesem letzten Fall, in dem die Geometriefaktoren $ bestimmt sind, können tatsächlich die Werte der Breite Z oder der Länge L des Kanals beeinflußt werden, um die Wirkung der Streuungen möglichst klein zu machen, die die Abmessungen des Kanals beeinflussen.
Der in der Fig. 1 dargestellte Konstantstromgenerator kann bei zahlreichen Schaltungen mit MOS-Transistoren verwendet werden. Als Beispiel wird anhand der Fig. 2 die Verwendung dieses Generators zur Herstellung einer monostabilen Kippstufe erläutert, bei der die Dauer des astabilen Zustandes unabhängig von Streuungen der Schwellenspannung der den Stromgenerator bildenden MOS-Transistoren ist .
In der Fig. 2 umfaßt die monostabile Kippstufe (Monoflop) den Konstantstromgenerator 20 der Fig. 1, dessen Klemme 10 mit einem Kondensator C mit zwei Belegungen C+ und C- verbunden ist. Die Belegung C- ist mit dem Ausgang D der monostabilen Kippstufe verbunden. Am Eingang E der monostabilen Kippstufe befinden sich zwei Transistoren Q und Q , die parallel geschaltet sind. Der Transistor Q empfängt an seinem Gatter die Spannung des Punktes B, die vorher durch einen Verstärker 22 aus zwei Invertergliedern verstärkt wurde, deren jedes zwei MOS-Transistoren hat. Ein MOS-Transistor Q ist zwischen dem Ausgang D und Erde vorgesehen und wird an seinem
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Gatter mit der an einem Punkt A auftretenden Spannung beaufschlagt, wobei der Punkt A ein anderer möglicher Ausgang der monostabilen Kippstufe ist. Transistoren Q und Q sind mit der Stromversorgungseinheit oder dem Netz verbundene Lasttransistoren.
Der Betrieb dieser Schaltung wird anhand der in der Fig. 3 dargestellten Diagramme erläutert, die die Spannungsverläufe Vl11 V , V , V darstellen, die jeweils am Eingang E, am Ausgang A, am Ausgang D und am Punkt B auftreten. Ohne Impuls am Eingang E sind die Transistoren Q und Q gesperrt, der Transistor Q leitet, die Spannung am Punkt D ist niedrig und die Kapazität C ist entladen. Ein am Eingang E liegender negativer Impuls macht den Transistor Q leitend, V. verläuft sodann auf dem niedrigen Pegel, und der Transistor Q ist gesperrt. Die Spannung V verläuft also auf dem hohen Pegel, der im wesentlichen gleich ist zu -HT + V . Die Spannung V steigt auf den hohen Pegel an, und diese Spannung wird durch den Verstärker 22 verstärkt, der durch zwei Inverterglieder gebildet ist. Der Transistor Q wird leitend und bewirkt, daß die Spannung V selbst nach dem Verschwinden des am Eingang E liegenden Steuerimpulses auf dem niedrigen Pegel bleibt. Die Kapazität C lädt sich über den Konstantstromgenerator 20 mit einem Konstantstrom auf. Das Potential V fällt also linear gegen Null ab. Sobald die Spannung V die Schwellenspannung V erreicht, sperrt der Transistor Q , die Spannung V nimmt wieder den Wert -HT an, der Transistor Q leitet, und die Spannung V nimmt wieder den Wert Null an. Die plötzliche Änderung des Potentials der Belegung C- wird auf die Belegung C+ übertragen, und das Potential von V wird während einer kurzen Zeitdauer positiv, so daß sich die Kapazität C einerseits über die durch die Dif-
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fusion der Senke des Transistors K des Stromgenerators 20 gebildete Diode, die jetzt in Durchlaßrichtung gepolt ist, und andererseits über den Kanal des gleichen Transistors K entladen kann. Die Entladung des Kondensators C erfolgt also sehr schnell, und die Erholungszeit der monostabilen Kippstufe ist klein.
Die Einstellung der Zeitdauer T der monostabilen Kippstufe erfolgt durch Einstellung des Abfalls der Ladung der Kapazität D, d. h.
des Abfalls der linearen Änderung von V , was praktisch durch Eines
stellung der Spannung V der Spannungsquelle 12 des Spannungsgene-
rators der Fig. 1 erfolgen kann.
Der Verstärker 22 ist so optimiert, daß er einen bedeutenden Schleifen-Verstärkungsfaktor und einen konstanten Pegel bei ruhender Gatterspannung des Transistors Q in der Nähe der Schwellenspannung hat, was eine kurze Anstiegszeit am Ausgang der monostabilen Kippstufe bewirkt.
Die Kapazität C kann integriert sein und einen Wert von z.B. 1 pF haben.
Bei der in der Fig. 2 dargestellten monostabilen Kippstufe kann der Stromgenerator 20 gegenüber Streuungen der Spannung V der
Transistoren T , T , T und K kompensiert sein. Daraus folgt eine erste Verringerung der Streuung während der Dauer T der monostabilen Kippstufe. Wenn jedoch diese Streuung vollständig kompensiert werden soll, müssen die Streuungen, die die Transistoren Q und Q
ο ο
beeinflussen, die den Ausgangs inverter der Schaltung bilden, sowie
509831/0808
der Transistoren beachtet werden, die den Verstärker 22 bilden. Mittels der obigen Erläuterungen kann die Beziehung bestimmt werden, die die Dauer T des astabilen Zustandes mit den verschiedenen Schwellenspannungen der Transistoren verknüpft, was eine einfache Rechnung ist. Anschließend kann daraus die Streuung AT abhängig von der Streuung V ermittelt werden, was eine Funktion f (β , % , ... Jf ) der Verhältnisse $ der verwendeten Transistoren fest-
C* XX
legt. Die Transistoren werden dann so aufgebaut, daß diese Funktion den Wert annimmt, der die Streuung von T möglichst klein macht.
Es ist so möglich, über die Änderung der Ausgangsspannung der Teilerbrücke entsprechend der Erfindung (Spannung V_ der Fig. l) eine Beziehung zu" erhalten, die eine gewünschte lineare Funktion der Schwellenspannung V ist, und zwar z.B. eine derartige Funktion, daß sie das zusammengefaßte Ergebnis der Streuungen der Schwellenspannung für zahlreiche MOS-Transistoren kompensiert, die in der gleichen Schaltung angeordnet sind.
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Claims (7)

Patentansprüche
1.)Verfahren zur Erzeugung einer Spannung, die in gewünschter Weise mit der Schwellenspannung in einer MOS-Transistoren-Schaltung variiert, dadurch gekennzeichnet, daß auf die verschiedenen Verhältnisse der Breite zur Länge des Kanals der verschiedenen verwendeten MOS-Transistoren eingewirkt wird, um die Beziehung zwischen den Verhältnissen zu erfüllen, die der zu erzeugenden Spannung die gewünschte Variation verleiht.
2. Verfahren zur Verringerung der Streuung eines Betriebsparameters einer integrierten Schaltung mit insbesondere mehreren MOS-Transistoren, wobei diese Streuung dadurch bedingt ist, daß die elektrischen Betriebsparameter der MOS-Transistoren selbst einer baulichen Streuung unterliegen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die verschiedenen Verhältnisse der Breite zur Länge des Kanals der verwendeten verschiedenen MOS-Transistoren eingewirkt wird, damit die Beziehung zwischen den Verhältnissen so erfüllt wird, daß die Schaltungsstreuung minimal wird.
3. Integrierte MOS-Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehrere MOS-Transistoren (T , T , T), deren Verhältnisse von Breite zu Länge des Kanals durch eine Beziehung verknüpft sind, die die Streuung eines Betriebsparameters der integrierten Schaltung minimal im Verhältnis zu derjenigen Streuung macht, der einer der Betriebsparameter dieser Transistoren unterliegt.
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4. Konstantstromgenerator mit einer integrierten MOS-Schaltung nach Anspruch 3, mit einem MOS-Transistor und mit einer Quelle einer Spannung V , die zwischen dem Gatter und dem Substrat des Gb
MOS-Transistors angelegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Quelle der Spannung V0 eine Quelle fester Spannung aufweist, die mit dem Substrat des MOS-Transistors (K) über eine Brücke von η MOS-Transistoren T , T , T) mit Strom Sättigungsbetrieb verbunden ist, wobei η > 2 ist, deren Kanäle in Reihe liegen und deren Gatter mit der Senke verbunden sind, wobei die Verhältnisse der Breite zur Länge des Kanals der MOS-Transistoren (T , T. , -.., T ) £ , χ , / ,
..., f betragen, und daß die Spannung V _ zwischen zwei beliebigen 0 η üb
MOS-Transistoren der Brücke abgenommen wird, wobei die Schwellenspannung V der Transistoren eine Streuung AV zeigt, die eine Streu-
O O "
ung AV c bewirkt, die ihrerseits proportional der abgenommenen
Gb
Spannung V ist, wobei der Proportionalitätskoeffizient zwischen A V„
Gb Gb
und AV eine Funktion f ( ft , Y<o, —, $ ) der Verhältnisse ^1, ^0, ..., J ist, und wobei diese Verhältnisse ^ , $ , ··.·? § der MOS-Transistoren (T , T1 T) der Brücke so gewählt sind, daß f( f , ^ , ..., Ifn) = 1 gilt.
5. Konstantstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke drei MOS-Transistoren (T , T , T„) mit dem Verhältnis $ , ^ , jj hat, daß die Spannung V zwischen dem ersten und zweiten Transistor (T , T) der Brücke abgenommen wird, und daß die drei Verhältnisse folgendermaßen verknüpft sind:
509831/0808
6. Konstantstromgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Transistor (T , T) der Brücke dasselbe Verhältnis £=£'=$ haben, und daß / = 16 y gilt.
7. Monostabile Kippstufe (Monoflop) mit konstanter Dauer des instabilen Zustande, mit einem Konstantstromgenerator nach einem der Ansprüche 4-6 und mit einer herkömmlichen Schaltung aus MOS-Transistoren, die einem Kondensator zugeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (C) durch den Konstantstromgenerator (20) während des instabilen Zustands der monostabi len Kippstufe aufladbar ist.
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