DE2539911C3

DE2539911C3 - Schwellwertschalter in integrierter MOS-Technik

Info

Publication number: DE2539911C3
Application number: DE19752539911
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Kessler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-08
Filing date: 1975-09-08
Publication date: 1982-06-03
Also published as: DE2539911A1; DE2539911B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwellwertschalter in integrierter MOS-Technik mit einer Eingangs-lnverterstufe, die einen durch ein Eingangssignal angesteuerten MOS-Transistor und einen als Widerstand geschalteten MOS-Transistor in dessen Lastzweig aufweist, und mil einer an die Eingangs-lnverterstufe angekoppelten Kippstufe mil zwei wechselseilig krcuzgekoppelten MOS-Transisioren.

Inverterstufcn nach Art der in vorstehend genanntem Schwellwertschalter verwendeten Eingangs-lnverterstufe stellen in der integrierton MOS-Technik bekannte Standard-Schaltungskomponcnten dar. Derartige Inverterstufen sind beispielsweise aus »Elektronik« 1971, Heft 4, Seiten 111 bis 116, insbesondere Seite 113, bekannt.

Es sind weiterhin beispielsweise aus der DE-AS 20 12 712 Kippschaltungen bekanntgeworden, welche aus zwei Inverterstufen der vorstehend genannten Art zusammengesetzt sind, wobei derartige Kippstufen kreuzgekoppelte MOS-Schalttransistoren enthalten. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß jeweils das Gate des Schalttransistors der einen Inverterstufe mit dem Verbindungspunkt zwischen Schalttransistor und Lasttransistor in der anderen Inverterstufe gekoppelt ist.

Bezieht man den Umschaltvorgang auf Bezugspotential, wie dies üblicherweise und auch beim Gegenstand der DE-AS 20 12 712 der Fall ist, d.h., liegen die Lasttransistoren an Betriebsspannung und die Schalttransistoren an Bezugsspannung, so muß durch eine Steuerspannung an den Gates der Schalttransistor zunächst immer die Schwellspannung dieser Steuertransistoren überwinden, um eine Kippvorgang einzuleiten. Damit hängen dann die Umschaltschwellen der Kippschaltungen von den Schwellspannungen der Schalttransistoren ab, d. h., die Kippvorgänge verlaufen nach bestimmten Übergangsfunktionen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwellwertschalter in MOS-Technik anzugeben, bei dem die Umschaltschwelle weitgehend unabhängig vom Wert der Schwellspannung der Schalttransistoren ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Schwellwertschalter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine Ankopplung der Kippstufe über einen als Widerstand geschalteten MOS-Transistors an die Eingangs-lnverterstufe und einen als Widerstand geschalteten MOS-Transistor als Last lediglich im Ausgangskreis der Kippstufe gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Bei dem in der Figur dargestellten Schwellwertschalter wird eine Eingangs-lnverterstufe durch einen Eingangs-MOS-Transistor My und einem in dessen Lastzweig liegenden, als Widerstand geschalteten MOS-Transistor M2 gebildet. Das Gate des Eingangs-MOS-Transistors My liegt an einem Eingang E des Schwellwertschalters.

Zwei weitere MOS-Transistoren Ma und Mi mit einem als Widerstand geschalteten MOS-Transistor Mb im Lastzug des MOS-Transistors M5 bilden eine Kippstufe, wobei die Gates der MOS-Transistoren M₄ und Ms jeweils an der Source-Drain-Strecke des anderen Transistors liegen. Der Ausgangskreis dieser Kippstufe ist an einen Ausgang A des Schwellwertschalters angekoppelt.

Die vorstehend genannte Kippstufe ist über einen als Widerstand geschalteten MOS-Transistors Mz an die Eingangs-lnverterstufe angekoppelt.

An Klemmen 1 und 2 wird der Schwellwertschalter mit Spannung versorgt: speziell liegt d^;e Klemme 2 auf Bezugi-potential (Erde), während die Klemme 1 an einer negativen Versorgungsspannung - VOoliegt.

Die Wirkungsweise dieses Schwellwertschalter ist

JO die folgende: Liegt am Eingang E kein Signal, so ist der Eingangs-MOS-Transistor Mi gesperrt, d. h. über die Eingangs-lnverterstufe M], M2 fließt kein Strom. Daher liegt der mit 3 bezeichnete Verbindungspunkt der Transistoren M\ und Mi und damit auch der Verbindungspunkt der Transistoren Mi und Ma auf der Spannung - K_n/> Auf Grund dessen erhält das Gate des Transistors Λ/5 eine über dessen .Schwellenspannung liegende .Steuerspannung, so daß dieser Transistor leitet; der Ausgang A liegt damit praktisch auf Erdputential. Auf Grund dessen erhält das Gate des Transistors Mt keine Steuerspannung, so daß dieser Transistor gesperrt ist.

Wird nun an den Eingang E ein ansteigendes Signal angelegt, so beginnt der Eingangs-Transistor M] zu leiten, so daß sich das Potential des Punktes 3 und damit des Punktes 4 gegen Erdpolcntial ändert. Auf Grund dieser Potentialänderung am Punkt 4 leitet der Transistor M·, zunehmend weniger, so daß das Potential am Ausgang A gegen das Potential - Vου verschoben wird. Überschreitet diese Potentialänderung am Ausgang A die Schwellenspannung des Transistors Ma, so beginnt dieser zu leiten, während der Transistor M5 gesperrt ist. Der Schwellwertschalter kippt dabei von einem Zustand mit einem Signal 0 in einen Zustand mit einem von 0 verschiedenen Signal am Ausgang A. Sinkt das Signal am Eingang E wieder ab, so leitet der Eingangs-Transistor M] zunehmend weniger, so daß sich das Potential am Punkt 3 und damit auch am Punkt 4 wieder gegen das Potential - VOd verschiebt. Wird am Punkt 4 die Schwellenspannung des Transistors M5 erreicht, so kippt der Schwellwertschalter in seinen ursprünglichen Zustand zurück, d. h. das Signal am Ausgang A nimmt wieder den Wert 0 an.

Durch die Transistoren M2 und Mf, im Lastkreis der Eingangs-lnverterstufe bzw. im Ausgangskreis der Kippstufe ist nun die Umschaltschwelle des Schwellwertschalters weitgehend unabhängig von den Schwellenspannungen der Kipptransistoren M₄ und M%. Zur

Erläuterung dieses Sachverhalts seien wiederum die beiden Umschaltpunkte betrachtet.

Wenn der Transistor Ms leitet, d. h. wenn der Schwellwertschalter an seinem Ausgang A kein Signal abgibt, so ist die Steuerspannung am Gate dieses Transistors immer um den Spannungsabfall am Transistor M₂ verringert. Das bedeutet, daß das Potential am Ausgang A nicht vollständig auf Bezugspotential (Erdpotential) absinkt, so daß am Ausgang A immer noch ein bestimmtes negatives Potential steht. Aus diesem Grunde ist am Punkt A ein geringerer Spannungshub erforderlich, um am Gate des Transistors Mi dessen Schwe-Menspannung zu erreichen.

Im anderen Schaltzustand bei leitendem Transistor VZ₄ ist an dessen Gate die Steuerspannung immer um den Spannungsabfall am Transistor Mt verringert. Damit besitzt der Punkt 4 immer noch ein gewisses negatives Potential, so daß auch an diesem Punkt ein geringerer Spannungshub erforderlich ist, um die Schwellenspanpung des Transistors M5 zu erreichen.

Die Schaltung kann so dimensioniert werden, daß die Umschaltschwelle entweder in einer Umschalirichtung oder in beiden Umschaltrichtungen von den Schwellenspannungen der Kipptransisioren unabhängig ist. Im folgenden werden Dimensionierungsbeispiele für diese Fälle angegeben. Die angegebenen Werte sind dabei jeweils das Verhältnis von Kanalbreite W zu Kanallänge L

M_x

M₂ M₃ M₄ Ms M_b

Beispiel 1

W/L = 1,5
W/L = 0,5
W/L = 0,084
W/L = 0,12
W/L = 3
W/L = 0,06

Für diese Dimensionierung liegt die Umschaltschwelle für die Umschaltung von tiefliegendem zu hochliegendem Ausgang A zwischen —8,45 und —8,55 V für den gesamten Bereich der Schwellenspannung der Standard-Hochvolttechnik von —2,5 bis —4 V.

Beispiel 2

M_x : W/L = 2,5
M₂ : W/L = /,5
M] — Mb wie in Beispiel 1
20

Für diese Dimensioiierung liegt die Umschaltscnwel-Ie für die umschaltung von hochliegendem zu tiefliegendem Ausgang zwischen —6,95 und —7,05 V.

Ist für beide Umschalirichtungen eine minimale Abhängigkeit von der Schwellenspannung erforderlich, so kann eine Dimensionierung erfolgen, bei der die Abhängigkeit für beide Uimchaltschwellwerte unter 0,5 V liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schwellwertschalter in integrierter MOS-Technik mit einer Eingangs-Inverterstufe, die einen durch ein Eingangssignal angesteuerten MOS-Transistor und einen als Widerstand geschalteten MOS-Transistor in dessen Lastzweig aufweist, und mit einer an die Eingangs-lnverterstufe angekoppelten Kippstufe mit zwei wechselseitig kreuzgekoppelten MOS-Transistoren, gekennzeichnet durch eine Ankopplung der Kippstufe (M₄, M5, 'A) über einen als Widerstand geschalteten MOS-Transistor (Mi) an die Eingangs-lnverterstufe (My, M2) und einen als Widerstand geschalteten MOS-Transistor (M_b) als Last lediglich im Ausgangskreis der Kippstufe (Ma, Mi, M₀).