DE2605977A1

DE2605977A1 - Verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2605977A1
Application number: DE19762605977
Authority: DE
Inventors: Cornelis Willem Lambrechtse; Roelof Herman Willem Salters
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-02-28
Filing date: 1976-02-14
Publication date: 1976-09-09
Also published as: JPS51110230A; GB1481289A; IT1057625B; NL7502375A; FR2302625A1; US4039860A; CA1083234A

Description

PHN.7916. DIETETl PODDIG Va/EVH.

Paleutasänssur ____.·. ¹^

2605977 28.1.1976

Anmelder: H ν. Fhi':--¹ C-';3^ir:mpenfabfiek3n

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"Verstärkerschaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung zum Verstärken kleiner Signale von einer kapazitiven Quelle, z.B. einer Speicherzelle eines in Form einer Matrix ausgeführten dynamischen MOS-Speichers, die zwischen einem Eingang und einem Ausgang wenigstens einen ersten invertierenden Verstärker, der mit Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate ausgeführt ist, weiter eine erste Schalteinheit, die den Eingang des ersten invertierenden Verstärkers mit dessen Ausgang verbindet, sowie einen Signalwiederherstellungkreis enthält wobei die Detektion des Signals nach einem Zyklus aufeinanderfolgender Phasen stattfindet, bestehend aus einer

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ersten Phase, während der über die erste Schalteinheit eine Gegenkopplung der Verstärkerschaltung hergestellt wird, die am Ende der ersten Phase wieder abgeschaltet wird, um einer zweiten Phase, während der das zu detektierende Signal dem Eingang des ersten invertierenden Verstärkers zugeführt wird.

Eine derartige Verstärkerschaltung ist aus der Zeitschrift "I.E.E.E. International Solid State Circuits Conference", Februar 1973, S. 26 - 28 bekannt und wird zum Auslesen eines Speichers oder zum Einschreiben in einen Speicher verwendet, der aus in Form einer Matrix angeordneten Speicherzellen besteht. Eine derartige
Speicherzelle kann, wie im genannten Aufsatz angegeben ist, z.B. aus .einem Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode, mit dessen Hilfe die Selektion der
Speicherzelle stattfindet, und aus einer. Kapazität bestehen, in der die Information gespeichert wird. Die
beiden möglichen digitalen Werte,-die in einer derartigen Speicherzelle gespeichert sein können, unterscheiden sich durch eine verschiedene Ladungsspeicherung in der genannten Kapazität,

Wenn die Ladung einer Speicherzelle ausgelesen werden soll, muss ein Leseverstärker verwendet werden, der über einen Leseleiter den Unterschied der Ladungsspeicherungen in den beiden Lagen detektieren kann.

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Es stellt sich, heraus, dass dazu nicht ohne weiteres ein mit Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate ausgeführter Verstärker verwendet werden kann, weil diese Transistoren eine Schwellwert spannung aufweisen, die viel grosser als der endgültige am Leseleiter auftretende Spannungshub ist, der wegen der verhältnismässig grossen Kapazität des Leseleiters nur ein Bruchteil der Spannung an der Speicherzelle ist, während weiter in der Grosse der Schwellwertspannung noch eine erhebliche Streuung auftritt.

Eine Verstärkerschaltung der eingangs erwähnten Art schafft eine Lösung für dieses Problem, indem vor der Selektion der Speicherzelle der Leseleiter auf eine Bezugsspannung aufgeladen bzw. entladen wird.

Bei der aus der genannten Zeitschrift bekannten Verstärkerschaltung geht der Auslesevorgang nach einem Zyklus mit drei auf edLnand erfolgend en. Phasen vor sich. Während der ersten Phase des Zyklus, während der noch kein Eingangssignal vorhanden ist, ist die erste Schalteinheit leitend. Da bei dieser bekannten Verstärkerschaltung zwei identische, invertierende Verstärker zwischen dem Eingang und dem Ausgang aufgenommen sind, liegen dadurch am Ende dieser Phase die Ein- und Ausgänge der beiden invertierenden Verstärker an derselben Spannung, und zwar der Bezugsspannung, die ebenfalls am Leseleiter vorhanden ist und im linearen Bereich der invertierenden

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Verstärker liegt. Am Ende der ersten Phase wird die erste Sehalteinheit nichtleitende Dadurch, dass Peldeffeki-* transistoren mit isolierter Gate-Elektrode verwendet werden, so dass die Verstärker einen kapazitiven Eingang aufweisen, bleiben die in der Schaltung vorhandenen Spannungen erhaltenο Während der zweiten Phase des Zyklus wird das Eingangssignal dem Eingang des ersten invertierenden Ver-= stärkers zugeführt₉ wodurch ein Ladungsaustausch zwischen der auf die Bezugsspannung gebrachten Eingangskapazität (die zugleich die Kapazität des Leseleiters enthält) und der Speicherkapazität stattfindet _β Dadurch xirird_s in Abhängigkeit von dem Zustand der Speicherzelle, die Eingangsspannung etwas zu- oder abnehmen. Diese Aenderung der Eingangsspannung erscheint in verstärkter Form am Ausgang des zweiten invertierenden Verstärkers. Die Spannungsänderung am Ausgang ist dabei zu gering, um als logisches Signal dienen zu können und die Ladung der Speicherkapazität wiederherstellen zu können. Daher wird in einer dritten Phase mittels einer Schalteinheit der Ausgasig des zweiten invertierenden Verstärkers mit dem Eingang des erstes invertierenden Verstärkers verbunden. Dadurch wird eisie positive Rückkopplung erhalten,? die die Verstärkerschaltung unstabil macht₀ Je nach der Polarität der Aendesraig der Aus gangs spannung wird der Verstärker zn einer der beiden Seiten ausgesteuert₉

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wodurch am Ausgang ein logisches Signal mit genügend grosser Amplitude auftritt. Da die Signalverarbeitung in dem Verstärker wegen der kapazitiven Wirkung mit einem gewissen Zeitverlust einhergeht, kann die dritte Phase nicht zugleich mit der zweiten Phase angefangen werden. Am Anfang der zweiten Phase ist das verstärkte Eingangssignal nicht oder nahezu nicht am Ausgang vorhanden, so dass infolge Störungen und anderer Effekte die positive Rückkopplung den Verstärker in einen fehlerhaften logischen Zustand versetzen könnte. Dies bedeutet, dass das logische Signal erst nach drei aufeinanderfolgenden Phasensignalen am Ausgang verfügbar ist, was eine unerwünschte Zeitverzögerung mit sich "Dringt.

Ein anderes, sich beim Auslesen kapazitiver Speicherzellen ergebendes Problem ist der genannte Ladungsaustausch während des Auslesens der Speicherzelle. Dies hat zur Folge, dass nach wiederholtem Auslesen einer "leeren" Speicherzelle die Zelle auf die Bezugsspannung aufgeladen wird, und dass nach wiederholtem Auslesen einer "vollen" Zelle diese auf die Bezugsspannung entladen wird, wobei die Entladung infolge des Leckes noch hinzu kommt. Wenn die Eingangsspannung nahezu gleich der Bezugsspannung ist, wird nahezu keine Spannungsänderung am Ausgang der Verstärkerschaltung während der zweiten Phase auftreten. Die positive Rückkopplung während der

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dritten Phase versetzt die Verstärkerschaltung in einen labilen Zustand und führt ein logisches Ausgangssignal herbei, dessen Polarität unvorhersagbar ist. Um diese Fehler zu vermeiden, soll nach jeder Ausleseperiode der Ladungsinhalt der Speicherzelle wiederhergestellt werden. Bei dem bekannten Verstärker erfolgt dies über die positive Rückkopplung in der dritten Phase, weil während der "dritten Phase am Eingang der Verstärkerschaltung ja die gleiche Spannung wie am Ausgang vorhanden ist. Ist die Speicherzelle während der dritten Phase noch mit dem Eingang der Verstärkerschaltung verbunden, so wird der Ladungsinhalt der Zelle wiederhergestellt.

Im bekannten Verstärker ist das Problem der Ladungswiederhersteilung gelöst, aber dabei ergibt sich der Nachteil, dass das logische Signal erst nach drei Phasensignalen verfügbar ist. Die Erfindung bezweckt eine Verstärkerschaltung mit einem Ladungswiederherstellungskreis zu schaffen, bei der das logische Signal bereits nach zwei Phasensignalen verfügbar ist. Die Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass der Signalwiederher— stellungskreis eine zweite Schalt einheit zwischen dem Eingang des ersten invertierenden Verstärkers und einem ersten Punkt auf konstanter Spannung enthält, die von der Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung gesteuert wird und eine Schwellwertspannung aufweist, so dass die

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zweite Schalteinheit bei einer Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung auf einer Seite dieser Schwel!wertspannung nichtleitend und bei einer Ausgangsspannung auf der anderen Seite dieser Schwellwertspannung leitend ist, wobei die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung während der ersten Phase auf der einen Seite dieser Schwellwertspannung liegt·

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass, indem die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung wShrend der ersten Phase auf der einen Seite der Schwellwertspannung der zweiten Schalteinheit liegt, wodurch diese Schalteimheit nichtleitend ist, es möglich geworden ist, den logischen Zustand des Ausgangssignals in bezug auf eine Spannung zu definieren, die nicht die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung ist, die zu einer Eingangsspannung gleich der Referenzspannung gehört. Dadurch ist der logische Zustand des Ausgangssignal der Verstärkerschaltung für Eingangssignale mit einer Spannung nahezu gleich der Referenzspannung nicht gewiss, wodurch die dritte Phase überflüssig wird, weil, solange das verstärkte Eingangssignal noch nicht am Ausgang erschienen ist, der logische Zustand des Ausgangs nicht ungewiss ist. Der logische Zustand des Ausgangssignals kann als ein erster logischer Zustand für Ausgangssignale, für die die zweite Schalteinheit nichtIsitend ist₉ und als ein

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zweiter logischer Zustand für Ausgaiigssignale, für die die zweite Sch.alteinh.eit leitend ist, definiert werden.

Die Tatsache, dass die Verstärkerschaltung für Ausgangssignale im ersten logischen Zustand über den Signalwiederherstellungskreis nicht- positiv rückgekoppelt wird, wodurch das Ausgangssignal nicht zusätzlich verstärkt wird, ist keineswegs nachteilig für die weitere Verarbeitung des Signals, weil die Eingangsstüfe einer weiteren Schaltung durch eine gleiche Schalteinheit wie die zweite Schalteinheit gebildet werden kann und diese Schalteinheit für Signale im ersten logischen Zustand nichtleitend bleibt.

Ebenso ist es keineswegs nachteilig, dass keine Ladungswiederherstellung für Signale im ersten logischen Zustand stattfindet. Denn Eingangssignale mit einer Spannung gleich der Referenzspannung führen am Ausgang immer den ersten logischen Zustand herbei, wodurch es unbedenklich ist, dass Eingangssigiiale, die Ausgangssignalen im ersten logischen Zustand entsprechen, durch Aufladung bzw. Entladung der Speicherkapazität der Referenzspannung gleich werden.

Für Ausgangssignale im zweiten logischen Zustand findet eine Signalwiederherstellung dadurch statt, dass über den Signalwiederherstellungskreis die Eingangskapazität aufgeladen bzw. entladen wird. Dadurch wird zugleich die

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positive Rückkopplung der Verstärkerschaltung für Signale im zweiten logischen Zustand erreicht, weil demzufolge ebenfalls das Ausgangssignal im zweiten lpgischen Zustand zusätzlich verstärkt wird, was vorteilhaft ist, weil dadurch die Schalteinheit am Eingang der genannten weiteren Schaltung für die Verarbeitung der Ausgangssignale besser in den leitenden Zustand geraten kann.

Bei einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung wobei die Verstärkerschaltung zwischen dem Eingang und dem Ausgang die Reihenschaltung des ersten und eines zweiten invertierenden Verstärkers enthält,-. ist es vorteilhaft, dass die Verstärkerschaltung weiter eine dritte Schalteinheit enthält, die in einen Kreis zwischen dem Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers und einem zweiten Punkt konstanter Spannung aufgenommen ist, und diese dritte Schalteinheit ebenfalls von der Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers gesteuert wird und eine Schwellwertspannung aufweist, so dass die dritte Schalteinheit bei einer Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers auf der einen Seite dieser Schwellwertspannung nichtleitend und bei einer Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers auf der anderen Seite dieser Schwellwertspannung leitend ist, wobei während der ersten Phase die Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers auf der einen Seite

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dieser. SchweInvertspannung liegt.

Dies hat den Vorteil, dass der zweite invertierende Verstärker an sich für die Ausgangssignale im zweiten logischen Zustand angesteuert wird, wodurch das zugehörige Ausgangssignal zusatzlich verstärkt- wird. Diese Aussteuerung ist schneller als die positive Rückkopplung über den Signalwiederherstellungskreis, weil bei dieser positiven Rückkopplung eine nicht unwesentliche Eingangskapazität aufgeladen werden muss.

Dabei sei bemerkt, dass die Schwellwertspannung der dritten Schalteinheit nicht gleich der Schwellwertspannung der zweiten Schalteinheit zu sein braucht. Es ist erforderlich, dass beide Sehalteinheiten für Ausgangs-. signale, die zu EingangsSignalen gleich der Referenzspannung gehören, nichtleitend sind. Der erste logische Zustand ist dann stets definiert. Bei Ausgangssignalen im zweiten logischen Zustand werden beide Sehalteinheiten leitend, weil durch die Aussteuerung des Verstärkers das Ausgangssignal genügend gross wird. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Schwellwertspannung der dritten Schalteinheit zwischen der Schwellwertspannung der zweiten Schalteinheit und der Ausgangs spannung der Verstärkerschaltung liegt, die zu dem Eingangssignal gleich der Referenzspannung gehört. Diese dritte Schalteinheit wird dann eher als die zweite Schalteinheit leitend, was

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vorteilhaft ist, weil die Aussteuerung des zweiten invertierenden Verstärkers schneller als die Aussteuerung der Verstärkerschaltung über den Ladungswiederherstellungskreis erfolgt, der mittels der zweiten Schalteinheit erregt wird .

Bei einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung, die die obengenannte dritte Schalteinheit enthält, ist es vorteilhaft, dass die Verstärkerschaltung Mittel zur Unterbrechung des Kreises zwischen dem Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers Und dem zweiten Punkt konstanter Spannung während der ersten Phase enthält.

Denn während der ersten Phase verbindet die erste Schalteinheit den Ein- und Ausgang des ersten invertierenden Verstärkers miteinander. Andererseits wird, wenn in einem vorhergehenden Zyklus der zweite logische Zustand ausgelesen ist, die dritte Schalteinheit den Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers und somit den Ausgang des ersten invertierenden Verstärkers mit dem zweiten Punkt konstanter Spannung verbinden. Ueber die dritte Schalteinheit wird also versucht, den Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers auf der Spannung des zweiten Punktes zu halten, während über die erste Schalteinheit versucht wird, den Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers auf die Referenzspannung zu bringen, was notwendig ist, um am Ausgang den ersten

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logischen Zustand wiederherzustellen. Um letzteres zu erreichen, sollen daher an die Bemessung der Verstärkerschaltung eine Anzahl Anforderungen gestellt werden. Durch die Anwendung der genannten Mittel wird dies vermieden.

Eine bevorzugtevAusführungsform einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schalteinheit einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate bildet, dessen Hauptstrombahn zwischen den Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers und den genannten zweiten Punkt konstanter Spannung aufgenommen und dessen Gate-Elektrode mit dem Ausgang des zweiten invertierenden Verstärkers verbunden ist, wobei dieser Feldeffekttransistor eine Schwellwertspannung aufweist, die der Schwellwertspannung der in dem ersten und dem zweiten invertierenden Verstärker verwendeten Feldeffekttransistoren entspricht, und für den Absolutwert A₁ und A der Verstärkungsfaktoren um den Einstellpunkt während der ersten Phase des ersten bzw. zweiten invertierenden Verstärkers gilt, dass A„ y A₁ + 1 ist.

Wenn diese Bedingung erfüllt wird, stellt sich heraus, dass die Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers während der ersten Phase unterhalb der Schwellwertspannung des Feldeffekttransistors liegt. Ausserdem geht daraus hervor, dass an den Verstärkungsfaktoren nur die genannte Anforderung gestellt zu werden braucht·

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Weiter kann es günstig sein, dass die genannten Mittel eine vierte Schalteinheit enthalten, die in Reihe mit der zweiten Schalteinheit zwischen dem Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers und dem zweiten Punkt konstanter Spannung angeordnet ist».

Die vierte Schalte"nheit kann in diesem Falle mit demselben Schaltsignal wie der Transistor gesteuert werden, mit dem die gewünschte Speicherzelle ausgewählt wird.

Eine andere Möglichkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass eine fünfte Schalteinheit zwischen den Ausgang des zweiten invertierenden Verstärkers und den genannten zweiten Punkt konstanter Spannung aufgenommen ist, die während der ersten Phase leitend ist.

Diese fünfte Schalteinheit kann in diesem Falle von demselben Signal wie die erste Schalteinheit ge„ steuert werden»

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung, und

Fig. 2 einige Schaltsignale, die zu der Verstärkerschaltung nach Fig. ΐ gehören.

Die Verstärkerschaltung nach Fig. 1 enthält

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die zwei in Reihe geschalteten invertierenden Verstärker I₁ und Ι«, Jeder invertierende Verstärker I₁ bzw. I_ ist aus zwei Feldeffekttransistoren T₁ und T_ bzw. T„ und Tl vom Typ mit isoliertem Gate aufgebaut, deren Hauptstrombahnen in Reihe zwischen Speiseanschlusspunkten 8 und 9 angeordnet sind, wobei die Transistoren T₂ bzw. Tr als Eingangstransistor des betreffenden invertierenden Verstärkers dienen, dadurch, dass ihre Gate-Elektroden mit den Eingangsanschlusspunkten 1 bzw. 3 verbunden, während die Transistoren T₁ und T„ für die Transistoren Tp bzw. Tl als Belastung wirken, da sie als Widerstand geschaltet sind, indem ihrenGate-Elektroden eine feste Spannung zugeführt wird.

Der Ausgang des ersten invertierenden Verstärkers I₁ wird durch die gemeinsame Elektrode der Transistoren T₁ und Tp gebildet und ist mit einem Ausgangsanschlusspunkt verbunden, der unmittelbar mit dem Eingangsanschlusspunkt 3 des zweiten invertierenden Verstärkers I„ verbunden ist. Der Ausgang des zweiten invertierenden Verstärkers Ι« wird ebenso durch die gemeinsame Elektrode der Transistoren T„ und T^ gebildet und ist mit einem Ausgangsanschlusspunkt 2 verbunden»

Die erste Schalteinheit wird durch einen Feldeffekttransistor T₅ mit isoliertem Gate gebildet. Die Hauptstrombahn des Transistors T₁₅ verbindet den Ausgangs-

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anschlusspunkt 3 des ersten invertierenden Verstärkers I₁ mit dessen Eingangsanschlusspunkt 1. Die Gate-Elektrode des Transistors T,- ist mit einem Anschlusspunkt 10 verbunden, dem eine die Schalteinheit T- steuernde Spannung V- zugeführt werden kann.

Der Eingangsanschlusspunkt 1 des ersten invertierenden Verstärkers ist mit z.B. einer Spalte von Speicherzellen verbunden, von denen in Fig.. 1 eine dargestellt ist. Diese Speicherzelle wird durch eine Kapazität C- gebildet, die einerseits mit einem Punkt 9 ^auf festem Potential und andererseits über die Hauptstrombahn eines Selektionstransistors T^ mit isoliertem Gate mit dem Eingangsanschlusspunkt 1 durch einen Leseleiter verbunden ist, dessen Kapazität zusammen mit der Eingangskapazität der Verstärkerschaltung der Fig. 1 durch die gestrichelte Kapazität C^ dargestellt ist. Die Gate-Elektrode des Selektionstransistors ist mit einem Anschlusspunkt 11 verbunden, dem.eine die Selektion steuernde Spannung V„ zugeführt werden kann.

Die dritte Schalteinheit wird durch einen

Transistor T~ mit isoliertem Gate gebildet, dessen Hauptstrombahn den Eingangsanschlusspunkt 3 des zweiten invertierenden Verstärkers I₂ mit dem Punkt 9 konstanter Spannung verbindet. Im dargestellten Beispiel liegt dieser Punkt 9 stets auf Erdpotential. Die Gate-Elektrode

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des Transistors T₇ ist mit dem Aus gangs ans chlus sptmkt 2 des zweiten invertierenden Verstärkers I„ verbunden.

Der Signalwiederherstellungskreis 5 enthält die zweite Sehalteinheit, die durch einen Transistor T_Q mit isoliertem Gate gebildet wird, dessen Hauptstrombahn den Speiseanschlusspunkt 8 mit dem Eingangsänschlusspunkt des ersten invertierenden Verstärkers I₁ verbindet und dessen Gate-Elektrode mit dem Ausgangsanschlusspunkt 2 des zweiten invertierenden Verstärkers I„ verbunden ist.

Die vierte Schalteinheit wird durch den Transistor Tg mit isoliertem Gate gebildet, dessen Hauptstrombahn in Reihe mit der Hauptstrombahn des Transistors T~ zwischen dem Eingangsänschlusspunkt 3 des zweiten invertierenden Verstärkers und dem Punkt 9 konstanter Spannung angeordnet ist. Die Gate-Elektrode des Transistors Tg ist mit dem Anschlusspunkt 12 verbunden, dem eine Steuerspanhung V„ zugeführt werden kann.

Fig* 1 zeigt weiter noch einen Transistor T₁₀ mit isoliertem Gate, dessen Gate-Elektrode mit dem Ausgangsanschlusspunkt 2 verbunden ist und dessen Hauptstrombahn einen Punkt 7 niit dem Punkt 9 verbindet. Dieser Transistor ist der Eingangstransistor einer nicht näher dargestellten Schaltung zur weiteren Verarbeitung des logischen Signals,

In der Verstärkerschaltung nach Fig. 1 sind die

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Transistoren annahmeweise alle vom gleichen Typ, z.B. n-Kanal-MOS-Transistoren.

Die Wirkungsweise der Verstärkerschaltung nach Fig. 1 wird an Hand der Fig. 2 näher erläutert, wobei in Fig. 2a die Spannung V- dargestellt ist, die dem Anschlusspunkt 10 zugeführt wird, Fig. 2b die Spannung Vp zeigt, die dem Anschlusspunkt 11 zugeführt wird, und Fig. 2c die Spannung V₁, zeigt, die dem Anschlusspunkt zugeführt wird.

Wird während der ersten Phase ( *-ι ""^o ^ ©ine derartige Steuerspannung V₁ der Gate-Elektrode des Transistors Tv zugeführt, dass dieser Transistor in den leitenden Zustand gerät, so wird der invertierende Verstärker sich auf einem Punkt einstellen, bei dem die Spannung am Eingangsanschlusspunkt 1 gleich der Spannung am Eingangsanschlusspunkt 3 ist. Diese Spannung ist die genannte Referenzspannung Vp. Die Kapazität C„ wird dabei auf diese Spannung V_n aufgeladen bzw» entladen, welche Spannung V_n durch die Speisespannung und durch die

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Kanalabmessungen des Transistors T₁ und des Transistors T„ bestimmt wird.

Wie in der Einleitung erwähnt ist, soll die

Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers Ip niedriger als die Schwellwertspannung V des Transistors T_ sein« Es stellt sich heraus, dass, wenn die Transistoren

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T₁, Tpt Toi T^ und T„ eine gleiche Schwellwertspannung aufweisen, diese Bedingung erfüllt ist, wenn gilt, dass Ap \ A₁ + 1, wobei A₁ und A₂ die Absolutwerte der Verstärkungsfaktoren um den Einstellpunkt der invertierenden Verstärker I₁ bzw, I„ während der ersten Phase (t₁-»Tp-) sind Dies hat zur Folge, dass während der ersten Phase der Transistor T~ nichtleitend ist, gleich wie der Transistor T und der Transistor T₁₀, von denen angenommen wird, dass sie eine gleiche Schwel!wertspannung wie der Transistor T„ aufweisen. Die Ausgangsspannung, bei der der Transistor T„ und somit der Transistor T_Q und der Transistor T₁₀ im ersten, nichtleitenden Zustand sind, wird als der erste logische Zustand definiert, während der zweite logische Zustand für jene Ausgangsspannungen definiert ist, bei der der Transistor T„ und der Transistor T₁₀ leitend sind. Die genannte weitere Schaltung, von der der Transistor T₁₀ der Eingangstransistor ist, kann den logischen Zustand des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung somit durch den leitenden oder nichtleitenden Zustand des Transistors T₁₀ detektieren.

Am Ende der ersten Phase (t₂ in Fig. 2) wird der Transistor T^ in den nichtleitenden Zustand versetzt. Die Verstärkerschaltung bleibt in demselben Zustand durch das Fehlen einer Verbindung, über die sich die Kapazität C„ entladen kann.

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Zum Zeitpunkt to» am Anfang der zweiten Phase, wird der Transistor T^- von einer geeigneten Steuerspannung V (Fig. 2b) am .Anschlusspunkt 11 in den leitenden Zustand versetzt.. Dadurch erfolgt ein Ladungsaustausch zwischen den Kapazitäten C. und Cp, wobei sich drei Situationen ergeben können, und zwar die Situationen, bei denen die Spannung an der Speicherkapazität C. niedriger als, gleich oder höher als die Referenzspannung V^ ist.

Wenn die Spannung an der Speicherkapazität C₁ niedriger als die Referenzspannung ist, nimmt infolge des Ladungsaustausches zwischen den Kapazitäten C. und C₂ die Spannung am Eingangsanschlusspunkt 1 etwas ab. Diese Abnahme wird um einen Paktor A₁A₂ verstärkt am Ausgangsanschluss punkt 2 erscheinen, wodurch die Transistoren T_ und T₁₀ gesperrt bleiben. Der gesperrte Zustand des Transistors T„ ist dabei als der erste logische Zustand definiert. Der Transistor T~ bleibt gleichfalls gesperrt. Es findet keine Ladungswiederherstellung statt.

Wenn die Spannung an der Speicherzelle gleich der Referenzspannung ist, findet kein Ladungsaustausch statt und bleiben also die Transistoren T„, T„ und T₁₀ ebenfalls gesperrt, und dann wird der erste logische Zustand detektiert. Daraus ergibt sich, dass der Inhalt der Speicherkapazität C₁ im ersten logischen Zustand, nicht wiederhergestellt zu werden braucht. Denn der

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logische Zustand ist nicht ungewiss, falls die Speicherkapazität Ο., nach wiederholtem Auslesen auf die Referenzspannung V_n aufgeladen ist.
ti

Wenn die Spannung an der Speicherkapazität C₁ höher als die Referenzspannung V_n ist, nimmt die Spannung am Eingangsanschlusspunkt 1 infolge des Ladungsaustausches zwischen den Kapazitäten C. und C„ zu. Vorausgesetzt, dass .diese Zunahme genügend gross ist, wird diese um einen Paktor A-Ap verstärkt den Transistor T„ in den leitenden Zustand versetzen, ebenso den Transistor Tq und den Transistor T₁₀. Die Ausgangsspannung ist in diesem Falle als der zweite logische Zustand definiert. Wenn angenommen wird, dass der Transistor Tg leitend ist, wird in diesem Falle über die Hauptstrombahn des Transistors T-eine leitende Verbindung zwischen dem Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers und dem Punkt 9 konstanter Spannung hergestellt, wodurch der zweite invertierende Verstärker I₂ völlig ausgesteuert wird. Die Spannung am Ausgangsanschlusspunkt 2 wird sich dadurch der Spannung am Speiseanschlusspunkt 8 abzüglich des Spannungsabfalles Über dem Transistor T₉ nähern. Der Transistor T₀ wird dabei gut leitend sein, wodurch die Speicherkapazität C₁ ,über die Hauptstrombahn des Transistors T„ schnell auf die am Speiseanschlusspunkt 8 vorhandene Speisespannung abzüglich eines gewissen Spannungsabfalls über dem

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Transistor T_Q aufgeladen wird. Der zweite logische Zustand wird dadurch wiederhergestellt.

Die Hauptstrombahn des Transistors To ist in Reihe mit der Hauptstrombahn des Transistors T„ angeordnet, um die leitende Verbindung zwischen dem Eingangs— anschlusspunkt 4 und dem Punkt 9 konstanter Spannung
während der ersten Phase zu unterbrechen. Denn wenn der Transistor T~ leitend ist, bleibt in erster Linie der
zweite invertierende Verstärker im ausgesteuerten Zustand, wodurch die Verstärkerschaltung in der ersten Phase
eines nächstfolgenden Auslesezyklus sich schwer auf den Einstellpunkt einstellen lässt. Der Transistor Tg wird, um dies zu vermeiden, mit einem Signal V„ (Fig. 2c) geschaltet, derart, dass dieser Transistor in der zweiten Phase zum Zeitpunkt t^ leitend wird. Der Zeitpunkt t^
wird vorzugsweise gleich dem Zeitpunkt t„ gewählt, weil dann die Transistoren T₁₁ und Tg mit demselben Signal
geschaltet werden können, so dass kein drittes Phasen-signal benötigt wird.

Statt den Transistor Tg in Reihe mit dem Transistor T„ anzuordnen, kann der Transistor Tg u.a. zwischen den Ausgangsanschlusspunkt 2 des zweiten invertierenden Verstärkers und den Punkt 9 mit Erdpotential aufgenommen werden. Der Transistor Tg kann dann mit demselben Signal wie der Transistor T-_Q geschaltet werden. Am Anfang der

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ersten Phase wird dann der Ausgang des zweiten invertierenden Verstärkers auf Erdpotential gezogen, wodurch der Transistor T„ in den nichtleitenden Zustand gerät.

Bei einem Speicher wird mit dem Eingangsanschlusspunkt eine Spalte von Speicherzellen mit Selektionstransistoren gekoppelt. Pro Spalte wird dann eine Verstärkerschaltung nach der Erfindung benötigt. Da der Transistor T₁₀ nach Selektion einer Speicherzelle leitend wird, wenn in der betreffenden Speicherzelle eine einem Ausgangssignal im zweiten logischen Zustand entsprechende Ladung gespeichert ist, ist es möglich, die Punkte 7 aller Leseverstärker zusammenzuschalten, vorausgesetzt, dass nach jedem Lesezyklus die Aussteuerung des zweiten invertierenden Verstärkers mittels eines Signals an der Gate-Elektrode des Transistors To beseitigt wird. Nur der Transistor T„, der zu dem sich in der Auslesephase befindenden Spaltenverstärker gehört, kann dann leitend sein, während alle anderen Transistoren T„ nichtleitend sind«

Die Erfindung beschränkt sich keineswegs auf das dargestellte Ausführungsbeispiel.

Die Verstärkerschaltung nach der Erfindung kann ausserdem zu einem Schreib- und/oder Leseverstärker dadurch erweitert werden, dass ein Schreibeingang mit den Punkten 1, 2 oder 3 verbunden wird.

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Claims

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PATENTANSPRTJECHE;

1 ·) Verstärkerschaltung zum Verstärken kleiner Signale von einer kapazitiven Quelle, z.B. einer Speicherzelle eines in Form einer Matrix ausgeführten dynamischen MOS-Speichers, die zwischen einem Eingang und einem Ausgang mindestens einen ersten invertierenden Verstärker,- die mit Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate ausgeführt ist, weiter eine erste Schalteinheit, die den Eingang des ersten invertierenden Verstärkers mit dessen Ausgang verbindet, sowie einen Signalwiederherstellungskreis enthält, wobei die Detektion des Signals nach einem Zyklus aufeinanderfolgender Phasen stattfindet, bestehend aus einer ersten Phase, während der über die erste Schalteinheit eine Gegenkopplung der Verstärkerschaltung hergestellt wird, die am Ende der ersten Phase wieder angeschaltet wird, und einer zweiten Phase, während der das zu detektierende Signal, dem Eingang des ersten invertierenden Verstärkers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalwiederherstellungskreis eine zweite Schalteinheit (Tg) zwischen dem Eingang (i) des ersten invertierenden Verstärkers (T^, T₂) und einem ersten Punkt (8) konstanter Spannung enthält, die von der Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung (T-, T₂, T«,» Tu) gesteuert wird und eine Schwellwertspannung aufweist, so dass die zweite Schalteinheit bei einer Ausgangsspannung der Verstärker-

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schaltung auf einer SeS.ts dieser Scliwellwertspannung nichtleitend und für eine Au3gangsspannung auf der anderen Seite dieser Schwellwertspannung leitend ist, wobei die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung während der ersten Phase auf der einen Seite dieser Schwellwertspannung liegt,

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkerschaltung zwischen dem Eingang und dem Ausgang die Reihenschaltung des ersten und eines zweiten invertierenden Verstärkers enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung weiter eine dritte Schalteinheit (Τ~) zwischen dem Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers und dem zweiten Punkt konstanter Spannung (9) enthält, die gleichfalls von der Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers (Τ,,, Tk) gesteuert wird und eine Schwel liver t spannung aufweist, so dass die dritte Schalteinheit bei einer Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers auf der einen Seite dieser Schwellwertspannung nichtleitend und bei einer Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers auf der anderen Seite dieser Schwellwertspannung leitend ist, wobei während der ersten Phase die Ausgangsspannung des zweiten invertierenden Verstärkers auf der einen Seite dieser Schwellwertspannung liegt.

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3» Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung eine Hilfsschalteinheit (Tg) zur Unterbrechung des Kreises zwischen dem Eingang des zweiten invertierenden Verstärkers und einem zweiten Punkt auf konstanter Spannung während der ersten Phase enthält,

h. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schalteinheit (T_) ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate ist, dessen Hauptstrombahn zwischen dem Eingang (3) des zweiten invertierenden Verstärkers (To, Tj und dem zweiten Punkt konstanter Spannung angeordnet ist und dessen Gate-Elektrode mit dem Ausgang (2) des zweiten invertierenden Verstärkers verbunden ist, wobei dieser Feldeffekttransistor eine Schwellwertspannung aufweist, die der Schwellwertspannung der im ersten und zweiten invertierenden Verstärker verwendeten Feldeffekttransistoren (T₁, T₀; T_Q, T₁) entspricht, und wobei für die Absolutwerte A₁ bzw, A„ der Verstärkungsfaktoren um den Ein<stellpunkt während der ersten Phase des ersten bzw, des zweiten invertierenden Verstärkers gilt, dass A₂ "> A₁ + 1 ist.

5· Verstärkerschaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Hilfsschalteinheit eine vierte Schalteinheit ist, die in Reihe nit der zweiten Schalteinheit zwischen dem Eingang des zweiten

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inv.ertierenden Verstärkers und dem zweiten Punkt auf konstanter Spannung angeordnet ist·

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Hilfsschalteinheit eine fünfte Schalteinheit ist zwischen dem Ausgang des zweiten invertierenden Verstärkers und dem zweiten Punkt konstanter Spannung (9) angeordnet ist, die während der ersten Phase leitend ist«

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