DE2641860A1

DE2641860A1 - Integrierte stromversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE2641860A1
Application number: DE19762641860
Authority: DE
Inventors: Jun Hayden Clavie Cranford; Charles Reeves Hoffman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-12-18
Filing date: 1976-09-17
Publication date: 1977-06-23
Also published as: FR2335888B1; GB1542342A; FR2335888A1; JPS5540193B2; DE2641860C2; JPS5275992A; US4004164A

Description

.> 2641880

* * heb-fr

•Anmelderin: International Business Hachines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

«Amtliches Aktenzeichen; · Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelder in:. RA 975 005

Integrierte Stromversorgungsschaltung

Die Erfindung betrifft eine integrierte Stromversorgungsschaltung, die zusammen mit Feldeffekttransistoren auf einem Halbleiterschal-- !tungsplättchen vorgesehen ist und der Kompensation von Spannungs™ ;Schwankungen der für das Substrat vorgesehenen Spannungsquelle dient. Bei der digitalen Datenverarbeitung ist die Verwendung einer großen Anzahl von funktionalen Schaltungen, die auf einem einzigen Halbleiterplclttchen als integrierte Schaltungen aufgebaut sind_f allgemein bekannt und da bei diesen Schaltungen lediglich die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Signals von Bedeutung ist,, lassen sich derartige Schaltungen auch noch dann betreiben, wenn die Eingangsspannungen innerhalb eines Bereiches von + 10 % ioder +15 % vom Nennwert schwanken. Dagegen war die Verwendung von Feldeffekttransistoren in integrierten Halbleiterschaltungen für analoge Schaltkreise mit oder ohne gleichzeitig vorhandene digitale Schaltkreise wegen unterschiedlicher Erfordernisse nicht :zufriedenstellend. Die Tatsache, daß analoge Schaltkreise stabile Bezugsspannungen sowie eine Spannungsversorgung mit konstanter 'Spannung benötigen, um die gewünschte Eingangs/Ausgangslineajrität oder Funktion darzustellen, machte es erforderlich, daß außerhalb des Halbleiterplättchens Spannungsquellen großer Stabilität und Anschlüsse an Bezugspunkten erforderlich waren. Durch diese Anforderungen war der Einsatz von integrierten FET-Schalt-

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kreisen in Analogtechnik su aufwendig für den normalen Gebrauch.

j Aufgabe der Erfindung ist also eine für eine Integration mit anderen analogen Schaltkreisen auf einem Halbleiterplättchen geeignete Analogschaltung zu schaffen, die dazu dient, einen Steuerstrom über einen Toleranzbereich einer Eingangsspannungsversorgung zu regeln.

Dabei soll die neue Schaltung einen Strom durchlassen, der umgekehrt proportional zu der über der Schaltung anliegenden Spannung ist, wobei sich diese Schaltung als integrierte Analogschaltung eignen soll, die im wesentlichen unabhängig von Spannungsschwankungen der Spannungsversorgung ist.

! Insbesondere soll durch die Erfindung eine Schaltung dieser Art geschaffen werden, bei der die Strom-Spannungskennlinie so ausgelegt werden kann, daß sich eine vernünftige inverse Beziehung ergibt, wobei gleichzeitig die entsprechenden Gleichungen und die Entwurfsparameter für eine solche Schaltung festgelegt werden sollen.

Ferner soll dargelegt werden, daß eine solche als Stromquelle dienende Schaltung mit einem Differentialverstärker in der Weise kombiniert werden kann, daß dieser Verstärker linear arbeitet, ohne daß sich dabei Abweichungen ergeben, die auf innerhalb des Toleranzbereiches liegende Schwankungen der Stromversorgung zurückzuführen sind.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung finden sich in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen.

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In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 scheraatisch ein Schaltbild der Stromsteuer

schaltung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 die Steuerung der Bezugsspannung und des Strom

flusses in einem Differentialverstärker durch die erfindungsgemäße Schaltung.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Schaltung in Fig. 1 hat die Eigenschaft, den Strom in einer gesteuerten Schaltung zu erhöhen oder zu verringern, je nachdem, ob die negative Substratspannung innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs mehr positiv oder mehr negativ wird. Diese Stromfunktion kann mit anderen Netzwerken zur Bildung stabiler Knotenpunktspannungen kombiniert werden, die von den normalen SpannungsSchwankungen der Stromversorgung unabhängig sind.

Die Schaltung besteht aus einem Paar Feldeffekttransistoren" (FETs) 10 und 11 mit isolierter Gate-Elektrode, welche in Reihe zwischen einer Quelle für eine negative Substratspannung 12 und einer positiveren Spannungsklemme 13 eingeschaltet sind, die auf Erdpotential oder auf einem positiven Potential liegen kann. Die Gateelektrode des FET 10 ist mit dem Knotenpunkt zwischen den Transistoren 10 und 11 verbunden, so daß Transistor 10 ständig im Sattigungszustand ist und im wesentlichen Konstantstromguelle arbeitet. Die Gatelektrode 17 des Transistors 11 ist an Erdpotential angeschlossen und die Sourceelektrode dieses Transistors 1st an der Substratspannungsversorgung 12 angeschlossen, so daß dieser FET in einem etwa linearen Bereich arbeitet. Da die Gate-Sourcespannung dieses FET die Substratspannung V . ist, wird jede positive Veränderung der Substratspannung die Gatevorspannung herabsetzen, während eine negative Änderung dieser Spannung die Gatevorspannung erhöht. FET 11 wird dann eine Wiederstands-

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™ M —

änderung aufweisen, die umgekehrt proportional zur Substratspannung ist und damit als veränderlicher Widerstand arbeiten. Tatsächlich wird die Spannung Vx am Verbindungspunkt der beiden FETs, abhängig von den bei der Herstellung dieser Halbleitervorrichtungen benutzten Parametern, sich in gleicher Richtung verrändern, wie sich die Substratspannung verändert und diese Veränderungen können so ausgelegt werden, daß sie denen der Substratspannung folgen.

Eine Stromsteuervorrichtung besteht aus dem Feldeffekttransistor 20 vom Anreicherungstyp, der mit seiner Sourceelektrode an der Substratspannungsklemme 12 und mit seiner Gateelektrode 21 am Verbindungspunkt des FETs 10 und 11 angeschlossen ist, so daß seine Gatevorspannung den Wert Vx hat und damit der FET 20 in seinem Sättigungsbereich arbeitet _f so daß der durch den FET 20 fließende Strom von einem Null-Wert aus nach einem höheren Wert gesteuert werden kann, wenn die Spannung V , mehr positiv wird, und auf einen kleineren Wert gesteuert werden kann, wenn sich die Spannung V , in negativer Richtung ändert. Der durch die gesteuerte Schaltung 22 fließende Strom kann dazu benutzt werden, die eingangsseitigen Bezugsspannungen oder die Vorspannungen am Ausgang auf einem konstanten Pegel zu halten.

Fig. 2 zeigt eine Anwendung einer solchen Stromsteuerschaltung, die für eine Differentialverstärkerschaltung eine stabile Bezugespannung liefert und die am Ausgang angelegte Vorspannung während normaler Schwankungen der Substratspannung auf einer konstanten Spannung hält.

Der eigentliche Differentialverstärker besteht aus zwei parallelen Stromkreisen, deren jeder aus einem Feldeffekttransistor 30 oder 31 besteht, die mit ihrer Drainelektrode beide an einer positiven Spannungsquelle 32 angeschlossen sind und deren Sourceelektrode jeweils mit der eigenen Gateelektrode und mit der Drainelektrode eines v/eiteren Feldeffekttransistors 34 oder 35

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vom. Anreicherungstyp verbunden ist. Die Sourceelektroden der !Feldeffekttransistoren 34 und 35 sind miteinander und mit.einer

^; Stromsteuervorrichtung verbunden, die hier als Drainelektrode j des steuernden Feldeffekttransistors 20^f dargestellt ist. Die I Knotenpunkte zwischen den Transistoren 30, 34 und 31,- 35 sind ' die Ausgangsklemmen 37 und 38 und liefern ein einem Eingangssijgnal entsprechendes wahres und komplementäres Ausgangssignal. ! Die Verbindung 39 mit den Gatesymbolen an jedem Feldeffekttran-I sistor soll anzeigen, daß die Substratspannung an jedem dieser j Feldeffekttransistoren anliegt und daß Änderungen in der Subjstratspannung den Stromfluß in den FETs verändert. Der Stromsteuer-FET 20' läßt bei positiverer Substratspannung mehr Strom durch und hält außerdem die Ruhespannungen V_n.. und V_o~ auf einem festen Wert.

Bei Verwendung dieser Art von Differentialverstärkern ist es au- ! ßerdGra erforderlich, eine feste Bezugsspannung vorzusehen, um für das Eingangssignal den Nullpunkt festzulegen. Eine solche J feste Bezugsspannung wird durch eine Verbindung von einer positiven Spannungsquelle über einen FET 40 vom Verarmungstyp hergestellt, dessen Sourceelektrode mit seiner Gateelektrode 41, mit der Gateelektrode 42 des FET 34 des Differentialverstärkers

j und mit der Drainelektrode des Stromsteuer-FET 20 verbunden ist. ι Beide Feldeffekttransistoren 20 und 20' sind mit ihren Gateelektroden an der gleichen Steuerschaltung der FETs 10 und 11 angeschlossen und andere ähnlich aufgebaute Steuer-FETs könnten von

j diesem Verbindungspunkt aus ebenso gesteuert werden.

!Zur Bestimmung der Beziehung zwischen I»_o und V , in der Schal-Itung der Fig. 1 sind die Transistorströme wie folgt:

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= ^λιο^(ντΐο⁾²

2) I₁₁ = 2A_li(.-V_sub~V_Ti1 -p) V_x und

^{3) Χ}20 ^{= X}20^(Vx -

wobei λ = 1/2(U₀C₀) W/L für jede Vorrichtung

u_o die effektive Mobilität der Elektronen in dem Kanal C₀ die Kapazität je Flächeneinheit der Gateelektrode W die Breite des leitenden Kanals L die Länge des leitenden Kanals

und wobei

V_n, die Schwellwertspannung eines FETs ist

4) V_T = K₁ + K(V_s - V_sub + Ψ ) ^1/2

K₁ ein verfahrensabhängiger Parameter ist, dessen Wert in hohem Maße von der Art des Feldeffekttransistors (Anreicherungs- oder Verarmungstyp) abhängt, von den angelegten Spannungen jedoch unabhängig ist,

K ein zweiter Verfahrensabhängiger Parameter ist, der von der angelegten Spannung unabhängig ist

V die Sourcespannung gegen Erde,

V , die Substratspannung gegen Erde und

SUD

ψ das zweifache Ferminiveau ist Aus V_T und Figur 1 sieht man, daß

^{6) v}tio

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⁷> Vn

und da

aus Gleichungen 1 und 2_r folgt

^yj ίο^{1 ν}τιο' ^ζ 11^{ι χ}

Die partielle Ableitung der Gleichung S nach V_gub ist

δ V,

T20

sub

ö^Vsub δ^ν

Da aus Gleichung

sub

von V , unabhängig ist,, wird γτϊ

süß ö v_sub

zu O und kann vernachlässigt werden.

Die partielle Ableitung von Gleichung 6 ergibt

«V,

δν

TlO _ sub

V 2

sub

Nimmt man die partielle Ableitung der Gleichung 9 und benutzt Gleichung 11 und löst für

sub

so erhält man die Gleichung

δν

= V

sub

= V

^2X10^Vx)

( ^Vsub^VTi1

[^{f (}V J

Vx.

Vx 2

-1

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' 49'

Gleichung 12 und Gleichung 10 kombiniert liefert

f(v_x)

Eine Analyse der Gleichungen 12 und 13 durch Substitution typi- j ! scher Werte für die Ausdrücke der rechten Seite zeigt, daß V^ und : I„_n zunehmen, wenn V , positiver wird. Wie noch zu zeigen sein wird, ist dies das gewünschte Betriebsverhalten. :

Die Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 1 als Stromquelle für den Differentialverstärker der Fig. 2 wird durch die folgenden Beziehungen gezeigt.

Der durch FET 30 fließende Strom ist

=λ

Zur Bestimmung der Empfindlichkeit der Ausgangs spannungen V_.-gegen Änderungen in V , benötigt raaxi den Ausdruck J"V ~ /J~V

SxXiJ X. jU SUD

und eine partielle Differentation der Gleichung 4 liefert

t30

*-. Ίζ

sub

^+Ψ

Όι

= α

30

οι

SV

-1

sub

Nimmt man die partielle Ableitung des Stroraausdrucks für I_O S und substituiert Gleichung 14 und löst diese, so erhält man Gleichung 15.

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264186Q

15)^δν0ΐ 6V

sub

"30

sub

^2λ3Ο ⁽"^VT30

Damit V bei einer Veränderung von V , konstant bleibt, muß ° 01 KuIl sein und damit liefert

sub

6V

sub

30 ^{( V}T30^{} a}30

das gewünschte Verhalten von I^_Q bei Änderungen von V , .

Daraus ergibt sich, da V _3Q eine negative Zahl ist, daß I₃₀ zunehmen sollte, wenn V , positiver wird. Bei richtiger Einstellung der den Wert V bestimmenden Entwurfsparameter gemäß Gleichung 13 können die Stromschwankungen des FET 20' an die geforderte Veränderung gemäß Gleichung 16 angepaßt werden, so daß die Ruheausgangsspannung des Differentialverstärkers konstant und un abhängig von Veränderungen von V , gehalten wird.

Für den weiteren Einsatz der erfindungsgemäß aufgebauten Schaltung, nämlich die Aufrechterhaltung einer konstanten Bezugsspannung gelten die folgenden Gleichungen. Aus Gleichung 16, angewandt auf FET 40, ergibt sich die für die Aufrechterhaltung eines konstanten Wertes von V notwendige Stromänderung als

17)

■40

'sub

- ^{2 λ}40 ⁱ"^VT40^{) α} 40

Benutzt man den Wert für

20

6V

sub

aus Gleichung 10 und erinnert

man sich, daß

T20

Null ist, dann kann die Veränderung des

den FET 20 durchfließenden Strom gleich (17) gesetzt werden, so daß man

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13) 2 _{λ 20} (V_x-V_T20) !Li- = a₄₀(-V_T40)a₄₀ und

19) !Ζ*_ ^λ4° ^T₄O** 40

erhält. Da I₄₀ = I₃₀ ist, kann man aus Gleichung 3 und I₄₀ = ^ι T40^; die X's aus Gleichung 19 eliminieren, so daß man

δν /V -

2o, ^5- - (

sub

erhält.

Wählt man die Schaltungsparameter für FET 20 und FET 40 so, daß sie Gleichung 20 befriedigen, dann kann die Bedingung, daß V_R für Änderungen in V _b unempfindlich ist, erfüllt werden, so daß die Bezugsspannung des Differentialverstärkers konstant gehalten werden kann.

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Al

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜC HE

Integrierte Stromversorgungsschaltung für mit Feldeffekttransistoren bestückte integrierte Analogschaltungen zur Kompensation von innerhalb eines Toleranzbereiches auftretenden SpannungsSchwankungen der Substratspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet,

daß in dem gleichen Substrat ein erster Feldeffekttransistor (11) vom Verarmungstyp vorgesehen ist, dessen Source-Elektrode (12) mit der negativen Klemme der Substrat-Spannungsquelle verbunden und dessen Gate-Elektrode (17) an Erdpotential als Bezugspotential angeschlossen und damit in den linearen Teil seiner Arbeitskennlinie vorgespannt ist, daß in dem Substrat ein zweiter Feldeffekttransistor (10) vom Verarmungstyp angeordnet und mit seiner Source-Elektrode an der Drain-Elektrode des ersten FET (11) angeschlossen sowie mit seiner Drain-Elektrode an einer in Bezug auf die Substratspannung positiven Spannung angeschlossen ist, wobei die Gate-Elektrode mit der Drain-Elektrode oder mit einem Punkt niedrigeren Potentials verbunden ist, das mit der Substratspannung schwankt, so daß der zweite FET (10) in seinen Sättigungsbereich vorgespannt ist, und daß in dem Substrat ein Stromsteuer-FET (20) vom Anreicherungstyp mit seiner Source-Elektrode an der negativen Klemme der Substratspannungsquelle und mit seiner Gate-Elektrode (21) an dem gemeinsamen Punkt zwischen erstem und zweitem FET angeschlossen ist, und daß ferner an der Drain-Elektrode des dritten FET des Anreicherungstyps eine stromgesteuerte Schaltung (22) angeschlossen ist, so daß der diese Schaltung (22) steuernde Strom sich in einer zur Änderungsrichtung der Substratspannung umgekehrten Richtung ändert.

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2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Substrat ein vierter Feldeffekttransistor (40) vom Verarmungstyp mit seiner Source · und Gate-Elektrode

(41) an der Drain-Elektrode des dritten FET (20) vom Anreicherungstyp und mit der Ausgangsklemme (V₁) einer konstanten Bezugsspannungsquelle (34) verbunden und mit seiner Drain-Elektrode an einer positiven Potentialquelle angeschlossen ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromgesteuerte Schaltung ein Differentialverstärker ist, dessen Ruhespannung am Ausgang normalerweise sich mit der Substratspannung ändert ₍ daß dabei der Stromsteu-j er-FET (20) so ausgelegt ist, daß er einen Strom durchläßt, der die ausgangsseitige Vorspannung des Differentialverstärkers bei Änderungen der Substratspannung auf einem konstanten Wert hält.

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