DE2641860C2

DE2641860C2 - Integrierte Stromversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE2641860C2
Application number: DE2641860A
Authority: DE
Inventors: Hayden Clavie Druham N.C. Cranford jun.; Charles Reeves Raleigh N.C. 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: 1982-11-04
Also published as: FR2335888A1; GB1542342A; US4004164A; JPS5540193B2; JPS5275992A; DE2641860A1; FR2335888B1

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Stromversorgungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der digitalen Datenverarbeitung ist die Verwendung einer großen Anzahl von funktionalen Schaltun gen, die auf einem einzigen Halbleiterplättchen als integrierte Schaltungen aufgebaut sind, 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% oder ± 15% vom Nennwert schwanken. Dagegen war die Verwendung von Feldeffekttransistoren (FETs) 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-/Ausgangslinearität oder Funktion darzustellen, machte es erforderlich, daß außerhalb des Halblciterplättchens Spannungsquellen großer Stabilität und Anschlüsse an Bezugspunkten erforderlich waren. Durch diese Anforderungen war der Einsatz von integrierten FET-Schaltkreisen in Analogtechnik zu aufwendig für den normalen Gebrauch.

Es ist eise Stromversorgungsschaltung der eingangs genannten Art bekannt (IBM TDB 1975, Bd. 17, Nr. 8, S. 2391), die einen konstanten Laststrom erzeugt. Bei dieser Schaltung ist der erste Transistor vom Anreicherungstyp und seine Gate-Elektrode ist an den Verbindungspunkt zwischen erstem und zweitem FET angeschlossen.

Durch die US-PS 35 08 084 ist eine Reihenschaltung aus zwei FETs vom Anreicherungstyp mit jeweils verbundener Gate- und Drain-Elektrode bekannt, die am Verbindungspunkt der beiden FETs eine konstante Spannung abgibt.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber, die eingangs genannte Analogschaltung so auszubilden, daß sie einen variablen Steuerstrom erzeugt, der umgekehrt proportional zu der über der Schaltung anliegenden Spannung ist

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Diese Stromversorgungsschaltung bietet den Vorteil, daß sie durch entsprechende Auslegung der Stromspannungskennlinie mit anderen Netzwerken zur Bildung stabiler Knotenpunktspannungen kombiniert werden kann, die von den normalen Spannungsschwankungen der Stromversorgung unabhängig sinl Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Demnach kann eine solche als Stromquelle dienende Schaltung mit einem Differentialverstärker in der Weise kombiniert werden, 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 Zeichungen im einzelnen beschrieben. In den Zeichungen zeigt

F i g. 1 schematisch ein Schaltbild der Stromsteuerschaltung gemäß der Erfindung und

F i g. 2 die Steuerung der Bezugsspannung und des Stromflusses in einem Differentialverstärker durch die erfindungsgemäße Schaltung.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Schaltung in F i g. 1 hat die Eigenschaft, den Strom in einer gesteuerten Schaltung zu erhöhen oder zu verringern, je nachdem, ob die negative Substratspannung innerhalb des

vorgegebenen Toleranzbereiches mehr positiv oder mehr negativ wird

Die Schaltung besteht aus einem Paar Feldeffekttransistoren (FETs) 10 und 11 mit isolierter Gate-Elektrode, weiche in Reihe zwischen der negativen Spannungsklemme 12 einer Quelle für eine negative Substratspannung und einer positiveren SpannungskJemme 13 eingeschaltet sind, die auf Erdpotential oder auf einem positiven Potential liegen kann. Die Gate-Elektrode des FET 10 ist mit dem Knotenpunkt zwischen den Transistoren 10 und 11 verbunden, so daß Transistor 10 ständig im Sättigungszustand ist und im wesentlichen als Konstantstroinquelle arbeitet. Die Gate-Elektrode 17 des Transistors 11 ist an Erdpotential angeschlossen und die Source-Elektrode dieses Transistors ist an der Substratspannungsversorgung 12 angeschlossen, so daß dieser FET in einem etwa linearen Bereich arbeitet. Da die Gate-Sourcespannung dieses FET die Substratspannung V₅Ub ist, wird jede positive Veränderung der Substratspannung die Gatevorspannung herabsetzen, während eine negative Änderung dieser Spannung die Gatevorspannung erhöht. FET 11 wird dann eine Widerstandsänderung 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 verändern, 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, 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_s„* mehr positiv wird, und auf einen kleineren Wert gesteuert werden kann, wenn sich die Spannung V_SUb 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 Differentialve^rstärkerschaltung eine stabile Bezugsspannung 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 bzw. 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 weiteren Feldeffekttransistors 34 bzw. 35 vom Anreicherungstyp verbunden ist Die Sourceelektroden der Feldeffekttransistoren 34 und 35 sind miteinander und mit einer Stromsteuervorrichtung verbunden, die hier als Drainelektrode des steuernden Feldeffekttransistors 20' dargestellt ist. Die Knotenpunkte zwischen den Transistoren 30,34 und 31,35 sind die Ausgangsklemmen 37 und 38 und liefern ein einem Eingangssignal entsprechendes wahres und komplementäres Ausgangssignal. Die Verbindung 39 mit den Gatesymbolen an jedem Feldeffekttransistor soll anzeigen, daß die Substratspannung an jedem dieser

Feldeffekttransistoren anliegt und daß Änderungen in der Substratspannung den StromfluB in den FETs verändert Der Stromsteuer-FET 20' läßt bei positiverer Substratspannung mehr Strom durch und hält außerdem die Ruhespannungen Voi und Vfe auf einem festen Wert

ίο Bei Verwendung dieser Art von Differentialverstärkern ist es außerdem erforderlich, eine feste Bezugsspannung vorzusehen, um für das Eingangssignal den Nullpunkt festzulegen. Eine solche 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 Diiferentialverstärkers und mit der Drainelektrode des Stromsteuer-FET 20 verbunden ist Beide Feldef fekttransistoren 20 und 20' sind mit ihren Gateelektro den an der gleichen Steuerschaltung der FETs 10 und 11 angeschlossen und andere ähnlich aufgebaute Steuer-FETs könnten von diesem Verbindungspunkt aus ebenso gesteuert werden.

Zur Bestimmung der Beziehung zwischen Z₂₀ und V_sab in der Schaltung der F i g. 1 sind die Transistorströme wie folgt:

Vx

und

/20

- V_T20)

wobei λ = 1/2 (^C₀) WIL für jede Vorrichtung

14, die effektive Mobilität der Elektronen in dem Kanal

Q, die Kapazität je Flächeneinheit der Gateelektrode W die Breite des leitenden Kanals L die Länge des leitenden Kanals und wobei V_7x die Schwellwertspannung eines FETs ist

K₇- = tf, + K(V₅ - V^ +

wobei

K_x 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 V₁ die Sourcespannung gegen Erde, V^ die Substratspannung gegen Erde und ψ das zweifache Ferminiveau ist

Aus V₁ und F i g. 1 sieht man, daß

K₇₁₁ = AT₁,, -H

(6)

(7)

Da aus Gleichung 5 K₇₂₀ von V_suh unabhängig ist, wird

und da

Ao ⁼ Ai aus Gleichungen 1 und 2, folgt

-K_-- V_TU -±- \K.

(8)

zu 0 und kann vernachlässigt
Die partielle Ableitung von Gleichung 6 ergibt

IO

δ V₁

no

2(V_x+Ψ) 2 öK_ub

K _ . OV_x

•MO TT,

(-^.ο)² = 2A₁₁ (-

(Π)

(9) 15 Nimmt man die partielle Ableitung der Gleichung 9

und benutzt Gleichung 11 und löst für
Die partielle Ableitung der Gleichung 3 nach V₅₁₁₁, ist

=

'sub

δ V_x

₂₀

δ V_x OV₁

Γ20

^rsub

δ Κ

''sub /

(10) so erhält man die Gleichung

δ V.

sub

Γ C-K_-K_n,-^ --^T¹-K_x[Z(K_x)]-'.

L ~^vt\o \ ^L / ^l J

(12)

Gleichung 12 und Gleichung 10 kombiniert liefert Die Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 1 als

Stromquelle für den Differentialverstärker der F i g. 2

"^20 _ 2 χ (y - y )V If(V_x)]'¹. (13) ³⁰ wird durch die folgenden Beziehungen gezeigt.
OV₅Ui, ^x Der durch FET 30 fließende Strom ist

Eine Analyse der Gleichungen 12 und 13 durch Zur Bestimmung der Empfindlichkeit der Ausgangs-Substitution typischer Werte für die Ausdrücke der spannungen V_Oi gegen Änderungen in V₅^ benötigt man rechten Seite zeigt, daß V_x und /20 zunehmen, wenn V_sut 35 den Ausdruck ö Vt3o/6 V_sllb und eine partielle Differeniapositiver wird. Wie noch zu zeigen sein wird, ist dies das tion der Gleichung 4 liefert
gewünschte Betriebsverhalten.

6V₁

30

δ Κ

'sub

(14)

Nimmt man die partielle Ableitung des Stromausdrucks für /₃₀ und substituiert Gleichung 14 und löst diese, so erhält man Gleichung 15.

^r01

δΚ

1-

sub

δΙ₃

₃₀

[2A_3O(-I

(15)

Damit V₀ bei einer Veränderung von V₅₁₁₁, konstant bleibt, muß

Null sein und damit liefert

————_: =

(16)

das gewünschte Verhalten von /30 bei Änderungen von V_mb.

Daraus ergibt sich, da-. Vtm eine negative Zahl ist, daß /30 zunehmen sollte, wenn Υηώ positiver wird. Bei richtiger Einstellung der den Wert V_x 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 unabhängig von Veränderungen von Vii&gehaltenwird.

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 Vr notwendige Stromänderung und
als

ÖL·

= 2A_4nC-I

δ Κ* Benutzt man den Wert für

δ V^ aus Gleichung 10 und erinnert man sich, daß

δ Κ

δ K„_h

)(-^Γ4θ)«4Ο

(19)

erhält. Da /₄₀ = /₂₀ ist, kann man aus Gleichung 3 und Ao ⁼ ^4ο(~^Γ4ο)² die A's aus Gleichung 19 eliminieren, so daß man

δ K

K -

Ö40

(20)

δ Κ

sub

erhält.

Wählt man die Schaltungsparameter für FET 20 und

Nuii ist, dann kann die Veränderung des den FET ZÖ FET 40 so, daß sie Gleichung 20 befriedigen, dann kann

durchfließenden Strom gleich (17) gesetzt werden, so die Bedingung, daß V_R für Änderungen in V^ un-

daß man empfindlich ist, erfüllt werden, so daß die Bezugs-

6V_x _ 20 spannung, des Differentialverstärkers konstant gehalten

2A₂₀(^i - V₁₁₀) ——— = 2/140(-Kr₄₀) CT₄₀ werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

230244/249

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Stromversorgungsschaltung für mit Feldeffekttransistoren bestückte integrierte Analogschaltungen zur Kompensation von innerhalb eines Toleranzbereiches auftretenden Spannungsschwankungen der Substratspannungsquelle, bei welcher in demselben Substrat ein erster Feldeffekttransistor (11), dessen Source-Elektrode (12) mit der Substrat-Spannungsquelle verbunden -st, und ein zweiter Feldeffekttransistor (10) vom Verarmungstyp vorgesehen sind, der mit seiner Source-Elektrode an der Drain-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors (11) und mit seiner Drain-Elektrode (13) an einer in is bezug auf die Substratspannung positiven Spannung angeschlossen ist, wobei die Gatt-Elektrode (18) mit der Source-Elektrode verbunden ist, und bei welcher in dem Substrat ein weiterer Feldeffekttransistor (20) vom Anreicherungstyp vorgesehen ist, der mit seiner Source-Elektrode an der Substratspannungsquelle und mit seiner Gate-Elektrode (21) am Verbindungspunkt zwischen erstem und zweitem Feldeffekttransistor (11 bzw. 10) angeschlossen ist, und daß ferner an der Drain-Elektrode des weiteren Feldeffekttransistors (20) eine stromgespeiste Schaltung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Feldeffekttransistor (11) vom Verarmungstyp ist, daß der erste Feldeffekttransistor (11) und der weitere Feldeffekttransistor (20) jeweils mit der Source-Elektrode an der negativen Klemme der Substratspannungsquelle (*Vj₁₁^ angeschlossen sind, daß weiterhin der erste Feldeffekttransistor (11) mit seiner Gate-Elektrode (17) an Erdpotential als Bezugspotential angeschlossen ist, und daß die stromgespeiste Schaltung eine derart stromgesteuerte Schaltung (22) ist, daß der steuernde Strom (I20) sich in der zur Änderungsrichtung der Substratspannung umgekehrten Richtung ändert.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in demselben Substrat ein vierter Feldeffekttransistor (40) vom Verarmungstyp vorgesehen ist, der mit seiner Source- und Gate-Elektrode (41) an der Drain-Elektrode des Stromsteuer-Feldeffekttransistors (20) angeschlossen und mit einer Ausgangsklemme (Vr) zur Bereitstellung einer konstanten Bezugsspannung verbunden und mit seiner Drain-Elektrode an dem positiven Potential so einer Spannungsquelle angeschlossen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromgesteuerte Schaltung ein Differentialverstärker ist und der Stromsteuer-Feldeffekttransistor (20) so ausgelegt ist, daß er einen Strom durchläßt, der die ausgangsseitige Vorspannung (V01, V02) des Differentialverstärkers bei Änderungen der Substratspannung (V₅Ub) auf einem konstanten Wert hält.

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