DE2651422C2

DE2651422C2 - Ladungsspeicher mit Halbleiterelementen

Info

Publication number: DE2651422C2
Application number: DE2651422A
Authority: DE
Inventors: Mukesh P. Manassas Va. Patel; Huo-Bing Potomac Yin, Md.
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-11-17
Filing date: 1976-11-11
Publication date: 1982-06-03
Also published as: JPS598919B2; DE2651422A1; US4130766A; IT1075851B; JPS5261935A; NL7612812A

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladungsspeicher mit Halbleiterelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ladungsspeicher aus Halbleiterelementen, die zur analogen Signalverarbeitung verwendet werden, sind prinzipiell bekannt, so ist z. B. in dem US-Patent 37 45 383 ein solcher Ladungsspeicher beschrieben, der aus einem analogen Verschieberegister besteht, das seinerseits aus einer Kette von Speicherkapazitäten und Ladungsübertragungsschaltkreisen aufgebaut ist. Dieses bekannte Schieberegister ist in F i g. 1 der vorliegenden Anmeldung dargestellt und wird durch zwei entgegengesetzte Takte mit einer Frequenz, die gleich der Abtastfrequenz ist, getrieben. Die Signalverzögerung kann exakt gesteuert und auch, wenn erforderlich, elektronisch verändert werden. Da keine Gleichstromimpulse vorhanden sind, tritt auch nur eine geringe Signalverzerrung oder Verringerung auf, so daß zwischen hunderten von Stufen eines solchen Speichers keine Verstärker erforderlich sind.

In der Schaltung nach Fig. 1 ist die Eingangssignalquelle Ein mit dem Ladungsspeicher (US-PS 37 45 383) über der Quellenelektrode des Feldeffekttransistors 4 verbunden. Der Feldeffekttransistor 4 wird, wie aus Fig. 2 zu ersehen, mit dem Taktimpuls Vl über das Gate dieses Feldeffekttransistors gesteuert. Das Eingangssignal von der Signalquelle 2 wird als Ladungseinheit über den Feldeffekttransistor 4 auf den Punkt 18 übertragen, der die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 4 mit der Quellenelektrode eines Feldeffekttransistors 6 verbindet. Die Torelektrode wird mit dem

Taktimpuls V2, wie aus Fig.2 zu ersehen ist, beaufschlagt Die das Eingangssignal darstellende Ladungseinheit wird über die Kette der Feldeffekttransistoren 4,6,8,10 und 12 durch abwechselndes Arbeiten ihres Gates durch anliegende Taktimpulse Vl und V2 fortgeschaltet Die das Eingangssignal repräsentierende Ladung ist schließlich das am Ausgangspunkt 26 abzunehmende AusgangssignaL Ein solcher Ladungsspeicher kann unter Verwendung von bekannten MOSFET-Technologien hergestellt werden. Die ausschlaggebenden Kriterien bei der Schaffung der Schaltung eines solchen Ladungsspeichers sind die Übertragungseffektivität und der dynamische Bereich. Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, in der ein bekannter Ladungsspeicher gezeigt ist, ist jedem der Feldeffekttransistoren die charakteristische Kapazität zugeordnet, nämlich die Gate-Quellenkapazität Ccs, die Quellen-Substratkapazität Css, die Drain-Substratkapazität Cds und die Gate-Drainkapazität Cgd- Wegen dieser Kapazitäten am Knotenpunkt 18 in einem bekannten Ladungsspeicher kann die Ladung, die das Eingangssignal am Knotenpunkt 18 repräsentiert, nicht das Optimum erreichen. Die Konsequenz ist daß die Spannung am Ende einer Phasenzeit an einem der folgenden Knotenpunkte tiefer liegt im Vergleich zu der am Eingangsknotenpunkt 18. Dieser Vorgang kann wie folgt erklärt werden:

Für eine wirkungsvolle Ladungsübertragung von der Quelle zur Drain eines Feldeffekttransistors muß die Gate-Spannung um eine Schwellenspannung V, höher sein als die Spannung an der Quelle. Dies ist in F i g. 1 und in Fig.2 dargestellt und durch die folgende Gleichung repräsentiert:

bei der Phase Vl gilt:
die Gate-Spannung =

Ein+ V₁.

Während der Phasenzeit Vl wird das Eingangssignal Em voll zum Anschlußpunkt 118 über den Feldeffekttransistor i übertragen. Die Knotenspannung wird durch die Ladung, die in den Knotenkapazitäten, bestehend aus Cds und Cgd des Feldeffekttransistors 6, besteht, repräsentiert. Ccd wirkt außerdem als Koppelkapazität zwischen dem Takt Vl und dem Anschlußpunkt 18. Dadurch wird die Knotenladung durch das Abfallen der Spannung Vl beeinflußt. Wenn der Takt VI anliegt, ändert sich die Knotenladung praktisch nicht, bis Vl unter Ei_n fällt. Dann ist die Knotenladung aus und folgt dem Verlauf von Vl über die Koppelkapazität Ccd- Die resultierende Knotenspannung am Ende der Phasenzeit ist geringer wegen der Ladungsverteilung über alle Kapazitäten. Die Amplitude der Spannung kann nach folgender Formel berechnet werden:

Ccd

Cgd + Qk ⁺ Qk ⁺ Qv.s

Die resultierende Knotenspannung am Ende der Phasenzeit ist:

E_1n

Cr,

C_rx + C,

Es ist sehr wichtig, daß die resultierende Spannung immer kleiner als £,„ ist, weil Ccd immer in einem Feldeffektransistor gegenwärtig ist. Dies zeigt, daß das

Optimum zur Übertragung nicht erreicht werden kann und der dynamische Bereich reduziert wird wegen der Ladungsverteilung entsprechend der Taktierung der bekannten Ladungsspeicher.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Ladungsspeicher der oben genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der dynamische Bereich vergrößert wird und die Ladungsübertragung wirkungsvoller wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die Ladungsübertragungseffektivität und der dynamische Bereich in einem Ladungsspeicher in bisher nicht bekannter Weise verbessert wird.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es bedeutet

F i g. 1 einen bekannten Ladungsspeicher,

F i g. 2 Taktimpulse für den Ladungsspeicher nach Fig. 1,

F i g. 3 einen verbesserten Ladungsspeicher und

F i g. 4 die Taktimpulse für den verbesserten Ladungsspeicher nach F i g. 3.

Da der in F i g. 1 dargestellte Ladungsspeicher, der mit Taktimpulsen nach F i g. 2 gespeist wird, bereits in der Einleitung diskutiert wurde, wird im nachfolgenden der Gegenstand der vorliegenden Erfindung nach F i g. 3 beschrieben.

Dieser Ladungsspeicher nach F i g. 3 besteht aus einer Reihe von 5 Feldeffekttransistoren 4, 6, 8, 10 und 12, wobei jeweils die Drain des vorhergehenden Feldeffekttransistors mit der Quellenelektrode des nachfolgenden Feldeffekttransistors über die Kontenpunkte 18 bis 24 verbunden sind. In diesem Beispiel ist der Ladungsspeicher mit NrKanal LSI-MOS Schaltkreisen aufgebaut. Jeder Feldeffekttransistor hat ein Längen/Breitenverhältnis des Gates von 2,12. Die Gate-Quellenkapazität Cgs jedes Feldeffekttransistors ist hier 0,089 pF. Die Quellen/Substratkapazität Css jedes Feldeffekttransistors ist hier 0,0175 pF. Die Gate-Drain-Kapazität Ci der Feldeffekttransistoren 6, 8 und 10 ist 0,284 pF. Die Drain/Substratkapazität der Feldeffekttransistoren 6, 8 und 10 ist 0,05 ρF. Die Gate/Drainkapazität C2 des Feldeffekttransistors 4 ist 0,01216 pF. Die Drain/Substratkapazität Cl des Feldeffekttransistors 4 ist 0,284 pF. Für den Ausgangs-Feldeffekttransistor 12 ist die Gate/Drainkapazität C3 0,089 pF und die Drain/ Substratkapazität Cds ist 0,05 pF. Die hier angegebenen Werte sind sowohl für den bekannten Ladungsspeicher als auch den Ladungsspeicher nach Fig.3 und in der vorliegenden Beschreibung gleich.

Mit einem Eingangssignal E_in von + 5 Volt und einem Substratpotential von -5 Volt sowie mit den Taklimpulsen Vl und V 2 mit einer Amplitude von 8 Volt entsprechend F i g. 2, ergibt sich eine Spannung an dem Knotenpunkt 18, dem Knotenpunkt 20, dem Knotenpunkt 22 und dem Knotenpunkt 24, wie sie aus der nachfolgenden Tabelle zu ersehen ist

Tabelle I

Konventioneller Schaltkreis

Punkt/Volt

vi

Start

Vl

Ende

VZ

Vl
Ende

V\

Vl
Ende

Vl

Vl
Ende

18	4,90	5,0	3,84	6,33	4,90	5,0	3,79	6,33	4,9
20	3.55	6,33	4,75	9,32	3,60	6,33	4,75	9,25	3,54
22	4,75	9,28	3,57	6,33	4,75	9,33	3,61	6,33	4,75
24	3,61	6,33	4,75	9,28	3,57	6,33	4,75	9,34	3,62

Wie aus dieser Darstellung zu ersehen ist, ist die Spannung am Anschlußpunkt 18 nur noch 3,84 Volt am Ende von Vl, verglichen mit der Eingangsspannung E_1n = 5 Volt. Die nachfolgenden Knotenpunkte können deshalb niemals die Eingangsspannung E_1n erreichen. Das Ausgangssignal E am Ausgangsknotenpunkt des bekannten Ladungsspeichers wird somit eine Spannung von 3,62 Volt haben.

Durch Verbinden des Kondensators 30, der eine Kapazität gleich der charakteristischen Gate/Drainkapazität C2 des Feldeffekttransistors 4 hat, mit dem Knotenpunkt 18, und durch Verbinden des anderen Anschlußpunktes 32 des JCondensators 30 mit der inversen Taktimpulsform Vl können die Ladungsverteilungs- und Spannungsabfallprobleme am Knotenpunkt 18 während der Abfallzeit des Taktimpulses Vl eliminiert werden.

Dadurch wird die Ladungsübertragungseffektivität und der dynamische Bereich des Ladungsspeichers nach F i g. 3 wesentlich verbessert. Der Signalinverter 40, bestehend aus den Feldeffekttransistoren 42 und 44, invertiert das Taktsignal Vl zur Eingabe am Anschlußpunkt 32. Die Wirkung des in die Schaltungsanordnung eingefügten Kondensators kann wie folgt erklärt werden:
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung entnommen werden kann, wird vom Knotenpunkt 18 während der Abfallzeit des Taktimpulses die Ladung entzogen. Weil nun der Kondensator 30 in seiner Größe gleich der Kapazität Ccd ist und zwischen dem Anschlußpunkt 18 und dem Anschluß für die invertierten Taktimpulse V1 liegt, wird der inverse Taktimpuls die Ladung am Knotenpunkt über die Kapazität 30 dann auffrischen, wenn der Taktimpuls Vl abfällt. Wenn die Abfallzeit und die Anstiegszeit der Taktimpulse Vl und Vl exakt !'omplementär zueinander sind, dann Hießt Ladung in

(>5 den Anschlußpunkt und aus dem Anschlußpunkt über den Kondensator 30 bzw. den Kondensator C_Ci> Der Zufluß und der Abfluß sind identisch und die Nettoladung am Knotenpunkt ist jetzt am Ende der

Phasenzeit die gleiche, verglichen mit der während der Phasenzeit. Dadurch wird die Spannung am Knotenpunkt 18 konstant gehalten und gleich dem Eingangssignal Em am Ende der Phasenzeit. Dies verhindert die Ladungsneuverteilung durch das Abfallen der Taktimpulse. Das Optimum der Ladungsübertragung wird dadurch erreicht und der dynamische Bereich verbessert.

Wenn man nun dieselben Werte für das Länge/Breitenverhältnis der Feldeffekttransistoren, der Kapazitäten, der Eingangssignale, der Taktimpulse und der Substratspannungen, wie im bekannten Ladungsspeicher nach F i g. 1 verwendet, dann ergeben sich für die Schaltung nach F i g. 3 mit dem Eingangssignal nach F i g. 4, nachfolgend ausgeführte Werte.

Tabelle Il

Verbesserter Ladungsspeicher

Punkt/Volt	Vl	Vl	Vl	Vl	Vl	Y\	Vl	Vl	Vl
	Start	5,0	Ende	6,33	Ende	5,0	Ende	6,33	Ende
18	5,09	6,33	5,0	10,38	5,09	6,33	5,0	10,38	5,09
20	4,64	10,38	4,75	6,33	4,64	9,33	4,75	6,33	4,64
22	4,75	6,33	4,64	10,38	4,75	6,33	4,64	10,38	4,75
24	4,65	4,75	4,65	4,75	4,64

Daraus ist klar zu ersehen, daß durch die Einfügung des Kondensators 30 in den Ladungsspeicher am ersten Knotenpunkt_18 und durch die Zuführung der inversen Taktimpulse Vl die Ladungsneuverteilungsphänomene am Knotenpunkt 18 während der Abfallzeit von Vl eliminiert sind. Mit dieser Änderung in der Schaltung wird erreicht, daß das volle Spannungssignal vom Eingangsanschlußpunkt zum Anschlupunkt 18 übertragen werden kann und nachfolgend zu allen anderen Anschlußpunkten innerhalb der Schaltung. Daraus resultiert eine erhöhte Ladungsübertragungseffektivität und ein verbesserter dynamischer Bereich für die Ladungsspeicher.

Obwohl das gerade beschriebene Ausführungsbeispiel mit Feldeffekttransistoren eines bestimmten Typs beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auch ohne weiteres auf Ladungsspeicher mit bipolaren Transistoren und auf Ladungsspeicher mit Feldeffekttransistoren anderen Typs anwendbar, ohne daß ein erfinderisches Zutun erforderlich wäre. Wenn man z. B. bipolare Transistoren verwendet, dann wird der Kondensator 30 mit dem Anschlußpunkt verbunden, der zwischen dem Kollektor des ersten oder Eingangstransistors und dem Emitter des zweiten bipolaren Transistors liegt, der in Serie mit dem ersten bipolaren Transistor verbunden ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungsspeicher mit Halbleiterelementen, deren innere Kapazität zur Ladungsspeicherung benutzt werden und die zum Obertragen der Ladung mit Taktimpulsen von äußeren Taktquellen gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (30) mit der einen Elektrode mit einem ersten Knotenpunkt (18) des Ladungsspeichers und mit der zweiten Elektrode mit einer Schaltung (40) verbunden ist, die inverse Taktimpulse (Kl) liefert

2. Ladungsspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Kondensators (30) gleich der Kapazität zwischen der Steuerelektrode und der Ausgangselektrode des ersten Halbleiters innerhalb des Ladungsspeichers ist.

3. Ladungsspeicher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (40) aus zwei in Serie liegenden Transistoren (42,44) besteht, wobei an der Steuerelektrode des einen Transistors (42) der Taktimpuls (Vl) liegt und das inverse Taktsignal (Vl) der Verbindung zwischen den beiden Transistoren entnommen wird.

4. Ladungsspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsspeicher aus in Reihe geschalteten bipolaren Transistoren besteht und die Schaltung (40) ebenfalls aus bipolaren Transistoren aufgebaut ist.

5. Ladungsspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Torelektrode des einen Transistors (44) zusammen mit der Drain-Elektrode an einem Referenzpotentia.l (VDD)Wtgt