DE2740799C3 - Schaltungsanordnung zur Signalpegelanpassung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung in CMOS-Technik zur Signalpegclanpassung beim Übergang von binaren Schaltnctzen mit kleinem Signalhub auf Schaltnetze mit großem Signalhub.

Beim Aufbau von Datenverarbeitungssystemen, in denen sowohl Schaltungsglieder in TTL-Tcchnik als auch Schaltgungsglieder in CMOS-Technik eingesetzt werden sollen, stellt sich das Problem der Signalpegel anpassung beim Übergang zwischen Schaltungsgliedern beider Arten. Schwierigkeiten bereitet vor allem der Übergang von TTL-Schaltungsgliedern mit ihrem vergleichsweise kleinen Signalhub von annähernd 3 V oder weniger auf CMOS-Schaltungsglieder mit dem wesentlich höheren Signalnub von beispielsweise 10 V.

Schaltungsanordnungen zur Signalpegelanpassung, im folgenden kurz als Pegelwandler bezeichnet, sind bekannt. Neben Pegelwandlern in rein dynamischer Schallungstechnik, die hier nicht weiter in Betracht gezogen werden, sind Anordnungen bekannt, bei denen in Serie zu der Durchlaßstrecke eines von dem Eingangssignal direkt gesteuerten MOS-Transistors vom Anreicherungstyp ein passives Lastelement geschaltet ist. Das Lastelement kann ein ohmscher Widerstand, eine MOS-Diode oder ein Verarmungstyp-Transistor vom gleichen oder komplementären Kanaltyp wie der gesteuerte Transistor sein (vgl. IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 18, Nr. 5, Okt 1975, S. 1450).

Alle Schaltungsanordnungen dieser Art weisen eine unerwünscht hohe statische Verlustleistung und eine mäßige Schaltgeschwindigkeit auf. Wenn der gesteuerte

ίο Transistor leitend ist, fließt ein Querstrom zwischen den Polen der Versorgungsspannungsquelle über das ebenfalls leitende Lastelement. Um zu erreichen, daß der Querstrom in erträglichen Grenzen bleibt und daß der tiefere Signalpegel am Ausgang der Schaltungsanordnung hinreichend klein wird, muß das Lastelement einen gegenüber dem Durchlaßwiderstand des gesteuerten Transistors hohen Widerstand besitzen. Damit werden die ansteigenden Flcnken des Ausgangssignals entsprechend flach.

Grundsätzlich könnte als Pegelwandler auch ein CMOS-Inverter mit zwei zwischen den Polen einer Versorgungsspannungsquelle in Serie geschalteten, komplementären MOS-Transistoren mit parallel geschalteter, Steuerelektroden Verwendung finden. Der praktische Einsatz zu diesem Zweck scheitert jedoch daran, daß der höhere, am Eingang anliegende Signalpegel noch nicht in der Lage ist, den p-Kanal-Transistor zu sperren. Beim Wechsel des Signalpegels am Steüereingang verbleibt somit der p-Kanal-Transistör im leitenden Zustand, wobei sich nur der Grad der Leitfähigkeit verändert. Damit wird aber keine nennenswerte Verbesserung gegenüber den vorher erwähnten Pegelwandlern in statischer MOS-Einkanaltechnik erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pegelwandler zur Umwandlung der Ausgangssignale von TTL-Schaltungsgliedern in die für CMOS-Schaltungsglicder typischen Steuersignale mit einem Signalhub von beispielsweise 10 V anzugeben, wobei der Pegelwaudler in Bausteine mit CMOS-Schaliungsgliedern inlegrierbar sein und auch die vorteilhaften Eigenschaften dieser Schaltungsglieder, nämlich die hohe Schallgeschwindigkeit und geringe Ruhcvcrlustleistung, aufweisen soll.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Pegelwandler gelöst, der ähnlich einem CMOS-Invertcr aufgebaut ist und die im kennzeichnenden Teil des Palentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale aufweist.

Die Verwendung von Diodenanordnungen /ur Pegelverschiebung von Signalen in einem Pcgclwandlcr mit bipolaren Transistoren isi bereits durch die DE-OS 25 28 449 bekannt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. I die Grundschaltung des Pegelwandlers und
F i g. 2 bis 4 Ausführungsbeispicle für eine Diodenanordnung zur Pegelverschiebung.

Nach Fig. 1 liegen die steuerbaren Durchlaßstrecken von zwei komplementären Transistoren TN i und TP1 in Serie zwischen den Polen Kw und Vm, einer Versorgungsspannungsquelle. Der Verbindungspunkt der beiden Transistoren TNi und TPi bildet den Ausgang A des Pegelwandlers. Die Steuerelektrode des n-Kanal-Transistors TNi ist unmittelbar mit dem Eingang E des Pegelwandlers verbunden. Dagegen ist zwischem dem Eingang und der Steuerelektrode des p-Kanal-Transislors TPi eine Quelle konstanter Span-

nung U mit den Anschlußpunkten 1 und 2 eingefügt Diese Quelle konstanter Spannung U dient dazu, die an dem Eingang E anliegenden Signalpegel um einen konstanten Betrag so zu verschieben, daß sie in der Lage sind, den p-Kanal-Transistor TPX eindeutig zwischen dem gesperrten und dem lebenden Zustand zu steuern. Die Höhe der erforderlichen Spannung L/hängt dabei von der Höhe der Versorgungsspannung Vdd— Vss und von der auf den Senkenansi.hluß bezogenen Größe der Schahschwelle S des p-Kanal-Transistors TPi ab. Bezeichnet man die beiden Pegel des Eingangssignals mit EO und £1, wobei £0 im allgemeinen kleiner als 0,4 V ist und £1 etwa 3 V oder darüber beträgt, dann muß die Beziehung gelten: Ei + U> VW-K₅- S.

Als Quelle konstanter Spannung U eignet sich am besten eine ständig siromdurchflossene Diodenanordnung, die je nach der notwendigen Höhe der Spannung Ü aus einer Zenerdiode oder aus der Serienschaltung einer Zenerdiode und einer oder mehrerer in Durchlaßrichtung gepolter Dioden bestehen kann. Solche Diodenanordnungen lassen sich in dem normalen Herstellungsprozeß der CMOS-Technik realisieren. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung auf einem isolierenden Saphirsubstrat, da die zur Pegelverschiebung vorgesehene Diodenanordnung keine Isolierwannen benötigt und damit besonders platzsparend integriert werden kann. Dagegen werden solche Isolierwannen bei der Ausführung in CMOS-Technik auf einem Siliziumsubslral erforderlich.

Da die Steuerelektroden MOS-Transistoren im stationären Zustand keinen Strom führen, muß zur Erzeugung einer definierten Spannung über eine Diodenanordnung ein Hilfsslrom durch diese vorgesehen werden. Es genügt hier ein Strom von wenigen μΑ (ca. 5—10 μΑ). Der Hilfsstrom erhöht damit die bei CMOS-Schaltungen durch die sehr geringen Leckströme der Transistoren bedingte statische Verlustleistung nur unwesentlich. Zur Erzeugung des Hilfsstroms dient ein p-Kanal-Transistor TP2 vom Anreicherungstyp. dessen steuerbare Durchlaßstrecke gemäß Fig. 1 die Steuerelektrode des Transistors TPl mit dem positiven Pol ν_υυ der Versorgungsspannur.gsquelle verbindet.

ίο Die Steuerelektrode dieses zusätzlichen Transistors TP2 liegt am negativen Po! Vss der Versorgungsspa.inungsquelle. Die geringe Leitfähigkeit des zusätzlichen p-Kanal-Transistors TP2, die durch eine entsprechende geometrische Dimensionierung erreicht wird, beeinflußt die Schaltgeschwindigkeit des vorgeschlagenen Pegel-Wrndlers nicht ungünstig, da die Änderungen der Eingangsspannung über den relativ kleinen dynamischen Widerstand der Diodenanordnung auf die Steuerelektrode des Transistors TPl übertragen werden. Zur Stromeinspeisung in die Diodenanordnung kann auch ein hochohmiger Widerstand dienen, der an die Stelle der steuerbaren Durchlaßstrecke des Zusatztransistors TP2 tritt.

Die Fig.2 bis 4 zeigen Beispiele für die Ausführung von Diodenanordnungen aus dünnen Schichten von Silizium mit verschiedener Dotierung auf einem Saphirsubstrat Sub. Jeweils neben den Darstellungen der Schichtanordnungen sind die entsprechenden Schaltzeichen und ungefähren Werte der Spannung U angegeben. Der Stromfluß findet von rechts nach links statt. So wirkt beispielsweise der n-p-Übergang nach Fig.2 als Zenerdiode mit einer Schwellwertspannung von etwa 5,5 V, wobei natürlich die Stärke der Dotierung noch eine Rolle spielt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung in CMOS-Technik zur Signalpegelanpassung beim Obergang von binären Schaltnetzen mit kleinem Signalhub, wie TTL-Schaltungen, auf Schaltnetze mit großem Signalhub, wie CMOS-Schaltungen, mit einem p-Kanal-MOS-Transistor und einem n-Kaual-MOS-Transistor vom Anreicherungstyp, deren Durchlaßstrecken in Serie zwischen den Polen einer Versorgungsspannungsquelle liegen und deren gegenseitige Verbindungspunkte den Ausgang bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mit dem Eingangsanschluß (Ξ) unmittelbar verbundenen Steuerelektrode (Gate) des n-Kanal-Transistors (TNi) und der Steuerelektrode des p-Kanal-Transistors (TPi) eine von einem schwachen Strom im μΑ-Bereich durchflossene Diodenanordnung zur Erzeugung eLies wenigstens annähernd konstanten Spannungsabfalls (U) vorgesehen ist, zur Verschiebung der an der Steuerelektrode des p-Kanal-Transistors (TPl) wirksamen Signalpegel gegenüber den Pegeln des Eingangssignals, derart, daß der p-Kanal-Transistor (TP 1) durch den höheren Pegel des Eingangssignals sicher gesperrt wird, daß ferner die Diodenanordnung aus einer Zenerdiode oder aus der Serienschaltung einer Zenerdiode und einer oder mehrerer in Durchlaßrichtung gepolter Dioden besteht und daß der die Diodenanordnung durchfließende Strom durch einen ständig leitenden, weiteren MOS-Transistor (TP2) mit hohem Durchlaßwiderstand im ΜΩ-Bereich erzeugt wird, der die Steuerelektrode und den Senkanschluß des p-Kanal-Transisiors (TPi !überbrückt.

2. .Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der weitere MOS-Transistor (TP2) ein p-Kanal-Transistor vom Anreicherungstypist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der weitere MOS-Transistor (TP2) ein p-Kanal- oder n-Kanal-Transistor vom Verarmungstyp ist.