DE2802595A1 - Schaltungsanordnung mit feldeffekttransistoren zur spannungspegelumsetzung - Google Patents

Description

Anmelderin: International Business Machines

\ Corporation, Armonk, N.Y. 10504

moe/se

Schaltungsanordnung mit Feldeffekttransistoren zur Spannuhgspegelumsetzung ' . - "

Die Erfindung betrifft eine mit Feldeffekttransistoren aufgebaute Schaltungsanordnung zur Spannungspegelumsetzung ent sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Im engeren Sinne bezieht sie sich auf eine mit Feldeffekttransistoren sowohl vom Anreicherungstyp als auch vom Verarmungstyp aufgebaute Schaltungsanordnung,, mit der ein Ausgangsspannungshub bereitgestellt werden kann, der zur zuverlässigen Ausschaltung von Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren einsetzist.

bekanntermaßen weisen Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren flen Vorteil auf, daß bei ihnen der bei Anreicherungstyp- : ?eldeffektransistoren zu berücksichtigende Sehwellwertspanlungsäbfall entfällt. Betreibt man solche Verarmungstyp- : Feldeffekttransistoren statt mit einer Eigenvorspannung ils geschaltete Transistoren, lassen sich damit bessere SeitablaufSteuerungen und reduzierte Anstiegsverzögerungen der entsprechenden Schaltungen erreichen. Auf der anderen Seite ist ein bekannter Nachteil solcher VerarmungstypiPeldeffekttransistoren darin zu sehen, daß sie sieh nicht mittels, derselben Gate-Source-Vorspannung aussehalten lassen, die normalerweise zum Ausschalten von Anreicherungstyp-

Der gleichzeitige Einsatz sowohl von Änreicherungs- als j jauch von Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ist an sich bekannt. Als ein Beispiel für Schaltungen dieser Art kann die Veröffentlichung im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 19, No. 31, August 1976, Seiten 922-923 angesehen werden.

Feldeffekttransistoren bereitgestellt wird. Dem Vorteil der Vermeidung des Schwellwertspannangsabfalls steht somit der Nachteil gegenüber, daß eine Null-Vorspannung zwischen Gate und Source nicht zur völligen Unterbindung eines Stromflusises durch einen solchen Verarmungstyp-Feldeffekttransistor ausreicht.

■In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, durch AnIe- ;gen einer negativen Vorspannung an das Substrat die Schwellwertspannung eines N-Kanal Feldeffekttransistors entsprechend anzupassen, vgl. US-PS 3 609 414. Dort wird die Substrat-' vorspannung jedoch nicht dazu verwendet, im Rahmen einer logischen Schaltung einen Signalspannungshub am Ausgang bereitzustellen, der gegenüber dem Spannungshub am Eingang unterschiedlich ist. Die Verwendung der Substratvorspannung ;zur zuverlässigen Ausschaltung von Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren wurde bisher nicht in Betracht gezogen.

jAufgabe der Erfindung ist es, eine demgegenüber verbesserte Schaltungsanordnung zur Spannungspegelumsetzung zwischen [Eingang und Ausgang anzugeben, bei der insbesondere der ,Ausgangsspannungshub zur zuverlässigen Ausschaltung von jVerarmungstyp-Feldeffekttransistoren ausreicht.

iZur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Patenti
anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Zusammengefaßt ist eine Eingangsstufe in Form eines Gegentakt-Verstärkers mit einem ersten Paar von Feldeffekttransistoren vorgesehen, die in Reihe 'zwischen einer ersten und einer zweiten Spannungsqueile liegt und mit der von dem logischen Eingangssignal die invertierten und nicht-invertierten SignalzustSnde erhalten werden können. Die Ausführung dieser Stufe als Gegentaktstufe wird wegen der damit möglichen größeren Schaltgeschwin-

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digkeit bevorzugt. Je nach dem Anwendungsfall kann jedoch auch ein Lastelement mit Eigenvorspannung eingesetzt werden. Weiterhin ist eine Ausgangsstufe vorgesehen, die zwischen der ersten Spannungsquelle und einer dritten Spannungsquelle (Substratspannung) liegt, die negativer als die zweite Spannungsquelle (Masse) ist. Diese Ausgangsstufe enthält ein zweites Paar von in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren und liefert ein Ausgangssignal mit einem dem Substratspannungswert angenäherten unteren Spannungspegel. Dieser untere Spannungspegel ist ausreichend niedrig, um Verarmungstyp-Feldeffekt transistoren in etwaigen Folgestufen sicher auszuschalten. Die Ausführung der die Eingangs- und Ausgangsstufe verbindenden Schaltung ist dabei unter Gesichtspunkten maximaler Schaltgeschwindigkeit bei möglichst geringem Verlustleistungsverbrauch durchgeführt. Dazu sind nach einer Ausführungsform eine kapazitive Kopplung und in einer weiteren Ausführungsform ein sog. Bootstrap-Schaltkreis mit einem Kondensator und einem Verarmungstyp-Feldeffekttransistor vorgesehen, die in Reihe zwischen den Ausgang und das Gate eines der Feldeffekttransistoren des zweiten Paares geschaltet sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs- !beispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

JEs zeigen:

jFig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein zugehöriges Spannungsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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Die in Pig. 1 gezeigte Schaltung ist mit Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp und vom Verarmungstyp aufgebaut. Durct den Verarmungstyp-Transistor T1 in Reihe mit dem Anreicherungstyp-Transistor T2 wird eine Eingangsstufe gebildet. Zwar ; sind in diesem Ausführungsbeispiel alle Transistoren N-Kanal !Transistoren, in gleicher Weise können jedoch auch bei entsprechender Anpassung der Spannungspolaritäten P-Kanal Feldeffekttransistoren verwendet werden. Die Drain von T1 ist mit einer ersten Spannungsquelle +V verbunden, während die !Source von T2 mit einer zweiten Spannungsquelle, in diesem Fall Massepotential, gekoppelt ist. Die Source von T1 ist elektrisch mit der Drain von T2 zum Schaltungsknoten N1 ver-

ibunden. An der Gate-Elektrode von T1 liegt ein Eingangssignal in einer Phasenlage (d.h. das nicht-invertierte bzw. direkte Eingangssignal) an, während an der Gate-Elektrode von T2 die komplementäre Phasenlage des Eingangssignales anliegt. In typischen Fällen wird der im logischen Zuordnungssinn untere Spannungspegel einen Potentialwert in der Nähe des Massepotentials darstellen, während der im logischen Sinne obere Spannungspegel potentialmäßig bei +V liegt.

Weiterhin ist eine Ausgangsstufe mit mindestens einem zweiten Paar von Feldeffekttransistoren T3 und T4 vorgesehen. T3 ist wiederum ein Verarmungstyp-Feldeffekttransistor, dessen Drain mit +V und dessen Source mit der Drain von T4 verbunden ist und den Augangsschaltungsknoten darstellt. T4 ist ein Anreicherungstyp-Feldeffekttransistor, dessen Source mit dem Substrat verbunden ist, von dem eine dritte Spannung abgeleitet wird, die negativer als Massepotential ist. Der mit CL bezeichnete Kondensator am Ausgangssehaltungsknoten symbolisiert die durch die Folgestufen repräsentierte Lastkapäzität.

Zur Verbindung der Eingangsstufe mit der Ausgangsstufe sind weitere Schaltungsmittel in Form der Transistoren TS, T6, T7 sowie des Kondensators CB vorgesehen. Die Transistoren T5 und ^T.

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sind VSrOnUtIrIgStS¹Pt-TrSnSiStOrOKr während T7 ein Änreicherungs— jtyp-Feldeffekt-transistor ist. Die Brain des Transistors T6 -ist wiederumt mit. +¥ verbunden* während! die zugehörige Source

t der Brain ?ob/T7 zum Schaltungsknoten M3 gekoppelt ist. ie Source van 17 ist mit dem Substrat verbunden., so daß

und T7 ein drittes Feldeffekttransistor paar bilden _f. das zwischen der ersten und dritten Spanntingsquelle angeordnet |ist. Ber Kondensiator G© wird dtirch eine mit dem Sehaltungslcnotea MI verbttndene Sate-Elefetrode sowie duxeh. eine radt dent ÖchaltöngsknoteHi SF2 verbundene SorBce-/Öralnzone gebildet. CB wird in der gezeigten Weise als edm ¥erarEßingsigfp-Feldeffektkondensator dargestellt, obwohl in gleicher Weise anch ein darchi eine anreicherTTEngstyp-Struktux zustandekommender Kondensator Verwendung finden kann. Ein. solcher Verarnumgstyp-Kondensator weist ein ioneniraplantiertes €ebiet auf _P jdas in. der gleichen Weise hergestellt. wird_r wie das für die Berstelliing von Feldeffekttransistoren vom, ¥erarmungstyp möglich ist.» SIs ¥orteil eines ¥erarmungstyp;-Kondensators ist. es anzusehen,, daß· damit eine über einen größeren Spanmangs-· bereich mögliehe Signalkoppliing erzielbar ist» Eine derartige Signalkopplung ist: sogar mit einer KtEll-^orspannung am Gate dieses latielemenites möglich. T5 ist bezüglich seiner Brain-Source-Schaltstreeke zwischen N2 und Substrat eingefügt und darüber hinaus mit dem Sate von 17 sowie dem Sate von T4 gekoppelt. D&e Sate-Elektroden der transistoren T¹S, TG und T3 sind in der gezeigten Weise mit dem Sehaltungsknoten. K3 verbunden.

In Fig. 3 ist ei» weiteres 2tasföhrungsbeispiel der Erfindung gezeigt« Bie Eingangsstufe ist ähnlich, wie in Fig« t aufgebaut und weist einen ¥erarmungst.yp-1ran^!sist©r Tt ί sowie einen Anreicherungsty/p-Oiransistor T%2 auf _f die in. Reihe geschaltet zwischen +¥ waä Massepotential liegen. Ber gemeinsame ¥er— bindungspunfet. an der Source von ΊΓ11 und an der Brain von ΊΗΪ2 bildet den Sehaltungsknoten Mil. Mm. den (Sate-Elektroden von·

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- to -

TIT und Tt 2 liegen, wiederum die gegenpiiasigen Werte des Eingangssignals.

Die Ausgangsstufe dieser Schaltung enthält ebenfalls ein Paar von Feldeffekttransistoren Tt3 unö TI4, die in Reihe

[zwischen der ersten Spannungsquelle +V und der dritten Spannungsquelle VSUB liegen. In diesem Äusführungsbeispiel sind jedoch beide Ausgangstransistoren TI3 und Tt4 Anreicherungstyp—Transistoren, was aus dem in die Koppelschaltung eingebauten Bootstrap-Schaltungsteil sowie der Sleichspannungspegel-Einstellsehaltung resultiert, auf die beide noch näher einzugehen sein wird.

!weiterhin ist die Kapazität CB* in gleicher Weise wie CB in Fig. 1 zur kapazitiven Kopplung der Schaltungsknoten Nt1 und Nt 2 vorgesehen. CB^r ist in diesem Fall wiederum als Verarmungstyp-Kondensator angenommen, obwohl dafür auch ein Anreicherungstyp-Kondensator eingesetzt werden kann. Der Verarmungstyp-Transistpr Tt5 ist bezüglich seiner Drain mit dem Schaltungsknoten Nt2 gekoppelt, während seine Source mit dem Substrat verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das dritte Paar von Feldeffekttransistoren, entsprechend den Transistoren T6 und T7 in Fig. t, durch eine Reihenschaltung der Transistoren Tt6, Tt7 und TI8 ersetzt. T16 ist ein Verarmungstyp-Transistor, dessen Drain an +V liegt, während die Source mit der Drain von TtS am Schaltungsknoten Kt4 !verbunden ist. Ti 8 ist ein Verarmungstyp-Feldeffekttransistor _s dessen Source mit der Drain von Tt 7 am Schaltungsknoten Nt 3 verbunden ist. Tt 7 ist ein Anreicherungstyp-Feldeffekttransistor, dessen Source an der Substratspannung liegt. Wie bereits erläutert wurde, bildet das Substrat eine dritte Spannungsquelle, die negativer als Massepotential ist. Die Gate-Elektroden von Tt6, TI7 und Tt8 sind gemeinsam an den Schaltungsknoten Nt2 angeschlossen. Beim Transistor T18 handelt es sich um einen Transistor mit Eigenvorspannung, dessen

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S ..

iGate-Elektrode mit dem Sehaltungsknoten N13 verbunden ist, |was auch für die Gate-Elektroden von Tl 5 und T13 gilt. Zu-

!sätzlich ist ein Bootstrap-Kondensator CA (in Form eines Jverarmungstyp-Kondensators) zwischen den Ausgangsknoten am !gemeinsamen Verbindungspunkt der Source von T13 und der Drain !von T14 und den Schaltungsknoten N14 am gemeinamen Verbinidungspunkt der Source von T16 und der Drain von T18 vorgesehen. jAuch hier gilt, daß die erforderliche Kapazität durch einen Anreicherungstyp-Kondensator dargestellt werden kann. Die Gate-Elektrode der Kondensatorstruktur für CA ist mit dem iSchaltungsknoten N14 verbunden, während die Souree-/Drainzonen

idieses Elementes mit dem Ausgangsknoten gekoppelt sind. Hinzuweisen ist besonders auf den Rüekkoppelpfad vom Ausgangsknoten über die Kapazität CA sowie T18 auf den Sehaltungsknoten N13 sowie die Gate-Elektrode von T13. Mit der Kapazität CL¹ soll die durch die Folgestufen repräsentierte Lastkapa-[zität dieses Schaltkreises angedeutet werden. Als weiteres Schaltelement ist in diesem Ausführungsbeispiel noch ein relativ klein ausgelegter Verarmungstyp-Transistor T19 vorgesehen, dessen Drain an +V und dessen Source am Ausgang liegt. Das Gate von T19 ist ebenfalls mit dem Ausgang verbunden, so daß Ti9 mit Eigenvorspannung betrieben wird. Im Falle sehr langer Impulszeiten wird über T19 die Aufreehterhaltung des oberen Spannungspegels am Ausgang gewährleistet.

Bekanntermaßen ist für die Betriebseigenschaften von Feldeffekttransistoren deren Auslegung in der Form bestimmter Weiten-/Längenverhältnisse (W/L) aufschlußreich. Im allgemeiner weist ein Transistor mit einem kleinen W/L-Verhältnis, d.h. mit einem geringen Aufwand an Halbleiterfläche, eine geringe Eingangskapazität bei allerdings auch geringen Stromübertragungseigenschaften auf. Umgekehrt benötigt ein Transistor mit einem großen W/L-Verhältnis relativ mehr Halbleiterfläche und weist eine höhere Eingangskapazität auf, kann aber erheb-

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j lieh größere Ströme bereitstellen. In der folgenden Tabelle sollen, ohne die Erfindung darauf zu beschränken, typische W/L-Verhältnisangaben für die in Pig. I benutzten Schaltelemente beispielhaft angegeben werden:

TRANSISTOR

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

W/L-VERHÄLTNIS

10:1 20:1 20:1 85:1

1:50 2,5:1 10:1

Für die Kapazität CB kann ein Wert von ungefähr 7,5 pF und für CL ein typischer Wert in der Größenordnung von 10 pF angenommen werden.

Für die in Fig. 3 eingesetzten Schaltelemente gelten die in der folgenden Tabelle zusammengestellten typischen Werte:

TRANSISTOR

T1	1	6
T1	2	7
T1	3	8
T1	4	T19
T15
T1
T1
T1

W/L-VERHÄLTNIS

10:1 20:1 60:1 85:1

1:50 12:1

9:1

3:1

1:1

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JFür die in diesem Ausführungsbeispiel vorkommenden Kapazitäiten CB' und CL' können die oben angegebenen typischen Werte Jangenommen werden, während für den Rückkoppelkondensator ein typischer Wert von etwa 3 bis 4 pF gelten kann.

Dem Mehraufwand an Halbleiterflache für die Schaltung von Fig. 3 infolge der zusätzlichen Bauelemente T18, T19 und jCA sowie der größeren Fläche für T13 steht die demgegenüber [geringere Verlustleistungsaufnahme sowie die Erzielung des •vollen unteren Spannungspegels VSUB gegenüber.

!Angesichts der obigen Ausführungen zu den W/L-Verhältnissen, mit denen die Bauelemente an die jeweiligen speziellen Anforderungen angepaßt werden können, ist noch einmal festzustellen, daß weniger die Anzahl der Bauelemente als deren !individuelle Größenauslegung bei einer Integration ins Gejwicht fällt. Weiterhin ist festzustellen, daß wegen der gelingen Eingangskapazität der Eingangsstufen besondere An-If orderungen an den Ausgang der etwaigen Vorstufen entfallen jkönnen. Das wäre nicht der Fall _r wenn die Eingänge direkt mit den relativ großen Bauelementen, z.B. T4 oder T14, verbunden wären.

Die angegebenen Schaltungen liefern bei ihrem Betrieb Impulse, mit denen sowohl Verarmungstyp- als auch Anreicherungstyp-Feldeffekttransistoren in nachfolgenden Stufen zuverlässig ausgeschaltet werden können. Der Einsatz von Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren gestattet überdies das Aufladen von Schaltüngsknoten auf die volle Versorgungsspannung +V_f wenn ihre Gate-Elektroden an +V liegen. Mit Anreicherungstyp-Feldeffekttransistoren können demgegenüber nur Aufladungen auf einen um den Wert der Schwellwertspannung reduzierten Potentialwert der Versorgungsspannung erreicht werden. Diese Vorteile von Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren fallen besonders, bei Anwendungen im Zusammenhang mit Speicherzellen und

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peripheren Speicherschaltungen, z.B. Aufladesehaltungen für Bitleitungen, Decodierer, Verriegelungsstufen oder dergleiichen ins Gewicht, bei denen ein Schaltungsknoten schnell auf die volle Versorgungsspannung aufgeladen werden soll, wonach sie praktisch so schnell wieder ausgeschaltet werden können, als wären sie dann nicht mehr länger im. Rahmen der ; jeweiligen Schaltung vorhanden. Beim Aufbau solcher Wieder- ; aufladesehaltungen mit Anreicherungstyp-Feldeffekttransistoren _: !würde eine erhebliche Anzahl von Problemen zu bewältigen sein, j j Wie bereits gesagt wurde, könnte eine Aufladung nur bis zum {um die Schwellenspannung reduzierten Wert der Versorgungs- : spannung erfolgen und zum andern würde wegen des Betriebs | !der Wiederaufladeelemente als Sourcefolger der endgültige IPotentialübergang relativ langsam ausfallen.

Ein weiteres wünschenswertes Merkmal bei derartigen Schaltungen ist, daß sie einen sehr schnellen Übergang auf den unteren Spannungspegel aufweisen. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn diese Schaltungen zum Abschalten von Vor- j lade-Elementen in monolithischen Halbleiterspeichern einge- , setzt werden sollen. Solche Vorlade-Elemente werden normaler- ; weise eingesetzt, um vor einer Speicherselektion die Potentiale der Bitleitungen auszugleichen. Unmittelbar mit dem Auftreten eines Selektionsimpulses ist es jedoch erwünscht, diese Vorlade-Elemente möglichst schnell absehalten zu können, was durch die angegebenen Schaltkreise möglich ist.

Anhand von Fig. 2 soll im folgenden die Arbeitsweise einer Schaltung der in Fig. 1 angegebenen Art näher beschrieben werden. Dabei ist angenommen, daß die Eingangssignale einen unteren Spannungspegel entspreehend Massepotential und einen oberen Spannungspegel entsprechend +V aufweisen. Am Ausgang sollen die oberen Spannungspegel durch das Potential +V, die unteren logischen Spannungspegel jedoch durch ein dem Substratpotential VSUB möglichst nahekommendes Potential

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dargestellt werden. Um ein Beispiel zu geben, sei beispielsweise für +V ein Wert von ungefähr 5V und ein Substratpotential von ungefähr -5V angenommen. Die an den Eingängen ;A und B anliegenden Eingangssignale werden als gegenphasige !Signale zum Gegentaktbetrieb der Eingangsstufe vorausgesetzt. Das Eingangssignal am Anschluß A kann beispielsweise ;ein Chip-Auswahlimpuls (CS) sein, während bei einem Betrieb mit einem monolithischen Speicher das Eingangssignal am Anschluß B das dazu gegenphasige Eingangssignal wäre, wenn ,nämlich ein solcher Auswahlvorgang nicht vorliegt. Liegt am jEingang A der obere Spannungspegel, wird T1 voll eingeschaltet, während infolge des unteren Spannungspegels an B T2 voll ausgeschaltet ist. Dadurch nimmt der Schaltungsknoten N1 den Potential +V an. Festzuhalten ist, daß das Potential am Schaltungsknoten N1 niemals ganz auf Massepotential herunterigeht, da durch ein Signal mit dem unteren Spannungspegel an

A T1 nie völlig ausgeschaltet wird.

Das Signal an N1 wird kapazitiv auf den Sehaltungsknoten N2 gekoppelt. Da der Schaltungsknoten N2 vorher auf dem Substratpotential von ungefähr -5V gehalten wurde, wird durch die kapazitive Einkopplung des Signals mit einer Amplitude von nahezu 5V (4,6V) das Potential an N2 auf etwa -1V erhöht. (Dabei ist ein kleiner Spannungsabfall über dem Kondensator CB bereits berücksichtigt.) Dadurch wird eine Gate-Source-Vorspannung von etwa 4V für den Transistor C7 bereitgestellt, der daraufhin einschaltet und den Schaltungsknoten N3 auf einen Potentialwert nahe dem Substratpotential bringt. Ganz wird das Substratpotential am Schaltungsknoten N3 wegen des verbleibenden Stromes durch den Verarmungstyp-Transistor T6 nicht erreicht. Der Potentialwert von N3 kann mit etwa -4,5V angenommen werden. Mit dem Einsehalten von T7 wird auch T4 eingeschaltet und entlädt die Lastkapazität GL, wodurch der Ausgang ungefähr auf das Substratpotential heruntergezogen wird. Bei einer Spannung von -4,5V an N3 befindet sich T3 im

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iZustand geringer Leitfähigkeit (hochohmig), wobei jedoch weiter-

.hin ein Reststrom fließen kann, da T3 ein Verarmungstyp-Feld- '

ieffekttransistor ist. Aus diesem Grund geht das Potential ;

am Ausgang nicht vollständig auf den Wert der Substratspan- j

nung, sondern nur auf ungefähr -4,5V herunter. Dadurch wird j

ein Gleichstrompfad von +V über T3 und T4 nach VSUB gebildet, !

der in manchen Anwendungsfällen unerwünscht sein kann und !

durch die Ausführungsform entsprechend Fig. 3 beseitigt j

jwird. j

ι j

i Beim Umschalten des Eingangssignals wird T2 wieder eingeschal- ; tet und T1 ausgeschaltet. Dadurch geht das Potential des i Schaltungsknotens NT auf ungefähr 0,4V, d.h. etwa Massepotential. Dieser negative Impulsübergang wird über den Kondensator CB auf den Schaltungsknoten 2 gekoppelt, der dadurch das Substratpotential von -5V annimmt und T7 und T4 ausschaltet. Beim Ausschalten von T7 wird der Sehaltungsknoten j ÜT3 über T6 auf +V aufgeladen, wodurch T5 voll eingeschaltet wird und dadurch den Schaltungsknoten N2 auf Substratpotential hält. Eine wichtige Punktion von T5 besteht darin, den Schaltungsknoten N2 auf dem Substratpotential zu halten, um über CB eine Vorspannung von ungefähr 5V aufrechtzuerhalten. Durch die Aufladung des Schaltungsknotens N3 auf +V wird ferner T3 voll eingeschaltet und bringt das Potential am Ausgang auf +V, wodurch die Lastkapazität auf +V aufgeladen wird.

Jnter Bezugnahme auf Fig. 3 sollen im folgenden einige mit wenigen zusätzlichen Bauelementen erzielbare Verbesserungen hinsichtlich einer gegenüber Fig. 1 erzielbaren geringeren /erlustleistung erläutert werden. Für die Eingangssignale werden dazu mit der obigen Beschreibung vergleichbare Spaniungspegel angenommen. Liegt an A¹ ein Eingangssignal mit lern oberen Spannungspegel und gleichzeitig an B^! ein Signal :nit dem unteren Spannungspegel, wird T11 voll eingeschaltet

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!und Τ12 voll ausgeschaltet, so daß der Schaltungsknoten N11 Idas Potential +V annimmt. Dieses Signal wird kapazitiv auf j den Schaltungsknoten N12 gekoppelt. Nimmt man an, daß +V etwa 5V beträgt, beträgt der Potentialübergang etwa 5V, wo- !durch der Schaltungsknoten N12 vom Substratpotential auf ! j etwa Massepotential angehoben wird. Dadurch werden T14 und j j TI 7 ein- und T16 ausgeschaltet. T14 entlädt dabei die Last- ί ikapazität CL' auf das Substratpotential. Beim Einsehalten von ]

i ;

;T17 wird der Schaltungsknoten N13 auf nahezu Substratpotential ι !gebracht, wodurch T13 voll ausschaltet. Zu diesem Zeitpunkt j existiert kein Gleichstrompfad von +V zum Substrat außer über Iden Verarmungstyp-Peldeffekttransistor T19, der jedoch so ,klein ausgelegt ist, daß darüber nur ein hinsichtlich der !Verlustleistung vernaehlässigbarer Strom fließen kann, was ϊgleichermaßen für die Reihenschaltung von T16, T18 und T17 j gilt.

Geht das Signal am Eingang A¹ wieder auf den unteren Spannunspegel während das Signal am Eingang B¹ auf den oberen Spannungspegel übergeht, wird T11 wieder in seinen geringen Leitfähigkeitszustand geschaltet und T12 voll eingeschaltet. Dadurch wird der Schaltungsknoten N11 von +V auf nahezu Massepotential entladen, wobei der kleine Reststrom durch T11 berücksichtigt ist. Dieser negative Signalübergang wird über den Kondensator CB¹ auf den Schaltungsknoten N12 gekoppelt, der dadurch wieder auf das Substratpotential zurückgeht und dabei die Transistoren TI4, T16 und T17 absehaltet. T15 wird durch den oberen Spannungspegel am Sehaltungsknoten N13 eingeschaltet, wodurch sichergestellt ist, daß der Sehaltungsknoten N12 auf einem Potentialwert nahe VSUB bleibt, so daß über dem Kondensator CB¹ eine Vorspannung von 5V aufrechterhalten bleibt. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, daß, wie in der Schaltung nach Pig. 1, die Potentialdifferenz über CB· entweder durch Massepotential gegenüber VSUB oder durch +V gegenüber Massepotential gebildet wird. Weiterhin ist fest-

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i - 18 -

j ;

!zuhalten, daß der Schaltungsknoten N14 über den Stromfluß !durch T16 auf etwa +V aufgeladen war. Wird T14 ausgeschaltet, ! beginnt das Potential am Ausgang anzusteigen. Dieser Spannungsjübergang am Ausgang wird über den Bootstrap-Kondensator CA jauf den Schaltungsknoten N14 gekoppelt, der dadurch auf |einen Potentialwert über +V angehoben wird. In an sieh be- ; jkannter Bootstrap-Wirkungsweise wird beim Anstieg des Aus- · Igangspotentials auf +V für die Sehaltungsknoten N14, NI3 sowie !das Gate von T13 ein Potentialwert größer als +V erreicht, ; !wodurch der Ausgangsknoten auf den vollen Wert +V der Verjsorgungsspannung ansteigen kann. Bei sehr langen Impulsjzeiten wird über den Transistor T19 genügend Strom auf den !Ausgangsknoten geliefert, um ihn auf +V zu halten, selbst jwenn das Potential am Sehaltungsknoten N13 auf +V oder darunter abnehmen sollte.

Damit ist eine Schaltung angegeben, mit der Verarmungstyp- i Feldeffekttransistorschaltungen zuverlässig und schnell ausgeschaltet werden können. Werden solche Sehaltungsanordnungen im Zusammenhang mit Vorladeschaltungen im Rahmen monolithischer Speicheranordnungen eingesetzt, können sie direkt als Aufladespannungsguelle dienen, um ausreichend negative Spannungen zum ausschalten der Verarmungstyp-Bauelemente zu liefern, wodurch Gleichstromverluste und eine unerwünscht hohe Dauerverlustleistung in den peripheren Speicherschaltungen vermieden werden können.

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L e e r s e ί t e

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Schaltungsanordnung zur Spannungspegelumsetzung von Binärsignalen mit in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordneten Änreicherungstyp- und Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren sowie daraus gebildeten Gegentaktstufen, insbesondere zur Bereitstellung potentialmäßig zuverlässiger Ausschaltspannungen für Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren in Folgeschaltkreisen, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Eingangsgegentaktstufe mit einem ersten Paar von Feldeffekttransistoren (Ti₇ T2; T11, T12), die zwischen einem ersten und einen zweiten Betriebspotential in Reihe geschaltet sind, sowie durch eine über Koppelschaltmittel damit verbundene Ausgangsstufe mit einem zweiten Paar von Feldeffekttransistoren (T3, T4; T13, T14), die zwischen dem ersten und einem dritten, vom Substratpotential abgeleiteten Betriebspotential in Reihe geschaltet sind und deren gemeinsamer Verbindungspunkt den Schaltungsausgang bildet.

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschaltmittel mindestens zwei weitere Feldeffekttransistoren (T6, T7; T16-T18) umfassen, die zwischen dem ersten und dem dritten Betriebspotential in Reihe geschaltet sind.

   Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschaltmittel weiterhin einen Kondensator (CB, CB¹) zur Herstellung einer Kopplung einer Eingangsstufe mit der Ausgangsstufe und einem der weiteren Feldeffekttransistoren (T7, T17) sowie einen Verarmungstyp-Feldeffekttransistor (T5, T15) umfassen, dessen Drain-Source-Schaltstrecke zwischen dem Kondensator und dem dritten Betriebspotential (V SUB) liegt.

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   ORIGINAL INSPECTED

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (CB, CB¹) als Feldeffekttransistorstruktur ausgebildet ist, dessen Gate mit der Eingangsstufe verbunden ist und über dessen Gate-Vorspannung im Halbleitersubstrat unterhalb der Gate-Elektrode ein Inversionsbereich aufrechterhalten wird.

   5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarmungstyp-Feldeffekttransistor (T5, T15) hinsichtlich seines Drain-Gebietes elektrisch

   mit der Source und/oder Drain der den Kondensator dar- ; stellenden Feldeffekttransistorstruktur verbunden ist.

   6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

   ί zeichnet, daß die .im Rahmen der Koppelschaltmittel vor- : gesehenen weiteren Feldeffekttransistoren aus der Reihen- ; schaltung eines ersten Feldeffekttransistors (T7) vom Anreicherungstyp und eines zweiten Feldeffekttransistors _i (T6) vom Verarmungstyp bestehen, daß die Drain des Ver- , armungstyp-Feldeffekttransistors (T6) mit dem ersten j Betriebspotential, die Source des Anreicherungstyp-Feld- j effekttransistors (T7) mit dem dritten Betriebspotential i sowie die Source des Verarmungstyp-Feldeffekttransistors mit der Drain des Anreicherungstyp-Feldeffekttransistors verbunden ist. |

   i Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ins·?

   besondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß i die im Rahmen der Koppelschaltmittel vorgesehenen wei- j teren Feldeffekttransistoren aus der Reihenschaltung eines ersten sowie eines zweiten Verarmungstyp-Feldeffekttransistors (T15, T18) sowie eines dritten Anreicherungstyp-Feldeffekttransistors (T17) bestehen, daß die Drain des ersten Verarmungstyp-Feldeffekttransistors (T16 an das erste Betriebspotential, die Drain des zwei-

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   ten Verarmungstyp-Feldeffekttransistors (T18) an die Source des ersten Feldeffekttransistors (T16), die Drain des dritten Feldeffekttransistors (T17) vom Anr eicher ungs-! typ mit der Source des zweiten Verarmungstyp-Feldeffekttransistors (T18) und die Source des Anreicherungstyp-Feldeffekttransistors (T17) an das dritte Betriebspotential (V SUB) angeschlossen ist.

   Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,daß ein Bootstrap-Kondensator (CA) zwischen den Schaltungsausgang und den gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren (T16, T18) der im Rahmen der Koppelschaltmittel vorgesehenen weiteren Feldeffekttransistoren eingeschaltet ist.

   Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bootstrap-Kondensator (GA) als Feldeffekttransistorstruktur, insbesondere vom Verarmungstyp, ausgebildet ist, dessen Gate mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Verarmungstyp-Feldeffekttransistoren (T16, T18) und dessen Source und/oder Drain mit dem Schaltungsausgang verbunden ist.

   lö. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe aus der Reihenschaltung eines Anreicherungstyp-Feldeffekttransistors (T2, T12) und eines Verarmungstyp-Feldeffekttransistors (T1, T11) besteht, deren jeweilige Gate-Elektroden mit Eingängen für die in gegenphasiger Form vorliegenden Eingangssignale verbunden sind.

   11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Ausgangsstufe vorgesehene Paar von Feldeffekttransistoren (T6, T7) aus einem Verarmungstyp-Feldeffekttransistor und

   Fi 976 046 809831/0714

   - 4 einem Anreicherungstyp-Feldeffekttransistor besteht.

   12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Ausgangsstufe vorgesehene weitere Paar von Feldeffekttransistoren (T13, T14) aus zwei in Reihe geschalteten Anreieherungstyp-Feldeffekttransistoren besteht.

   13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schaltungsausgang und das erste Betriebspotential die Drain-Source-Schaltstrecke eines weiteren Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp (T19) eingeschaltet ist, dessen Gate-Elektrode mit dem Schaltungsausgang verbunden ist.

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