DE2807531A1

DE2807531A1 - Ausgangsschaltung

Info

Publication number: DE2807531A1
Application number: DE19782807531
Authority: DE
Inventors: Basant K Khaitan
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1977-02-23
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1978-08-24
Also published as: JPS53105949A; US4096398A

Description

PATENTANWÄLTE Q D Π 7 ^ ^

R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER J. RICHTER F. WERDERMANN

DIPL.-ING. DIPL.-CHEM. DIPL.-ING. D1PL.-ING.

MÖNCHEN

HAMBURG

2OOO HAMBURG 36 % V 2<

NEUER WALL 1O TEL. (O4O) 34 00 45 34 OO 56 TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

unsere Akte: jj 77 227 DH

IHR ZEICHEN:

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT:

BEZEICHNUNG: ANMELDER:

ERFINDER:

23. Februar 1977

(entspr. US-Anm. Serial No. 771

Ausgangsschaltung

National Semiconductor Corporation Semiconductor Drive
Santa Clara, Kalif. V.St.A.

Basant K. Khaitan, Ingenieur

930 Foxridge Way

San Jose, Kalif., V.St.A₀

809834/0857

Konten: Deutsche Bank AG, Hamburg, Konto-Nr. 6/10055 (BLZ 20070000) · Postscheckamt Hamburg, Konto-Nr. 2620 80-201 (BLZ 20010020)

Die Erfindung betrifft eine Ausgangsschaltung zum universellen Einsatz mit MOS-Transistoren, die mit positiven und negativen, an sie angelegten Versorgungsspannungen betreibbar ist, für die Ansteuerung von direkt an diese Ausgangsschaltung angeschlossenen Logik-Gattern, die für den Betrieb unter Einsatz von nur einer positiven Versorgungsspannung ausgelegt sind.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Metall/Oxid/Halbleiter-Schaltungen mit Kanälen vom p-Leitungstyp oder PMOS-Schaltungen (PMOS - p-channel metal oxide semiconductors) und ist insbesondere auf Ausgangsschaltungen gerichtet, die zur direkten Zusammenschaltung mit oder zur Ansteuerung von anderen Schaltungen ausgelegt sind, wie beispielsweise die Arten von Schaltungen, die als Metall/Oxid/Halbleiter-Schaltungen mit Kanälen vom n-Leitungstyp oder NMOS-Schaltungen (NMOS - n-channel metal oxide semiconductors) als Transistor/Transistor-Logikschaltungen oder ¹STL- Sc haltung en und als komplementäre Metall/Oxid/Halbleiter-Schaltungen oder CMOS-Schaltungen (CMOS - complementary metal oxide semiconductors) bekannt sind.

Bei den NMOS-, TTL- und CMOS-Schaltungen ist eine Schaltungstradition entwickelt worden, nach welcher eine einzige positive Stromquelle, die auf Massepotential bezogen ist, zum Betrieb dieser Schaltungen eingesetzt wird. Typischerweise wird eine 5-V-Stromversorgung verwendet, und eine Eingangsspannung, die in der Nähe von 5^V liegt, stellt den logischen Spannungswert "1" dar, während eine nahe bei OV oder Massepotential liegende Eingangsspannung den logischen Spannungswert "0^M bildet. Ferner können bereits Eingangsspannungen von weniger als 0,6V, die

8UÖ834/0857

— '7 —

negativ gegenüber Massepotential sind, die Bauelemente schädigen oder Störungen aufgrund parasitärer aktiver Schaltungselemente hervorrufen.

Gerade bei hochintegrierten Schaltungen oder LSI-Schaltungen (LSI - large scale integration) haben sich PMOS-Schaltungen als sehr zweckmäßig erwiesen, bei denen große Zahlen von Halbleiterbauelementen und Schaltungsfunktionen in ein einziges Schaltungsplättchen einbezogen werden können« Bs hat sich jedoch herausgestellt, daß bei PMOS-Schaltungen ein Betrieb mit über 5? hinausgehenden Spannungen wünschenswert ist» Das Substrat des HaIbleiterplättchens wird mit dem mit Y_gs gekennzeichneten positiven Stromversorgungsanschluß als das am stärksten positive Bauelement verbunden. Alle Transistoren werden mit einem verhältnismäßig stark negativen Potential betrieben, das mit -~Vqq bezeichnet ^jird» Dehnt man die Vereinbarung über die positiven logischen Spannungswerte, wie sie bei den oben erwähnten Arten von Schaltungen in Anwendung gebracht wird_s auf diese Bauelemente aus, so ist in der PMOS-Schaltungstechnik der logische Spannungswert ⁸⁵O^M ein negatives Potential in bezug auf Vgg* und der logische Spannungswert ^M1^M ein in der Nähe von ¥_oe liegendes Potentiale

Es ist bekanntj daß Schwierigkeiten damit verbunden sind₈ wenn PMOS-Schaltungen mit den anderen Arten von Schaltungen verbunden werden. In der vorbekannten Schaltungstechnik werden derartige Verbindungen oft unter Einsatz sogenannter ^Schnittstellenschaltung gen" hergestellt, die die get-Jünschte Signalpegelumwan&lung liefern» In einigen fällen \<ri.rd die PMQS-Ausgangssela&ltung bezogen auf einen "Masseanschluß" oder einen Potenfcialbezugswert betriebene Diese letztere Vorgehensweise ist allerdings nicht erwünscht₉

weil sie einen zusätzlichen Anschlußstift "bei dem integrierten Schaltungsbaustein erforderlich macht und den Ausgangsschaltungen konstruktive Einschränkungen auferlegt, die in der Praxis nur schwierig erfüllbar sind.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine PMOS-Ausgangsschaltung zu schaffen, die mit den Anforderungen für die Ansteuerung von anderen Arten von Schaltungen ohne die Zuhilfenahme von "Masseanschlüssen" kompatibel ist und dabei diese TTL-,CMOS- und NMOS-Schaltungen direkt in der Weise ansteuern soll, daß übermäßig hohe Ströme vermieden werden, d.h. diese PMOS-Ausgangsschaltung soll in ihrem Strom begrenzt sein und ferner Kreise zur Anwendung bringen, die nach den Begriffen der Parameter bei der Hersteilung der PMO S-Sc haltung en selbstkompensierend sind«,

Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene, erfindungsgemäße Ausgangsschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangsstufe zwei MOS-Ausgangstransistoren umfaßt, von denen der eine als Stromquelle, und der andere als Stromsenke in bezug auf einen Ausgangsanschluß geschaltet sind, daß eine Schaltung zur Ansteuerung der beiden HOS-Ausgangstransistören, mit zueinander komplementären logischen oder Datensignalen vorgesehen ist, und daß eine Schaltung zur Begrenzung des Stromflusses bei dem genannten, als Stromsenke geschalteten MGS-Äusgangstranssistor vorgesehen ist,

Diese und andere !Forteile und Merkmale der Erfindung werden mit der wie folgt aufgebauten MOS-Ausgangsschaltung erreichts Zwei Transistoren werden zwischen die Stroar/ersorgungsanschlüsse für die Spannungen ¥_gg und 1_Qq gelegt, und ihre Gate-llektroden

S09834/0857

werden in komplementärer Weise durch eine herkömmliche Schaltung angesteuert. Der Verbindungspunkt zwischen den Transistoren stellt den genannten Ausgangsanschluß der Schaltung dar» De^? mit der Spannung V~q verbundene Transistor hat eine Gate-Elektrode, die mit einem die Aussteuerung begrenzenden Gegenkopplungskreis verbunden ist, der den Ausgangstrom dann begrenzt, wenn das Potential am Ausgangsanschluß sich einem unter dem Massepotential liegenden Wert nähert«

Wenn der mit der Versorgungsspannung V_gg verbundene Transistor leitend wird, wirkt die Gegenkopplungsschaltung auftrennend. Sobald der mit der Versorgungsspannung Yq„ verbundene Transistor leitend wird, wird die Gegenkopplungsschaltung durchgeschaltet, und das Potential an der Gate-Elektrode auf einen Wert begrenzt, der mit den Parametern der Halbleiterbauelemente, die je nach der Verarbeitung veränderlich sind, in Beziehung steht. Diese Anordnung gestattet die Auslegung einer Schaltung, die den zur Stromsenke fließenden Strom in PMOS-Bausteinen auf einen bestimmten Wert festlegt, der sich nicht wesentlich mit den variablen Größen bei der Herstellung verändert.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise und anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigen:

Fig. 1s ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Zusammen-*· schaltung von PMOS-Schaltungsbausteinen mit Bausteinen in einer anderen Schaltungstechnik,

Fig. 2: ein Schaltbild einer herkömmlichen PMOS-Ausgangsstufe,

809834/0857

Fig. 3* ein Schaltbild einer herkömmlichen PMOS-Ausgangsstufe, die für die Zusammenschaltung mit Bausteinen in anderer Schaltungstechnik ausgelegt ist,

Fig. 4: ein Schaltbild einer weiteren vorbekannten PMOS-Ausgangsstufe, die für die Zusammenschaltung mit Bausteinen in anderer Schaltungstechnik ausgelegt ist,

Fig. 5= ein Schaltbild einer PMOS-Ausgangssehaltung, die die erfindungsgemäße Gegenkopplungsschaltung zum Einsatz bringt und zum Betrieb mit drei verschiedenen logischen Spannungspegeln oder drei Betriebszuständen befähigt ist, und

Fig. 6: ein Schaltbild einer statischen PMOS-Ausgangsschaltung mit Treiber, die die Gegenkopplungsschaltung nach der Erfindung zur Anwendung bringt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das grundsätzliche Problem umrissen. Ein bei 10 dargestellter Block bezieht sich auf mehrere Arten von vorbekannten Schaltungsbausteinen, wobei dieser Block aus einer bei 11 dargestellten Stromversorgungsschaltung betrieben wird, dabei liegt der negative Anschluß auf Massepotential. Der positive Stromversorgungsanschluß, der beispielsweise ^J aufweist, speist die Bausteine für ihren Betrieb. Solche Schaltungsarten, wie in TTL-,GMOS- und NMOS-Schaltungstechnik, arbeiten allesamt mit einer solchen positiven Stromversorgung, V"_cc, und können daher gut zusammengeschaltet werden.

Bei PMOS-Schaltungen, in denen das Halbleitersubstrat den am

809834/0857

stärksten positiven Punkt, mit der Kennzeichnung V_GC,_S in der Schaltung darstellt, ist dies nicht der Fall. Die PMOS-Schaltungselemente innerhalb eines Blocks 12 werden von einem negativen Potential mit der Kennzeichnung Y^q her "betrieben, gegenüber der Spannung Vgg, die aus einer anderen Stromversorgung bei 13 geliefert wird. So liegt die Spannungsdifferenz Vgg-V_G„ mit beispielsweise 12V auf einer für PMOS-Schaltungen geeigneten Höhe.

Die PMOS-Schaltungstechnik hat sich als äußerst geeignet erwiesen, eine hohe Anzahl von Kreisen mit verschiedenen Funktionen in einem einzigen Halbleiterplättchen herzustellen,, Eine Integration in einem solch hohen Maße ermöglicht die kostengünstige Herstellung von elektronischen Systemen, die bislang als unausführbar verwickelt angesehen worden sindo Im Hinblick auf die Verfügbarkeit der anderen Arten von Schaltungsbausteinen wird es oft als wünschenswert angesehen, die verschiedenen Schaltungsarten miteinander zu verbinden«, In Figo 1 wird diese Verbindung oder Zusammenschaltung als Leitung 14 gezeigt« In der Vergangenheit ist eine solche Zusammenschaltung mittels besonderer Schaltungen erreicht worden, die in der Lage waren, das Eingangssignal der einen Form zu verarbeiten und es in eine für den Betrieb der zusammenzuschaltenden -Bausteine geeignete Form umzusetzen., Im Idealfall \tferden PMOS-Ausgangsschaltungen derart ausgelegt, daß sie über die leitung 1A- ohne dazwischenliegende Kreise direkt zusammengeschaltet werden können»

Figo 2 ist ein Schaltbild einer herkömmlichen vorb©kannt©n PMOS=* Ausgangsstufe 16„ Zwei im Bereich dsr Ladungsträgerzunahme (enhancement mode) betriebene Feldeffekttransistoren 17 und 18 sind

in Reihe zueinander zwischen die Stromversorgungsanschlüsse 19, für -Vqq> und 20, für +V_QS> geschaltet» Diese Feldeffekttransistoren bilden eine herkömmliche Umkehrstufe zwischen einem Eingangsanschluß 23 und einem Ausgangsanschluß 21, der üblicherweise als Anschlußfläche einer integrierten Schaltung zur Verfügung zu stehen pflegt, \i±e durch die quadratische Umrißlinie dieses Bauelementes angedeutet wird. Typischerweise wird an den Eingangsanschluß 22 ein komplemetäres Dateneingangssignal gelegt, und dieser stellt daher einen nicht umkehrenden Eingang dar. Es sind zwei Eingänge vorhanden, so daß die Ausgangsstufe 16, wenn gewünscht, in den Zustand hoher Impedanz für die Arbeitsweise mit drei Betriebszuständen gebracht werden kann,, Wenn man die beiden Eingänge 22 und 2J derart betreibt, daß die Feldeffekttransistoren 17 und 18 gleichzeitig gesperrt werden, so liegt der Ausgangsanschluß 21 auf hoher Impedanz und ermöglicht dadurch, daß eine Anzahl derartiger Schaltungen an einer einzigen Vielfachleitung parallelgeschaltet werden kann.

Bei der Ansteuerung der Schaltung nach Fig. 2 mit Eingangs-Datensignalen wird der Ausgangsanschluß 21 von einer nahe bei -V_rr liegenden Spannung bis zu einer nahe bei +V«« liegenden Spannung gebracht. Würde diese Schaltung direkt, wie in Fig. 1 angedeutet, mit einem TTL-Gatter verbunden, so wurden die positiven Auslenkungen des Datensignals keine Schwierigkeit bieten. Jedoch die negativen Auslenkungen, die bei dem gegebenen Beispiel versuchen würden, die Spannung -V_GG zu erreichen, wurden Probleme verursachen. Normalerweise werden TTL-Gatter durch Eingangsschutz- I dioden auf Massepotential festgeklemmt. Wird der Eingang auf mehr als etwa -0,6V gebracht, so wird diese Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt und damit stark leitend. Für diesen Fall

809834/0857

kann ein übermäßiger Strom in der Ausgangsstufe 16 zur Stromsenke hin fließen, und dieser Strom wurde kein brauchbares Ergebnis mit sich bringen.

3 zeigt eine vorbekannte Schaltang, die derart ausgelegt ist, daß das obige Problem vermieden wird. Die Ausgangsstufe 16 ist zwischen Vg₂ und den Masseanschluß bei 25" geschaltet, so daß das Potential am Ausgangsanschluß 21 sich innerhalb der Grenzen von +5V und OV verändert. Es muß jedoch der übrigen PMOS-Schaltungsanordnung die Spannung -Vg_G zugeführt werden. Diese Schaltung steuert TTL-Kreise einwandfrei an und vermeidet übermäßig hohe Ströme zur Stromsenke hin. Die Ausgangsstufe muß jedoch bei einer niedrigen Versorgungsspannung (5>V im Gegensatz zu 12V) arbeiten, wodurch viel größere Flächen für die Bauelemente notwendig gemacht werden, was für die Ausführung von hochintegrierten oder LSI-Schaltungen nicht gerechtfertigt ist. Außerdem wird beim Aufbau der integrierten Schaltung ein getrennter Masseanschluß 25' erforderlich.

Fig. 4- stellt eine vorbekannte schaltungstechnische Kompromißlösung dar. Nun weist die Ausgangsstufe 16 zwei Stromsenken-Feldeffekttransistoren 17a und 17b auf, die mit der Spannung -V^p bzw. Massepotential verbunden sind. Die vom Feldeffekttransistor 17a eingenommene Fläche ist derart ausgelegt, daß dieser in die Lage versetzt wird, diejenigen Ströme abzuführen, die zur Ansteuerung der Eingänge der zusammenzuschaltenden Arten von Schaltungsbausteinen erforderlich sind. Der Feldeffekttransistor 17b ist ein Bauelement mit verhältnismäßig ausgedehnter Fläche und ist dazu vorhanden, daß eine Festklemmung des Ausgangsanschlusses 21 auf

809834/0857

einen in der Nähe des Massepotentials liegenden Potentialwert geschaffen wird. Eine derartige Klemmwirkung tritt wegen der Spannungsteilerwirkung zwischen den Transistoren 17a und 1?b ein. Daher macht die Schaltung nach Fig. 4- einen zusätzlichen Masseanschlußstift und integrierte PMOS-Schaltungen mit größeren Flächen erforderlich.

In Fig. 2-4- werden Eingänge für die Ansteuerung mit komplementären Datensignalen, mit der Bezeichnung IU und IH. gezeigt und logische Spannungspegel "O" und "1" beschrieben, für welche der Feldeffekttransistor 17 bzw. 18 leitend wird. In vielen Anwendungsfällen wird für die Arbeitsweise mit drei Betriebszuständen ein dritter Zustand herangezogen. Dieser dritte Betriebszustand ist der Zustand der "hohen Impedanz", in welchem beide Feldeffekttransistoren 17 und 18 gesperrt sind. Dieser Zustand kann dadurch erreicht werden, daß man äen logischen Spannungswert "1^H den beiden Eingängen 22 und 2J zuführt. Da keiner der Ausgangstransistoren leitend ist, wird der Ausgangsanschluß 21 hochohmig. Dieser Zustand ist dort erwünscht, wo eine Anzahl gleichartiger Schaltungselemente mit einer gemeinsamen Vielfachleitung verbunden ist. Bei dem Betrieb mit drei Zuständen legt allein der leitend gewordene Transistor den logischen Zustand der Vielfachleitung fest, und die gesperrten Transistoren belasten diese Vielfachleitung nicht.

Fig. *> ist ein Schaltbild einer Schaltung, die den Erfindungsgegenstand zum Einsatz bringt. Die Ausgangsstufe 16 ist herkömmlich, unter Einsatz von Feldeffekttransistoren 17 und 18, die über die Eingänge 22 und 23 für komplementäre Datensignale, IN und !0T, angesteuert werden, um ein Ausgangs-Datensignal am Ausgangsanschluß 21 zu liefern.

809834/0857

Bei 25 wird innerhalb einer gestrichelten Umrißlinie ein Gegenkopplungsverstärker gezeigt. Die Verbindung zum Eingang des Gegenkopplungsverstärkers 25 geht vom Ausgangsanschluß 21 ab, und der Ausgang des Gegenkopplungsverstärkers 25 ist mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 17 verbunden. Im erfindungsgemäßen Gegenkopplungsverstärker werden vier im Bereich der

betriebene Ladungsträgerzunahme (enhancement mode/Feldeffekttransistoren und ein im Bereich der Ladungstragerabnahme (depletion mode) betriebener Feldeffekttransistor eingesetzt. Ein Feldeffekttransistor 26 wirkt als Schalter, so daß der Gegenkopplungsverstärker nur aktiv ist, wenn der Transistor 17 durch den logischen Spannungswert ^UO" am Anschluß 22 leitend gemacht wird. Ein Transistor 27 ist als ein in einer Richtung leitender Widerstand (Diode) geschaltet. Wird der Transistor 26 leitend, so bringt der Transistor 27 die Gate-Elektrode eine Transistors 28 auf eine Spannung, die um den Wert der Schwellwertspannung stärker positiv als das am Ausgangsanschluß 21 liegende Potential ist. Der Transistor 28 wirkt als linearer, umkehrender Verstärker, wobei ein im Bereich der Ladungsträgerabnahme betriebener Transistor 29 die Last bildet.

Wenn sich die Schaltung im Zustand des logischen Spannungswertes ¹¹O" befindet, bringt der Transistor 29 die Gate-Elektrode des Transistors 17 auf die Spannung -Vqq· Jedoch hält das Leitendwerden des Transistors 28 die Gate-Elektrode des Transistors 17 auf einem zwischen -Vqq und Vgg liegenden Potential. Der Gegenicopplungsverstärker 25 wirkt zur Festklemmung des Potentials am Ausgangsanschluß 21 auf einen Wert, der eine Funktion der Transistor-Schwellwertspannung ist, und falls an den Ausgangsanschluß 21 eine Last angeschlossen ist, die diesen zur Spannung V₃₀ hin

809834/0857

zieht, so wirkt der Gegenkopplungsverstärker 25 begrenzend für den Strom durch ien Transistor 17. Eine derartige Strombegrenzungswirkung ist dann maximal, wenn ein Baustein aus der Gruppe der CMOS- oder NMOS-Schaltungen an den Ausgangsanschluß 21 angeschlossen wird. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung auf etwa 0,6 V unterhalb des Massepotentials festgeklemmt.

Ist der Feldeffekttransistor 17 leitend, so liegt die Gate-Elektrode des Transistors 28 etwa um den Wert der Schwellwertspannung oberhabl von-0,6V, und das Potential an der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 17 kann durch das Abmessungsverhältnis Breite zu Länge der Transistoren 28 und 29 beeinflußt v/erden. Dieses Abmessungsverhältnis wird darauf eingestellt, daß der abgeführte Strom im Feldeffekttransistor 17 auf einen ausgewählten Wert begrenzt wird. Da die Verhältnisse der Flächen der Transistoren beim Erstellen der Anordnung festgelegt werden, und die Werte der Ladungsträgerbeweglichkeiten in den Transistoren 28 und 29 einander aufheben, wird der Wert des Stromes steuerbar, wenn sich die Schwellwertspannung in Abhängigkeit vom Herstellungsvorgang ändert, dabei wird die Änderung der Schwellwertspannung des Transistors 17 durch dieselbe Änderung im Transistor 27 kompensiert. Für jegliches Potential, das am Ausgangsanschluß größer als -0,6V ist, können höhere Ströme zur Senke hin fließen»

Aus den obigen Ausführungen kann entnommen werden, daß die Transistoren 28 und 29 als ein linearer Verstärker arbeiten, der für den Betrieb am Punkt seiner Schleusen- oder Khiespanmmg durch eine Vorspannung festgelegt ist, die um die Schwellwertspannung VfJ, gegenüber dem Ausgangspotential verschoben ist. Wenn dieser

809834/085 7

Verstärker dafür ausgelegt ist, einen mäßig hohen Verstärkungsfaktor zu zeigen, so kann diese Steuerfunktion dazu gebracht v/erden, daß sie wirkungsvoll über verhältnismäßig weit auseinanderliegende Grenzen arbeitet.

Der als Teil des Gegenkopplungsverstärkers 25 gezeigte Transistor 38 und zwei Transistoren 31 und 32 sind dafür vorhanden, eine Arbeitsweise mit drei Betriebszuständen zu ermöglichen,, Wenn der logische Spannungswert "O" an einem Steueranschluß 33 herrscht, so werden die Transistoren 30 bis 32 leitend, und dies bringt die Gate-Elektroden der Transistoren 28, 17 und 18 auf V_QS und sperrt damit diese. Dies ist also der Sperrzustand oder der Betriebszustand der hohen Impedanz für die Arbeitsweise mit drei Betriebszuständen, und damit "schwimmt" der Ausgangsanschluß 21. Es wird also ersichtlich, daß die Transistoren 31 und 32 dazu vorhanden sind, den Transistor 17 bzw. 18 zu sperren. Wegen der einseitigen oder diodenartigen Leiteigenschaft des Transistors 27 wird erkennbar, daß die Gate-Elektrode des Transistors 28 eine Ladung festhalten kann nach dem Ende des logischen Zustande "0" am Ausgang. Wegen der Möglichkeit der Zustandsänderungen um den PMOS-Schaltungsbaustein herum, und aus Gründen von Störspannungen ist es wünschenswert, diese festgehaltene Ladung abzubauen. Dies geschieht dadurch, daß der Transistor 30 durchgeschaltet wird, während sich der Ausgangsanschluß 21 in seinem hochohmigen Zustand befindet. Im Sinne der Schaltung führt der Transistor 30 keine aktive Funktion aus, weil er im normalen Betrieb gesperrt ist, wie es beispielsweise der Fall sein würde, wenn der logische Spannungswert "0" am Steueranschluß 33 vorläge.

809834/0857

280753]

Fig. 6 ist ein Schaltbild zur Darstellung einer Ausführungsform für statischen Betrieb der Schaltung nach Fig. 5· Bei dieser Schaltung ist das Merkmal der drei möglichen Betriebszustände nicht vorhanden. Die Ausgangsstufe 16 und der Gegenkopplungsverstärker 25 sind ausgeführt, wie in Fig. 5 gezeigt, mit der Ausnahme, daß bei dem hier verwendeten Transistor JOa die Gate-Elektrode mit der Drain-Elektrode verbunden ist. Für den Fall, daß sich an der Gate-Elektrode des Transistors 28 eine Ladung ansammelt, führt der als hochohmiger Widerstand wirkende Transistor 30a diese Ladung ab.

Die logische Eingangs spannung am Anschluß JA- steuert eine Umkehrstufe 35 an» die aus einem Transistor 36 und einem als Last geschalteten, im Bereich der Ladungsträgerabnähme (depletion mode) betriebenen Transistor 37 gebildet wird. Die Ausgangsspannung am Verbindungspunkt 23 der Umkehrstufe ist der mit TIT bezeichnete logische Spannungswert aus der Inversion. In einer Kaskadenanordnung wirkt ein Transistor 38 als Umkehrstufe und bringt einen als Last wirkenden, im Bereich der Ladungsträgerabnahme betriebenen Transistor 29 zum Einsatz, um den Verbindungspunkt 22 der Schaltung mit einem zurück-invertierten Datensignal mit der Bezeichnung IN zu speisen. Somit wird nach Fig« 6 ein einziger Datensignaleingang in Einsatz gebracht, und der Ausgangsanschluß 21 mit einer Charakteristik eines begrenzten Stromes zur Stromsenke hin angesteuert, so daß alle Formen von Logikschaltungen hier miteinander kompatibel sind.

AusführunKsbeispiel

Die in Fig. 5 dargestellt Schaltung wurde unter Verwendung von

809834/0857

p-Kanal-Feldeffekttransistoren ausgeführt. Mit der Ausnahme des im Bereich der Ladungsträgerabnahme betriebenen Lasttransistors 29, waren alle anderen Transistoren im Bereich der Ladungsträgerzunahme (enhancement mode) betrieben worden. Die folgende Tabelle ist eine Liste der Breite/Länge-Verhältnisse der Transistoren in mm„ Die Transistoren 31 und 32 sind dabei fortgelassen worden, weil sie bei aktivierter Schaltung gesperrt sind und somit für die Wirkung der Erfindung nicht wesentlich sind.

Transistor Breite/Länge

17 0,508/0,00762 mm

18 0,254/0,00634 mm

26 0,00762/0,00762 mm

27 0,0102/0,00762 mm

28 0,0762/0,00762 mm

29 0,0762/0,01524 mm

30 0,00508/0,00634 mm

Die in dieser Weise aufgebaute erfindungsgemäße Schaltung wurde mit einer Spannung V"_GG von -7V betrieben, und die Spannung V₃₃ betrug 5V, dies ergab eine Gesamtspannung von 12V an der PMOS-Schaltung. Diese Schaltung wurde mit Erfolg zur Ansteuerung von Logik-Gattern in TTL-, GMOS- und NMOS-Schaltungstechnik eingesetzt, wobei diese Gatter zwischen +5"V und Massepotential (OV) betrieben wurden. Es wurde beobachtet, daß der maximale, zur Stromsenke bafließende Strom 6mA betrug. Dies ist eine geeignete*Ansteuerung für die Pegel bei TTL-Schaltungen. In einem Fall ergab die Abschaltung des Gegenkopplungsverstärkers 25 einen zur Stromsenke fließenden Strom von 2OmA. Es wurden kaum Veränderungen beobachtet, wenn die nach der Erfindung hergestellten Schaltungen verschiedene

809834/0857

Parameter in ihren Bauelementen aufwiesen, die sich aus Änderungen der Bedingungen bei dem Herstellungsverfahren ergaben. Die Einbeziehung der erfindungsgemäßen Schaltungen zt&r Begrenzung des Stromes hatte keinen Einfluß auf die Umschaltzeit der PMOS-Schaltungen„

Wenn auch bei der Beschreibung des obigen Ausführungsbeispiels im einzelnen auf eine PMOS-Schaltung eingegangen wird, so kann, wenn gewünscht, die Erfindung auf NMOS-Schaltungen angewendet werden. In diesem Fall ist es nur erforderlich, die Polarität der Gesamtspannung zwischen V_Qq und V_QS sowie die Polarität der ansteuernden logischen Spannungswerte zu vertauschen.

Mit den obigen Ausführungen ist die Erfindung erläutert, und eine in Betrieb genommene Ausführungsform im einzelnen beschrieben worden. Es ist selbstverständlich, daß dem Fachmann andere Alternativen und gleichwertige Möglichkeiten einfallen werden. Daher ist beabsichtigt, daß der Rahmen der Erfindung nur durch die beigefügten Patentansprüche eingegrenzt wird.

809834/0857

Leerseite

Claims

Pat en tansprüche
'1J Ausgangsschaltung zum universellen Einsatz, mit MOS-Transistoren, die mit positiven und negativen an sie angelegten Versorgungsspannungen betreibbar ist, für die Ansteuerung von direkt an diese Ausgangsschaltung angeschlossenen Logik-Gattern, die für den Betrieb unter Einsatz von nur einer Versorgungsspannung ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet;, daß sie eine Ausgangsstufe (1.6) mit zwei MOS-Ausgangstransistoren (17₅18) umfaßt, von denen der eine (17) als Stromquelle, und der andere (18) als Stromsenke in bezug auf einen Ausgangsanschluß (21) geschaltet ist, daß eine Schaltung (22,23;35?38) zur Ansteuerung der beiden MOS-Ausgangstransistoren (17,18) mit zueinander komplementären logischen oder Datensignalen (IN, TFj vorgesehen ist, und daß eine Schaltung (25) zur Begrenzung des Stromflusses bei dem genannten, als Stromsenke geschaltetes .MOS-Ausgangstransistor (18) vorgesehen ist»

2. Ausgangsschaltung nach Anspruch 1_S dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schaltung (25) zur Begrenzung des Stromflusses einen Verstärker (26-29) einschließt, dessen Eingangsanschluß mit dem genannten Ausgangsanschluß (21) der Ausgangsstufe (16) verbunden ist, sowie einen Ausgangsanschluß, der mit der Schaltung (22,38;35) verbunden ist.

3° Ausgangsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Verstärker (26-29) eine durchschaltende Transistoranordnung (32) einschließt zur Abschaltung des Verstärkers bei Sperrung des genannten^ als Stromsenke geschalteten MOS-Ausgangstransistors (18) und zur Einschaltung des Verstärkers beim Durchschalten des als Stromsenke geschalteten MOS-Ausgangs-

iUH834/0gg^

ORIGINAL INSPECTED

transistors (18).

4-O Ausgangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Schaltung (55»38) zur Umwandlung des Signalpegels einschließt, mit einer Änderung ihrer Werte bei der Herstellung der Transistoren auf eine ähnliche Weise wie die Charakteristik des als Stromsenke geschalteten MOS-Ausgangstransistors (18), derart, daß sich der in diesem MOS-Ausgangstransistor (18) fließende Strom nicht mit Änderungen bei der Herstellung verändert.

5o Ausgangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten, im Bereich der Ladungsträgerzunahme betriebenen transistor (18) umfaßt, dessen Source- bzw. Drain-Elektrode an den Ausgangsanschluß (21) und den positiven Stromversorgungsanschluß (Vgg) angeschlossen sind, und dessen Gate-Elektrode mit der Ansteuerungsschaltung (55;58) für zueinander komplementäre Datensignale (IN,TET) verbunden ist, daß die Source- bzw. die Drain-Elektrode eines zweiten, im Bereich der Ladungsträgerzunahme betriebenen Transistors (17) zwischen den genannten Ausgangsanschluß (21) und den negativen Stromversorgungsanschluß (-Vqq) geschaltet ist, und seine Gate-Elektrode mit der Aussteuerungsschaltung (55>38) für die komplementären Datensignale (ΙΝ,ΪΪΤ) verbunden ist, und daß der Eingang einer umkehrenden Verstärkerstufe (26-29) mit dem genannten Ausgangsanschluß (21), und der Ausgang dieser Verstärkerstufe mit der Ansteuerungsschaltung (58) für die komplementären Datensignale Verbunden ist.

809834/Q8S7

6o Ausgangsschaltung nach Anspruch 5 s dadurch gekennzeichnet, daß die umkehrende Verstärkerstufe (25) einen dritten, im Bereich der Ladungsträgerzunähme betriebenen transistor (28) umfaßt, dessen Source- bzw₀ Drain-Elektrode mit dem positiven Stromversorgungsanschluß (Vgg) und der Ansteuerungssehaltung (38) für die Datensignale verbunden ist, sowie eine Schaltung (26₅27) die die Gate-Elektrode des letztgenannten Transistors mit dem genannten Ausgangsanschluß (21) verbindet, und ferner einen im Bereich der Ladungsträgerabnahme betriebenen Transistor (29)_s dessen Gate-Elektrode mit seiner Source-Elektrode verbunden ist, und dessen Source- bzwo Drain-Elektrode zwischen die genannte Ansteuerungsschaltung (38) und den negativen Stromversorgungsanschluß (-Vqq) geschaltet ist«,

7° Ausgangsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die umkehrende Verstärkerstufe (25) einen vierten, im Bereich der Ladungsträgerzunahme betriebenen Transistor (26) umfaßt, dessen Source- bzw«, Drain-Elektrode in Reihe zwischen den Ausgangs= anschluß (21) und die Gate-Elektrode des dritten, im Bereich der Ladungsträgerzunahme betriebenen Transistors (28) geschaltet ist, und dessen Gate-Elektrode mit der Ansteuerungsschaltuiig (58) für die D_atensignale verbunden ist„

8o Ausgangsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die umkehrende ^verstärkerstufe (25) einen fünften, im Bereich der Ladungsträgerzunahme betriebenen ^; W#i3i$&i>2? (27) umfaßt, dessen Gate-Elektrode mit seiner Drain-Elektrode verbunden ist_s und dessen Source- bzw„ Drain-Elektrode in Reihe zxfischen den genannten Ausgangsanschluß (21) und die Gate-IDlektrode des dritten, im Bereich der Ladungsträgerzunahme

S09834/0SS?

betriebenen Transistors (28) geschaltet ist*

9. Ausgangsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die umkehrende Verstärkerstufe (25) ferner einen sechsten, im Bereich der Ladungsträgerzunähme betriebenen Transistor (30; JOa) umfaßt, der zwischen die Gate- bzw. Source-KLektrode des genannten dritten, im Bereich der ^adungsträgerzunahme betriebenen Transistors (28) derart geschaltet ist, daß an der Gate-Elektrode des dritten Transistors (28) gesammelte Ladungen abgebaut werden»

1Oo Ausgangsschaltung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltung für den Betrieb mit drei verschiedenen Betriebszuständen einschließt, wobei der erste, zweite, dritte und vierte im Bereich der Ladungsträgerzunahme betriebene Transistor (17,18,28,26) auf ein Steuersignal für Betrieb mit hoher Impedanz hin ansprechend, gesperrt werden, und daß sie eine Schaltung umfaßt zum Durchschalten des sechsten Transistors (30) bei Betrieb mit hoher Impedanz bei der Arbeitsweise mit drei Betriebszuständen.

809834/0857