DE2825443A1

DE2825443A1 - Logische schaltung mit feldeffekt- transistoren

Info

Publication number: DE2825443A1
Application number: DE19782825443
Authority: DE
Inventors: Eugene Martin Blaser; Donald Adelbert Conrad
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-06-30
Filing date: 1978-06-09
Publication date: 1979-01-11
Also published as: JPS5648095B2; FR2396470B1; DE2825443C2; GB1570666A; JPS5412665A; FR2396470A1; US4110633A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

heb-om

Logische Schaltung mit Feldeffekt-Transistoren

Die Erfindung betrifft eine neuartige logische Schaltung mit Feldeffekt-Transistoren mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit und geringem Leistungsverbrauch, die mit FET vom Anreicherungs- und Verarmungstyp aufgebaut ist.

Beschreibung des Standes der Technik

Logische Schaltungen mit FETs, die sowohl Feldeffekt-Transistoren vom Verarmungstyp als auch vom Anreicherungstyp benutzen, sind allgemein bekannt. Die in Fig. 1 dargestellte NOR-Schaltung besteht aus einer Anzahl parallel geschalteter Feldeffekt-Transistoren vom Anreicherungstyp TA und TB sowie einem Last-FET vom Verarmungstyp TC. Ein an einem der Knotenpunkte zugeführtes Eingangssignal mit hohem Potential liefert ein Ausgangssignal mit niedrigem Potential. Wenn alle Eingang sknotenpunkte auf niedrigem Potential gehalten werden, dann lädt sich der Ausgangsknotenpunkt auf ein hohes Potential auf. Ein bekannter Vorteil eines als Last- eingeschalteten sich selbst vorspannenden FET des Verarmungstyps liegt darin, daß sich der Ausgangsknotenpunkt auf das volle hohe Potential aufladen kann, das durch die positive Betriebsspannungs- :quelle geliefert wird. Eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung dieser bekannten Schaltung findet sich beispielsweise in der US-Patentschrift 3 775 693.

Eine Schwierigkeit bei dieser soeben beschriebenen logischen Schaltung besteht darin, daß die innen liegenden Knotenpunkte

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von 0 Volt auf +5 Volt und umgekehrt umschalten müssen (ein logischer Potentialsprung von 5 Volt), damit logische binäre Information übertragen werden kann. Hunderte derartiger [logischer Schaltungen können beispielsweise auf einem einzigen ! |Halbleiterplättchen untergebracht werden. Solche FET-Schal- i Jtungen haben bekanntlich relativ hohe Lastkapazitäten, die in Fig. 1 mit CL angedeutet sind, die bei jedem Umschalten aufgeladen und entladen werden müssen. Jeder der Feldeffekt-Transistoren innerhalb der Schaltungen hat im eingeschalteten Zustand einen endlichen Leitwert, der in Verbindung mit der Lastkapazität ein RC-Glied bildet. Es ist bekannt, die Leitfähigkeit von Feldeffekt-Transistoren zur Verringerung der RC-Zeitkonstante zu vergrößern und damit auch die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung heraufzusetzen. Das hat jedoch den Nachteil, daß Feldeffekt-Transistoren mit einer höheren Leitfähigkeit auch mehr Leistung verbrauchen und auf der Halbleiteroberfläche normalerweise auch mehr Raum einnehmen, wobei gerade diese beiden Eigenschaften im höchsten Maße unerwünscht sind.

Im Stand der Technik sind auch andere Anwendungen für Feldeffekt-Transistoren vom Verarmungs- bzw. Anreicherungstyp bekannt, wie dies beispielsweise IBM Technical Disclosure Bulletin Band 18, Nr. 5, vom Oktober 1975, Seite 1450 zeigt. Diese Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Für einen eingangsseitigen Potentialsprung von 0 auf 3 Volt wird ausgangsseitig ein Potentialsprung von 0.5 auf +8.5 Volt abgegeben. Die Schaltung enthält dabei einen FET vom Anreicherungstyp TE und mehrere FETs TD, TF und TG vom Verarmungstyp. Das Eingangssignal wird der Source-Elektrode äes FET TD zugeführt, dessen Gate-Elektrode geerdet ist, and wird der Gate-Elektrode des FET TE vom Anreicherungstyp zugeführt, der zusammen mit dem Last-FET TG mit automatisch erzeugter Vorspannung vom Verarmungstyp als Inverter arbeitet.

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Eine ähnliche Schaltung ist im IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 18, Nr. 11, April 1976, auf Seite 3723 bejschrieben. Hier handelt es sich um eine Potentialanpaßschaltung mit zwei Feldeffekt-Transistoren vom Verarmungstyp, die den Transistoren TD und TF in der erstgenannten Literaturstelle entsprechen. In dieser zweiten Veröffentlichung sind bestimmte Verhältnisse von Breite zu Länge und Spannungsschwellwerte offenbart, und die Potentiale von Eingangssignal und Spannungsversorgung sind verschieden. Im übrigen arbeiten diese beiden bekannten Schaltungen in gleicher Weise, d. h. beide Schaltungen liefern ausgangsseitig logische Potentialsprünge, die im wesentlichen gleich der Differenz der angelegten Versorgungsspannungen sind. Da die in allen bisher beschriebenen, zum Stand der Technik gehörenden Schaltungen (Fig. 1 und 2) erzeugten Spannungsamplituden praktisch gleich der vollen Versorgungsspannung sind, wird angenommen, daß der Leistungsverbrauch und die Schaltzeiten vergleichbar sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Feldeffekt-Transistor-Schaltung mit Transistoren vom Anreicherungs- und Verarmungstyp zu schaffen, die ein verbessertes Leistungsverhalten aufweist. Dies soll vorzugsweise durch Verringerung der Spannungsamplituden erreicht werden, ohne daß dabei der Leitwert des Ausgangstransistors verringert wird. Vor allen Dingen sollen derartige mit Feldeffekt-Transistoren aufgebaute logische Schaltungen binäre logische Spannungsamplituden liefern, die wesentlich geringer sind als die Potentialdifferenz der angelegten Versorgungsepannung.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine neue logische Schaltung mit Feldeffekt-Transistoren vom Anreicherungsund Verarmungstyp vorgeschlagen, wobei die Grundschaltung zwei Feldeffekt-Transistoren vom Verarmungstyp und einen oder mehrere Feldeffekt-Transistoren vom Anreicherungstyp enthält. Ein erster Feldeffekt-Transistor vom Verarmungstyp liegt mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen dem Eingangsknotenpunkt und einem innen liegenden Knotenpunkt, während die Gate-Elektrode an einem Festpotential wie zum Beispiel Erdpotential angeschlossen ist. Ein mit automatischer Vorspannung arbeitender Feldeffekt-Transistor vom Verarmungstyp ist zwischen dem positiven Potential VDD und dem gleichen innen liegenden Knotenpunkt angeschlossen. Einer oder mehrere Ausgangs-Feldeffekt-Transistoren vom Anreicherungstyp sind mit ihren Gate-Elektroden gemeinsam an dem innen liegenden Knotenpunkt angeschlossen, während ihre Source-Elektroden an einem negativeren festen Potential, wie zum Beispiel Erdpotential, angeschlossen sind. Die Drain-Elektroden eines oder mehrerer Ausgangs-Feldeffekt-Transistoren vom Anreicherungstyp stellen die offenen Drain-Ausgänge für nachfolgende Stufen dar. Eine Anzahl solcher Grundschaltungen sind sowohl zueinander parallel als auch in Reihe geschaltet und dienen der Durchführung von logischen Funktionen auf einem Halbleiterplättchen. Die logische Ausgangsspannungs-Amplitude an den offenen Drain-Ausgängen der Feldeffekt-Transistoren vom Anreicherungstyp hängt von der Schwellenspannung des Eingangs-Feldeffekt-Transistors vom Verarmungstyp der nächstfolgenden Stufe ab.

Wenn also beispielsweise ein positives Potential von +5 Volt und ein negatives Potential von 0 Volt als Betriebsspannungen für die logischen Schaltungen angelegt sind und die Schwellenspannung des Eingangs-Transistors vom Verarmungstyp bei -2 Volt liegt, dann schwankt das Potential an den offenen

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Drain-Äusgangselektroden zwischen angenähert 0 Volt und angenähert +2 Volt. Dies ist ein deutlicher Unterschied gegenüber bekannten logischen FET-Schaltungen, bei denen die AusgangsSpannungsamplitude am Ausgang jeder Grundschaltung praktisch gleich der Betriebsspannung ist. Eine so stark ■verringerte Ausgangsspannungsamplitude setzt natürlich den Leistungsverbrauch und die notwendige Wärmeableitung herab und verbessert damit das Betriebsverhalten der Schaltung.

Der Ausgangstransistor vom Anreicherungstyp wird an seiner ■Gate-Elektrode mit der vollen logischen Spannungsamplitude angesteuert, wodurch seine Leitfähigkeit erhalten bleibt. Würde an der Gate-Elektrode dieses Transistors vom Anxeicherungstyp ein verringertes positives Potential liegen, dann müßte seine Größe (das Verhältnis Breite zu Länge) erhöht werden, um seine Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Ein größerer Transistor hätte aber eine größere Eingangskapazität, was die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung herabsetzen würde. Die Verbesserung im Leistungsbedarf und !im ßetriebsverhalten der neuen Schaltung gegenüber dem

;Stand der Technik gemäß Fig. 4, wenn die Grundschaltungen jauf einer vergleichbar großen oder selbst kleineren Ober- |flache eines Halbleiterplättchens untergebracht sind, beträgt jmindestens 5:1.

iüie Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen iin Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen [beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

jln den Zeichnungen zeigt

!Fig. 1 und 2 Feldeffekt-Transistor-Schaltungen des Standes

der Technik unter Verwendung von FETs vom Verarmungs- und Anreicherungstyp,

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STTS

^Fi3· 3 eine Art einer gemäß der Erfindung aufgebauten

logischen Schaltung,

^eii2· ⁴ eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten logischen Schaltung,

^Fi9· 5 eine Ausgangs-Treiberstufe, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann und

^Fi9· 6 eine Eingangsschaltung, die in Verbindung

mit der Erfindung verwendbar ist.

Einzelbeschreibung

Pig. 3 zeigt eine logische NOR-Schaltung, die die gleiche logische Funktion durchführt, wie die zum Stand der Technik gezeigte Schaltung in Fig. 1. Ein erstes Eingangssignal liegt an der Eingangsklemme A und liegt damit an einer der gesteuerten Elektroden eines Feldeffekt-Transistors T1 vom Verarmungstyp. Die andere gesteuerte Elektrode des FET T1 vom Verarmungstyp ist an dem Knotenpunkt X angeschlossen. Die steuernde Elektrode (Gate-Elektrode) von T1 ist an Erdpotential angeschlossen. Die Schwellenspannung von T1 liegt bei etwa -2 Volt, obwohl dem Transistor T1 durch an sich bekannte Fertigungsverfahren auch andere Schwellenspannungen gegeben werden können. Der Feldeffekt-Transistor T2 vom Verarmungstyp ist mit einer seiner gesteuerten Elektroden an dem Knotenpunkt X angeschlossen, während die andere gesteuerte Elektrode am Vorspannungspotential VDD angeschlossen ist. Der Transistor T2 vom Verarmungstyp ist ein mit automatischer Vorspannung arbeitender Lasttransistor, dessen Gate-Elektrode in derjenigen gesteuerten Elektrode angeschlossen ist, die luch mit dem Knotenpunkt X verbunden ist. Feldeffekt-

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M- Q —

Transistor T3 vom Anreicherungstyp ist mit einer seiner gesteuerten Elektroden (das ist die Source-Elektrode) an Erdpotential angeschlossen, während die andere gesteuerte Elektrode, d. h. die Drain-Elektrode am Ausgangsknotenpunkt angeschlossen ist. Die Gate-Elektrode von T3 ist am Knotenpunkt X angeschlossen.

In Fig. 3 entsprechen die Transistoren T11, T12 und T13 nach Art, Aufbau und Schaltungsanordnung den Transistoren T1, Τ2 und T3. Das Eingangssignal wird einer der gesteuerten Elektroden von T11 an der Eingangsklemme B zugeführt, nach dem Knotenpunkt Y und der Gate-Elektrode von T13 Übertragen. Die offene Drain-Ausgangselektrode von T13 ist außerdem am Ausgangsknotenpunkt angeschlossen, so daß dieser Knotenpunkt durch die Ausgänge beider Transistoren T3 und T13 angesteuert wird.

Fig. 4 zeigt eine etwas ausführlichere logische Schaltung gemäß der Erfindung. Man findet dabei die Grundschaltung gemäß Fig. 3 innerhalb der Fig. 4 und entsprechende Schaltelemente sind, soweit dies praktisch erschien, mit einem gestrichenen Bezugszeichen versehen worden. Das heißt somit, daß die Transistoren T1', T2* und T3* und der Knotenpunkt X¹ unmittelbar den Bezugszeichen in Fig. 3 entsprechen. Die logische Blockschaltung 10 enthält diese soeben erwähnten drei Transistoren sowie einen vierten Feldeffekt-Transistor T4 vom Anreicherungstyp. Transistor T4 ist mit seiner Gate-Elektrode am Knotenpunkt X' angeschlossen, die Source-Elektrode ist mit Erdpotential verbunden, und die Drain-Elektrode liegt am offenen Drain-Ausgang. Die logische Schaltung kann daher zwei verschiedene Ausgänge ansteuern. Dies wird im allgemeinen auch als Fan-out bezeichnet. Dieses Fan-out kann, wie durch gestrichelte Linien an der Gate-Elektrode von T4 angedeutet, auch noch erweitert werden.

8 U α 8 Ö 2 / U 7 CU

Die Transistoren T11¹, T12¹ und T13¹ entsprechen genau den in Fig. 3 dargestellten Transistoren T11, T12 und T13. Der Transistor T14 liegt mit seiner Gate-Elektrode an dem Knotenpunkt Y¹, seine Source-Elektrode ist an Erdpotential langeschlossen und die Drain-Elektrode, die am Ausgang angeschlossen ist, zeigt eine weitere Ausgangsmöglichkeit für die Gesamtschaltung auf. Die Transistoren T21, T22, T23 und T24 entsprechen genau den Transistoren T11', T12', T13' bzw. T14. Die offenen Drain-Ausgänge von T3» und T13¹ sind zusammengeschaltet, und die offenen Drain-Ausgänge von T4 und T23 sind ebenfalls miteinander verbunden. In gleicher Weise sind die offenen Drain-Ausgänge von T14 und T24 zusammengeschaltet. Diese Querverbindungen ergeben die gewünschten logischen Funktionen. Demgemäß hängen diese ausgewählten Verbindungsleitungen von der gewünschten logischen Funktion ab.

Als nächstes wird der logische Block 20 beschrieben. Der einzige Unterschied zwischen dem logischen Block 20 und dem logischen Block 10 besteht darin, daß hier drei Feldeffekt-Transistoren vom Anreicherungstyp dargestellt sind mit einer Fan-out-Kapazität von 3. Im übrigen ist die Anordnung and die Zusammenschaltung der Transistoren T31, T32, T33 and T34 identisch mit den Transistoren T1·, T2¹, T3¹ bzw. 14. Zusätzlich sei darauf verwiesen, daß ein dritter Transistor T35 vom Anreicherungstyp an dem innen liegenden Knotenpunkt angeschlossen ist, daß seine Source-Elektrode nit Erdpotential verbunden ist und daß die offene Drain- \usgangselektrode an einen Ausgangsknotenpunkt geht. Am Eingang von T31 liegen die von den offenen Drain-Ausgängen ron T3* und T13' kommenden Signale.

)ie bisher beschriebene Schaltung ist ein Beispiel für Lnterne logische Schaltungen und logische Ausgangsklemmen

,und Knotenpunkte innerhalb eines Halbleiterplättcliens, die ! ,normalerweise von außen nicht zugänglich sind. Wenn das zu erzeugende logische Signal außerhalb des die logische Schaltung enthaltenen Halbleiterplättchens benötigt wird, kann eine Schaltung gemäß Fig. 5 verwendet werden. Die Schaltung besteht aus den beiden Transistoren T41 und T42 !vorn Verarmungstyp und dem Transistor T43 vom Anreicherungstyp. Der Singangsknotenpunkt dieser Schaltung ist an einem der Ausgänge einer Schaltung, wie z. B. dem logischen Schaltungsblock 20 (Fig. 4) angeschlossen. Die Transistoren T41, T42 !und T43 sind konstruktiv wie die Transistoren T1, T2 bzw. ;T3 in Fig. 3 aufgebaut und ebenso geschaltet. Um jedoch eine ihöhere logische Spannungsamplitude zu erzeugen, insbesondere ieine höhere Ausgangsspannungs-Amplitude, wird ein Lastjwiderstand R zwischen einer positiven Potentialquelle von I+V2 und der Drain-Elektrode von T43 eingeschaltet. Damit I weist T43 keine offenen Drain-Ausgang auf. Der Widerstand R ;ist vorzugsweise außerhalb des Halbleiterplättchens angeiordnet, so daß sein Leistungsverbrauch und die dort erzeugte Wärme auf dem Halbleiterplättchen und bei der Konstruktion der entsprechenden Packung nicht berücksichtigt werden muß. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Transistor T43 viel größer ausgeführt sein kann, als die Transistoren der innen liegenden logischen Schaltungen. Da ein Halbleiterplättchen nur eine begrenzte Anzahl von Ausgangstreiberstufen aufweist, wird dadurch, daß T43 und die übrigen I Transistoren der Ausgangstreiberstufen eine größere Fläche !einnehmen als die für die logischen Schaltungen verwendeten Transistoren, die dadurch benötigte zusätzliche Fläche

nicht allzu sehr ins Gewicht fallen. Es sei ferner in Bezug i
auf Fig. 5 darauf verwiesen, daß eine Klemme von R an

+V2 angeschlossen ist, wobei diese Spannung für eine noch größere Ausgangsspannungs-Amplitude höher sein kann als +VDD. Selbstverständlich kann es gleichermaßen erwünscht sein,

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+V2 gleich oder auch kleiner als VDD zu wählen. Anstelle !der Ausgangstreiberstufe gemäß Fig. 5 können auch andere 'schaltungen benutzt werden. Beispielsweise könnte die in ,Fig. 2 dargestellte, an sich bekannte Schaltung so abgewandelt werden, daß sie eine interne Spannungsamplitude von 0 bis +2.0 Volt aufnimmt und ausgangsseitig eine Spannungsamplitude von 0.5 bis +8.5 Volt liefert.

In gleicher Weise/ wie eine bestimmte Ausgangsstufe für die hier offenbarte Schaltung als Ausgangstreiberstufe arbeitet, ist in Fig. 6 eine entsprechende Eingangsstufe dargestellt. Das von außerhalb des Halbleiterplättchens (oder von einem anderen Eingang) kommende Signal wird an der Gate-Elektrode eines Transistors T55 vom Anreicherungstyp zugeführt, dessen Drain-Source-Strecke zwischen einer der gesteuerten Elektroden von T51 und Erde angeschlossen ist. Die andere gesteuerte Elektrode des Transistors T51 vom Verarmungstyp ist an einem innen liegenden Knotenpunkt angeschlossen, während die Gate-Elektrode mit Erdpotential verbunden ist. Ein Last-FET 152 vom Verarmungstyp mit automatischer Vorspannung ist mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen +VDD und dem innen liegenden Knotenpunkt angeschlossen, während die Gate-Elektrode ebenfalls an dem innen liegenden Knotenpunkt liegt. Eine Anzahl von Transistoren T53, T54 (abhängig von dem gewünschten Fan-out) vom Anreicherungstyp liegen mit ihren Gate-Elektroden an dem innen liegenden Knotenpunkt, während ihre Source-Elektroden an Erdpotential angeschlossen sind, ie Drain-Elektrode von T53 ist am Ausgang 1 angeschlossen, ährend die Drain-Elektrode von T54 am Ausgang 2 angechlossen ist, wobei diese Ausgänge intern an Eingangsklemmen on logischen Schaltungen, wie zum Beispiel an den Eingangslemmen A oder B in Fig. 3 angeschlossen sind.

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- 13 Die Schaltung gemäß Fig. 6 kann, wie dies durch die ge-

strichelte Leitung 55 dargestellt ist, mit weiteren Eingangs- ' klemmen verbunden sein. Diese Eingangsklemmen wären nor- ' malerweise an gemeinsam geschalteten Ausgangsanschlüssen von den Drain-Elektroden von Ausgangs-FETs vom Anreicherungstyp angeschlossen. Dadurch erhält man eine zusätzliche logische Schaltungsmöglichkeit, da insbesondere dadurch die bei der Signalverteilung auftretenden Beschränkungen verringert und die Anforderungen an die interne Verdrahtung herabgesetzt werden. Transistor T55 dient als Sperrstufe und ermöglicht es, daß eine große Anzahl logischer Funktionen gleichzeitig taktmäßig nach einer nächstfolgenden Stufe weitergeschaltet werden können.

Arbeitsweise der Schaltung

Die Arbeitsweise einer erfindungsgemäß aufgebauten Schaltung soll zunächst anhand von Fig. 3 beschrieben werden. An der Klemme A wird ein erstes Eingangssignal aufgenommen. Unter der Annahme der dargestellten Versorgungsspannungen bei einer Schwellenspannung des Transistors T1 vom Verarmungstyp bei -2 Volt würde das Eingangssignal im Bereich zwischen 0 und +2 Volt liegen. Zunächst soll die Klemme A bei 0 Volt liegen. Dadurch entsteht ein Gleichstromkreis von +5 Volt über die Transistoren T2 und T1 nach 0 Volt. Die Verhältnisse von Breite zu Länge bei T2 und T1 sind so gewählt, daß der Leitwert von T1 viel höher 1st als der von T2. Umgekehrt weist T2 im eingeschalteten Zustand einen viel höheren Innenwiderstand auf als T1. Die sich daraus ergebende Spannungsteilerwirkung bringt den Knotenpunkt X auf nahe O Volt. Da die Source-Elektrode von T3 an Erdpotential angeschlossen ist, sperrt die zwischen Gate- und Source-Elektrode von T3 liegenden Vorspannung diesen Transistor.

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Zu diesem Zeitpunkt sei angenommen/ daß der das Eingangssignal liefernde Transistor (in Fig. 3 nicht gezeigt), der
'die Klemme A bei 0 Volt hält, gesperrt wird, so daß die
Klemme A effektiv leer läuft. Der Knotenpunkt X beginnt sich ; nun durch den von der Spannungsversorgung VDD über T2 j fließenden Strom auf ein oberes Potential aufzuladen. Mit j ₍dem Spannungsanstieg am Knotenpunkt X steigt auch das j Potential am Knotenpunkt A. Es sei angemerkt, daß der Ein- [ gangsknotenpunkt A immer noch am Ausgangsknotenpunkt der ; vorhergehenden Stufe angeschlossen ist und daher den Last- | kondensator CLB aufladen muß. Sobald jedoch der Knotenpunkt A _; auf +2 Volt aufgeladen ist, sperrt Transistor T1 des Ver- ' armungstyps (der für diesen Zweck mit einer Schwellenspannung j von -2 Volt ausgelegt worden ist), so daß dadurch der | Knotenpunkt A vom Knotenpunkt X abgetrennt wird. Dadurch wird { die durch den Transistor T2 aufzuladende Kapazität wesentlich j verringert, so daß der Knotenpunkt X praktisch unmittelbar
auf 5 Volt geht, wodurch T3 voll eingeschaltet wird und die
Lastkapazität CLA sich entlädt. Damit geht aber das Ausgangspotential, das das Eingangspotential der nächsten
Stufe darstellt, von +2 Volt auf 0 Volt über. Ein nachfolgender Spannungsrückgang an der Eingangsklemme A entlädt
die Kondensatoren CLB und bringt den Knotenpunkt X auf das
niedrige Potential.

Das Auftreten logischer Signale von niedrigem bzw. hohem
Potential an der Eingangsklemme B und ihre Auswirkung auf
das Arbeiten der Transistoren T11, Tl2 und T13 ist mit der
soeben beschriebenen Arbeitsweise für ein Eingangssignal
an der Klemme A und dem Arbeiten der Transistoren T1, T2
bzw. T3 identisch. Die Drain-Elektroden von T3 und T13 sind
miteinander verbunden. Ein entweder an der Eingangsklemme A
oder an der Eingangsklemme B liegendes hohes Potential
bewirkt eine Entladung der Lastkapazität CLA und hat ein

^J

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- 15 niedriges Potential an der Ausgangsklemme zur Folge. Dies wurde als A + B bezeichnet. Man erkennt sofort, daß es sich hier um eine mehrfache logische NOR-Verknüpfung handelt. Der geringere Leistungsverbrauch und das bessere Betriebsverhalten dieser logischen Schaltung wird dadurch erreicht, daß große Lastkapazitäten, wie zum Beispiel CLA, CLB und CLC mit einer Spannungsamplitude von nur 2 Volt geladen und entladen werden können, während die Ausgangstransistoren vom Anreicherungstyp, wie zum Beispiel T3 und T13 an ihren Gate-Elektroden eingangsseitig mit einer Spannungsamplitude von 5 Volt angesteuert werden.

Die zuvor erwähnten Vorteile werden noch deutlicher aus der umfangreicheren logischen Schaltung gemäß Fig. 4. Da die Schaltung gemäß Fig. 4 nur eine Erweiterung der Schaltung gemäß Fig. 3 darstellt, sollen vergleichbare Versorgungsspannungen angenommen werden. Somit liefert also eine Eingangsspannung von 0 Volt am Knotenpunkt D ein Potential von nahezu 0 Volt am Knotenpunkt X¹. Wenn jedoch sich der Knotenpunkt X¹ auf die Spannung +VDD aufladen kann, dann 'lädt sich der Knotenpunkt D auf eine durch die Schwellenspannung des Transistors T1' vom Verarmungstyp (z. B. 2 Volt) begrenzte Spannung auf. Ein am Eingangsknotenpunkt D liegendes niedriges Potential sperrt T3', während ein am Eingangsiknotenpunkt D liegendes hohes Potential T3¹ einschaltet. ■Der Leitzustand von T4 wird immer der gleiche sein wie der von T3¹. Es sei erneut auf die hohen Knotenpunkt-Kapazitäten, !wie zum Beispiel CLD bis CLL hingewiesen, die sich aus der Leitungsmetallisierung auf der Halbleiterscheibe ergeben iund die die größten Kapazitäten in der Schaltung sind.

!Für eine weitere Beschreibung der Arbeitsweise soll der iFall betrachtet werden, wo beide Eingangsklemmen D und E |auf Erdpotential gehalten werden. In diesem Fall liegen auch

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die Knotenpunkte X¹ und Y¹ auf niedrigem Potential, so daß die Auegangstransistören T3¹ T4, T13¹ und T14 vom Anreicherungstyp alle gesperrt sind. Das hat zur Folge, daß der gemeinsame Verbindungspunkt der Drain-Elektroden von T3¹ und T13¹ sich über T32 und T31 auf +2 Volt auflädt. Das erfüllt die logische Bedingung, daß mit D und E beide auf niedrigem Potential der gemeinsame Drain-Anschluß von T3¹ und T13¹ auf hohem Potential liegt, was mit NICHT (D + E) bezeichnet ist. Man sieht, daß dies dieselbe logische Verknüpfung ist, wie NICHT D und NICHT E. Wird der Eingang von T31 auf hohes Potential aufgeladen, dann liegen die Gate-Elektroden von T33, T34 und T35 alle auf einem hohen Potential (+VDD), so daß diese letztgenannten drei Transistoren eingeschaltet sind. Somit sind alle drei Ausgänge gesperrt. Dies ist durch die Kennzeichnung des Ausganges dadurch gezeigt, daß D oder E auf hohem Potential sein müssen, damit am Ausgang ein logisch hohes Potential auftritt.

Es sei angenommen, daß zum gleichen Zeitpunkt die Knotenpunkte D und E auf niedrigem Potential liegen, dann kann sich der Knotenpunkt F über T22 und T21 auf +2 Volt aufladen. Nachdem die Kapazität CLF auf +2 Volt aufgeladen ist, schaltet T21 ab, so daß der Knotenpunkt Z rasch auf +VDD aufgeladen wird, wodurch T23 und T24 unmittelbar einschalten und dadurch die Knotenpunkts-Kapazitäten CLH und CLI entladen. Dies befriedigt die logische Bedingung, daß diese beiden Knotenpunkte so lange auf niedrigem Potential liegen müssen, wie dwr Knotenpunkt F auf hohem Potential liegt. Eine weitere ins einzelne gehende Erklärung der möglichen logischen Funktionen erscheint hier nicht erforderlich, da der Fachmann ohne weiteres in der Lage ist, weitere Beispiele anzugeben.

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Die in Fig. 5 dargestellte Ausgangstreiberstufe nimmt an ihrer Eingangsklemme entweder ein auf Erdpotential liegendes Eingangssignal auf oder befindet sich im Leerlaufzustand, so daß sich die Eingangsklemme entsprechend der Schwellenspannung von T41 auf +2 Volt aufladen kann. Damit lädt aber T42 die Gate-Elektrode von T43 auf +5 Volt auf, schaltet T43 ein, so daß der Ausgangsknotenpunkt auf nahezu 0 Volt geht. Das niedrige Potential wird dadurch verbessert, daß man entweder T43 größer macht oder aber die Impedanz von R erhöht. Wenn der Eingang der Schaltung in Fig. 5 geerdet ist, dann nimmt die Gate-Elektrode von T43 niedriges Potential an, wodurch T43 gesperrt wird. Dies hat zur Folge, daß der Ausgangsknotenpunkt sich über den Widderstand R auf ein hohes Potential auflädt. Der nach oben gerichtete Spannungsübergang am Ausgangeknotenpunkt wird dadurch verbessert, daß man die Impedanz von R verringert und der letztlich erreichbare hohe Spannungspegel wird dadurch erhöht, daß man die Versorgungsspannung +V2 erhöht. Der Widerstand R, der gewöhnlich außerhalb des Halbleiterplättchens angeordnet ist, kann als Widerstand für relativ hohe Leistung ausgelegt werden. Dabei ist allgemein bekannt, daß bei Auslegung des Widerstandes R und des Transistors T43 Schaltgeschwindigkeit und Leistungsverbrauch in einem umgekehrten Verhältnis zu einander stehen.

Fig. 6 zeigt eine Eingangsstufe für eine logische Schaltung gemäß der Erfindung. Das an der Gate-Elektrode von T55 liegende Eingangssignal verändert sich von Erdpotential nach 4VDD (zum Beispiel 5 Volt oder mehr). Ist T55 abgeschaltet, dann lädt sich die Drain-Elektrode durch den über T52 und T51 fließenden Strom auf +2 Volt auf. Der innen liegende Knotenpunkt und die Gate-Elektroden von T53 und T54 werden auf +VDD (zum Beispiel +5 Volt) aufgeladen, wodurch T53 und T54 eingeschaltet werden, und für die Eingangsknotenpunkte

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der nächstfolgenden logischen Stufen als Eingangssignal Erdpotential liefern. Im anderen Fall, wenn T55 eingeschaltet ist, dann entlädt sich der innen liegende Knotenpunkt und die Gate-Elektroden von T53 und T54 über T51 und T55. Dadurch werden T53 und T54 gesperrt, so daß ihre Ausgangsknotenpunkte (Ausgang 1 und Ausgang 2) durch die nachfolgende logische Stufe, wie bereits ausführlich dargelegt, auf +2 Volt aufgeladen werden.

Diese vollkommen neue logische Schaltung, die aus Feldeffekt-Transistoren des Anreicherungs/Verarmungstyps bestehen, sind bezüglich ihres Leistungsverbrauchs und ihres Betriebsverhaltens deutlich verbessert. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß man für die Eingangstransistoren, wie zum Beispiel T1, positiv vorgespannte N-Kanal FETs vom Anreicherungstyp einsetzen kann. Die Lasttransistoren, wie T2, könnten an sich bekannte als Lasttransistoren geeignete FETs sein, die entweder mit automatischer Vorspannung arbeiten oder an ihrer Gate-Elektrode vorgespannt sind, wie dies beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 3 406 dargelegt ist. Die gesamte Schaltung könnte außerdem in P-Kanal-Technik oder in CMOS-Technik ausgeführt sein.

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e e r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

IJ Aus Feldeffekttransistoren aufgebaute logische Schaltung, dadurch gekennzeichnet,

daß ein erster Eingangs-Feldeffekttransistor (TI) vom Verarmungstyp vorgesehen ist, dessen Drain-Source-Strecke zwischen einem Eingangsknotenpunkt (A) und einem innen liegenden Knotenpunkt (X) eingeschaltet und dessen Gate-Elektrode mit einem ersten festen Potential verbunden ist,

daß ein zweiter mit automatischer Vorspannung arbeitender Feldeffekttransistor (T2) vom Verarmungstyp vorgesehen ist, der als Last zwischen einem zweiten festen Potential (VDD) und dem innen liegenden Knotenpunkt (X) eingeschaltet ist, daß mindestens ein Ausgangs-Feldeffekttransistor (T3) vom Anreicherungstyp vorgesehen und mit seiner Gate-Elektrode an dem innen liegenden Knotenpunkt (X), mit seiner Source-Elektrode an dem ersten festen Potential und mit seiner Drain-Elektrode an einem Ausgangsknotenpunkt angeschlossen ist, der eine nicht vernachlässigbare Ausgangskapazität (CLA) besitzt, daß ein dritter Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (T11) mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen einem zweiten innen liegenden Knotenpunkt (Y) und der Drain-Elektrode des mindestens einen Ausgangs-Feldeffekttransistors (T13) vom Anreicherungstyp angeschlossen ist, dessen Gate-Elektrode an dem ersten festen Potential angeschlossen ist und

daß ein vierter Feldeffekttransistor (Tl 2) vom Verarmungstyp zwischen dem zweiten festen Potential (VDD) und dem zweiten inneren Knotenpunkt (Y) eingeschaltet ist, so daß an

, der Drain-Elektrode des mindestens einen Ausgangs-Feldeffekt-

transistors (T13) vom Anreicherungstyp ein Ausgangspotential auftritt, das zwischen dem ersten festen Potential und einem zweiten Potential umschaltbar ist, das eine Funktion der Schwellenspannung des dritten Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp ist.

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Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite feste Potential (VDD) höher ist, als das erste feste Potential.

Logische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein fünfter Feldeffekttransistor (T21) mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen einem anderen Eingangsknotenpunkt und einem dritten inneren Knotenpunkt (Z) eingeschaltet und mit seiner Gate-Elektrode an dem ersten festen Potential angeschlossen ist, daß ein sechster mit automatischer Vorspannung arbeitender Feldeffekttransistor (T22) vom Verarmungstyp zwischen dem zweiten festen Potential (VDD) und dem dritten inneren Knotenpunkt (Z) eingeschaltet ist, und

daß mindestens ein weiterer Ausgangs-Feldeffekttransistor (T23) vom Anreicherungstyp mit seiner Gate-Elektrode an dem dritten inneren Knotenpunkt (Z), mit seiner Source-Elektrode an dem ersten festen Potential und mit seiner Drain-Elektrode am gleichen Ausgangsknotenpunkt angeschlossen ist, der eine nicht vernachlässigbare Ausgangskapazität (CLH) besitzt.

Logische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Ausgangs-Feldeffekttransistor (T14) mit seiner Gate-Elektrode an dem zweiten inneren Knotenpunkt (Y') mit seiner Source-Elektrode an dem ersten festen Potential und mit seiner Drain-Elektrode an einem anderen Ausgangsknotenpunkt angeschlossen ist, der eine nicht vernachlässigbare Kapazität (CLI) besitzt.

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