DE2841429C2 - Polaritätsumkehrschaltung - Google Patents

Polaritätsumkehrschaltung

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Polaritätsumkehrschaltung mit einer ersten und einer zweiten Eingangsklemme sowie einer ersten und zweiten Ausgangsklemme und vier Transistoren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Eine derartige Polaritätsumkehrschaltung ist aus der DE-AS 17 63 811, insbesondere Fig. 1, bekannt. Diese bekannte Polaritätsumkehrschaltung ist jedoch mit bipolaren Transistoren aufgebaut, wobei es erforderlich ist, entsprechende Basiswiderstände vorzusehen. Die bekannte Schaltung weist aufgrund des bipolaren Aufbaues den Nachteil auf, daß mehr Strom und damit auch mehr Leistung verbraucht wird, wobei dementsprechend auch die Wärmeableitung eine wesentlich größere Rolle spielt. Auch ist bei der Schaltung mit bipolaren Transistoren in der Regel ein Strombegrenzungswiderstand erforderlich. Des weiteren ist auch die Leckstrombeherrschung bei der bekannten Schaltung mit bipolaren Transistoren sehr kritisch.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Polaritätsumkehrschaltung, welche es ermöglicht, unabhängig von der Polarität einer Eingangsspannung eine vorgegebene Polarität für die Ausgangsspannung zu liefern, derart auszubilden, daß sie als integrierte Schaltung mit minimalem Spannungsabfall und besonders geringem Stromverbrauch und eine verbesserte Leckstromunterdrückung geschaffen ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches gelöst.
  • Zwar ist aus der Zeitschrift "Der Elektroniker" Nr. 5/1972, S. 215 bis 219, die vergleichende Struktur zwischen einem Bipolar-Transistor und einem MOS-FET-Transistor beschrieben. Ein weiterer Hinweis darauf, wie man eine Polaritätsumkehrschaltung speziell für die Leckstromunterdrückung auslegt, kann jedoch dieser letztgenannten Druckschrift nicht entnommen werden.
  • Der wesentliche Vorteil der Erfindung kann neben der Leckstromunterdrückung darin gesehen werden, daß die spannungsgesteuerten MOS-Transistoren eine sehr geringe Stromaufnahme und damit Leistungsaufnahme haben und auch eine IC- Herstellung auf kleinem Raum möglich ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,
  • Fig. 2 ein Beispiel einer Halbleiteranordnung der in der Fig. 1 dargestellten MOS-Einrichtung und
  • Fig. 3 ein Schaltschema für eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
  • Die Fig. 1 veranschaulicht in schematischer Weise eine Polaritätsumkehrschaltung 10, welche an ihren Eingangsklemmen 11 und 12 eine beliebige Polaritätseingangsspannung aufnehmen kann und an ihren Ausgangsklemmen 13 und 14 eine vorgegebene Polaritätsausgangsspannung liefern kann.
  • Gemäß Fig. 1 hat die Ausgangsklemme 13 immer eine positive Polarität in Bezug auf die Ausgangsklemme 14. Ein P-Kanal-MOS- Element 17 ist zwischen der Eingangsklemme 11 und der Ausgangsklemme 13 angeordnet. Das Gate 24 des P-Kanal-MOS-Elementes 17 ist mit der Eingangsklemme 12 verbunden. Ein P-Kanal-MOS-Element 18 verbindet die Eingangsklemme 12 mit der Ausgangsklemme 14. Die Ausgangsklemme 14 ist auch mit der Eingangsklemme 11 über ein N-Kanal-MOS-Element 16 verbunden. Ein P-Kanal-MOS-Element 19 wird dazu verwendet, die Eingangsklemme 12 mit der Ausgangsklemme 13 zu verbinden. Die Gates 26 und 27 der MOS-Elemente 18 und 19 sind jeweils mit der Eingangsklemme 11 verbunden, während das Gate 23 des MOS-Elementes 16 mit der Eingangsklemme 12 verbunden ist. Die P-Anschlüsse 21 und 22 der MOS-Elemente 15 bzw. 18 sind massefrei gehalten, um jegliche bipolare Wirkung auf das Substrat der Halbleiterschaltung auf einem Minimum zu halten.
  • Wenn die Eingangsspannung an der Eingangsklemme 11 in Bezug auf die der Eingangsklemme 12 zugeführte Spannung positiv ist, wird das N-Kanal-MOS-Element 18 in den durchlässigen Zustand vorgespannt, da sein Gate 26 mit der Eingangsklemme 11 verbunden ist. Wenn das N-Kanal-MOS-Element 18 im durchlässigen Zustand ist, wird die Klemme 12 mit der Ausgangsklemme 14 verbunden. Gleichzeitig bewirkt die negative Spannung von der Eingangsklemme 12, welche mit dem Gate 24 des P-Kanal-MOS-Elementes 17 verbunden ist, daß das MOS- Element 17 durchlässig wird, so daß dadurch die Eingangsklemme 11 mit der Ausgangsklemme 13 verbunden wird. In entsprechender Weise erscheint die positive Eingangsspannung, welche der Klemme 11 zugeführt wird, an der Ausgangsklemme 13, und die negative Eingangsspannung, welche der Klemme 12 zugeführt wird, erscheint an der Ausgangsklemme 14. MOS-Einrichtungen 16 und 19 werden in den undurchlässigen Zustand vorgespannt, wenn die Eingangsklemme 11 positiv und die Eingangsklemme 12 negativ sind.
  • Wenn die Eingangsspannung so geschaltet ist, daß das negative Potential an der Eingangsklemme 11 anliegt und das positive Potential an der Eingangsklemme 12 anliegt, dann wird das N-Kanal-MOS-Element 16 dadurch aktiviert, daß die positive Spannung seinem Gate 23 zugeführt wird. Durch den durchlässigen Zustand des MOS-Elementes 16 wird die Eingangsklemme 11 mit der Ausgangsklemme 14 verbunden, und dies dient dazu, die negative Eingangsspannung von der Klemme 11 zu der Ausgangsklemme 14 zu führen. Das P-Kanal-MOS-Element 19 wird ebenfalls durchlässig, da sein Gate 27 mit der Eingangsklemme 11 verbunden ist, welche mit dem negativen Eingangspotential beaufschlagt wird. Der durchlässige Zustand des MOS-Elementes 19 dient auch dazu, daß positive Potential, welches der Klemme 12 zugeführt ist, an die Ausgangsklemme 13 zu führen. Aus den obigen Erläuterungen dürfte ersichtlich sein, daß unabhängig von der Polarität der Spannung, welche den Eingangsklemmen 11 und 12 zugeführt wird, die Polaritätsumkehrschaltung dafür sorgt, daß die Polarität der Spannung an den Klemmen 13 und 14 immer dieselbe ist. Die Schaltung 10 erweist sich insbesondere bei solchen Schaltungsanordnungen als vorteilhaft, bei welchen über eine Leitung CMOS-Schaltungen betätigt werden, welche die Konfiguration in Abhängigkeit von der Polarität ändern, d. h., daß Nand-Glieder zu Nor-Gliedern werden usw.
  • Die Fig. 2 veranschaulicht eine bevorzugte Anordnung der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung. Wenn das Substratmaterial 25 ein Siliciummaterial vom N-Typ ist, werden die P-Anschlüsse 21 und 22 ein Material vom P-Typ sein. Jeder P-Ansatz 21 bzw. 22 hat zwei Implantationen aus einem Material N+, um die Source und die Drain für die N-Kanal-MOS-Elemente 16 und 18 gemäß Fig. 1 zu bilden. Das Material vom Typ N+ der Source und der Drain des N-Kanal-MOS-Elementes 16 hat eine Gate-Oxydschicht dazwischen, um das Gate 23 auszubilden. Die Source und die Drain des N-Kanal-MOS-Elementes 18 haben zwischen sich eine Oxydschicht, um das Gate 26 zu bilden. Die P-Anschlüsse 21 und 22 haben Kanalsperren 28, welche ein Zwischenelement zwischen dem Material vom Typ P- der Anschlüsse und dem Substrat vom Typ N und der Oberfläche des Siliciumplättchens bilden. Gemäß Fig. 2 sind weiterhin Kanalsperren oder Schutzringe 29 aus einem Material vom Typ N+ vorgesehen. Es ist ersichtlich, daß die P-Kanal-MOS-Elemente keine Anschlüsse haben, welche ihre Source und ihre Drain umgeben, wie es bei den N-Kanal-MOS-Elementen der Fall ist. Die Source und die Drain der P-Kanal-MOS-Elemente 17 und 19 werden jeweils durch Implantation von Materialien des Typs P+ gebildet, welche jeweils durch Oxydschichten angeschlossen werden, welche die Gates 24 bzw. 27 bilden. Die P-Anschlüsse beider N-Kanal-Elemente werden massefrei gehalten, und deshalb kann keine bipolare Wirkung auf das Substrat ausgeübt werden, weil der P-Anschluß, welcher als Basis eines parasitären vertikalen NPN-Transistors dient, ohne Verbindung nach außen bleibt. Vorzugsweise ist der Anschluß 22 wenigstens 0,075 mm oder mehr von dem P-Kanal-Element entfernt, um die Auswirkungen des parasitären Lateral-PNP-Transistors auf einem Minimum zu halten, indem der Emitter und der Collector des PNP-Transistors weiter voneinander angeordnet sind. Dieselben Feststellungen gelten in Bezug auf auf den Anschluß 21 und das P-Kanal-Element 17.
  • In der Fig. 3 ist in einer schematischen Darstellung eine Schaltung veranschaulicht, die geringfügig von der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung abweicht. Die Abweichung besteht in zwei N-Kanal-MOS-Elementen 31 und 32. Das N-Kanal- MOS-Element 31 stellt eine Verbindung zwischen dem P-Anschluß 21 des N-Kanal-MOS-Elementes 16 mit der Ausgangsklemme 14 her. Das N-Kanal-MOS-Element 22 verbindet den P-Anschluß 22 des N-Kanal-MOS-Elementes 18 mit der Ausgangsklemme 14. Beide Gates 36 und 37 der MOS-Elemente 31 bzw. 32 sind mit der Ausgangsklemme 13 verbunden, welche die positive Ausgangsklemme ist. Wenn daher eine positive Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 13 auftritt, werden die N-Kanal-MOS-Elemente 31 und 32 in den durchlässigen Zustand gebracht, so daß dadurch die P-Anschlüsse 21 und 22 mit der negativen Ausgangsklemme 14 verbunden werden. Dadurch wird die Spannung V BE des parasitären Transistors zu null Volt, und dieser Vorgang unterstützt weiterhin die Maßnahme, irgendwelche Leckströme in den N-Kanal-MOS-Elementen 16 oder 18 zu unterbinden, wenn diese Elemente gesperrt sind. Der übrige Teil der Schaltung gemäß Fig. 3 entspricht der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung und arbeitet auch in ähnlicher Weise.
  • Gemäß der Erfindung wird eine einfache und sehr wirksame CMOS- Polaritätsumkehrschaltung geschaffen, welche einen außerordentlich geringen Leistungsspannungsabfall aufweist und praktisch keine Leckströme hat.
  • Es dürfte bekannt sein, daß die Abkürzung MOS in der Bedeutung "Metall-Oxyd-Halbleiter" verwendet wird und daß die Abkürzung CMOS komplementäre Metalloxydhalbleiter anspricht. Weiterhin ist bekannt, daß MOS-Elemente bilaterale Elemente sind, welche zwei Hauptelektroden oder Hauptanschlüsse haben, die in austauschbarer Weise als Source oder als Drain dienen, was davon abhängt, wo die stärker positive Spannung anliegt. In der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die Hauptelektroden entweder als Source oder als Drain bezeichnet werden, obwohl auch möglich ist, daß während des Betriebes ein als Source bezeichneter Anschluß über einen Teil der Zeit als Drain arbeitet.

Claims (1)

  1. Polaritätsumkehrschaltung mit einer ersten und einer zweiten Eingangsklemme (11, 12), mit einer ersten und einer zweiten Ausgangsklemme (13, 14) und mit vier Transistoren (16-20), dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor ein erster P-Kanal-MOS-Transistor (17) ist, dessen Source mit der ersten Eingangsklemme (11), dessen Drain mit der ersten Ausgangsklemme (13) und dessen Gate mit der zweiten Eingangsklemme (12) verbunden sind, daß der zweite Transistor ein erster N-Kanal-MOS-Transistor (16) ist, dessen Source mit der ersten Eingangsklemme (11), dessen Drain mit der zweiten Ausgangsklemme (14) und dessen Gate mit der zweiten Eingangsklemme (12) verbunden sind, daß der dritte Transistor ein zweiter P-Kanal-MOS- Transistor (19) ist, dessen Source mit der zweiten Eingangsklemme (12), dessen Drain mit der ersten Ausgangsklemme (13) und dessen Gate mit der ersten Eingangsklemme (11) verbunden sind, daß der vierte Transistor ein zweiter N- Kanal-MOS-Transistor (18) ist, dessen Source mit der zweiten Eingangsklemme (12), dessen Drain mit der zweiten Ausgangsklemme (14) und dessen Gate mit der ersten Eingangsklemme (11) verbunden ist, daß ein dritter N-Kanal-MOS- Transistor (31) zwischen dem Substrat-Anschluß (21) des ersten N-Kanal-MOS-Transistors (16) und der zweiten Ausgangsklemme (14) liegt, daß ein vierter N-Kanal-MOS-Transistor (32) zwischen dem Substrat-Anschluß (22) des zweiten N-Kanal-MOS-Transistor (18) und der zweiten Ausgangsklemme (14) liegt, und daß der dritte und der vierte N- Kanal-MOS-Transistor (31, 32) jeweils einen Substrat-Anschluß (33, 34) mit schwebendem Potential aufweisen.
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