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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Verringerung der Aus-
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wirkungen von .Fertigungstol-eranzen bei der Herstellung monolithisch
integrierter Halbleiterschaltungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und eine Schaltungsanordnung zur Verminderung der Auswirkungen von Fertigung toleranzen
bei der Herstellung monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen.
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Die Bauelemente monolithisch integrierter Haibleiterschaltungen weisen
aufgrund der Forderungen nach hoher Packungsdichte und kleinen Streukapazitäten
kleinstmögliche Abmessungen auf.
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Dies hat zur Folge, daß die Toleranzen der Bauelemente zwangläufig
relativ groß sind, insbesondere bei den Widerständen.
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Als Folge der relativ großen Toleranzen schwanken die Stromaufnahme,
die Verlustleistung sowie die Schaltgeschwindigkeit von aus verschiedenen Losen
stammenden Halbleiterchips stark.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in
den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
zum Verringern der Auswirkungen von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung monolithisch
integrierter Halbleiterschaltungen anzugeben.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin
zu sehen, daß die starken Schwankungen verschiedener Halbleiterchips hinsichtlich
des aufgenommenen Stromes, der erzeugten Verlustleistung und der Schaltgeschwindigkeit
beträchtlich eingeengt werden.
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In folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung- zweier bevorzigter
Ausfüh.run#sbe#spiel# in Verbindung mit den Zeichnungen naher erläutert, von denen
aei#en Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Auafüh'rungsbeispteles~der Erfindung und
Fig. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausfufr#rüngshaispieles der Erfindung.
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Die Schaltung nach Frq 1 ist eine auf dem Halbleiterchip mitintegrierte
Regelschaltung. Sie besteht aus einem Regelverstärker, der durch die den konstanten
Strom I liefernde Konstantstronquelle 1, den emitterseitig miteinander verbundenen
bipolaren NPN-Transistoren Tt und T2 und dem Kollektorwiderstand R3 des Transistors
T2 gebildet wird. Der Kollektorwiderstand R3 ist zusammen mit dem Kollektor des
Transistors Tl an den positiven Pol +V1 einer ersten Speisespannungsguelle V1 von
beispielsweise 5V angeschlossen, deren zweiter Pol mit dem Bezugspotential verbunden
ist. Die Basis des Transistors T1 ist an eine Schaltung angeschlossen, die aus dem
Transistor T3, dessen Basiswiderstand Ri, dem Kollektorwiderstand R2 sowie der Schottky-Diode
D1 besteht und die die Ausgangsstufe eines üblichen T#Grundschaltkreises bildet.
Die Bauelemente dieser Schaltung, insbesondere die Widerstände R1 und R2 sind stellvertretend
für die übrigen gleichartigen Schaltungen auf dem Halbleiterchip verhältnismäßig
großflächig und damit toleranzarm ausgelegt. Sie entsprechen daher den Sollwerten
recht genau. Deshalb dient die Schaltung, die an eine zweite Spannungsquelle V2
von beispielsweise 1,5 V angeschlossen und bei der die Basis des Transistors T3
mit der den einen Eingang des Regelverstärkers bildenden Basis des Transistors Ti
verbunden ist, als Referenzschaltung für die restlichen gleichartigen Schaltungen
auf dem Halbleiterchip.
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Das untere Ende des Kollektorwiderstandes R3 ist an die Basis eines
als Regeltransistor dienenden Emitterfolgers T5 angeschlossen, dessen Kollektor
mit dem positiven Pol +V3 einer dritten Spannungsquelle verbunden ist, deren zweiter
Pol an das Bezugspotential angeschlossen ist. Die am Emitter des Transistors T5
auftretende Spannung wird den restlichen, unter sich gleichartigen Schaltungen des
Halbleiterchips als Speisespannung zugeführt. Die Ausgangsstufe einer dieser restlichen
Schaltungen besteht aus dem Transistor T4, der Schottky-Diode D2 dem Kollektorwiderstand
R4 und dem Basiswiderstand R5. Die Basis des Transistors T4 ist mit der den zweiten
Eingang des Regelverstärkers bildenden Basis des Transistors T2 verbunden.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist folgende: Nach dem
Anlegen der Speisespannungen wird der Transistor T3 von einem Strom durchflossen,
der aufgrund der Auslegung der Referenzschaltung mit großflächigen toleranzarmen
Bauelementen mit dem Sollwert recht gut übereinstimmt. Dieser Strom, der auch in
den übrigen mit der Referenzschaltung gleichartigen Schaltungen des Halbleiterchips
fließen soll, wird diesen über den Regelverstärker und den Regeltransistor T5, der
die Speisespannung für die restlichen Schaltungen beeinflußt, in folgender Weise
eingeprägt: In der mit der Basis des Transistors T2 verbundenen Schaltung fließe
zunächst, da diese Schaltung nicht mit großflächigen toleranzarmen Bauelementen
ausgelegt ist, aufgrund der größeren Toleranzen der Bauelemente ein höherer Strom
durch den Transistor T4 als durch den Transistor T3 der Referenzschaltung. Daher
ist das Basispotential des Transistors T4, das der Basis des Transistors T2 des
Regelverstärkers zugeführt wird, größer als das dem Transistor T1 zugeleitete Basispotential
des Transistors T3. Deshalb fließt auch ein größerer Anteil des von der Konstantstromquelle
1 gelieferten Stromes 1 durch den Transistor T2. Dieser Strom ruft an dem Kollektorwiderstand
R3 einen Spannungsabfall hervor, durch den das Basisdes
Regeltransistors
T5 negativer und der Regelpotential des Regeltransistors T5 negativer und der Regeltransistor
T5 damit hochohmiger wird, wodurch die an seinem Emitter auftretende Spannung erniedrigt
wird, und zwar solange, bis der den Transistor T4 durchfließende Strom gleich dem
Strom durch den Transistor T3 der Referenzscha#ltung ist.
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Da die übrigen Schaltungen des Halbleiterchips hinsichtlich ihrer
elektrischen Eigenschaften mit der den Transistor T4 enthaltenden Schaltung übereinstimmen,
fließt auch in jeder von ihnen der gleiche Strom wie in dieser Schaltung. Damit
list aber durch die Referenzschaltung und die Regelschaltung erreicht worden, daß
sich das Halbleiterchip so verhält, als wären alle seine gleichartigen Schaltungen
mit großflächigen, toleranzarmen Bauelementen ausgelegt. Jedoch werden durch die
Erfindung die Streukapazitäten vermieden, die mit großflächigen Bauelementen verbundenen
wären.
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Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiele der
Erfindung. Die PNP-Transistoren T6 und T7 sind unmittelbar benachbart auf dem Halbleiterchip
angeordnet und weisen auch die gleiche Geometrie auf. Sie stimmen daher in ihren
Parametern überein. Die Basis zonen der beiden Transistoren T6 und T7 sind elektrisch
leitend miteinander und mit dem Kollektor des Transistors T6 verbunden. Zusammen
mit dem großflächig ausgelegten Widerstand R6 bilden die beiden Transistoren T6
und T7 eine bekannte, an eine Speisespannungsquelle ;V4 angeschlossene Stromspiegelschaltung,
bei der auch der Transistor T7 einen Kollektorstrom abgibt, der gleich dem durch
den Widerstand R6 bestimmten, konstanten Strom 10 des Transistors T6 ist. Mit dem
Kollektor des Transistors T7 ist eine Reihenschaltung aus einer Diode D3 und einer
aus dem Transistor T9, den Widerständen R7 und R8 sowie der Schottky-Diode D4 bestehenden
Ausgangsstufe eines der TTL-Schaltkreise des Halbleiterchips verbunden. Außerdem
ist der Kollektor des Transistors T7 an die Basis eines NPN-Transistors T8 angeschlossen,
der als Emitterfolger arbeitet und mit seinem Kolvektor
an den
positiven Pol +V5 einer weiteren Spannungsquelle -V5 angeschlossen ist, deren negativer
Pol dem Bezugspotential verbunden ist, Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig.
2 ist folgende: Der durch den großflächig ausgelegten Widerstand R6 bestimmte konstante
Strom 10 der von einer Strichlinie umgebenen Stromspiegelschaltung 2, durchfließt
die aus der Diode D3 und der Ausgangsstufe eines der TTL-Schaltkreise des Halbleiterchips
gebildete Reihenschaltung und ruft an ihr den Spannungsabfall V0 hervor, der sich
zusammensetzt aus dem Spannungsabfall VD3 an der Diode D3 und dem Spannungsabfall
am Ersatzwiderstand RE, der mit der Diode in Reihe liegenden Ausgangsstufe des TTL-Schaltkreises.
Es gilt daher: V0 = VD3 f IO X RE. Die Spannung V0 wird aber auch der Basis des
Emitterfolgers T8 zugeführt, der an seinem Emitter die Speisespannung für die restlichen
Schaltkreise des Halbleiterchips liefert. Für die Emitterspannung VE des Transistors
T8 gilt aber: VE = V0 - VBET8. Da die Diode D3 und der Transistor T8 unmittelbar
benachbart auf dem Halbleiterchip realisiert wurden, ist VD = VBET8. Damit liegen
aber alle an den Emitter des Transistors T8 angeschlossenen Ausgangsstufen der TTL-Schaltkreise
an der gleichen Spannung wie die mit der Diode D3 in Reihe liegende Ausgangsstufe.
Da die Ersatzwiderstände alle Ausgangs stufen des Halbleiterchips aber unter sich
gleich sind, fließt in jeder von ihnen der gleiche Strom wie in der durch die Stromspiegelschaltung
mit dem konstanten Strom 1o gespeisten Ausgangsstufe. Somit verhalten sich auch
in diesem Ausführungsbeispiel die Schaltungen des Halbleiterchips so, als wären
sie mit großflächigen toleranzarmen Bauelementen realisiert.
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Durch Auswahl entsprechender Referenzschaltungen ist die Erfindung
sowohl auf Halbleiterchips mit logischen Schaltungen als auch auf solche mit Speicherschaltungen
anwendbar.