DE2935858C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Feldeffekttransistor-Spannungs­ pegel-Abtastschaltung zur Erzeugung eines Rücksetz-Signals, wie sie im Oberbegriff des Hauptanstruchs beschrieben ist.

Feldeffekttransistoren (FET) finden insbesondere in mono­ lithisch integrierten Schaltungen vielfältige Anwendung. Oft ist es erwünscht, Schwankungen in der Energieversorgungs­ spannung bei einer monolithisch integrierten Schaltung zu überwachen, insbesondere bei einem Mikrocomputer. Die Tech­ nik ist bis zu einem Punkt fortgeschritten, da dem ein voll­ ständiger Mikroprozessor mit einem Speicher mit Direktzu­ griff oder statischem Zugriff insgesamt auf einem einzigen Siliciumplättchen integriert werden kann. Es wäre sehr er­ wünscht, auch eine Überwachungsschaltung für den Pegel der Energieversorgungsspannung auf demselben Plättchen oder Chip anzuordnen. Bisher wurden eine externe Logik und Spannungs­ komparatoren dazu verwendet, die Energieversorgungsspannung zu überwachen und Steuersignale für eine monolithisch inte­ grierte Schaltung zu liefern, die einen Minicomputer auf­ weist.

Eine Schaltung der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 27 32 511 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen Span­ nungskonstanthalter für integrierte Schaltungen, bei wel­ chem zwischen einer ungeregelten Referenzspannung und einem Referenzpunkt eine Kaskade von mehreren Anreicherungs-FETs und von mehreren Verarmungs-FETs vorhanden ist. Die Ver­ bindungsstellen zwischen aufeinanderfolgenden Verarmungs- FETs bilden Spannungsteiler-Abgriffpunkte, an welchen eine Vorspannung bzw. Ansteuerungsspannung für eine integrier­ te Schaltung abgreifbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastschal­ tung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher ein Rückstellimpuls (reset) erzeugt werden kann, wenn die der integrierten Schaltung zugeführte Schaltung einen für den Betrieb der Schaltung ausreichenden Pegel aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs niedergelegten Merkmalen gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine grafische Darstellung eines Spannungspegels der einer integrierten Schaltung zugeführt wird, wobei Spannungspegel veranschaulicht sind, bei denen bestimmte Impulse erzeugt werden können,

Fig. 2 eine Energieeinschalt/Energieabschalt-Spannungs­ abtastschaltung, welche dazu geeignet ist, die in der Fig. 1 dargestellten Ausgangssignale zu lie­ fern,

Fig. 3 eine charakteristische Kurve oder Kennlinie einer Ausgangsspannung, welche durch eine konstante Be­ zugsspannung gemäß Fig. 2 geliefert wird und

Fig. 4 eine Schaltung, welche dazu geeignet ist, auf einem monolithischen integrierten Plättchen inte­ griert zu werden, auf welchem ein Mikrokomputer integriert ist.

In der Fig. 1 stellt die Kurve 10 eine Spannung dar, wel­ che einem monolithisch integrierten Schaltungs-Chip zuge­ führt wird, auf dem ein Mikrokomputer integriert ist. Wenn die durch die Kurve 10 dargestellte Spannung einen Pegel erreicht, welcher der Linie 11 entspricht, ist es zweck­ mäßig, einen Impuls wie einen Rückstellimpuls 14 zu er­ zeugen, so daß dadurch angezeigt wird, daß die der integrier­ ten Schaltung zugeführte Spannung einen ausreichenden Pegel hat. Wenn eine ansteigende Spannung den Pegel 11 erreicht, ist es möglich, daß Rauschen oder eine externe Störung dazu führt, daß die Spannung gemäß der Kurve 10 derart ver­ ändert wird, daß der Pegel 11 mehr als einmal durchkreuzt wird.

Um zu verhindern, daß verschiedene Rückstellimpulse 14 erzeugt werden, sollte vorzugsweise eine Hysteresis vorgesehen werden.

Wenn die Energie entweder absichtlich oder unbeabsichtigt abgeschaltet wird, kann ein Versorgungsspannungs-Störsignal 15 (VNMI) erzeugt werden, wenn die abnehmende Spannung den Pegel 12 erreicht, um wiederum ein nicht maskierbares Unterbrechungssignal (NMI) zu erzeugen. Dieses nicht mas­ kierbare Unterbrechungssignal kann in einem Mikrokomputer dazu verwendet werden, daß die erforderlichen Maßnahmen ausgelöst werden, um den Verlust der kritischen Daten zu verhindern. Das nicht maskierbare Unterbrechungssignal kann auch dazu verwendet werden, das System zu warnen, wenn ein Abfallen der Energieversorgungsspannung auftritt. Wenn die Energieversorgungsspannung fortwährend abfällt und einen Pegel 13 erreicht, kann ein Rückstell-Abschaltsignal [V _RES ) erzeugt werden, um die integrierte Schaltung abzu­ schalten. Diejenige Zeit, welche verstreicht, bis die ab­ nehmende Energieversorgungsspannung vom Pegel 12 zum Pe­ gel 13 gelangt ist, die in der Zeichnung mit T _NMI be­ zeichnet ist, sollte ausreichend sein, um dem Mikrokomputer genügend Zeit zur Verfügung zu stellen, die nicht maskier­ bare Unterbrechung durchzuführen.

Die Fig. 2 veranschaulicht eine Energieeinschalt/Energie­ abschalt-Spannungspegelabtastschaltung, welche dazu geeig­ net ist, die in der Fig. 1 dargestellten Impulse zu er­ zeugen. Der Feldeffekttransistor 20 weist eine Verarmungs­ schicht auf, und seine Drain ist mit der Spannungsversor­ gungsquelle V _DD verbunden. Seine Gate ist mit einer zwei­ ten Spannungsversorgungsklemme 23 verbunden. Die Energie­ versorgungsklemme 23 ist gemäß der Darstellung in der Zeichnung die Masse oder ein geeigneter Bezugspunkt, da zur Vereinfachung der Darstellung hier angenommen wurde, daß alle verwendeten Transistoren N-Kanal-Feldeffekttransitoren sind. Die Source des Feldeffekttransistors 20 ist mit einem Knoten 25 verbunden. Die Feldeffettransistoren 21 und 22 sind vom Anreicherungstyp, und sie sind in Reihe zwischen dem Knoten 25 und der Energieversorgungs­ klemme 23 angeordnet. Die Transistoren 21 und 22 haben jeweils ihr Gate gemeinsam mit den Drain-Elektroden ver­ bunden. Die Source des Transistors 21 ist mit der Drain des Transistors 22 verbunden, während die Source des Transistors 22 mit der Klemme 23 verbunden ist. Die Transistoren 20, 21 und 22 bilden einen Konstantspannungs -Bezugsgenerator, der an einem Ausgangsknoten 25 eine konstante Spannung liefert. Sobald die den Klemmen V _DD und 23 zugeführte Energieversorgungsspannung einen be­ stimmten Spannungspegel überschreitet, bleibt die am Knoten 25 auftretende Spannung konstant, und zwar selbst dann, wenn die Energieversorgungsspannung weiter ansteigt

Die Widerstände 24, 26, 27 und 28 sind alle in Reihe zwischen der Energieversorgungsklemme V _DD und der Klemme 23 angeordnet. Die Widerstände 24, 26, 27 und 28 dienen als Widerstandseinrichtung, um einen Spannungsteiler zu bilden, der drei verschiedene Ausgangspegel liefert. Der höchste Ausgangspegel wird einem Eingang eines Kompa­ rators 30 zugeführt. Der andere Eingang des Spannungskom­ parators 30 ist mit dem Knoten 25 verbunden. Der Spannungs­ komparator 30 liefert eine Ausgangsspannung V, welche zur Rückstellung dient und anzeigt, wenn die Energieversorgungsspannung V _DD eine vorgegebene Minimalspannung erreicht, welche zur Versorgung der Schaltung als ausreichend ange­ sehen wird. Ein zweiter Ausgang des Energieversorgungs -Spannungsfühlers ist an der Verbindung zwischen den Wider­ ständen 26 und 27 gebildet und mit einem Eingang eines Spannungskomparators 31 verbunden. Ein zweiter Eingang des Spannungskomparators 31 ist mit dem Bezugsausgangs­ knoten 25 verbunden. Der Ausgang des Komparators 31 lie­ fert ein Signal V _NMI , welches einen Spannungspegel an­ zeigen würde, an welchen Bedingungen vorliegen, bei denen die Energieversorgung der Schaltung nicht mehr gewährleistet ist und die integrierte Schaltung aus diesem Grunde ab­ geschaltet werden sollte. Ein dritter Ausgang des Ener­ gieversorgungs-Spannungsfühlers ist an der Verbindung zwischen den Widerständen 27 und 28 gebildet und ist mit einem Eingang eines Spannungskomparators 32 verbunden. Der zweite Eingang des Spannungskomparators 32 ist mit dem Ausgangsbezugsknoten 25 verbunden. Der Ausgang des Spannungskomparators 32 liefert die Spannung V _RESET , welche die Energieabschaltung anzeigt, soweit die Schal­ tung betroffen ist.

Es ist zu bemerken, daß die Ausgangssignale der Spannungs­ komparatoren 30, 31, und 32 alle bei verschiedenen Spannungs­ pegeln der Energieversorgungsspannung an der Klemme V _DD auftreten. Bei der Schaltung nach der Fig. 2 liefert der Konstantspannungs-Bezugsgenerator, der durch die Feld­ effekttransistoren 20, 21, und 22 gebildet ist, eine konstante Ausgangsspannung, welche jedem der Eingänge der Komparatoren 30, 31 und 32 zugeführt wird. Ein zweites Eingangssignal für jeden der Komparatoren wird durch den Energieversorgungs- Spannungsfühler geliefert, welcher durch die Widerstände 24, 26, 27 und 28 gebildet wird. Die Ausgangsspannungen, welche durch den Energieversorgungs-Spannungsfühler geliefert werden, verändern sich natürlich, wenn sich diejenige Spannung verändert, welche der Klemme V _DD zugeführt wird. Der Ausgangsbezugsknoten 25 ist mit dem nicht invertieren­ den Eingang des Spannungskomparators 30 verbunden, um ein positiv verlaufendes Ausgangssignal zu liefern, wenn die Spannung V _DD einen gewünschten Pegel erreicht, während der Knoten 25 mit den invertierenden Eingängen der Spannungs­ komparatoren 31 und 32 verbunden ist, um bei vorgegebenen Spannungspegeln negativ verlaufende Ausgangssignale zu liefern.

Die Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, in welcher die Ausgangsspannung am Knoten 25 der Fig. 2 veranschaulicht ist. Die Spannung V _REF , welche am Knoten 25 auftritt, ist auf der Ordinate aufgetragen, während die Spannung V _DD auf der Abzisse dargestellte ist. Wenn die Spannung V _DD zunimmt, nimmt auch die Spannung am Knoten 25 zu, und sie folgt im allgemeinen den Kurven 35 und 36, bis die Spannung V _DD etwa 2,4 Volt erreicht, und dann nimmt die Spannung V _REF am Kno­ ten 25 einen konstanten Pegel an. Sobald die Spannung V _DD einen Pegel erreicht, der dazu ausreicht, die Transistoren 20, 21 und 22 in die Sättigung zu treiben, liefert der Konstantspannungs-Bezugsgenerator dann eine konstante Aus­ gangsspannung. Die konstante Ausgangsspannung, welche durch die Kurve 36 dargestellt ist, beträgt etwa 2,2 Volt, während die konstante Ausgangsspannung, die durch die Kurve 35 ver­ anschaulicht ist, etwa 2,64 Volt beträgt. Die Kurven 35 und 36 dienen zur Veranschaulichung dessen, was als Spannungs­ veränderung am Knoten 25 aufgrund von Parameterveränderungen in der Schaltung im ungünstigsten Fall erwartet werden kann. Wenn die Bezugsspannung zwischen den zwei Transistoren 21 und 22 vom Anreicherungstyp abgegriffen werden sollte, dann hätte die Ausgangsbezugsspannung einen geringeren Wert.

Die Spannung V _REF , die am Knoten 25 in der Fig. 2 abgreif­ bar ist, kann durch die folgende Gleichung berechnet werden:

wobeiK₂₀; K₂₁ und K₂₂ Konstanten der Feldeffekttransistoren 20, 21 bzw. 22 sind. Die Konstante K entspricht der Breite der Anordnung, geteilt durch deren Länge. V _TD ist die Schwellenspannung der Verarmungstransistors 20, V _TE ist die Schwellenspannung der Anreicherungstransistoren 21 und 22 und Δ V _SB ist die Anreicherungsschwellenspannungszunahme des Transistors 21 aufgrund der Substratvorspannung. Es ist zu bemerken, daß in der obigen Gleichung die Beweglich­ keit und die Oxidkapazitäten einander tilgen und deshalb eine Veränderung dieser Parameter aufgrund von Prozeß­ variationen die Bezugsspannung nicht beeinträchtigen.

In der Fig. 4 sind der Konstantspannungs-Bezugsgenerator, der Komparator und der Energieversorgungs-Spannungsfühler in einer Schaltungskonfiguration verwendet, um eine gültige Direktspeicher-Anzeige zu liefern, wobei die gesamte Schaltung der Fig. 4 auf demselben Silicium-Chip wie ein Mikrokomputer integriert ist. Die Feldeffekttransistoren 20, 21 und 22 bilden den Konstantspannungs-Bezugsgenerator wie in der Fig. 2. Der Energieversorgungs-Spannungfühler wird durch die Feldeffekttransistoren 47 und 48 vom Ver­ armungstyp gebildet. Die Transistoren 47 und 48 sind derart geschaltet, daß sie als Widerstände wirken und auf diese Weise einen Spannungsteiler bilden. Eine Verbindung V _S zwischen den Transistoren 47 und 48 liefert ein Aus­ gangssignal für den Energieversorgung-Spannungsfühler. Der Transistor 48 vom Verarmungstyp liegt parallel zu einem Transistor 49 vom Anreicherungstyp. Der Transistor 49 hat sein Gate mit seiner Drain verbunden. Die Transisto­ ren 47 und 48, die beide vom Verarmungstyp sind, haben ihre Gate-Elektroden mit ihren Source-Elektroden verbunden. Der Zweck des Transistors 49 besteht darin, eine Schwellen­ spannungskompensation zu liefern. Wenn aufgrund von Prozeß­ veränderung die Schwellenspannung der Verarmungs-Transistoren sich verändern sollte, so daß sie von einem gewünschten Wert abweicht, verändert sich die Schwellenspannung der Anreicherungs-Schaltungsanordnung in entgegengesetzter Richtung und kompensiert dadurch die Veränderung. Da­ durch besteht die Tendenz, daß gewährleistet wird, daß die Spannung V _B den richtigen Wert aufweist, um eine gültige Direktspeicher-Anlage beim gewünschten Spannungs­ pegel zu liefern.

Die Transistoren 41 bis 45 sind als Differenzverstärker geschaltet, um die Funktion eines Spannungskomparators zu erfüllen. Die Gate-Elektrode des Transistors 43 ist mit dem Knoten 25 verbunden, der die Bezugsspannung liefert. Die in Reihe geschalteten Transistoren 43 und 44 sind zwi­ schen der Spannungsversorgungsschiene V _{CC und der Drain des Transistors 41 angeordnet. Die in Reihe geschalteten Transistoren 42 und 45 sind parallel zu den Transistoren 45 und 44 angeordnet. Der Transistor 41 dient als Konstant­ stromquelle. Die zweite Eingangsspannung V S für den Spannungskomparator wird dem Gate des Transistors 42 zu­ geführt. Die Transistoren 51 bis 54 dienen als Spannungspegel-Ver­ schiebeeinrichtung. Die Transistoren 53 und 54 sind in einer Stromspiegelkonfiguration geschaltet, während die Transistoren 51 und 52 als Eingangstransistoren für die Spannungsspiegel-Verschiebeeinrichtung dienen. Das Gate des Transistors 52 ist mit einer Verbindung zwischen den Transistoren 43 und 44 verbunden, während das Gate des Transistors 51 mit einer Verbindung zwischen den Tran­ sistoren 42 und 45 verbunden ist. Ein Ausgangssignal der Spannungspegel-Verschiebeeinrichtung wird dem Gate des Transistors 56 zugeführt. Der Transistor 56 ist in Reihe mit dem Transistor 57 vom Verarmungstyp angerodnet. Die Transistoren 56 und 57 bilden einen Verstärker mit hoher Ausgangsverstärkung und liefern eine Ausgangsspannung V 0 am Knoten 55. Die Ausgangsspannung V₀ wird in einer Schaltung verwendet, welche die Funktion einer gültigen Direktspeicher-Anzeige liefert. Die Transistoren 60, 61 und 62 bilden ein logisches Verküpfungsglied, und zwar ein NOR-Glied, dessen Ausgangssignal durch die Transistoren 63 und 64 verstärkt wird. Das Ausgangssignal der Transistoren 63 und 64 wird weiterhin durch die Transistoren 66 und 67 verstärkt. Das Ausgangssignal der Transistoren 66 und 67 wird durch das Übertragungsglied 70 der Klemme 75 zuge­ führt. Die Klemme 75 ist mit der Mikrokomputer-Datenschiene verbunden. Das Übertragungsglied 70 wird durch ein Mikro­ komputer-Lesesteuersignal gesteuert, welches der Klemme 71 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Übertragungsgliedes 70 wird über einen Inverter 74 dem Übertragunglied 72 zugeführt. Das Übertragungsglied 72 hat einen Ausgang, der mit dem Gate des Transistors 62 verbunden ist und über den Widerstand 68 mit dem Gate des Transistors 67 verbunden ist. Das Übertragungsglied 72 wird durch ein Mikrokomputer-Schreib­ steuersignal gesteuert, welches der Klemme 73 zugeführt wird. Die Klemme 75 ist ein Ausgang für eine Schaltung, welche gültige Direktspeicherdaten anzeigt, und ist direkt mit der Mikrokomputer-Datenschiene verbunden. Die Schaltung zur Anzeige gültiger Direktspeicherdaten wird zunächst auf eine logische "0" zurückgesetzt, wenn anfänglich dem Chip der integrierten Schaltung Spannung zugeführt wird. Wenn der Mikrokomputer eine gültige Information in seinen Direktspeicher einspeichert, d. h. in seinem Speicher mit Direktzugriff oder mit statistischem Zugriff, schreibt er eine logische "1" in Schaltung zu Anzeige gültiger Direktspeicherdaten. Die Schaltung bleibt im Zustand einer logischen "1", so lange die Energieversorgungsspannung oberhalb eines vorgegebenen Minimalpegels liegt. Wenn jedoch die Energieversorgungsspannung unter einen vorge­ gebenen Minimalpegel absinkt, bewirkt die Spannung V₀, daß die Anzeigeschaltung für gültige Direktspeicherdaten auf eine logische "0" rückgestellt wird. Der logische Zu­ stand "0" zeigt an, daß die Energieversorgungsspannung unter ihren vorgegebenen Minimalpegel abgesunken ist und die Direktspeicherdaten unter Umständen nicht gültig sein können. Die Anzeigeschaltung bleibt im Zustand einer logischen "0", bis der Mikrokomputer erneut eine logische "1" in die Schaltung einschreibt. Es sollte durch die obige Beschreibung deutlich geworden sein, daß gemäß der Erfindung ein Konstantspannungs-Be­ zugsgenerator geschaffen wird, der eine Spannung liefert, die auf einem konstanten Wert bleibt, und zwar selbst dann, wenn der Spannungspegel der Ernergieversorgungsspannung abfällt. Der Konstantspannungs-Bezugsgenerator dient einem ähnlichen Zweck wie eine Zener-Diode, jedoch unter Ver­ wendung von Feldeffekttransistoren. Der Konstantspannungs-Bezugsgenerator wird in einer Spannungspegel-Abtastschaltung verwendet, welche insgesamt in eine integrierte Schaltung eines Feldeffekttransistors inte­ griert werden kann. Es ist oben als bevorzugte Ausführungsform eine Verwendung beschrieben worden, bei welcher der Konstantspannungs-Be­ zugsgenerator bei der Erzeugung eines Anzeigesignals für einen Energieausfall verwendet wird, um bei einem Mikro­ prozessor oder einem Mikrokomputer eine Unterbrechung herbeizuführen und den Prozessor in eine Routine zu bringen, welche für einen Energieausfall vorgesehen ist, es ist je­ doch darauf hinzuweisen, daß die Feldeffekttransistor -Spannungspegel-Abtastschaltung auch in Verbindung mit anderen Schaltungen als Mikrokomputer- oder Mikroprozessor -Schaltungen verwendet werden kann.}

Claims (3)

1. Feldeffektransistor-Spannungspegel-Abtastschaltung zur Erzeugung eines Rücksetz-Singals (V _RESET ) mit einer Kaskadenschaltung aus Verarmungs-Feldeffekttransistoren und Anreicherungs-Feldeffekttransistoren, die zwischen einer ersten (V _DD ) und einer zweiten (GND) Versorgungsspannung liegen, und die einen Spannungsteiler mit einem Konstant­ spannungsknoten (25) bilden dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zur Kaskade ein aus ohmschen Widerständen (24, 26, 27, 28) gebildeter Spannungsteiler geschaltet ist
daß den Eingang zumindest eines Spannungskomparators (30, 32), an dessen Ausgang das Rücksetz-Signal (V _RESET ) abgreifbar ist. mit dem Konten (25) und ein anderer Eingang mit einem Abgriff des von den ohmschen Widerständen gebildeten Spannungstei­ lers verbunden ist.

2. Feldeffekttransistor-Spannungspegel-Abtastschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Komparator (30) und ein zweiter Komparator (32) vorhanden sind
daß der Knoten (25) mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Komparators (30) und mit dem invertie­ renden Eingang des zweiten Komparators (32) verbunden ist, und daß zwei Abgriffe an dem aus den ohmschen Widerstän­ den (24, 26, 27, 28) gebildeten Spannungsteiler vorhanden sind, die mit jeweils einem der Komparatoren (30, 32) ver­ verbunden sind.

3. Feldeffekttransistor-Spannungspegel-Abtastschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Knoten (25) zwischen einem Verarmungs-Transistor (20), an dessen Steuereingang die zweite Versorgungsspannung (GND) anliegt, und einem Anreicherungs-Feldeffekttransistor (22), dessen Steuereingang mit dem Knoten (25) verbunden ist, liegt.