DE3026741A1 - Mos-spannungsteiler - Google Patents

Description

N. V. Philips' 6loei!ampenfabrieten_f Eindhoven

PHA 1042 Χ" Z - 16.6. 1980

MOS-Spannungsteller

Die Erfindung bezieht sich auf Spannungsteilerschaltungen und insbesondere auf einen verbesserten Spannungsteiler, bei dem Schwellwertspannungs— und Umgebungstemperatur änderungen die Ausgangsspannung nur in geringem Masse beeinflussen.

MOS-Spannungsteiler werden vielfach, z.B. als Bezugsspannungsgeneratoren die Eingangspuffer vom Differenzverstärkertyp in 4k und 16K dynamischen Speichern mit wahlweisem Zugriff (RAM = Random Access Memory), verwendet.

Der Ausdruck MOS steht abgekürzt für die Abkürzung MOSFET ( = Metal Oxide Semiconductor Effect Transistor). Im allgemeinen erfordern diese Spannungsgeneratoren viele in Reihe liegende Transistoren, was zu vielen Schwellwertspannungsabfallen führt, und dies ist nur bei verhältnismässig hohen Eingangs Spannungen zulässig.

In der US-PS 4 Ο69 430 im Namen von "Masuda" vom 17. Januar 1978 ist eine MOS-Spannungsteilerschaltung mit sowohl Anreicherungs- als auch Verarmungstransistoren beschrieben, die alle in Reihe geschaltet sind. In der deutschen Patentanmeldung 2 435 606, die am 22. Juni 1968 offengelegt wurde, sind zwei Verarmungstransistoren beschrieben, die in Reihe geschaltet sind. In der US-PSi 4 152 716 im Namen von Torii et al vom 1. Mai 1979, ist eine Anzahl von Anreicherungstransistoren beschrieben, die alle in Reihe geschaltet sind.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält:

a) einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Massenanschluss;

b) einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor, die parallel über dem genannten AusgangsanSchluss und dem genannten Massenanschluss angeordnet sind, und

c) einen dritten Feldeffekttransistor, der über dem ge-

030065/0926

PHA 1042 ^ 3- 16.6.1980

nannten Eingangsanschluss und dem genannten Massenanschluss und in Reihe mit den genannten parallelgeschalteten ersten und zweiten Feldeffekttransistoren angeordnet ist,

g wobei diese Schaltung eine herabgesetzte Gleichspannung über dem genannten AusgangsanSchluss in bezug auf eine Über dem genannten Eingangsanschluss angelegte Gleichspannung liefert.

Die Ausgangsspannung ist sehr stabil in bezug auf Schwellwertspannungsänderungen. Wenn Anreicherungstransistoren verwendet werden, wirkt die Spannungsteilerschaltung befriedigend bis zu einer Speisespannung nur gleich zwei Schwellwerten.

Schwellwertspannungsänderungen können von mehreren verschiedenen Quellen herrühren. Unterschiede in Her— Stellungsbedingungen können zur Folge haben, dass ein zu einem bestimmten Zeitpunkt hergestellter Transistor in einer Anordnung eine andere Schwellwertspannung als ein zu einem anderen Zeitpunkt hergestellter Transistor in einer Anordnung aufweist. Beim Betrieb einer bestimmten Anordnung können Temperaturänderungen bewirken, dass sich die Schwellwertspannung ändert. Auch kann beim Betrieb der Anordnung eine Änderung in der Substratvorspannung zu einer Änderung in der Schwellwertspannung führen. Die Spannungsteilerschaltung nach der Erfindung ist nicht nur einfach, sondern erzeugt auch eine sehr stabile Ausgangsspannung. Durch passende Wahl nur der Transistorgeometrie kann die Äusgangsanschlusspannung von Schwellwertspannungs— und Temperaturänderungen für Aus— gangsspannungen grosser als ein Schwellwert und kleiner als die Hälfte der Eingangsspeisespannung unabhängig gemacht werden. Ausserdem bleibt das Verhältnis zwischen der Ausgangs- und der Eingangsspeisespannung konstant.

Die einzige Figur zeigt schematisch ein Schaltbild einer Spannungsteilerschaltung, die gemäss der Erfindung ausgeführt ist.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine MOS-Spannungsteilerschaltung nach der Erfindung. Die

030065/0926

PHA 1042 ^TL\\.^ 16.6.1980

Schaltung enthält drei MOS-Transistoren 10, 12, 14, die mit drei Anschlüssen 16, 18, 20 gekoppelt sind. Nachstehend ■wird der Anschluss 16 als der Eingangsanschluss, der Anschluss 18 als der Ausgangsanschluss und der Anschluss 20 als der Massenanschluss (geerdet dargestellt) bezeichnet. Der Eingangsanschluss 16 ist mit der Drain-Speisespannung V_nn und der Massenanschluss 20 ist mit der Source-Speisespannung V verbunden.

Die Transistoren 10 und 12 sind in Reihe über dem Eingangsanschluss 16 und dem Massenanschluss 20 angeordnet. Die Drain des Transistors 10 ist mit dem Eingangsanschluss 16 verbunden. Die Source des Transistors 10 und die Drain des Transistors 12 sind miteinander und mit dem Ausgangsanschluss 18 verbunden. Die Source des Transistors 12 ist mit dem MassenanSchluss 20 verbunden. Die Gates der Transistoren' 10 und 12 sind miteinander und mit dem Eingangs an Schluss 16 verbunden.

Der Transistor 14 ist parallel zum Transistor über dem Ausgangsanschluss 18 und dem Massenanschluss 20 angeordnet, wobei die Drains der Transistoren 12 und 14 mit dem Ausgangsanschluss 18 und die Sources derselben mit dem Massenanschluss 20 verbunden sind. Das Gate des Transistors 14 ist mit der Drain desselben und mit dem Ausgangsanschluss 18 verbunden.

Die Transistoren 10, 12, 14 sind alle vom gleichen Typ und sie sind vorzugsweise alle Anreicherungstransistoren. Ein Anreicherungstransistor ist nichtleitend, solange das Gate-Potential unterhalb eines Schwellwertpegels über dem Source-Potential liegt, während dieser Transistor leitend ist, wenn das Gate-Potential den Schwellwertpegel übersteigt. Obgleich Betrieb der Schaltung auch möglich ist, wenn alle Transistoren Verarmungstransistoren sind, werden vorzugsweise Anreicherungstransistoren verwendet, weil sie besser reproduzierbar sind. In jedem Fall darf die Schaltung nicht sowohl Anreicherungs- als auch. Verarmungstransistoren zugleich enthalten.

Da die Gates al-ler Transistoren 10, 12, 14 an ein hohes Potential angelegt sind, sind die Transistoren

030065/0926

PHA 1042 lif" 5- I6.6.I98O

leitend und wird die Eingangsdrainspeisespannung V__n am Eingangsanschluss 16 in Abhängigkeit von den Widerstandswerten der Transistoren geteilt. Da der Widerstandswert eines Transistors von seinem Breite/Länge-Verhältnis abhängt, ist es auch einleuchtend, dass das gewünschte Ausmass der Spannungsteilung durch geeignete Einstellung der Breite/Länge-Verhältnisse der Transistoren eingestellt werden kann.

Der Γ5-Faktor eines MOS-Transistors wird durch die nachstehende Beziehung definiert:

wobei M- die Trägerbeweglichkeit im Kanal, C die Oxid-

O O

kapazität pro Oberflächeneinheit, W die Breite des Kanals und L die Länge des Kanals oder den Abstand zwischen der Source und der Drain darstellen. In der nachstehenden mathematischen Analyse sind /b.. , A>₂ > (lio die zu den Transistoren 10, 14 bzw. 12 gehörigen /b -Faktoren, ist V die Schwellwertspannung der Transistoren und sind W-, Wp, W„ die Breiten der Transistoren 10, 14 bzw. 12. Die Stromgleichungen für die drei Transistoren können wie folgt geschrieben werden: <¹> -T (^Vein - ^VT - ^Vaus)² = Hl· (^Vaus " V^{2 +}

3 I ein T' aus 2 aus Wenn angenommen wird, dass die Kanallängen und Herstellungsparameter für alle Transistoren gleich sind, folgt daraus eine Reduktion zu:

(2) W (v -V -V ) -W (V -V ) +W ^ 2(v -V Iv -V \ *~ / lein T au s 2 au s T ¹¹¹O /^©in *p/ slu. s au s j

Eine Differenzierung dieser Gleichung in bezug auf V ergibt:

OV

_v-v H-1- ^aus )-2w (ν -v

- )2W (V -V )(

_b i-^2^_aus ^VT^M SV

- 2V -2V

aus

. V_) 2V 2V j^ exn T' öV aus aus oV„

&v ^T

_aus

Eine Auflösung dieser Gleichung für —-τ- und Einstellung

T derselben auf Null ergibt:

() ^Vaus = °'

030065/0926

>- 16.6.1980

Zusammen mit der Gleichung (2) gibt es nun zwei Gleichungen mit veränderlichen W₁ , W und W,,. Für einen besonderen Satz von Werten für V . , V_. und V können

exn T aus

W und W₂ als Bruchteile von W_ ausgedrückt werden. Auf ähnliche Weise kann der nachstehende Ausdruck abgeleitet

• V ·

werden, der zutrifft, solange V / V <, -J^ü-l ist.

Sv γ ^{aus 2}

aus aus

bv . ⁼ ~ΊΓ.—

em exn
Für V = 5 V, V= 0,8 V und V = 1,5 V ergibt dies

CJ Ll i CtUO

W = 1,72 W„; Wp = 4,5 W , wobei W freigewählt werden kann, weil dieser Wert nur den Strompegel im Spannungsteiler bestimmt. In dieser Berechnung ist der Einfluss des physischen Effekts auf die Schwellwertspannung des Transistors 10 ausser Betracht gelassen. Es ist ziemlich verwickelt, diesen Einfluss in der mathematischen Analyse zu berücksichtigen. Bei Computeranalyse kann dieser Effekt berücksichtigt werden und dadurch können etwas verschiedene Werte für W₁/W_ und W„/W„ erhalten werden.

Die Schaltung nach der Erfindung erzeugt eine Ausgangsspannung, die linear von der Eingangsspannung abhängig und für Schwellwertspannungsänderungen verhältnis— massig unempfindlich ist. In der Praxis beträgt die Änderung der Ausgangsspannung mit der Schwellwertspannung nur etwa 10 mV pro Volt. Die Änderung der Ausgangsspannung mit der Temperatur ist etwa 65 /UV pro Grad Kelvin.

030065/0926

Claims (3)

PHA 1042 $f I6.6.I98O PATENTANSPRÜCHE

1.' Spannungs teiler s chaltung, dadurch, gekennzeichnet,

dass sie enthält:

a) einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Massenanschluss;

b) einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor, die parallel über dem genannten Ausgangsanschluss und dem genannten Massenanschluss angeordnet sind, und c) einen dritten Feldeffekttransistor, der über dem genannten EingangsanSchluss und dem genannten Massenan-Schluss und in Reihe mit den genannten parallelgeschalte— ten ersten und zweiten Feldeffekttransistoren angeordnet ist,

wobei diese Schaltung eine herabgesetzte Gleichspannung über dem genannten Ausgangsanschluss in bezug auf eine über dem genannten EingangsanSchluss angelegte Gleichspannung liefert.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gates des genannten ersten und des genannten dritten Transistors zusammen mit dem genannten Eingangs— anschluss verbunden sind und das Gate des genannten zweiten Transistors mit dem genannten Ausgangsanschluss verbunden ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Transistoren alle Anreicherungs-

25 transistoren sind.

030065/0926