DE3030380C2

DE3030380C2 - Taktgeneratorschaltung

Info

Publication number: DE3030380C2
Application number: DE3030380A
Authority: DE
Inventors: Sargent Sheffield Colorado Springs Col. Eaton jun.
Original assignee: Mostek Corp
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1979-08-13
Filing date: 1980-08-11
Publication date: 1986-07-17
Also published as: GB2056807B; DE3030380A1; GB2056807A; CA1149473A; JPS6141408B2; JPS5659332A; US4354123A

Description

5. Generator nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskondensator (16) mit einer Platte (28) an der Senke des zehnten MOS-FET (60) des ersten Taktgenerators (14) liegt und mit seiner Basisplatte (26) an die Quelle des zehnten MOS-FET (86) des zweiten Taktgenerators (20) angeschlossen ist.

6. Generator nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastkapazität (12) mit einer Klemme geerdet ist und mit ihrer anderen Klemme sowohl an der Quelle des zehnten MOSFET (60) des ersten Taktgenerators (14) als auch an der Steuerelektrode des zweiten MOSFET (64) des zweiten Taktgenerators (20) liegt.

Die Erfindung betrifft eine Taktgeneratorschaltung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derarlige Schaltung ist aus der US-PS 36 31 267 bekannt, bei der ein als Inverter arbeitender Eingangsverstärker und ein Aur-gabetransistor eine Lastkapazität auf eine negative Spannung treiben. Eine Rückkopplungsschaltung wird bei einer Annahme der Ausgabespannung aktiviert und zieht eine Platte eines Kondensators auf eine negative Spannung. Dies? negative Spannung wird über den Kondensator an die Steuerelektrode des Ausgabetransistors geleot, wodurch die Ausgangsspannung schneller auf eine kleine Spannung absinken kann.

Aus der DE-OS 22 43 671 und aus der US-PS 41 22 361 ist die Verwendung eines Bootstrap-Kondensators bekannt, um die Spannung für einen Treibertransistor zu erhöhen. Hierzu ist der Bootstrap-Kondensator zwischen die Steuerelektrode des Treibertransistors und einen Ausgabeknoten geschaltet. Ein Anstieg an der Ausgangsspannung wird über den Bootstrap-Kondensator rückgekoppelt, um die Verstärkung am Treibertransistor zu erhöhen.

Aus der US-PS 39 95 171 ist ebenfalls eine Schaltung mit einem Bootstrap-Kondensator bekannt, der zwischen den Ausgang der Schaltung und die Steuerelektrode des Ausgabetransistors geschaltet ist. Erhöht sich die Ausgangsspannung. dann wird diese über den Bootstrap-Kondensator an die Steuerelektrode de. Treibertransistors rückgekoppelt.

Aus dem IBM TDB. Vol. 19. No. 3. August 1976, S.

827—828 ist eine Schaltung bekannt, bei der der Bcotstrap-Kondensator zwischen die Ausgangsklemme und einen Knoten geschaltet ist, der seinerseits über einen weiteren Transistor an der Steuerelektrode eines Treibertransistors liegt. Wiederum bewirkt ein Anstieg in der Ausgangsspannung eine über den Bootstrap-Kondensator gekoppelte positive Spannung, die dann über den weiteren Transistor an die Steuerelektrode des Treibertransistors gelangt.

Aus der US-PS 40 61 933 ist eine Schaltung bekannt, bei der ein Bootstrap-Kondensator zwischen einen Ausgangsknoten (oder dessen Spiegelbild) und die Steuerelektrode eines Treibertransistors angeschlossen ist. Ein Anstieg in der Ausgangsspannung wird durch den Bootstrap-Kondensator an die Steuerelektrode des Treibertransistors rückgekoppelt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, mit der ein rückgekoppelter Kondensator und die Lastkapazität unabhängig voneinander geladen werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen bei einer Schaltung der eingangs genannten Art die kenrzrfchnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Dadurch wird erreicht, daß der rückgekoppelte Kondensator nur bei Ansteuerung Ladung abgibt. Während der Vorladung muß lediglich diejenige Ladungsmenge nachgeliefert werden, die während der Ansteuerung verlorenging. Auf diese Weise sind sowohl die Arbeitsgeschwindigkeit als auch die Leistungsaufnahme besser als bei bekannten Schaltungen.

Eine Isolier- und Vorladeschaltung hai* den rückgekoppelten Kondensator stets voll aufgeladen und wird nur angesteuert, wenn während des aktiven Betriebes die Isoliertransistoren abgeschaltet werden. Sie gestattet ferner eine Spannungserhöhung am Rückkopplungskondensator, die über die Versorgungsspannung V_n- hinausgeht, so daß die Lastkapazität auf höherer Spannung betrieben werden kann. Danach und während der Vorladung wirkt die Isolierschaltung wieder zur Verhinderung von Ladungsverlusten aus dem Rückkopplungskondensator. Die Ladung wird daher auf dem Rückkopplungskondensator aufrechterhalten, und die Arbeitsgeschwindigkeit wird erhöht, da die aktive Wirkung der Schaltung lediglich die Lastkapazität betreiben muß, bevor diese durch das Anlegen des Rückkopplungskondensators auf eine höheie Spannung gezogen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in Form eines Blockschaltbildes;

Fig. 2 ein Taktimpulsdiagramm der zuvor erwähnten Ausführung; und

Fig. 3 ein Schemaschaltbild einer bevorzugten Ausführung der Erfindung.

FiS. J ^ze'gt einen Taktgenerator 10 für Spannungserhöhungen, wobei eine Lastkapazität 12 als C_L bezeichnet ist. Diese stellt jede in einer Last enthaltene Kapazität dar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll mikt C_L die Lastkapazität einer Wortleitung bezeichnet sein. Ein erster Taktgenerator 14 dient zur Ladung der Lastkapazität 12 auf einen ersten Spannungswert von etwa 5 Volt. Ein Rückkopplungskondensator 16 ist mit C* bezeichnet. Diese Kapazität treibt die Lastkapazität mit der gewünschten zweiten höheren Spannung.

Ferner ist eine Isolier- und Vorladeschaltung 18 vorgesehen, die den Rückkopplungskondensator 16 auf die erste Spannung von 5 Volt auflädt, und zwar vor dem Treiben der Lastkapazität 12 mit der zweiten Spannung. Der Rückkopplungskondensator 16 läßt sich auf jeden beliebigen

Spannungswert aufladen, wobei allerdings sein Hinfluß auf die Lastkapazität dementsprechend variiert. Vorzugsweise ist die Rückkopplungskapazität 16 etwa gleich wie die Lastkapazität, obgleich die Rückkopplungskapazität in beliebiger Weise wählbar ist. Die Isolier- und Vorladeschaltung 18 sowie ein zweiter Taktgenerator 20 laden den Rückkopplungskondensator 16. Obgleich nur zwei Taktgeneratoren dargestellt sind, lassen sich natürlich zahlreiche Taktgeneratoren in Kaskadenschaltung verwenden, um gegebenenfalls weitere Treibereigenschaften zu liefern.

Im folgenden wird der Betrieb des Hochspannungs-Taktgenerators erläutert. Zu einem Anfangszeitpunkt befindet sich die obere Platte 22 des Lastkondensators 12 auf 0 Volt. Dies ist mit Φ. bezeichnet. In ähnlicher Weise befindet sich das Signal Φ am Eingang 24 des ersten Taktgenerators 14 auf 0 Volt, und das Signal Φ, an der Basisplatte 26 des Rückkopplungskondensators 16 liegt ebenfalls auf 0 Volt. Zu diesem Zeitpunkt lädt die Isolier- und Vorladeschaltung die obere Platte 28 des Rückkopplungskondensators 16 auf eine erste Spannung, beispiels- weise auf 5 Volt.

Der weitere Betrieb der Schaltung läßt sich anhand der Zeitdiagramme gemäß Fig. 2 näher erläutern. Φ_| geht anfänglich auf einen ersten Spannungswert und treibt die obere Platte 22 der Lastkapazität 12 auf den ersten Spannungswert. Zu diesem Zeitpunkt trennt die Isolier- und Vorladeschaltung 18 den Rückkopplungskondensator 16. Φ_ι an der Basisplatte des Rückkopplungskondensators 16 bleibt auf 0 Volt. Die Φ ,-Spannung an der Platte 22 der Lastkapazität 12 folgt mit kurzer Verzögerung nach dem Übergang von Φ_ί auf den ersten Spannungswert.

Es erfolgt eine weitere Verzögerung, bevor Φ₎ auf den ersten Spannungswert übergeht, bei dem die Basisplatte 26 des Rückkopplungskondensators auf Φ, aufgeladen wird. Zur gleichen Zeit verbindet die Isolier- und Vorladeschaltung den Rückkopplungskondensator 16 mit der Lastkapazität 12. Je nach Ladung des Rückkopplungskondensators 16 tritt damit ein Spannungssprung in Φ. auf. Sind die beiden Kapazitäten etwa gleich groß, wie dies in dem Ausführungsbeispiel angenommen ist, dann erhöht sich Φ, um etwa /:, also auf 7,5 Volt.

Wenn der Taktgenerator 10 auf seinen Vorladezustand zurückfällt, dann gehen Φ_Ι. Φ, und Φ, wieder auf 0 Volt, die Isolier- und Vorladeschaltung 18 hält dabei jedoch eine Ladung auf dem Rückkopplungskondensator 16 aufrecht. Dies verhindert die Notwendigkeit einer vollständigen Wiederaufladung des Rückkopplungskondensators 16 bei jedem Zyklus, so daß die Schaltung schneller arbeitet. Außerdem ist die Leistungsaufnahme wesentlich geringer.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten des Taktgenerators 10. Während des Vorladcss wird ein Transistor 30 durch das Signal Φ_ρ aufgesteuert, der dadurch die Steuerelektrode eines Transistors 32 erdet. Dadurch wird der Transistor 32 gesperrt. Ebenfalls gesperrt wird ein Transistor 34 aufgrund des an der Klemme 24 liegenden Signals Φ,, das an seine Steuerelektrode geführt wird. Hingegen wird ein Transistor 36 durch einen Vorladebefehl Φ_ρ aufgesteuert, welcher den Knoten 38 auf V„- V₁ anhebt. V_a ist dabei die Versorgungsspannung, V, die Schwellwertspannung. Ein Transistor 40 wird von der Versorgungsspannung aufgesteuert und zieht dabei die Steuerelektrode eines Transistors 42 auf V_a—kV.. Dadurch wird der Transistor 42 aufgesteuert und legt den Knoten 44 auf 0 Volt. Dadurch liegen 0 Volt an der Steuerelektrode eines Transistors 46, und dieser bleibt gesperrt, während ein Transistor 48 aufgiund der Spannung am Knoten 38 aufgesteuert wird. Auf diese Weise liegt die Basisplatte 50 eines Kondensators 52 ebenso wie der Knoten 44 und seine obere Platte auf 0 Volt. Ein Transistor 54 wird ferner von der positiven Spannung am Knoten 38 aufgesteuert, wodurch das am Knoten 22 liegende Signal Φ_ι geerdet wird. Ferner wird ein Transistor 56 von dem an seiner Steuerelektrode liegenden Vorladebefehl Φ_ρ aufgesteuert, wodurch der Knoten 58 geerdet wird. Schließlich ist ein Transistor 60 deswegen gesperrt, weil seine Steuerelektrode über den Knoten 58 geerdet ist.

Der zweite Taktgenerator 20 hat den gleichen Aufbau und wirkt während der Vorladung auf die gleiche Weise. Während der Sperrung des Transistors 62 ist der Transistor 61 leitend. Der Transistor 64 ist gesperrt, während der Transistors 66 aufgesteuert ist und den Knoten 68 auf V_rc-V, zieht. Der Transistor 70 ist aufgesteuert und nffnet den Transistor 72, der den Knoten 74 auf 0 Volt legt. Dadurch wird der Transistor 76 gesperrt. Ist der Transistor 78 aufgesteuert, dann wird die Basis 80 des Kondensators 82 auf Erdpotential gelegt. Der Transistor 84 ist leitend.

währenri Her Transistor Rn opsnprrl Wt ijnH

die Basisplatte 26 des Rückkopplungskondensators 16 auf Erdpotential.

Während des Vorladens ist der Transistor 90 aufgesteuert, während ein Transistor 92 gesperrt ist. Der Transistor 92 erhält ein Signal sowie eine geringfügige Verzögerung vom Knoten 88. der die Senke des Transistors 61 und die Steuerelektrode des Transistors 62 darstellt. Auf diese Weise liegt der Knoten 94 auf V_n — V_n wodurch der Kondensat 96 geladen wird und die Transistoren 98 und 100 aufgesteuert werden. Die Transistoren 98 und 100 sind Verarmungs-MOSFETs, welche die Funktion der Schaltung verbessern, indem sie leichter durchschalten, die jedoch nicht unbedingt notwendig sind. Dadurch wird der Knoten 28 auf V„ angehoben, während der Transistor 60 den Knoten 22 vom Knoten 28 trennt. Der Rückkopplungskondensator 16 wird dadurch auf V₁, oder 5 Volt aufgeladen, während die Lastkapuzität 12 auf 0 Volt verbleibt.

Wenn Φ, auf V„ ansteigt, wird der Knoten 24 auf V„ gebracht, während die Platte 102 des Kondensators 96 ebenfalls auf V_n. geht. Zur gleichen Zeit fällt der Vorladebefehl wieder auf 0 Volt ab. Auf diese Weise wird der Transistor 34 aufgesteuert, während der Transistor 30 gesperrt wird. Dies steuert den Transistor 32 auf und erdet den Knoten 38. Der Transistor 36 wird dabei gesperrt, der Transistor 40 bleibt jedoch aufgesteuert. Durch die inhärente Kapazität des Transistors 40 und der Steuerelektrode des Transistors 42 sperrt letzterer mit einer gewissen Verzögerung. Die Transistoren 48 und 54 sperren nun ebenfalls, während der Knoten 54 auf V_cc aufgeladen wird. Gleichzeitig wird der Transistor 46 gesperrt, wodurch die Platte 50 des Kondensators 52 auf K_n. gelangt. ScuHeßlich wird der Transistor 56 gesperrt, während der Transistor 60 aufgesteuert wird, wodurch Φ, am Knoten 22 auf V_rr-V, gelangt.

Der Taktgenerator 20 arbeitet somit auf die gleiche Weise, um Φ₃ am Knoten 26 auf V_n-V₁ zu bringen, obgleich es eine gewissen Zeitverzögerung gemäß Fig. 2 gibt. Das am Knoten 88 des zweiten Taktgenerator 20 abgenommene Signal wird an die Steuerelektrode des Transistors 92 in der Isolier- und Vorladeschaltung 18 gelegt und öffnet dadurch den Transistor 92, während der Transistor 90 gesperrt wird. Der Knoten 94 wird dadurch auf Erdpotential gelegt und sperrt die Transistoren 98 und 100. Aufgrund der Verwendung von Verarmungstransistoren erfolgt dies mit einer gewissen Verzögerung, so daß der Rückkopplungskondensator 16 ebenfalls verzögert an die Lastkapazität 12 angeschlossen wird. Danach wird Φ, durch den Rückkopplungskondensator 16 (C_A) auf einen

höheren Wert als V_n gestoßen. Wenn C_K und C/. etwa gleich sind, dann wird </>, auf etwa 7 bis 7,5 Volt gebracht. Während des nächsten Vorladevorganges wird C_K wieder von C/. getrennt. Auf diese Weise braucht Φ, lediglich CV zu laden, und die Vorladeschaltung hat nur C_K in der 5 erforderlichen Weise aufgeladen. C_K war nicht vollständig entladen und behält seine Ladung bei. Dadurch wird Leistung eingespart. Da Φ. lediglich C₁ aufzuladen braucht, ist die t «nktionssgeschwindigkeit erhöht, sofern die Zeitkonstante an die Kapazität angepaßt ist. IO

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

25

JO

40 ι·;

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Taktgeneratorschaltung mit gegenüber der Versorgungsspannung erhöhter Spannung an einer Lastkapazität, mit:

- einem ersten Taktgenerator (14) zum Aufladen einer Lastkapazität (12) auf einen ersten Spannungsweit, und

- einem Rückkopplungskondensator (16) zum Treiben der Lastkapazität (12) auf einen zweiten Spannungswert,

gekennzeichnet durch

- eine Isolier- und Vorladeschaltung (18) zum Laden des Rückkopplungskondensators (16) vor dem Treiben der Lastkapazität (12) auf einen zweiten Spannungswert, und

- einen aygten Taktgenerator (20) zum Treiben der Basis (26) des Rückkopplungskondensators (16), wodurch die Lastkapazität (12) durch den Rückkopplungskondensator (16) auf einen zweiten Spannungswert gebracht wird.

2. Taktgenerator nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Taktgenerator (14) die folgenden Bauelemente aufweist:

30

- einen ersen MOSFET (30) mit geerdeter Quelle und mit an dt. Steuerelektrode liegendem Vorladebefehl (Φ,)

- einen zweiten MOSFET (34), dessen Quelle an der Senke des ersten MOSFETS (."I) liegt, dessen Senke an die Versorgungsspannung (V_n.) angeschlossen ist und döben Steuerelektrode mit einem ersten Taktsignal (Φ,) beaufschlagt ist,

- einen dritten MOSFET (32), dessen Steuerelektrode

an der Senke des ersten MOSFETS (30) liegt und dessen Quelle geerdet ist,

- einen vierten MOSFET (36), dessen Quelle an die Senke des dritten MOSFET (32) angeschlossen ist, dessen Senke an Versorgungsspannung (V_n.) liegt, und dessen Steuerelektrode mit dem Vorladebefehl (Φρ) beaufschlagt ist,

- einen fünften MOSFET (40), dessen Quelle an die Senke des dritten MOSFET (32) angeschlossen ist und dessen Steuerelektrode an der Versorgungsspannung (V_n.) liegt, se-

- einen sechsten MOSFET (42). dessen Senke mit dem ersten Taktsignal (Φ,) beaufschlagt ist und dessen Steuerelektrode an der Senke des fünften MOSFET (40) liegt.

- einen siebenten MOSFET (48), dessen Quelle geerdet ist und dessen Steuerelektrode an der Senke des dritten MOSFET (32) liegt,

- einen Kondensator (52) mit an die Quelle des sechsten MOSFET (42) angeschlossener erster Klemme und an die Senke des siebenten MOSFET (48) angeschlossener zweiter Klemme,

- einen achten MOSFET (46), mit an die Quelle des sechsten MOSFET (42) angeschlossener Steuerelektrode, wobei seine Quelle an die zweite Klemme des Kondensators (52) und seine Senke an die Versorgungsspannung (V_n.) angeschlossen ist,

- einen neunten MOSFET (54). dessen Steuerelektrode an der Senke des dritten MOSFET (32) liegt und

dessen Quelle geerdet ist,

- einen zehnten MOSFET (60), dessen Quelle an die Senke des neunten MOSFET (54) angeschlossen ist und dessen Senke an der Isolier- und Vorladeschaltung (18) und am Rückkopplungskondensator (16) liegt, und

- einen elften MOSFET (56). dessen Senke an die Steuerelektrode des zehnten MOSFFT (60) sowie an die Isolier- und Vorladeschaltung ("S) angeschlossen ist, dessen Quelle geerdet ist und dessen Steuerelektrode mit dem Vorladebefehl (Φ_ρ) beaufschlagt ist.

3. Taktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Taktgenerator (20) die folgenden Bauelemente aufweist:

- einen ersten MOSFET (61) mit geerdeter Quelle und mit mit einem Vorladebefehl (Φ_Λ) beaufschlagter Steuerelektrode,

- einen zweiten MOSFET (64), dessen Quelle an die Senke des ersten MOSFET (61) angeschlossen ist, dessen Senke von der Versorgungsspannung beaufschlagt ist und an dessen Steuerelektrode ein erstes Taktsignal (Φ₂) liegt,

- einen dritten MOSFET (62). dessen Steuerelektrode an der Senke des ersten MOSFET (61) liegt und dessen Quelle geerdet ist,

- einen vierten MOSFET (66), dessen Quelle an die Senke des dritten MOSFET (62) angeschlossen ist, dessen Senke an der Versorgungsspannung (V_n.) liegt, und dessen Steuerelektrode mit dem Vorladebefehl (Φ_ρ) beaufschlagt ist.

- einen fünften MOSFET (70), dessen Quelle an die Senke des dritten MOSFET (62) angeschlossen ist und dessen Steuerelektrode an der Versorgungsspannung (V_n.) Hegt,

- einen sechsten MOSFET (72), dessen Senke an dem ersten Taktsignal (Φ₂) und dessen Steuerelektrode an die Senke des !fünften MOSHCT (70) angeschlossen ist,

- einen siebenten MOSFET (78) mit geerdeter Quelle und an die Senke des dritten MOSFET (62) angeschlossener Steuerelektrode,

- einen Kondensator (82), dessen erste Klemme an die Quelle des sechsten MOSFET (72) und dessen zweite Klemme an die Senke des siebenen MOSFET (78) angeschlossen ist,

- einen achten MOSFET (76). dessen Steuerelektrode an die Quelle des sechsten MOSFET (72) angeschlossen ist, wobei seine Quelle an der zweiten Klemme des Kondensators (82) und seine Senke an der Versorgungsspannung (V_n.) liegt,

- einen neunten MOSFET (84), dessen Steuerelektrode an der Senke des dritten MOSFET (62) liegt, dessen Quelle geerdet ist und dessen Senke mit einer Klemme (26) des Rückkopplungskondensators (16) verbunden ist,

- einen zehnten MOSFET (86), mit an der Versorgungsspannung (V_n.) liegender Senke, an der ersten Klemme des Kondensators (82) liegender Steuerelektrode und an .die Senke des neunten MOSFET (84) angeschlossener Quelle, und

- einen elften MOSFET (87), dessen Senke an die Steuerelektrode des zehnten MOSFF.T (86) ;ingeschlossen ist, dessen Quelle geerdet ist und dessen Steuerelektrode mit dem Vorladebefchl (Φ,,) beaufschlagt ist.

4. Taktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolier- und Vorladeschaltung (18) die folgenden Bauelemente aufweist:

- einen ersten MOSFET (90) mit an der Versorgungspannung (K_n.) liegender Senke und mit mit einem Vorladebefehl (Φ_ρ.) beaufschlagter Steuerelektrode,

- einen zweien MOSFET (92) mit an die Quelle des ersten MOSFET (90) angeschlossener Senke, mit an den zweitsn Taktgenerator (20) angeschlossener Steuerelektrode und mit geerdeter Quelle,

- einen Kondensator (96), dessen eine Klemme mit emem ersten Taktsignal (Φ]) beaufschlagt ist und dessen zweite Klemme an der Quelle des ersten MOSFET (90) liegt,

- einen ersten Verarmungs-MOSFET (100) mit an die Quelle des ersten MOSFET (90) angeschlossener Steuerelektrode und mit an den ersten Taktgenerator (14) angeschlossener Quelle und Senke, und

- einen zweiten Verarmungs-MOSFET (98), dessen Senke an die Versorgungsspannung (V₀.) angeschlossen ist, dessen Steuerelektrode an der Quelle des ersten MOSFET (90) liegt und dessen Quelle am Rückkopplungskondensator (16) sowie am ersten Taktgenerator (14) hängt.