DE3104432C2

DE3104432C2 - MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion

Info

Publication number: DE3104432C2
Application number: DE3104432A
Authority: DE
Inventors: Shoji Tokyo Ariizumi; Makoto Yokohama Segawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-02-06
Filing date: 1981-02-04
Publication date: 1982-10-21
Also published as: JPS6129068B2; GB2069273A; DE3104432A1; US4384220A; GB2069273B; JPS56111180A

Description

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarmungs-MOS-Transistor (Tto2A) eine Last darstellt und daß der Anreicherungs-MOS-Transistor (Τγ_Ε2α)λ\% Treiber geschaltet ist

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des Abschalt-MOS-Transistors (Τγρμ) im Bereich von -0,5 bis +0,2 Volt liegt

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerbefehl ein Chip-Auswahlsignal ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Senke des Anreicherungs-MOS-Transistors (Τγε2α) ein Ausgangssignal ausgebbar ist

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Senke des Verarmungs- MOS-Transistors (TrD 2a) an eine Klemme einer Versorgungsspannung angeschlossen ist, an deren anderer Klemme der Anreichenjngs-MOS-Transistor (Τγε2a)'mh seiner Quelle liegt.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Verarmungstyp-Transistors (Τγο2α) an dessen Quelle angeschlossen ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Verarmungstyp-Transistors (Ttd2a)t-vx Aufnahme eines invertierten Eingangssignals geschaltet ist.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Senke des Abschalt-MOS-Transistors (Τγ_Ρ2α) ein weiteres Ausgangssignal erscheint.

10. Schaltung nach Anspruch 8 mit einer Anzahl von MOS-Transistoren zur Steuerung einer Abschaltfunktion, wobei jeder der Transistoren eine Quelle, eine Senke und eine von einem Steuerbefehl ansteuerbare Steuerelektrode aufweist und jeweils eine Schwellenspannung von etwa 0 Volt hat, wobei die Anzahl der Abschalt-MOS-Transistoren seriell derart angeschlossen sind, daß die Quelle eines Transistors an die Senke des folgenden zwischen dem Anreicherungstyp-MOS-Transistor und dem Verarmungstyp-MOS-Transistor angeschlossen ist.

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung für jeden Abschalt-MOS-Transistor kleiner als 0 Volt ist.

12. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekenn-

D:e Erfindung betrifft eine MOS-Transistorschaltung mit einer Abschaltfunktion, und zwar insbesondere eine MOS-Transistorschaltung mit einer Abschaltfunktion,

to die einen 0 Volt-Schwellenspannungs-MOS-Transistor aufweist, dessen Schwellenspannung etwa 0 Volt beträgt

Unter Abschaltfunktion wird im folgenden ein Betrieb verstanden, in dem die Schaltung zur Verringe rung der Leistungsaufnahme abschaltet

Es sind bereits MOS-Transistorschaltungen mit einer Abschaltfunktion in Verbindung mit integrierten Schaltungen bekannt Bei einem Speicher wird häufig eine Anzahl von Speicher-Chips verwendet Im Betrieb wird daher ein Chip-Auswahlsignal (CS) oder ein Chip-Freigabesignal (CE) zur Auswahl eines bestimmten Speicher-Chips angelegt Der jeweils angesteuerte Speicher-Chip befindet sich dann im Betriebszustand, während die nicht angesteuerten Chips in Bereitschaft stehen.

In diesem Bereitschaftsbetrieb werden keine Speicherfunktionen durchgeführt so daß weniger oder gar keine Leistung aufgenommen werden sollte. Im Betriebsfall werden jedoch normale Funktionen durch geführt, die Leistung verbrauchen. Es ist daher zweckmäßig, eine MOS-Transistorschaltung mit einer Abschaltfunktion zu versehen.

Eine derartige MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion ist beispielsweise aus der US-PS 40 96 584 bekannt

Diese bekannte Schaltung ist in Fig.2A der genannten US-Patentschrift dargestellt und wird üblicherweise als statischer RAM-Speicher verwendet Die Schaltung weist einen MOS-Transistor des Verar mungstyps als Last einen MOS-Transistor des An- reicherui.gstyps als Treiber und einen die Abschaltfunktion steuernden Anreicherungstyp-MOS-Transistor auf, an den ein Chip-Freigabebefehl gelegt wird. Gemäß der US-PS 40 96 584 hat diese Schaltung die Schwierigkeit daß die Quelle des als Treiber verwendeten MOS-Transistors nicht ohne Schwierigkeiten auf Erdpotential gebracht werden kann, da der Spannungsabfall über dem MOS-Transistor die Abschaltfunktion steuert F i g. 2B der US-PS 40 96 584 zeigt daher eine andere Schaltung mit einem MOS-Transistor, der eine Schwellenspannung von 0 Volt aufweist. Diese Schaltung ist in der nachfolgenden Figurenbeschreibung als Fig. IA abgebildet. Die bekannte E/D-Inverterschaltung gemäß Fig. IA weist einen MOS-Transistor 7Vd ia des Verarmungstyps auf, der eine Last bildet, während ein Anreicherungstyp-MOS-Transistor TrEtA einen Treiber bildet. Ein O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor 7V/>; steuert die Abschaltfunktion.

Der MOS-Transistor Τγεια ist mit seiner Quelle an Erde angeschlossen, während seine Steuerelektrode zur Aufnahme eines Eingangssignals . Vin dient Der MOS-Transistor TrD ia ist sowohl mit seiner Quelle als auch mit seiner Steuerelektrode an die Senke des MOS-Transistors Τγε ia angeschlossen. Der MOS-Transistor TrpiA liegt mit seiner Quelle an der Senke des MOS-Transistors 7Vd m, während seine Steuerelektrode zur Aufnahme eines Chip-Auswahlsignals CS vorgese-

hen ist und seine Senke an einer Versorgungsspannung Vorliegt.

Die Inverterschaltung gemäß Fig. IA ist als integrierte Schaltung besser geeignet als die Schaltung gemäß F ig.2A der US-PS 40 96 584.

Die Schaltung gemäß Fig. IA weis: jedoch einen wesentlichen Nachteil auf, den es zu verbessern gilt Bei der bekannten E/D-Inverterschaltung (gemäß Fig. IA) muß der Transistor Tr_D ia groß sein, sonst arbeitet er langsam.

Die bekannte Schaltung ist daher für integrierte Schaltungen ungeeignet Dieser Nachteil ist insbesondere dann spürbar, wenn die Schaltung zusammen mit einem O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor in einer eine große Last treibenden Gegentakt-Inverterschaltung verwendet wird.

Fig.6 der US-PS 40 96 584 zeigt ebenfalls eine MOS-Gegentakt-Inverterschaltung, die hier im folgenden in F i g. 1B dargestellt ist

Diese bekannte Gegentakt-Inverterschaltung (gemäß Fig. IB) verwendet ebenfalls eine E/D Inverterschaltung mit einem O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor. Diese Schaltung weist also einen O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor Τι ρ ib. einen Verarmungstyp-MOS-Transistor Tro ie sowie einen Anreicherungstyp- MOS-Transistor 7rE/_ßauf.

Die Quelle des MOS-Transistors Τγειβ ist an Erde angeschlossen, während seine Steuerelektrode zur Aufnahme eines Eingangssignals V_1n dient Der MOS-Transistor 7>D ta ist mit seiner Quelle an die Senke des MOS-Transistors Τγειβ angeschlossen, während seine Steuerelektrode zur Aufnahme eines invertierten Eingangssignals V-,„ dient Der MOS-Transistor Trp,β ist mit seiner Quelle an die Senke des MOS-Transistors TrDiB angeschlossen, während seine Steuerelektrode zur Aufnahme eines Chip-Auswahlsignals CS dient und seine Senke an der Versorgungsspannung V_x liegt.

Bei dieser bekannten MOS-Gegentakt-Inverterschaltung muß der Transistor Trp w groß sein, da sonst die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung gering ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die bekannte MOS-Gegentakt-Inverterschaltung derart zu verbessern, daß sie eine Abschaltfunktion aufweist und damit zum Einsatz in integrierten Schaltungen geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen.

Die erfindungsgemäße MOS-Transistorschaltung weist somit einen O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor auf, hat eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und ist in seinen Abmessungen klein.

Die erfindungsgemäß MOS-Transistorschaltung ist

vorzugsweise zum Einsatz in einer E/D-lnverterschal tung oder einer Gegentakt-Inverterschaltung geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren

näher erläutert; es zeigt

Fig. IA eine bekannte MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion für den Einsatz in einer E/D-Inverterschaltung;

Fig. IB eine weitere, bekannte MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion zum Einsatz in einer Gegentakt-Inverterschaltung;

F i g. 2A eine MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion zur Verwendung in einer E/D-Inverterschaltung in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung;

F i g. 2B eine MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion zur Verwendung in einer Gegentakt-Inverterschaltung in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausfüh- Fig.3A Ausgangsspannungen der Schaltungen gemäß F ig. IA und IB;

Fig.3B Ausgangsspannungen der Schaltung gemäß denFig.2Aund2B;

Fig.4 einen Adressenspeicher für einen statischen RAM unter Verwendung der Schaltungen gemäß den Fig.2Aund2B;

F i g. 5 eine MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion zum Einsatz in einer Gegentakt-Inverterschaltung in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung;

Fig.6 eine MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion zur Verwendung in einer Gegsntakt-Inverterschaltung in einer anderen Ausführungsform; und

F i g. 7 eine MOS-Transistorschaltung mit Abscha'.tfunktion zum Einsatz in einer Gegentakt-Inverterschaltung in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die in F i g. 2A dargestellte Schaltung ist zum Einsatz in einer E/D-Inverterschaltung bestimmt Die Schaltung weist einen Anreicherungstyp-MOS-Transistor Τγεμ als Treiber, einen Verarmungstyp-MOS-Transistor TrD 24 als Last und einen 0-Schwellenspannungs-MOS-Transistor Τγρζα auf, wobei letzterer die Abschaltfunktion bildet und eine Schwellenspannung von etwa 0 Volt, beispielsweise im Bereich von -0,5 bis +0,2 Volt hat

Die Schwellenspannung VUIp₂A hat folgende Merkmale:

Vtho2A< Vthp2A< Vth_EM,

worin Vth_D2A die Schwellenspannung des Transistors TrD μ und VtliE2A siw Schwellenspannung des Trasistors Tr_E2A sind.

Die Transistoren Τγε2a, Ttd2a und Trp2A sind beispielsweise n-Kanaf-MOS-Transistoren. Das wesentliche Merkmal dieser Schaltung liegt darin, daß der 0-Schwellenspannungs-MOS-Transistor Τγ_Ρ2α zwischen den Anreicherungs-MOS-Transistor Τγε2α und den Verarmungstyp-MOS-Transistor Τγο2α geschaltet ist.

Gemäß Fig.2A ist der MOS-Transistor Tr_E2A mit seiner Quelle an Erde angeschlossen, während seine Steuerelektrode zur Aufnahme eines Eingangssignals V_1n dient. Der MOS-Tranistor Τγρ2α ist mit seiner Quelle an die Senke des MOS-Transistors Τγε2α angeschlossen, während seine Steuerlektrode einen Steuerbefehl erhält. Der Steuerbefehl ist beispielsweise ein Chip-Auswahlsignal CS oder ein Chip-Freigabesignal CE Wird der Steuerbefehl »1«, dann wird der Transistor Τγρ2α leitend; wird der Befehl »0«, dann wird der Transistor Trp2A nicht leitend oder nahezu nicht leitend. Der MOS-Transistor Tro2A ist sowohl mit seiner Quelle als auch mit seiner Steuerelektrode an die Senke des MOS-Transistors Tr_P2A angeschlossen. Die Senke des MOS-Transistors Tro2A ist an eine positive Versorgungsspannung Vccgelegt.

Die Schaltung gemäß F i g. 2A arbeitet folgendermaßen:

(1) Im Bereitschaftszustand befindet sich das Chip-Auswahlsignal CS auf »0«, so daß der Abschalt-Transistor TTp₂A nicht leitend oder nahezu nicht leitend ist. Der durch die Transistoren Ttd2a, Τγρ₂α und Tr_E2A fließende Strom Iia ist praktisch null.

(2) Im Betriebszustand befindet sich das Chip-Auswahlsignal CS auf »1«, während der Transistor Trp 2α sich in einem leitenden Zustand befindet

Das an die Steuerelektrode des Transistors Τγε2α gelegte Eingangssignal V_1n wird invertiert und das Ausgangssignal erscheint an der Senke des Transistors

Τγε2α· Dies bedeutet, daß das Ausgangssignal V₀₁₁, »1« ist, wenn das Eingangssignal K,„ »0« ist und daß das Ausgangssignal V_ou,-»0« ist, wenn das Eingangssignal Vi_n=»1« ist.

Fig.3A zeigt den Kurvenverlauf für /2/4 des Ausgangssignals V_ou, aus F i g. 2A beim Übergang von »0« auf »1«. Die Ausgangskurve PM des Signals V_ou, aus Fig. IA, die von »0« auf »1« übergeht, ist ebenfalls als gestrichelte Linie in Fig. 3A zu Vergleichszwecken angegeben. Diese Kurvenverläufe wurden durch eine Computeranalyse von MOS-Transistormodellen erhalten, wobei als Bedingungen eingegeben wurden, daß die Größe der Transistoren, die Eingangskurven und die Lastkapazität in F i g. 2A gleich sind wie in F i g. 1A.

Es folgt aus F i g. 3A, daß das Ausgangssignal V₀₁₁, von Fig.2A (entsprechend der Kurve 12A) schneller von »0« auf »i« übergeht, als in F i g. i A (entsprechend der Kurve P1 A).

Dies bedeutet, daß die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung F i g. 2A schneller ist als die der Schaltung Fig. IA, wenn die Transistorabmessungen, die Eingangskurve und die Lastkapazität gleich sind wie bei der Schaltung gemäß Fig. IA. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die Transistoren der Schaltung gemäß F i g. 2A kleiner gewählt werden können, als für die Schaltung gemäß F i g. 1A, und dennoch die gleiche Wirkung zeigen.

Ein Vergleich der bekannten E/D-Inverterschaltung (Fig. IA) und der erfindungsgemäßen E/D-Inverterschaltung (Fig.2A) wird im folgenden genauer untersucht.

Es sei zunächst angenommen, daß die Schaltungen unter den nachfolgenden Bedingungen (A)-(G) arbeiten.

nungdes Transistors 77>_M und Vthp_2A{-0,3 Volt) die Schwellenspannung des Transistors Τγρ₂α-(D) Die Transistoren 7>ομ und Τγο2α arbeiten im Triodenbereich:

| V_Dso m| < \ Vtho ia\, | V_DSo2a\

worin Vdsdia die Spannung zwischen der Quelle und der Senke des Transistors Tr₀ia und V_Dsd2a die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des Transistors Ttdm ist. ViAoμ (-3VoIt) ist die Schwellenspannung des Transitions Trd ia, und VttiD2A (-3 Volt) ist die Schwellenspannung des Transistors Tro?A-

allgemein gilt β

L '

35

(A) Das Auswahlsignal CS befindet sich auf »1«, d. h_ 5 Volt.

(B) Das Eingangssignal V_1n geht von »1« (5VoIt) auf »0« (0 Volt) über, so daß das Ausgangssignal V„_u, von »0« (OVoIt) auf »1« (5VoIt) geht und V_au, 4 Volt erreicht.

(C) Die Transistoren Trp ι α und Trp2A werden im Triodenbereich betrieben. VthpiA<0, Vthp2A<0. Darin ist Vth_P _M (-0,3 Volt) die Schwellenspanworin μ die Trägermobilität, εο, die Dielektrizitätskonstante von SiO₂, ε₀ eine Konstante (8,85 · 10-^M F/cm), fo, die Steuerelektroden-Oxiddicke, W die Kanalbreite, L die Kanallänge und damit die Transistorabmessung bedeuten. ßp_IA, β ο μ, ßp2A und ßü2A sind die Verstärkungsfaktoren der Transistoren Τγρ/α, Τγοια, Trp2a und Τγο2λ·
Die Versorgungsspannung V«-= 5 Volt
V_DSpia ist die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des Transistors Tr_P _M, und VWz₄ ist die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des Transistors Trp2A- ^m ist die Spannung zwischen der Quelle \A des Transistors 77>m und Erde, und V₂-I ist die Spannung zwischen der Quelle 2A des Transistors 7>o^und Erde.

Unter den obigen Bedingungen werden die Ströme /_M und Iia durch die nachfolgenden Gleichungen ·»<> dargesielk, wobei/m der von der Versorgungsspannung V«· nach Erde in der Schaltung gemäß F i g. 1A und der Strom I2A der von der Versorgungsspannung V_n zur Erde in der Schaltung gemäß Fi g. 2A fließende Strom bedeuten.

(1) Es sei der Strom I_x _A in der Schaltung gemäß Fig. 1A betrachtet:

Im Transistor Tr_{n 4} gilt:

= ßr.A [l(C5 - V₁A - Vt_n-.) V_mA -

(la)

Im Transistor Tr_mA gilt:
TiA = ßoiA {(0 -

V₁₃₅₀₁₄

(2a)

Gl. la = Gl. 2a unter den obigen Bedingungen und es folgt:

1 (βρΛ_ ₊ j \ _r&piA_ |

2 \ßD\jl J [

ßDlA

) = 0
(3 a)

(2) Bei Betrachtung des Stromes /_2/4in der Schaltung gemäß Fig. 2 A gilt:

Im Transistor Tr_02A.

(0-K/W Wi -Im Transistor Tr_nA:

hA = ßnA j(CS - V₀₁₁ - VtHn₄) V^pia - ^ψ- J Gl. 1Oa = Gl. 20 a unter den obigen Bedingungen und es folgt daher:

+ I ^- (K_x - K_0- - VtH_nA) - Vth_D1A - (K. - K₀JI V_KnA

*D2A J

+ Kl^(K.- K₀₁₄) = 0 (3) Aus den Gleichungen3 a, 30 a, la und 10a sowie den obigen Bedingungen folgt:

K —^ = 4^s4" = 2, Κ_σ = S K KfA₀₁,, = Κ/Λ_ΜΧ - -3K, KrA_n^₄ = Vth_nA

ß Dl A ß DIA

0,79 K Κ_Μβ/4 = 0,61 K _/(, Ι_1λ = Κ,Ο

-0,3

Es folgt aus Gleichung 60a, daß I\_A<hA ist, wenn ßpiA=ßp2A&^- ■

Dies bedeutet, daß der Strom hA in der Schaltung gemäß Fig. 2A größer ist als der Strom /m in der Schaltung gemäß F i g. 1A, wenn gleich große Transistoren gewählt werden.

Mit anderen Worten ist der Transistor Τγρ2λ kleiner als der Transistor 7/>m, wenn der Strom /m gieich groß tu ist wie der Strom /2*.

Dies bedeutet ferner, daß die Größe des Tranistors Trp2A kleiner gewählt werden kann als für den Transistor 77>m, wenn die Treiberleistung des Transistors TrpM gleich groß wie die des Transistors Τγριλ sein solL Außerdem kann der Leckstrom des Transistors Trp2A während des Bereitschaftszustandes klein sein, da der Transistor Τγρμ klein sein kann.

Aus den vorstehenden Ausführungen folgt daß die Schaltung gemäß Fig. 2A der bekannten Schaltung so gemäß Fig. IA sowohl bezüglich ihrer Arbeitsgeschwindigkeit als auch bezüglich der Größe ihrer Transistoren überlegen ist

Die erfindungsgemäße Schaltung gemäß F i g. 2A stellt somit eine MOS-Transistor-E/D-Inverterschaltung mit einer Abschaltfunktion dar, bei der der O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor TrP₂A zwischen den Anreicherungstyp-MOS-Transistor TrE₂A und den Verarmungs-MOS-Transistor Τγομ geschaltet ist, während die Steuerelektrode des Transistors TrP₂A den Chip- Auswahlbefehl CS empfängt wodurch der Transistor Tr_P2A kleiner wird und schneller arbeitet Fi g. 2B zeigt eine MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung, die. zum Einsatz für eine Gegentakt-Inverterschaltung bestimmt ist

Man erkennt anhand von Fig.2B den Unterschied zwischen den vorhergehenden und den nachfolgenden Ausführungen darin, daß der mit seiner Steuerelektrode an die Quelle angeschlossene Verarmungstyp-MOS-Transistor Tr_D2A durch einen Verarmungstyp-MOS-Transistor Trp2B ersetzt ist, an dessen Steuereingang ein invertiertes Eingangssignal V_1n gelegt wird.

Die Ausführung gemäß F i g. 2B hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die vorhergehende, so daß gleiche Teile wie in F i g. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die MOS-Transistorschaltung gemäß F i g. 2B weist einen Anreicherungstyp-MOS-Transistor Tte2b als Treiber, einen Verarmungstyp-MOS-Transistor Τγω2β als Last und einen O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor Τγ_Ρ2β als Abschalter auf, der außerdem eine geringe Schwellenspannung von etwa 0 Volt, beispielsweise im Bereich von — 0,5 bis + 0,2 Volt aufweist

Die Schwellenspannung Vthp2B des Transistors Trp2B fällt in den folgenden Bereich:

vm_D2B<vth_P2B<Vth_E2B,

worin VfAn ₂s die Schwellenspannung des Transistors Tro2B und VtliE2B die Schwellenspannung des Transistors 7>£₂eist

Die Transistoren ΤΓΕ2Β, TrD₂B und Trp₂B sind beispielsweise n-Kanal-MOS-Transistoren. Das wesentliehe dieser Schaltung liegt ebenso wie bei der Schaltung gemäß Fig.2A darin, daß der O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor Ttp₂b zwischen den Anreicherungstyp-MOS-Transistor Tt_E2b und den Verarmungstyp-MOS-Transistor 7?_o.?egeschaltet ist

Gemäß Fig.2B ist der MOS-Transistor Τγε₂β mit seiner Quelle an Erde angeschlossen, während seine Steuerelektrode das Eingangssignal V_a aufnimmt Die Senke des Transistors Tr_E2B ist an die Quelle des MOS-Transistors Τγ_Ρ2β angeschlossen, dessen Steuerelektrode zur Aufnahme eines Steuerbefehls dient Der

230242/711

ίο

Steuerbefehl ist beispielsweise ein Chip-Auswahlsignal CS oder ein Chip-Freigabesignal CE Wird dieser Steuerbefehl »1«, dann wird der Transistor Trp₂e leitend. Wird der Steuerbefehl »0«, dann wird der Transistor Trp2B gesperrt oder nahezu gesperrt. Die Senke des MOS-Transistors TrpiB ist an die Quelle des MOS-Transistors TrDiB angeschlossen, dessen Senke an einer positiven Versorgungsspannung V_1x liegt Die Steuerelektrode des Transistors Tro2B nimmt ein invertiertes Eingangssignal Vi, auf.

Die Schaltung gemäß F i g. 2B arbeitet folgendermaßen:

deutlicher zutage tritt als ii! einer E/D-Inverterschaltung.

Ein Vergleich der bekannten Gegentakt-Inverterschaltung gemäß F i g. 1B und der erfindungsgemäßen Gegentakt-Inverterschaltung gemäß Fig.2B wird'im folgenden genauer beschrieben.

10

(1) Im Bereitschaftszustand befindet sich das Chip-Auswahlsignal CS auf »0«, so daß der Abschalttransistor Trp2B nicht leitend oder nahezu nicht leitend ist. Daher ist der durch die Transistoren Tro2B, 7>>ieund TrE2Bfließende Strom /₂e praktisch Null.

(2) Im Betriebszustand befindet sich das Chip-Auswahlsignal CS auf »1«, so daß der Transistor Τγρ₂β leitend ist.

Das der Steuerelektrode des Transistors Tr_E2B zugeführte Eingangssignal V_m wird invertiert und erscheint an der Senke des Transistors Tr_E2B- Das heißt, das Ausgangssignal V_OM ist »1«, wenn das Eingangssignal Vj_n gleich »0« ist, und das Ausgangssignal V₀₁₁, ist »0«, wenn das Eingangssignal V_1n gleich »1«ist.

Die Lastleitfähigkeit des Transistors Tr₀ 2b ändert sich entsprechend dem Zustand des invertierten Eingangssignals V_in. (E)

Fig. 3B zeigt den Kurvenverlauf /2ßder Ausgangsspannung V₀U, aus Fig. —2B, die von »0« auf »1« übergeht. Der Kurvenverlauf P1B des Ausgangssignals Vou, aus Fig. IB, das von »0« auf »1« übergeht, ist außerdem zu Vergleichszwecken als gestrichelte Linie in F ig.3B dargestellt (F)

Diese Figuren wurden durch eine Computeranalyse (G) von MOS-Transistormodellen unter den Bedingungen erhalten, daß die Größe der Transistoren, die Eingangskurvenformen und die Last in Fig.2B gleich sind wie bei Fig. IB.

Man erkennt aus Fig.3B, daß das Ausgangssignal V₀Ut gemäß Fig.2B, das der Kurvenform I2B entspricht, schneller von »0« auf »1« übergeht, als das der *s Kurve P1B entsprechende Signal gemäß F i g. 1B.

Dies bedeutet, daß die Schaltung gemäß Fig.2B schneller arbeitet als die Schaltung gemäß FJg. IB, wenn die Größe der Transistoren, die Eingangskurven und die Lastkapazität in Fig.2B gleich sind wie in so F i g. 1B. Mit anderen Worten kann der Transistor in der Schaltung gemäß F i g. 2B kleiner gewählt werden als in der Schaltung gemäß F i g. 1B.

Man erkennt aus den F i g. 3B und 3A, daß der Vorteil der Erfindung in einer Gegentakt-Inverterschaltung Das Signal CSbefindet sich auf »1« (d. h. 5 Volt).
Das Eingangssignal K_1n geht von »1« (5VoIt) auf »0« (0 Volt) über, so daß das Ausgangssignal V₀₁,, von »0« (0 Volt) auf »1« (5 Volt) zu dem betrachteten Zeitpunkt übergeht
Die Transistoren Tr_PIB und Τγ_Ρ2β werden im Triodenbereich betrieben. Vthp,_B<0, Vthp2B<0, wobei VthpiB (-0,3 Volt) die Schwellenspannung des Transistors Τγριβ und Vthp₂B (-03 Volt) die Schwellenspannung des Transistors 7>#>ar bedeuten.

Die Transistoren Trd ι β und Trp2B werden im Triodenbereich betrieben.

VthotB= Vth_D2B- -3 Volt;

wobei Vtlio ib die Schwellenspannung des Transistors TrD iB und VfAo *e die Schwellenspannung des Transistors Tro»sind.

ßn§ _ ßnt _τ

darin bedeuten ßpis, ßoie. ßp2B und ßü2B die Verstärkungsfaktoren der Transistoren Τγρ,β, TrD ib. Trp^flund Tro2B-

Die Versorgungsspannung V_n=5 Volt

Vdsd ib ist die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des Transistors 7r_D;e.und V_Dsd2b ist die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des Transistors Ttd2a-

Vdsp ib ist die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des Transistors Trpta und Vdsp2B ist die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des Transistors Τγρ₂β- V\b ist die Spannung zwischen der Quelle \Bdes Transistors Tr_P,_B und Erde, und Vjßistdie Spannung zwischen der Quelle 2ßdes Transistors Tro2B und Erde.

Unter den obigen Bedingungen lassen sich die Ströme ItB und I₂B durch die nachfolgenden Gleichungen darstellen, in denen der Strom /_ts der von der Versorgungsspannung Vecin Fig. IB nach Erde fließende Strom und der Strom he der von der Versorgungsspannung V_n in F i g. 2B zur Erde fließende Strom ist

(1) Für den Strom/,,in der Schaltung gemiS Fig. IB gut: Im Transistor Tr_{n B}

IlB-ßriB \ HCS-V₁₁₁) -

'DSPl B

(Ib)

Im Transistor Tr_ma ha

Vth_mB} VnsDiB

(2b)

Π 12

Unter den obigen Bedingungen gilt Gl. 1 b - Gl. 2 b und daher ist

T (t^ ^+l)^y™>- (irr: · ™«*⁺ "*..} v_xn8 - J- g + _ΥΛηβ . κ_α - ₀ (3_b)

(2) Für den Strom /_2S in der Schaltung gemäß Fig. 2B gilt:
Im Transistor Tr₀₂₈

hB = ßma {(V_in - V₂₈) - Vth_O2B\ V₀S₀₂₈ SSLL (_lob)

Im Transistor Tr_{n B}

ha =ßn_B [((CS- K_8-) - VtH_nJ V₀Sn₈ - -^i-I (_2Ob)

Unter den obigen Bedingungen ist Gl. 10 b = Gl. 20 b und daher

_L (inL· + ι W .I/,+ im.\ ν - ™ _ ßn* _Vtt.

2 1 α ^^ I oSPiß ι I * ι *^^^^^^^^ I */ν· r i/In) jt ^^^^^ · w fjfiew

Uffii / IV ßDlB ) βD2B

+ -γ Vi - VtH₀₂₈ ■ V_x = 0 (30_b)

(3) Aus den Gleichungen 3 b, 30 b, Ib und 10 b sowie den obigen Bedingungen folgt:

= 7, V_x = 5 K Vth_mB = VtH₀₂₈ = - 3 K KtA_n2( = Vth_nB = - 0,3 I

2,06K V₀Sr₂₈ = 0,65 K _(5Ob)

I\b = 2,74^nj, ^e = 3,23.0_rai (60b)

^ = 2,94 K _(70b)

(i) Aus Gleichung 60b folgt /_lfl< /_2a wenn ß_P _/8=ß/»?* 40 sowohl an Arbeitsgeschwindigkeit als auch in den

Dies zeigt, daß der Strom I₂₈ in der Schaltung Transistorabmessungen überlegen ist

gemäß F i g. 2B größer ist als der Strom /_)fl in der Fi g. 2B zeigt somit eine MOS-Transistorgegentakt-

Schaltung gemäß Fig. IB, wenn die Transistoren in Inverterschaltung mit Abschaltfunktion, bei der

den Schaltungen gemäß Fig. IB und Fig.2B die O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor Tr_P2B zwischen

gleiche Größe haben. « den Anreicherungstyp-MOS-Transistor Τγ_Ε2β und den

Mit anderen Worten ist der Transistor Tr_P2B kleiner Verarmungstyp-MOS-Transistor Tr₀₂B geschaltet ist

als der Transistor Transistor Tr_PI& wenn der Strom und die Steuerelektrode des Transistors Tr_P2B das

.... Weich groß ist wie der Strom/_2S. Chip-Auswahlsignal CS empfängt so daß der Transistor

(H) Aus Gleichung 70b folgt daß im Transistor Tr_PtB Tr_P2B kleiner sein kann und/oder die Arbeitsgeschwinder bekannten Gegentakt-Inverterschaltung eine 50 digkeit schneller ist

kleine Rückspannung (2,94VoIt) auftritt obgleich Fig.4 zeigt eine Schaltung unter Verwendung der

im Transistor Tr_P2B keine Rückspannung (0 Volt) MOS-Transistor-E/D-Inverterschaltung mit einer Ab-

auftreten, wenn V_om =0 Volt ist schaltfunktion gemäß F i g. 2A unter Verwendung der

Dies bedeutet daß die Größe des Transistors Tr_Fis MOS-Transisiorgegentakt-inverterschaltuni; mit Ab-

bei gleicher Last kleiner sein kann als für den 55 schaltfunktion gemäß F i g. 2B.

Transistor Tr_P,» Es sind in Fig.4 gleiche Teile mit gleichen

(in) Außerdem kann der Leckstrom des Transistors Bezugszeichen wie in Fig.2A und 2B versehen; die

Tr_P2B während des Bereitschaftszustandes kleinge- Beschreibung dieser Bauteile wird hier nicht wiederholt

halten werden, da der Transistor Tr_P2A klein sein Die Schaltung wird als Adressenpuffer beispielsweise in

kann. ep einem statischen RAM, also einem wahlfreien Zugriffs-

(iv) Während des Betriebes fließt weniger Strom durch speicher verwendet und weist drei E/D-Inverterschal-

4?? Transistor Tr₀₂B, wenn das invertierte Signal tungen 41,42 und 43, zwei Gegentakt-Inverterschaltun-

V_m gleich »0« ist als durch den Transistor Tr_{0 tB}, da gen 44 und 45 sowie zwei MOS-Transistoren Tr₄₀O und

die Quelle des Transistors Tr₀₂B über den Transi- Thtoi als Anreicherungstypen auf. ^;

_t stör Tr_P2B geerdet ist 65 Die in F i g. 4 dargestellten Schaltkreise 41,42 und 43

sind die gleichen wie die Schaltung gemäß Fig.2A,

Man erkennt aus den vorstehenden Angaben, daß die während die Schakkreise 44 und 45 der Schaltung

Schaltung gemäß F i g. 2B der Schaltung gemäß F i g. 1B gemäß F i g. 2B entsprechen. Das Aufgangssignal des

Transistors 41 wird als Eingangssignal für die Schaltung 42 herangezogen.

Das Ausgangssignal des Transistors 42 dient als Eingangssignal für die Schaltung 43, als Eingangssignal für die Schaltung 45 und ah> invertiertes Eingangssignal ⁵ für die Schaltung 44. Das Ausgangssignal des Transistors 43 wird als Eingangssignal an die Schaltung 44 und als invertiertes Eingangssignal an die Schaltung 45 gelegt

Der Anreicherungstyp-MOS-Transistor Tr«» ist mit "> seiner Quelle an Erde angeschlossen, während seine Senke an der Senke des Transistor» Tr_E?a der Schaltung

44 liegt Seine Steuerelektrode nimmt ein invertiertes Chip-Auswahlsignal CS auf. Der Anreicherungstyp-MOS-Transistor 7>4oi ist mit seiner Quelle an Erde und mit seiner Senke an die Senke des Transistors Τγε2Β der Schaltung 45 angeschlossen. Seine Steuerelektrode dient zur_Aufnahme eines invertierten Chip-Auswahlsignals CS.

Das Eingangssignal V_in des Adressenspeichers wird an die Steuerelektrode des Transistors Tr_E2* der Schaltung 41 gelegt Das Ausgangssignal V₀₀, des Adressenzwischenspeichers erscheint an der Senke des Transistors Τγε2β der Schaltung 44. Ein invertiertes Ausgangssignal V₀₁₁, des Adressenzwischenspeichers wird an der Senke des Transistors TrE2B der Schaltung

45 gebildet

Die Transistoren können klein gewählt werden, um eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit im Adressenzwischenspeicher zu erzielen, da wiederum der O-Schwel- lenspannung-MOS-Transistor zwischen den Verarmungstyp-MOS-Transistor und den Anreicherungstyp-MOS-Transistor geschaltet ist

Fig.5 zeigt eine MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion zur Verwendung in einer Gegentakt-Inverterschaltung, und zwar in wiederum einer weiteren Ausfühiung der Erfindung.

Die in Fig.5 dargestellte Ausführung hat im wesentlichen die gleiche Anordnung wie jene aus F i g. 2B, wobei die Ausgangssignale jedoch auf andere «o Weise erzeugt werden. Es sind wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig.2B bezeichnet

Gemäß Fig.5 werden zwei Ausgangssignale V₀₁₁₁, und V_ou, 2 verwendet. Ein Ausgangssignal V««/ wird an der Senke eines Anreicherungstyp-MOS-Transistors Τγε2Β wie das Ausgangssignal V₀₁₁₁ gemäß F i g. 2B und das andere Ausgangssignal V_oul2 an der Senke eines O-Schwellenspannungs-MOS-TransistorsT/v^egebildet

In dieser Ausführung läßt sich eine Zwischenspannung zwischen 0 Volt, der tiefsten Spannung, und 5 Volt, der höchsten Spannung, als Ausgangssignal V_mt2 erzeugen, wenn der Steuerbefehl CS-»0«, das Eingangssignal V)_n= »1« und das invertierte Eingangssignal Vi!,=»0« ist. Das Ausgangssignal V_ou,, ist dann »0«.

Bei der Ausführung gemäß Fig.5 wählt man vorzugsweise einen Transistor Trp2B mit einer Schwellenspannung von weniger als 0 Volt

Die Transistoren können klein gewählt werden und die Arbeitsgeschwindigkeit ist schnell, da wiederum der 0-Schwellenspannungs-MOS-Transistor zwischen den Verarmungstyp-MOS-Transistor und den Anreicherungstyp-MOS-Transistor geschaltet ist.

Obgleich sin 0-Schwellenspannungs-MOS-Transistor zwischen den Verarmungstyp and den Anreicherungstyp in jeder tier Ausführungen gemäß den F i g. 2A, 2B, 4 oder 5 geschaltet ist, können auch mehr als ein O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor dazwischen geschaltet sein.

Fig.6 zeigt eine MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion für eine Gegentakt-Inverterschaltung mit einer Anzahl von O-Spannungs-Schwellenspannungs-MOS-Transistoren in wiederum einer weiteren Ausführung der Erfindung.

Der Unterschied bezüglich der Ausführung gemäß Fig.2B liegt darin, daß der O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor Τγρ2ά der die Abschaltfunktion bildet, durch zwei O-Scfewellenspannungs-MOS-Transistoren Τγρ2β ι und 7r/>iB2ersetzt ist

Die Ausführung gemäß Fig.6 ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie in Fig.2B, wobei wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Der erste 0-Schwellenspannungs-MOS-Transistor Trp2B ι hat eine Schwellenspannung von etwa 0 Volt Die Senke des Transistors Trp2Bi ist an die Quelle eines Verarmungstyp-MOS-Transistors Tr_O2B als Last angeschlossen, während die Steuerelektrode des Transistors Trp2B t einen ersten Steuerbefehl CSi als Chip-Auswahlsignai empfängt Γ He Quelle des Transistors Trp2B ι ist an die Senke des zweiten 0-Schwellenspannungs-MOS-Transistors T/v».?ß2angeschlossen.

Der Transistor Τγρ2β hat ebenfalls eine Schwellenspannung von etwa 0 Volt Die Steuerelektrode des Transistors Trp 2b 2 nimmt den zweiten Steuerbefehl CS₂ auf, der wiederum beispielsweise ein Chip-Auswahlsignal ist. Die Quelle des Transistors Ttp2B2 ist an die Senke eines Anreicherungstyp-MOS-Transistors Tr&B angeschlossen.

Ein Ausgangssignal wird an der Senke des Transistors 7>£j>8gebildet.

Ein Ausgangssignal läßt sich an der Quelle des Verarmungstyp-MOS-Transistors Tr₀₂B gemäß Fig. 7 oder von einer der Senken der O-Schwellenspannungs-MOS-Transistoren 7rp_?e/und 7r/>?e;abnehmen.

Fig.7 zeigt eine MOS-Transistorschaltung mit Abschaltfunktion für eine Gegentakt-Inverterschaltung in wiederum einer anderen Ausführung der Erfindung.

Die Ausführung gemäß F i g. 7 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie F i g. 6, wobei sich jedoch das Verfahren zur Erzeugung des Ausgangssignals V_ou, unterscheidet Die den Bauteilen gemäß Fig.2B entsprechenden gleichen Teile sind in Fig.7 mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Ausführung gemäß den F i g. 6 und 7 hat jeder der O-Schwellenspannungs-MOS-Transistoren eine Schwellenspannung von weniger als 0 Volt.

Die Transistoren können klein sein und die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltungen gemäß F i g. 6 und 7 ist hoch, da der O-Schwellenspannungs-MOS-Transistor zwischen den Verarmungstyp-MOS-Transistor und den Anreicherungstyp-MOS-Transistor geschaltet ist

Es wird darauf hingewiesen, daß auch nur Zwischenspannungen als Ausgangsspannungen einer der Schaltungen gemäß den F i g. 5,6 und 7 abgenommen werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. MOS-Transistcrschaltung mit einer Abschaltfunktion, gekennzeichnet durch:

zeichnet, daß an der Quelle eines der Abschalt-MOS-Transistoren ein Ausgangssignal erzeugbar ist

(a) einen MOS-Transistor (Ttdta) des Verarmungstyps;

(b) einen Abschaltfunkticn durchführenden MOS-Transistor (Τγρ2αΧ dessen Senke an die Quelle des Verarmungs-MOS-Transistors und dessen Steuerelektrode zur Aufnahme eines Steuerbefehls angeschlossen sind und der eine Schwellenspannung von etwa 0 Volt hat; und

(c) einen MOS-Transistor (Τγεϊλ) des Anreicherungstyps, dessen Senke an die Quelle des Abschalttransistors und dessen Steuerelektrode im Betrieb an ein Eingangssignal f VjJ gelegt ist