DE3614421A1

DE3614421A1 - Halbleiterverstaerkungssignalgeneratorschaltung

Info

Publication number: DE3614421A1
Application number: DE19863614421
Authority: DE
Inventors: Takayuki Itami Hyogo Miyamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-05-14
Filing date: 1986-04-29
Publication date: 1986-11-20
Also published as: JPS61260717A; DE3614421C2; GB8610110D0; KR900005230B1; KR860009423A; GB2175162A; JPH0324092B2; US4731552A; GB2175162B

Description

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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo," Japan HaLbLeiterverstärkungssignaLgeneratorschaLtung

Die Erfindung betrifft eine ha Lb Leiterintegrierte SchaLtung und insbesondere eine

VerstärkungssignaLgeneratorschaLtung einer integrierten SchaLtung der MOS-Art.

Fig. 1 zeigt ein SchaLtbiLd einer herkömmLichen VerstärkungssignaLgeneratorschaLtung dieser Bauart, in der die Bezugszeichen 1 und 2 jeweiLs einen Be Lastungskondensator angeben, dessen Wert C... ist und einen Verstärkungskondensator, dessen Wert Cp beträgt. Das SymboL rf. gibt ein SignaL, das verstärkt werden soLL, an und das SymboL β' gibt ein Ve rstärkungssi gna L

an. Fig. 2 zeigt We L lenf ormen der jeweiLigen SignaLe rf^ und p>' , wenn die SchaLtung der Fig. 1 in Betrieb ist.

Wenn die SchaLtung in Betrieb ist, dann beginnt das verstärkte SignaL rf. den Be Lastungskondensator 1 und den Verstärkungskondensator 2 zu einem Zeitpunkt t,. zu Laden. Zu einem Zeitpunkt t_? erreicht das PotentiaL des SignaLes p' einen Wert, der der Ursprungsspannung V oder einem Wert entspricht, der etwas niedriger aLs die Ursprungsspannung V ist. Das VerstärkungssignaL rf^ beginnt zu einem Zeitpunkt t^ anzusteigen und das SignaL tf. beginnt während des Zeitabschnittes t_? bis t, infoLge der Wirkungen des VerstärkungssignaLs /L und des Verstärkungskondensators 2 auf einen Wert anzusteigen, der höher ist aLs die Ursprungsspannung V. Die maximaLe verstärkte Spannung des SignaLs rf. entspricht der 6 Lei chung q

(i ♦ >"·

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Zur Erreichung einer höher verstärkten Spannung sollte die Kapazität C₂ vergrößert werden. Wird die Kapazität C₂ vergrößert, dann wird eine größere Energie zum Aufladen des Kondensators verbraucht und die Zeitspanne t, bis t₂ wi rd ver längert.

Das oben Gesagte wird ausführlicher in bezug auf die Fig. 3 .beschrieben, die eine

Verstarkungssign algeneratorschaltung zeigt, die das verstärkte Signal o. an die Wortleitung 5 der Halbleiterspeichervorrichtung, beispielsweise einer DRAM, liefert. Ein MOS-Transistor 3, der zwischen der Spannungsquelle V und einem Ende eines Verstärkungskondensators 2 angeschlossen ist, befindet sich vor einem Zeitpunkt t,. in einem ni cht-kondukt i ven Zustand und wird durch ein Signal angeschaltet, das an sein Gate nach der Zeit t.. geleitet wird. Ein MOS-Transistor 4, der zwischen der Spannungsquelle V und dem anderen Ende des Kondensators 2 angeschlossen ist, befindet sich zu einem Zeitpunkt t^ in einem nicht konduktiven Zustand und wird durch ein Signal angeschaltet, das an sein Gate nach der Zeit t_ ge liefert wi rd.

In dieser Schaltung kann die Ladezeit T, die für das verstärkt« Signal p/. benötigt wird, um den maximalen Wert der Gleichung ^o

_{{1 +} f-c—)^v'

nämlich die Zeit von t., bis t, zu erreichen, durch die Gleichung ausgedrückt werden:

τ =

wobei T₁ = t_ - t₁ und T_ = t, - t_ ist.

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Da nur der MOS-Transistor 3 sich in einem konduktiven Zustand vor der Zeit t₂ befindet, ist

T₁ = P₁(C₁ + C₂),

wobei r,. der äquivalente Widerstand des MOS-Transistors 3 im konduktiven Zustand ist.

Da der MOS-Transistor 4 zur Zeit t₂ angeschaltet wird,

beträgt _{T = r} ^Cl " ^C2

² C₁ + C₂

uobei r₂ der äquivalente Widerstand des MOS-Transistors 4 im konduktiven Zustand ist.

Wenn die Widerstände r.. und r-> im wesentlichen den gleichen Wert haben und die Kapazität C₂ des Verstärkungskondensators 2 mit der Kapazität C- des Belastungskondensators 1 übereinstimmt (die die Streukapazität der Wortleitung 5 sein kann), dann beträgt

T₁ ^

T 2 |

wobei t.. = r^ . C₁ ist.

In einer typischen Anwendung, wenn die Wortleitung verstärkt wird, beträgt t.. ungefähr 10 bis 20 ns, dadurch beträgt die erforderliche Ladezeit ungefähr 25 bis 50 ns.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine VerstärkungssignaLgeneratorschaLtung vorzusehen, die ein verstärktes SignaL innerhalb einer verkürzten Zeitspanne mit einem niedrigen Energieverbrauch erzeugen kann.

Die erfindungsgemäße

Halbleiterverstärkungssignal-Generatorschaltung enthält folgende Bauteile: Eine Verstärkungsschaltung, enthaltend erste und zweite MOS-Transistoren, einen Kondensator und eine Ladevorrichtung, eine dynamische Inverterschaltung, enthaltend dritte und vierte MOS-Transistoren, eine Verstärkungsspannungsgeneratorschaltung, und einen fünften MOS-Transistor, der eine Quelle hat, die als eine Verstärkungssignalquelle dient.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird der fünfte MOS-Transistor durch einen Ladestrom angeschaltet, der von der Ladevorrichtung zugeführt wird, um sein Quellenpotential anzuheben. Zum gleichen Zeitpunkt wird die dynamische Inverterschaltung betätigt, um dadurch eine Bootstrapschaltung zu betätigen, wodurch seine Ausgangsspannung angehoben wird, durch welche der "ON"-Widerstand des fünften MOS-Transistors verringert wird. Daraus ergibt sich ein verstärktes Signal, dessen Potential ungefähr der Ausgangsspannung der Verstärkungspot entialgeneratorschaltung entspricht.

Kurze Beschreibung der Figuren Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan einer bekannten Verstärkungssignalgeneratorschaltung;

Fig. 2 die WeL lentormen der SignaLe in der Schaltung der Fig. 1;

Fig. 3 einen SchaLtplan einer bekannten

Verstärkungssignalgeneratorschaltung zur
Zuleitung eines verstärkten Signals an eine
Wortleitung eines Halbleiterspeichers,
beispielsweise einem DRAM;

Fig. 4 ein Schaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform einer

Verstärkungssignalgeneratorschaltung der
vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 Wellenformen der Signale in der Schaltung der Fig. 4;

Fig. 6 ein Schaltbild einer Ladevorrichtung, wie sie in der Ausführungsform der Fig. 4 verwendet
wird; und

Fig. 7 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 4 ist ein Verstärkungssignalgenerator gezeigt, der folgende Bauteile enthält: Einen Belastungskondensator 1, erste, zweite, dritte, vierte und fünfte MOS-Transistoren 11, 12, 13, 14 und 15, einen Boot strap-Kondensator 16,
eine Ladevorrichtung 17 für den Bootstrap-Kondensator 16
und einen Verstarkungsspannungsgenerator 18, dessen
Ausgangsspannung V größer ist als die Ursprungsspannung
V. Der

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VerstärkungssignaLgenerator enthält ferner Leitungen 19, die die Quelle des dritten MOS-Transistors 13, die Senke des vierten MOS-Transistors 14 und das Gate des zweiten MOS-Transistors 12 miteinander verbinden. Ferner sind Leitungen 20 vorgesehen, die die Quelle des ersten MOS-Transistors 11, die Senke des zweiten MOS-Transistors

12 und eine der Elektroden des Boot strap-Kondensators 16 miteinder verbinden. Ferner sind Leitungen 21 vorgesehen, die das Gate des ersten MOS-Transistors 1, das Gate des fünften MOS-Transistors 15 und die andere Elektrode des Boot strap-Kondensators 16 miteinander verbinden. Die Senken des ersten und des dritten MOS-Transistors 11 und

13 sind an eine Versorgungsspannung V angeschlossen und die Quellen des zweiten und des vierten MOS-Transistors 12 und 14 sind geerdet. Der fünfte MOS-Transistor 15 hat eine Senke, die an die

VerstarkungspotentiaIgeneratorvorrichtung 18 angeschlossen ist und eine Quelle, die an eine der Elektroden des Belastungskondensators 1 und an das Gate des MOS-Transistors 14 angeschlossen ist. Ein Vorladungssignal ^_n wird an das Gate des MOS-Transistors 13 zugeleitet.

Die ersten und zweiten MOS-Transistoren 11 und 12, der Boot strap-Kondensator 16 und die Ladungsvorrichtung 17 bilden einen Bootstrap-SchaItkreis I, in dem das Gate des zweiten MOS-Transistors 12 und der Ausgang der Ladevorrichtung 17 jeweils einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten entsprechen. Wenn der Belastungskondensator 1 durch die Ladungsvorrichtung 17 aufgeladen wird, dann wird eine Spannung, die im wesentlichen mit der Ladespannung V übereinstimmt, an den Ausgangsknoten angelegt. Wenn eine Spannung, dessen Höhe ausreichend ist, um den zweiten MOS-Transistor 12 abzuschalten, an das Gate des zweiten MOS-Transistors 12 angelegt wird, dann wird die Spannung des Ausgangsknotens höher als die Ausgangsspannung der Ladungsvorrichtung 17.

Die-dritten und vierten HOS-Transistören 13 und 14 bilden einen dynamischen Inverter II, der als eine
Bootstrap-Kontrot Le wirkt. Im dynamischen Inverter II
dient der dritte MOS-Transistor 13 als ein Ladeelement und das Gate des vierten MOS-Transistors 14 und die Verbindung zwischen dem dritten und vierten MOS-Transistor
entsprechen jeweils einem Eingangs- und Ausgangsknoten. Die dritten und vierten MOS-Transistoren befinden sich
jeweils in konduktiven und in nicht-konduktiven Zuständen während der Vorladungsperiode, um so die Spannung des
Ausgangsknotens zu einem ersten Niveau zu machen, das im wesentLichen mit der Ursprungsspannung V übereinstimmt. Wenn das verstärkte Signal an den Be Lastungskondensator zugeleitet wird, dann wird der fünfte MOS-Transistor 15 eingeschaltet und wenn dessen Eingangsniveau höher als ein vorbestimmter Wert wird, d.h. als der Wert der
Schwellenspannung des vierten MOS-Transistors 14, dann
wird der vierte MOS-Transistor 14 eingeschaltet. Da zu
diesem Zeitpunkt der dritte MOS-Transistor 13 sich in
einem nicht-konduktiven Zustand befindet, wird der
Ausgangsknoten auf ein zweites Niveau eingestellt, d.h. dem Erdungsniveau.

Fig. 5 zeigt Signalwellenformen an wichtigen Punkten in der Schaltung der Fig. 4, wenn diese in Betrieb ist.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel der Ladungsvorrichtung 17 der Fig. 4, in der das Gate eines MOS-Transistors 22 an die Ursprungsspannung V angschlossen ist. Der MOS-Transistor 22 hat eine Senke, von dem ein Signal / vorgesehen ist und eine Quelle aufweist, die an die in der Fig. 3
gezeigten Leitung 21 angeschlossen ist»

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Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines

Verstärkungsspannungsgenerators 18 der Fig. 3, der folgende Teile enthält: Einen Ringoszillator 23, einen Ladungspumpenkondensator 24, MOS-Transistoren 25 und 26 und einen Spannungsspeicherkondensator 27. Eine der Elektroden des Ladungspumpenkondensators 24 ist an den Ausgang des Ringoszillators 23 angeschlossen und die andere Elektrode ist an die Quelle des Transistors 25 und die Senke und das Gate des Transistors 26 angeschlossen. Die Senke und das Gate des Transistors 25 sind an die Ladespannung V angeschlossen. Der

Ladungsspeicherkondensator 27 hat eine Elektrode, die an die Quelle des Transistors 26 angeschlossen ist und die andere Elektrode ist geerdet.

Da die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Schaltungen bekannt sind, wird ihre Wirkungsweise nicht beschrieben.

Die Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 4 wird in bezug auf die Fig. 5 beschrieben. In Fig. 5 wird angenommen, daß die Leitung 19 vor einem Zeitpunkt T₁ vorgeladen wurde.

Zum Zeitpunkt T_ wird das Potential der Leitung 21 durch einen Ladestrom, der von der Ladungsvorrichtung 17 zugeführt wird, angehoben. Dadurch wird der fünfte MOS-Transistor 15 angeschaltet und dadurch steigt das Potential des Signales fi'. Zum Zeitpunkt T, überschreitet das Potential des Signals pf. die Schwellenspannung V_TU, wodurch der vierte MOS-Transistor

ι ti

14 angeschaltet wird. Dadurch fängt die Leitung 19 an, entladen zu werden.

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Zum Zeitpunkt T, wird die Bootstrap-SchaLtung I, die die MOS-Transistoren Π und 12 enthält/ betätigt. Das heißt, die ersten und zweiten MOS-Transistoren 11 und 12 werden jeweils an- bzw. ausgeschaItet, wodurch das Potential der Leitung 21 veranlaßt wird, auf einen Wert V anzusteigen, der höher als die Ursprungsspannung V ist, wodurch der ON-Widerstand des MOS-Transistors 15 durch die Wirkung des Kondensators 16 im wesentlichen gesenkt wird. Wenn das Potential V der Leitung 21 zum Zeitpunkt T_ den Wert V'> V + V__u hat, dann stimmt das Potential des

ρ ι Η

Signales /- mit der Ausgangsspannung V des " P

Verstärkungspotentialgenerators 18 überein und wenn das Potential V £ V + V_TIJ wird, dann erreicht das

P I H

Potential des Signales f/. den Wert V-V-.,,.

Dadurch ist es möglich, ein verstärktes Signal /. zum Belastungskondensator 1 zuzuführen, das ein Potential aufweist, das höher als die Ursprungsspannung V ist. Ferner ist es möglich, die Ladezeit T_Q (T- - T₂ in Fig. 2), bei der eine maximale Aufladung erreicht wird, wie folgt zu erreichen:

^To - <V^C1 = *i

Wenn die VerstärkungssignaIgeneratorschaltung verwendet wird, um das verstärkte Signal /. an die Wortleitung der Halbleiterspeichervorrichtung, beispielsweise eine DRAM, zu leiten, wie dies in der Fig. 3 gezeigt ist, dann wird die Ladezeit T_Q im wesentlichen mit t.. übereinstimmen, d.h. die Ladezeit wird 10 - 20 ns betragen, d.h. die Ladezeit ist ungefähr 60% geringer als die Ladezeit im herkömmlichen Fall, wie dies in bezug auf die Fig. 3 erörtert wurde.

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- ι 4-

Da, wie oben beschrieben wurde, der Ausgang des Ve rstärkungspot ent i a !.generators vergrößert wurde, indem der Widerstand des fünften Transistors im "ON"-Zustand infolge der Anlegung des Ausganges der Bootstrap-Schaltung an das Gate des zuletzt genannten Transistors verringert wurde, kann die Erzeugung des verstärkten Signals innerhalb einer wesentlich verringerten Zeit und sogar mit einem Minimum an Energieverbrauch erreicht werden.

Claims

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43 652 v/gü/bn

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo, Japan Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung Patentansprüche

1. HaLbLeiterverstärkungssignaLgeneratorschaLtung/ gekennzei chnet durch: Mittel zur Erzeugung eines Verstärkungspotentials, um an deren Ausgangsknoten eine Ausgangsspannung V vorzusehen, die hoher ist als eine Quellenspannung; einem MOS-Transistor zur Erzeugung eines zu verstärkenden Signals, wobei dieser MOS-Transistor folgende Bauteile aufweist: Eine Gate-Elektrode, eine erste Hauptelektrode, die an die Mittel zur Erzeugung eines Verstärkungspotentials angeschlossen sind, und eine zweite Hauptelektrode, die an einen Belastungskondensator angeschlossen ist; Bootstrap-Kontro I ImitteI, die mindestens einen Eingangsknoten aufweisen, der an die zweite Hauptelektrode des genannten MOS-Transistors angeschlossen ist und mindestens einen Ausgangsknoten aufweisen, dessen Potential zwischen einem ersten Niveau bis zu einem zweiten Niveau variiert, wenn ein Potential der zweiten Hauptelektrode des o.g. MOS-Transistors nicht kleiner als ein vorbestimmtes Ni veau wi rd; und

Bootstrapmitte I, die einen Eingangsknoten aufweisen, der an den genannten Ausgangsknoten der

Boot strap-Kontro LLmitteL angeschlossen ist und ferner einen Ausgangsknoten aufweisen, der an die genannte Gate-ELektrode angeschlossen ist, um an dessen Ausgangsknoten ein Signalpotential zu erzeugen, durch das der MOS-Transistor angeschaltet wird und um das Signalpotential zu verstärken, wenn der Ausgangsknoten der Bootstrap-Kontro IlmitteI das zweite Niveau erreicht.

Ha Ibleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die BootstrapmitteI folgende Bauteile enthalten: Mittel zur Erzeugung eines Signalpotentials, um am Ausgangsknoten der Bootstrapmittel das Signalpotential zu erzeugen;

einen ersten MOS-Transistor, enthaltend eine Gate-Elektrode, die an den Ausgangsknoten der Bootstrapmittel angeschlossen ist, eine erste Hauptelektrode, die an ein erstes Potential angeschlossen ist, und eine zweite Hauptelektrode; ein zweiter MOS-Transistor, enthaltend eine Gate-Elektrode, die an den Ausgangsknoten der Boot strap-Kontro IlmitteL angeschlossen ist, eine erste Hauptelektrode, die an die zweite Hauptelektrode des ersten MOS-Transistors angeschlossen ist, und eine zweite Hauptelektrode, die an ein zweites Potential angeschlossen ist; und einen Boot strap-Kondensator, der zwischen dem Ausgangsknoten der Boot strapmitte I und der zweiten Hauptelektrode des ersten MOS-Transistors angeschlossen ist.

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3. HaLb LeiterverstärkungssignaLgeneratorschaLtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bootstrap-KontroLLmitteL foLgende BauteiLe enthaLten Ein BeLastungseLement, das zwischen dem ersten PotentiaL und dem Ausgangsknoten der Boot strap-Kontro LLmitteL angeschLossen ist, und einen dritten MOS-Transistor, enthaLtend eine Gate-ELektrode, die an den Eingangsknoten der Bootstrap-Kontro LLmitteL angeschLossen ist und erste und zweite HaupteLektroden, die zwischen dem Ausgangsknoten der Bootstrap-KontroLLmitteL und dem zweiten PotentiaL angeschLossen sind.

4. HaLb LeiterverstärkungssignaLgeneratorschaLtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die BeLastungseLemente einen vierten MOS-Transistor enthaLten, der eine Gate-ELektrode aufweist, die mit einem Vor Ladungssigna L beaufschLagt wird.

5. HaLbLeiterverstärkungssignaLgeneratorschaLtung, gekennzeichet durch:

eine Bootstrap-SchaLtung, die foLgende BauteiLe enthäLt:

einen ersten MOS-Transistor, enthaLtend eine Senke, die an eine EnergiequeLLe angeschLossen ist und ein Gate und eine QueLLe, die miteinander durch einen Kondensator verbunden sind, der eine Kapazität aufweist, die wesentLich größer aLs eine Gate-Kapazität ist,

einen zweiten MOS-Transistor, enthaLtend eine Senke, die an die QueLLe des ersten MOS-Transistors angeschLossen ist und eine geerdete CueLLe, und eine Ladevorrichtung zum Laden des Gates des ersten MOS-Transi stors;

eine dynamische InverterschaItung, bestehend aus:

einem dritten MOS-Transistor, bestehend aus einer Senke, die an die Energiequelle angeschlossen ist und einem Gate, das mit einem Vorladungssignal versorgt wird, und einem vierten MOS-Transistor, der eine Senke aufweist, die an die Quelle des dritten MOS-Transistors und an das Gate des zweiten MOS-Transistors und eine geerdete Quelle angeschlossen ist; und

einem Verstärkungspotentialgenerator und einem fünften MOS-Transistor, bestehend aus einer Senke, an die der Verstä'r kungsausgang des Verstärkungsspannungsgene rator s zugeleitet wird, ein Gate, das an das Gate des ersten MOS-Transistors angeschlossen ist und eine Quelle, die an das Gate des vierten MOS-Transistors angeschlossen ist, wobei die Quelle des fünften MOS-Transistors eine Verstärkungssignalquelle ist.