DE3739872A1 - Integrierte schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung mit mehreren Ausgangstransistoren zur Abgabe von binären Signalen an zugehörigen Ausgangsanschlüssen und mit wenig­ stens einem Masseanschluß. Integrierte Schaltungen dieser Art werden derzeit in sehr großem Umfang für die verschie­ densten Anwendungsgebiete eingesetzt. Insbesondere die Computertechnik wäre ohne die Entwicklung moderner inte­ grierter Schaltungen nicht denkbar. Gerade für das Gebiet der Computertechnik sind integrierte Schaltungen in CMOS- Technologie oder in Bipolar-Technologie entwickelt worden, mit deren Hilfe Schaltvorgänge mit immer größeren Geschwin­ digkeiten durchgeführt werden können. Es sind bereits Schaltzeiten, also Übergangszeiten, in denen ein Signal an einem Schaltungsausgang von einem Binärwert auf den anderen übergeht, erreicht worden, die im Bereich von Nanosekunden oder darunter liegen, was dementsprechend schnelle Computer ermöglicht. Bei der Entwicklung solcher integrierter Schaltungen, die sehr kurze Schaltzeiten er­ möglichen, sind jedoch Grenzen erreicht worden, die nicht auf die bei der Verwirklichung der elektronischen Schal­ tung im Halbleiterplättchen angewendete Technologie, son­ dern auf die derzeit üblichen Gehäuseformen zurückzuführen sind. Die Leiterstreifen, über die die Verbindung zwischen der elektrischen Schaltung auf dem Halbleiterplättchen und den externen Schaltungen hergestellt werden, weisen eine bestimmte geometrische Länge auf, so daß sie sich bei hohen Frequenzen wie eine Induktivität verhalten, die einer schnellen Schaltgeschwindigkeit entgegenwirkt. Das Vorhandensein der nicht vernachlässigbaren Leitungsinduk­ tivität der Leiterstreifen hat einen schwerwiegenden Nach­ teil, der es nahezu unmöglich macht, die hohen Schaltge­ schwindigkeiten auszunutzen, die aufgrund der Halbleiter­ technologie bereits mit der elektronischen Schaltung in einem Halbleiterplättchen erreicht werden könnten. Bei einer schnellen Stromänderung in dem dem Zuführen des Massepotentials dienenden Leiterstreifen wird in diesem Leiterstreifen eine Spannung induziert, die den Massepe­ gel am Halbleiterplättchen kurzzeitig anhebt. Dies kann so weit gehen, daß die Schaltschwelle der Schaltung über­ schritten wird, so daß an einem mit einem Ausgang verbun­ denen Leiterstreifen der Übergang von einem signifikanten Signalpegel (dem L-Pegel) zum anderen signifikanten Signalpegel (dem H-Pegel) vorgetäuscht wird, ohne daß je­ doch eine Eingangssignaländerung stattgefunden hat. Der Anwendung immer schnellerer Schaltgeschwindigkeiten wer­ den dadurch Grenzen gesetzt.

Dieses Problem der Anhebung des Massepotentials bei hohen Schaltgeschwindigkeiten hat zu integrierten Schaltungen geführt, die bis zu vier Masseanschlüsse aufweisen mit dem Ziel, die elektronische Schaltung auf dem Halbleiter­ plättchen stärker auf das Massepotential festzulegen. Ein Beispiel für eine solche Lösung findet sich in der 1986 erschienenen Broschüre der Firma Texas lnstruments mit dem Titel "Enhanced Performance Implanted CMOS (EPIC) Advanced CMOS Logic (ACL)" von Martha M. Weinstein et al. Diese Lösung bringt zwar bereits eine gewisse Verbesse­ rung, ermöglicht also eine bessere Ausnutzung der mögli­ chen hohen Schaltgeschwindigkeiten, ohne daß das Masse­ potential zu stark angehoben wird, jedoch ist eine volle Ausnutzung der möglichen hohen Schaltgeschwindigkeit wegen der immer noch vorhandenen Leitungsinduktivitäten mit die­ ser Lösung noch nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrier­ te Schaltung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, bei der die aufgrund der Halbleitertechnologie möglichen hohen Schaltgeschwindigkeiten der auf dem Halbleiterplätt­ chen enthaltenen elektronischen Schaltungen wesentlich besser ausgenutzt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen die Basis jedes Ausgangstransistors und den we­ nigstens einen Masseanschluß eine von der Basisspannung gesteuerte Stromquelle eingefügt ist.

Wenn in der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung der Binärwert des Ausgangssignals eines Ausgangstransistors geändert werden soll, wird das Basispotential dieses Aus­ gangstransistors verändert. Diese Basisspannungsänderung beeinflußt die an die Basis angeschlossene Stromquelle in der Weise, daß ein Teil des Basisstroms abgezweigt wird, so daß als Folge davon auch der Ausgangsstrom im Ausgangs­ transistor für die Dauer der Basisspannungsänderung redu­ ziert wird. Die Reduzierung der Stromänderung pro Zeitein­ heit hat eine Reduzierung der in der Zuleitungsinduktivi­ tät zwischen dem Masseanschluß des Ausgangstransistors und dem Transistor selbst induzierten Spannung zur Folge, so daß die unerwünschte Anhebung des Massepotentials er­ heblich verringert wird. Die Wirkung, die durch die basis­ spannungsabhängige Stromquelle erreicht wird, ist die einer Gegenkopplung, die während der Spannungsänderung der Basisspannung einem zu schnellen Stromanstieg im Aus­ gangskreis des Ausgangstransistors entgegenwirkt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 bringt durch die Trennung der Masseanschlüsse eine weitere Reduzierung der Anhebung des Massepotentials beim Durchschalten eines oder mehrerer Ausgangstransisto­ ren mit sich. Die im Anspruch 3 gekennzeichnete Weiter­ bildung ergibt an der Basis jedes Ausgangstransistors eine auf Basisspannungsänderungen überproportional an­ sprechende Stromquelle, so daß die angestrebte Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltung in einem noch stärkeren Ausmaß erreicht wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshal­ ber erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung von Teilen einer integrierten Schaltung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine ebensolche schematische Darstellung einer integrierten Schaltung nach der Er­ findung und

Fig. 3a bis 3d Diagramme zur Veranschaulichung des Ver­ laufs von Signalen an verschiedenen Punk­ ten der Schaltung von Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung stellt in stark schematisierter Form eine integrierte Schaltung dar, die mehrere Ausgangstransistoren T 1, T 2, ... Tn ent­ hält. Die Teile der Schaltung, mit denen die einzelnen Ausgangstransistoren jeweils angesteuert werden, sind symbolisch als Stromquellen S 1, S 2, ... Sn dargestellt. Die Schaltung weist Eingangsklemmen E 1, E 2, ... En und Ausgangsklemmen A 1, A 2, ... An auf. Ferner weist die Schaltung einen Masseanschluß M auf; eine ebenfalls vor­ handene Versorgungsspannungsklemme ist in dem schemati­ schen Schaltbild von Fig. 1 nicht dargestellt, da sie für die nachfolgende Erläuterung bedeutungslos ist.

Als Last ist an jeder Ausgangsklemme A 1, A 2, ... An je­ weils ein Kondensator C 1, C 2, ... Cn dargestellt. Die zwischen den verbundenen Emittern der Transistoren T 1, T 2, ... Tn und dem Masseanschluß M liegende Induktivität L 1 ist die Leitungsinduktivität zwischen dem externen Masseanschluß M und den Emitterkontaktpunkten auf dem Halbleiterplättchen in der integrierten Schaltung.

Schaltungen dieser Art werden dazu verwendet, an den Aus­ gängen Signale mit dem einen oder dem anderen Binärwert zu erzeugen, also Signale, die entweder den H-Pegel oder den L-Pegel haben, wobei der L-Pegel auf dem Massepoten­ tial liegt. Die Leitungsinduktivität L 1 führt bei solchen Schaltungen zu Problemen, da sie, wenn sie von einem sich ändernden Strom durchflossen wird, eine Spannung induziert, die eine Anhebung des Massepotentials zur Folge hat. Die­ se Anhebung des Massepotentials ergibt aber auch eine Verschiebung des L-Pegels, die so weit gehen kann, daß die Schaltschwelle zwischen dem L-Pegel und dem H-Pegel überschritten wird. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß der Induktivitätswert der Leitungsinduktivität L 1 15 nH beträgt und eine Stromänderung von 200 mA in 2,5 ns vorliegt, dann induziert die Leitungsinduktivität L 1 fol­ gende Spannung U:

Dieser Spannungswert von 1,2 V liegt unmittelbar im Be­ reich der Schaltschwelle, also des Übergangsbereichs zwi­ schen dem L-Pegel und dem H-Pegel.

Hierbei ist zu beachten, daß der durch die Leitungsinduk­ tivität L 1 fließende Strom der Anzahl der Ausgangstransi­ storen direkt proportional ist, die im jeweils betrachte­ ten Zeitpunkt gerade ihren Schaltzustand ändern. Das ge­ schilderte Problem ist besonders gravierend, wenn ein Übergang des Signalzustandes an einem Ausgang vom HPegel auf den L-Pegel stattfindet, da sich in diesem Fall der als Last wirkende Kondensator sehr schnell, nämlich inner­ halb von etwa 2 bis 3 ns, entlädt. Dies führt zu einem sehr "harten" Durchschalten der Transistoren und zu einer dementsprechend großen induzierten Spannung in der Lei­ tungsinduktivität L 1.

In der Schaltungsanordnung von Fig. 2 sind Maßnahmen ge­ troffen, die dieses "harte" Durchschalten der Ausgangs­ transistoren abschwächen, so daß die in der Leitungsin­ duktivität L 1 induzierte Spannung wesentlich niedriger wird. Zur Erzielung dieser Wirkung ist in der Schaltungs­ anordnung von Fig. 2 jeweils zwischen die Basis eines Aus­ gangstransistors T 1, T 2, ... Tn eine Serienschaltung aus einem Widerstand R 1 und einer Diode D 1 angeschlossen, die gleichstrommäßig an Masse liegt. Die Induktivität L 2 zwi­ schen der Diode D 1 und Masse repräsentiert die Leitungs­ induktivität zwischen dem Anodenkontaktpunkt der Diode D 1 auf dem Halbleiterplättchen und dem externen Masseanschluß M 1. Wie anschließend noch gezeigt wird, verhalten sich die mit den jeweiligen Basisanschlüssen der Transistoren T 1, T 2, ... Tn verbundenen Serienschaltungen aus jeweils einem Widerstand und einer Diode wie eine Stromquelle, deren Strom von der Basisspannung abhängt.

In Fig. 2 ist der Fall dargestellt, bei dem die integrier­ te Schaltung zusätzlich zum Masseanschluß M wenigstens einen weiteren Masseanschluß aufweist, an dem die Masse­ anschlüsse M 1, M 2, ... Mn angeschlossen sind.

Bei den nachfolgenden Ausführungen ist zu beachten, daß die beim Durchschalten eines Ausgangstransistors T 1, T 2, ... Tn in der Leitungsinduktivität L 1 hervorgerufene Stromänderung um Größenordnungen größer als die bei einem solchen Schaltvorgang stattfindende Stromänderung in der Leitungsinduktivität L 2, weil durch die Leitungsindukti­ vität L 1 der Kollektorstrom des Transistors fließt, wäh­ rend durch die Leitungsinduktivität L 2 nur ein Teil des Basisstroms fließen kann. Im eingeschalteten Zustand fließt durch einen Ausgangstransistor folgender Strom durch die Serienschaltung aus einem Widerstand Rl und einer Diode Dl:

mit:

U _{BET 1} = 0,75 V (Basis-Emitter-Spannung des Transistors T 1)
U _{SD 1} = 0,55 V (Durchlaßspannung der Diode D 1)
R 1 = 500 Ω (Widerstand von R 1)

Dieser Strom von 0,4 mA ist ein Bruchteil des Basisstroms des jeweils schaltenden Ausgangstransistors.

Wird der jeweilige Ausgangstransistor dynamisch geschal­ tet, erhöhen sich die Emitter- und Basis-Spannungen des Transistors um die an der Leitungsinduktivität L 1 abfal­ lende Spannung. Die Spannung an der Leitungsinduktivität L 2 bleibt dagegen vernachlässigbar klein. Hierdurch wird der Spannungsabfall am Widerstand R 1 größer, was bedeutet, daß ein größerer Teil des Basisstroms vom jeweils schal­ tenden Transistor T 1, T 2, ... Tn nach Masse abgezweigt wird. Der betroffene Transistor wird daher langsamer durchgeschaltet, und der Spannungsabfall an der Leitungs­ induktivität L 1 wird reduziert. Es gilt:

Mit:

U _{BET 1} = 0,75 V (Basis-Emitter-Spannung des Transistors T 1)
U _{SD 1} = 0,55 V (Durchlaßspannung der Diode D 1)
R 1 = 500 Ω (Widerstand von R 1)
U _{L 1} = 0,7 V (Spannung am L 1)
U _{L 2} = 0,1 V (Spannung am L 2)

ergibt sich bei Anwendung der obigen Gleichung durch die Serienschaltung aus dem Widerstand R 1 und der Diode D 1 ein Strom von 1,6 mA. Dies zeigt, daß der durch die Serien­ schaltung aus dem Widerstand R 1 und die Diode D 1 fließende Strom vom Basisstrom des jeweils schaltenden Ausgangstran­ sistors abgezweigt wird, was zur Folge hat, daß auch der durch die Leitungsinduktivität L 1 fließende Strom während des Schaltvorgangs reduziert wird. Demgemäß wird auch eine niedrigere Spannung in der Leitungsinduktivität L 1 indu­ ziert, so daß die unerwünschte starke Erhöhung des Masse­ potentials nicht eintritt. Anhand von praktischen Experi­ menten konnte gezeigt werden, daß das Massepotential nicht über 0,7 V angehoben wurde.

Durch die Verwendung der Diode in der Verbindung zwischen der Basis dieses Ausgangstransistors und Masse steigt der vom Basisstrom nach Masse abgezweigte Strom nicht propor­ tional zur Basisspannung an, wie dies der Fall wäre, wenn nur ein Widerstand zwischen Basis und Masse eingefügt wäre, sondern er steigt mehr als proportional an. Dies läßt sich durch folgendes Beispiel verdeutlichen:

Wenn durch die Diode D 1 Strom fließt, liegt an ihr stets die konstante Durchlaßspannung von 0,55 V an. Bei einem Anstieg der Spannung an der Basis des Transistors T 1 steigt somit die Spannung am Widerstand von 0,20 V auf 0,40 V an, was eine Verdoppelung der Spannung am Widerstand R 1 bedeu­ tet. Daher fließt auch ein doppelt so großer Strom von der Basis nach Masse ab, obwohl die Spannung an der Basis nur um 26% erhöht wurde. Ohne Verwendung der Diode hätte sich somit auch der abgeführte Strom jeweils nur um 26% erhöht. Dies ist auch der Grund dafür, warum die Serienschaltung aus dem Widerstand R 1 und der Diode D 1 an der Basis jedes Ausgangstransistors T 1, T 2, ... Tn als eine Stromquelle betrachtet werden kann, die von der Basisspannung gesteu­ ert wird und einen von dieser Basisspannung abhängigen Strom nach Masse ableitet.

Wie bereits erwähnt wurde, sind in der Schaltungsanordnung von Fig. 2 die Serienschaltungen aus jeweils einem Wider­ stand R 1 und einer Diode D 1 an der Basis jedes Ausgangs­ transistors T 1, T 2, ... Tn zu einem eigenen Masseanschluß M 1, M 2, ... Mn geführt, wobei all diese Masseanschlüsse miteinander in Verbindung stehen und über einen eigenen Leiter aus dem Gehäuse der integrierten Schaltung heraus­ geführt sind. Es ist jedoch auch bei integrierten Schal­ tungen, die nur einen einzigen Masseanschluß aufweisen, möglich, die Serienschaltung aus einem Widerstand R 1 und einer Diode D 1 zur Ableitung von Basisstrom mit dem Ziel zu verwenden, der Anhebung des Massepotentials beim Durch­ schalten des zugehörigen Ausgangstransistors zu verhindern. In diesem Fall werden die Anoden aller Dioden D 1 mit der alle Emitter der Ausgangstransistoren T 1, T 2, ... Tn ver­ bindenden Leitung verbunden. Der Basisstrom wird dann über die jeweilige Serienschaltung aus dem Widerstand R 1 und der Diode D 1 zu dieser Verbindungsleitung abgeleitet, die über die Leitungsinduktivität L 1 mit dem Masseanschluß M verbunden ist.

In Fig. 3 sind Diagramme zur Erläuterung des Verhaltens der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung gezeigt. Fig. 3a zeigt die Spannung am Schaltungsausgang A 1 beim Übergang des Ausgangssignals vom hohen Signalwert auf den niedrigen Signalwert, also vom H-Pegel auf den L-Pegel. Fig. 3b zeigt das Massepotential am Schaltungspunkt 1, der gleich dem internen Massepunkt ist, mit dem alle Emitter der Ausgangstransistoren T 1, T 2, ... Tn verbunden sind. Das Diagramm von Fig. 3b läßt erkennen, daß im Zeit­ punkt des Übergangs des Ausgangssignals, also beim Durch­ schalten des betroffenen Ausgangstransistors, eine Anhe­ bung des Massepotentials am Schaltungspunkt 1 auftritt. Aufgrund der Verwendung der Serienschaltungen aus jeweils einem Widerstand R 1 und einer Diode D 1 an der Basis jedes Ausgangstransistors bleibt diese Anhebung des Massepoten­ tials jedoch so gering, daß keine nachteiligen Auswirkun­ gen auftreten, insbesondere wird das Massepotential nicht so weit angehoben, daß es in die Nähe des Pegels kommt, der als Schwelle des Übergangs zwischen dem L-Pegel und dem H-Pegel festgelegt ist. In der Praxis blieb die An­ hebung des Massepotentials unter 0,7 V. Fig. 3c zeigt die durch die Leitungsinduktivität L 2.1 hervorgerufene Anhebung des Massepotentials am Schaltungspunkt 2, die jedoch sehr gering bleibt, weil auch der durch die Lei­ tungsinduktivität L 2.1 fließende Strom einen sehr kleinen Wert hat. Fig. 3d zeigt den Verlauf des durch den Wider­ stand R 1.1 fließenden Stroms IR 1.

Claims (3)

1. Integrierte Schaltung mit mehreren Ausgangstransi­ storen zur Abgabe von binären Signalen an zugehörigen Ausgangsanschlüssen und mit wenigstens einem Massean­ schluß, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Basis jedes Ausgangstransistors (T 1, T 2, ... Tn) und dem we­ nigstens einen Masseanschluß eine von der Basisspannung gesteuerte Stromquelle (R 1, D 1) eingefügt ist.

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere getrennte Masseanschlüsse (M; M 1, M 2, Mn) vorgesehen sind, daß die Emitter der Ausgangs­ transistoren (T 1, T 2, ... Tn) mit einem der Masseanschlüs­ se (M) und die Stromquellen (R 1, D 1) mit einem davon ver­ schiedenen Masseanschluß (M 1, M 2, ... Mn) verbunden sind.

3. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (R 1, D 1) von einer Serienschaltung aus einen niederohmigen Widerstand (R 1) und einer in Richtung zu dem wenigstens einen Masseanschluß (M; M 1, M 2, ... Mn) Strom leitenden Diode (D 1) gebildet ist.