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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsschalteinrichtung für
nicht-flüchtige Speicher in CMOS-Technologie.
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Insbesondere ist die Erfindung anwendbar bei EPROM-Speichern, um
einen internen Knoten zwischen normaler Versorgungsspannung (Vcc)
und einer höheren Programmierspannung (Vpp) für die Programmierung
oder das Beschreiben des Speichers umzuschalten.
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Die Erfindung gestattet außerdem den Einsatz des Programmierstifts,
d. h. des Stifts, der normalerweise zur Übernahme der
Programmierspannung ausgelegt ist, für andere Zwecke, z. B. als Eingabe-/Ausgabe-
Element in einem Mikroprozessor.
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Wie bekannt ist, empfängt ein EPROM-Speicher einen Teil der
Versorgungsspannung über einen internen Knoten, welcher abwechselnd an
einen Versorgungsstift mit der Spannung Vcc (5V) oder an einen
Programmierstift der Spannung Vpp (12,5V) angeschlossen wird, abhängig
davon, ob der Speicher gelesen, programmiert oder beschrieben werden
soll.
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Zum Umschalten des internen Knotens zwischen der einen Spannung und
der anderen Spannung wird üblicherweise eine Schalteinrichtung
eingesetzt, die zwei N-Kanal-Auswahltransistoren aufweist, von denen der
eine auf dem einen und der andere auf dem anderen von zwei
Schaltungszweigen angeordnet ist, welche zwei interne Stifte mit der
Spannung Vcc und Vpp und den vorerwähnten internen Knoten sowie einen
Schaltkreis verbinden, der dazu dient, die Auswahltransistoren zu
steuern.
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Um den auf der zu dem Programmierstift führenden Zweig
angeordneten Transistor anzusteuern, ist ein Spannungsvervielfacher vorgesehen,
der es ermöglicht, an das Gate des Transistors eine Spannung anzulegen,
die größer als Vpp ist.
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Dies führt zur Schaltungskomplexität und zu Layout-Problemen in
Verbindung mit dem Spannungsvervielfacher.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schalteinrichtung für
den obigen Einsatz zu schaffen, die einen Spannungsvervielfacher nicht
benötigt und damit im Vergleich zum Stand der Technik viel einfacher
aufgebaut werden kann.
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Ein weiteres Ziel ist es, eine Schalteinrichtung für den obigen Zweck zu
schaffen, die es außerdem ermöglicht, den Programmierstift für andere
Zwecke zu benutzen, bspw. als Eingabe-/Ausgabe-Element in einem
Mikroprozessor.
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Der Patent Abstract of Japan, Vol. 7, No. 224 (P-227) [1369], 5.
Oktober 1982, offenbart eine Schalteinrichtung mit sämtlichen Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs l.
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Die US-A-4 658 156 offenbart eine Analogspannungs-Detektorschaltung
mit einem Spannungsvergleicher, um eine Eingangsspannung Vpp
festzustellen, deren Absolutwert größer ist als die Versorgungsspannung Vcc.
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Es ist ersichtlich, daß die Verwendung von durch Gate-Spannung von
Null in den leitenden Zustand bringbaren P-Kanal-Transistoren anstelle
der N-Kanal-Transistoren (die mit positiven Gate-Spannungen, die
größer als die Versorgungsspannung des Transistors sind, in den
leitenden Zustand gebracht werden) die Möglichkeit eröffnet, auf den
Spannungsvervielfacher zu verzichten, womit Vorteile der
Schaltungsvereinfachung und des Layouts erreicht werden.
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Gleichzeitig erfordern die P-Kanal-Transistoren, daß ihr Körper auf
einer Spannung gehalten wird, welcher der höchsten in der Schaltung
vorhandenen Spannung entspricht, um Ladungsträgerinjektionen in das
Substrat zu vermeiden. Im vorliegenden Fall wird dieses Problem durch
den Wunsch verschlimmert, den Programmierstift als Eingabe-/Ausgabe-
Element zu benutzen, so daß dieser Stift in der Lage ist, niedrigere
Spannungen zu akzeptieren, die gleich oder höher sind als die
Versorgungsspannung Vcc.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst durch ein
Schalteinrichtung, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist.
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Zur größeren Klarheit und als Beispiel ist in den beigefügten
Zeichnungen eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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Fig. 1 ganz allgemein die Verwendung einer Schalteinrichtung gemäß
der Erfindung für die Spannungssteuerung in einem internen Knoten
einer integrierten Schaltung, die einen in CMOS-Technologie
ausgelegten nicht-flüchtigen Speicher bildet,
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Fig. 2 ein Blockdiagramm der Schalteinrichtung gemäß der Erfindung,
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Fig. 3, 4 und 5 die Schaltungs-Einzelheiten der drei Blöcke, welche die
Schalteinrichtung gemäß Fig. 2 bilden.
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Nach Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 die Schalteinrichtung
insgesamt, die in einer einzelnen monolithischen Struktur mit einem
Speicher z. B. einem EPROM (nicht dargestellt) eingefügt ist, während
Bezugszeichen 2 und 3 die externen Anschlüsse oder Stifte bedeuten, die
normalerweise die normale Versorgungsspannung Vcc bzw. die
Programmierspannung Vpp führen, und Bezugsziffer 4 bedeutet den
internen Knoten, welcher selektiv auf die eine oder die andere der beiden
Spannungen schaltbar ist.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Schalteinrichtung zwei P-Kanal-
Auswahltransistoren 5 und 6, von denen jeder in einen von zwei
Schaltungszweigen 7 und 8 eingefügt ist, welche die Versorgungsanschlüsse 2
und 3 mit dem internen Knoten 4 verbinden.
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Die Gateanschlüsse der zwei Transistoren 5 und 6 werden von einer
Schaltsteuereinheit 9 angesteuert, welche ebenfalls die
Versorgungsspannungen
Vcc Und Vpp empfängt und mit zwei Steuersignalen PRG und
EPR gespeist wird, welche unten noch erläutert werden.
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Ein Blockdiagramm der Schaltsteuereinheit 9 ist in Fig. 2 gezeigt, aus
der ersichtlich ist, daß die Einheit einen Analogvergleicher 10, eine
Körpervorspannschaltung 11 für den P-Kanal-Transistor und einen Umschaltkreis
12 zum Steuern des Schaltens der Auswahltransistoren 5 und
6 aufweist.
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Sämtliche oben erwähnten Schaltung 10,11 und 12 empfangen die
beiden Versorgungsspannungen Vcc Und Vpp. Der Vergleicher 10
vergleicht sie und gibt ein digitales Ausgangssignal UC aus, dessen hoher
oder niedriger logischer Pegel angibt, ob Vpp größer oder niedriger als
Vcc. Außerdem hält er seinen Ausgangssignalpegel jedesmal dann
niedrig, wenn er ein Signal EPR hohen Pegels empfängt, welches die
Absicht anzeigt, den Programmierstift 3 als Eingabe-/Ausgabe-Element
oder anderweitig zu benutzen. Abhängig vom logischen Pegel des
Ausgangssignals UC des Vergleichers 10 macht die Vorspannschaltung 11
an ihren Ausgangsanschlüssen 13 und 14 zwei Vorspannungen Vb und
Vbb verfügbar, die einander gleich sind und auch von Zeit zu Zeit der
höheren von den zwei Versorgungsspannungen Vcc und Vpp gleichen.
Der Umschaltkreis, welcher ebenfalls die beiden Vorspannungen Vb und
Vbb empfängt, führt eine Schaltsteuerung für die zwei Transistoren 5
und 6 auf der Grundlage des logischen Pegels des Ausgangssignais UC
des Vergleichers 10 sowie unter der allgemeinen Steuerung des
Programmiersignals PRG durch, welches von der (nicht gezeigten)
allgemeinen Steuereinheit der integrierten Schaltung kommt.
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Der Analogvergleicher 10 ist in seinen Schaltungseinzelheiten in Fig. 3
dargestellt, in der ersichtlich ist, daß er eine Vergleicherstufe 15
aufweist, gebildet aus einem ersten Schaltungszweig mit zwei N-Kanal-
Transistoren 16 und 17 in Reihe zwischen der Versorgungsspannung Vcc
und Masse, und einem zweiten Schaltungszweig mit zwei
N-Kanal-Transistoren 18 und 19, ebenfalls in Reihe zwischen der
Versorgungsspannung Vcc und Masse. Der Transistor 16 wird über sein Gate angesteuert
mit der Spannung Vcc, während der Transistor 18 über sein Gate mit
der Spannung Vpp angesteuert wird. Die zwei Transistoren 17 und 19
haben ihr Gate gemeinsam an die Source des Transistors 17
angeschlossen. Ein Zwischenknoten 20 zwischen den Transistoren 16 und 17 ist
über einen N-Kanal-Transistor 21 auf Masse gelegt, welcher sein Gate
an einen Zwischenknoten 22 zwischen den Transistoren 18 und 19
angeschlossen hat. Der Knoten 22 ist außerdem über einen
N-Kanal-Transistor 23, dessen Gate mit dem Knoten 20 verbunden ist, auf Masse
geschaltet. Die zwei Knoten 20 und 22 sind außerdem über zugehörige
N-Kanal-Transistoren 24 und 25, deren Gateanschlüsse an die jeweiligen
Drainanschlüsse angeschlossen sind, auf Masse gelegt.
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Zwischen den Transistoren 16 und 18 und den Schaltungsknoten 20 und
22 liegen P-Kanal-Transistoren 26 und 27, deren Körper mit Vcc
verbunden ist, und deren Gateanschlüsse das Signal EPR empfangen
können. Das gleiche ist der Fall für einen N-Kanal-Transistor 28, der
zwischen dem Schaltungsknoten 22 und Masse liegt.
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Zwischen dem Schaltungsknoten 22 und einem Eingang eines NOR-
Gatters 30, dessen anderer Eingang an den Ausgang eines die
Programmierspannung Vpp empfangenden Negators 31 angeschlossen ist, ist ein
Negator 29 eingefügt.
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Das digitale Ausgangssignal UC des Analogvergleichers 10 wird am
Ausgang des NOR-Gatters 30 verfügbar gemacht.
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Die Körpervorspannschaltung 11 ist in Fig. 4 im einzelnen dargestellt
und sie enthält einen Negator 32, der mit seinem Eingang an den
Ausgang UC des Vergleichers 10 angeschlossen ist, und der mit seinem
Ausgang an den Gate-Anschluß eines P-Kanal-Transistors 33, dessen
Körper mit der Source verbunden ist, und dem eines
N-Kanal-Transistors 34 verbunden ist, wobei die Transistoren 33 und 34 in Reihe
zwischen einem Versorgungsspannungsanschluß Vpp und Masse liegen.
Der Ausgang des Negators 32 ist außerdem mit dem Gate-Anschluß
eines P-Kanal-Transistors 35 verbunden, dessen Körper mit dem Drain
verbunden ist und der zwischen dem Anschluß mit dem Drain
verbunden ist, und der zwischen dem Anschluß mit der Spannung Vp und
dem Vorspannanschluß 13 (Spannung Vb) liegt. Er ist auch an den
Gateanschluß eines P-KanaI-Transistors 36 angeschlossen, dessen Körper
an den Vorspannungsanschluß Vb zwischen dem Anschluß mit der
Spannung Vpp und dem Vorspannungsanschluß 14 (Spannung Vbb)
angeschlossen ist.
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Ein Zwischenknoten 37 zwischen den Transistoren 33 und 34 wiederum
ist an den Gateanschluß eines P-Kanal-Transistors angeschlossen, dessen
Körper mit dem Drain verbunden ist, und der zwischen dem Anschluß
mit der Spannung Vcc und dem Vorspannanschluß 13 liegt, und er ist
außerdem verbunden mit dem Gateanschluß eines P-Kanal-Transistors
39, dessen Körper mit Vb verbunden ist, und der zwischen dem
Anschluß mit der Spannung Vcc und dem Vorspannanschluß 14 liegt.
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Der Umschaltkreis ist in Fig. 5 im einzelnen dargestellt, er enthält ein
NAND-Gatter 40, an dessen Eingänge das Ausgangssignal UC des
Vergleichers 10 und das Programmiersignal PRG gelegt werden. Das
Ausgangssignal des NAND-Gatters 40 gelangt an den Eingang eines
Spannungsumsetzers 41, dessen Aufgabe darin besteht, die gewünschten
Steuerspannungen an die Gateanschlüsse der Auswahltransistoren 5 und
6 zu liefern.
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Der Spannungsumsetzer 41 enthält vier P-Kanal-Transistoren 42 bis 45,
die mit dem Körper an Vbb angeschlossen sind, und die auf vier
parallelen Schaltungszweigen zwischen Vbb und Masse liegen sowie in
Reihe mit zugehörigen N-Kanal-Transistoren 46 bis 49 geschaltet sind.
Die Transistoren 42 und 45 sind mit ihren Gate-Anschlüssen an
Zwischenknoten zwischen den Serientransistoren 43 und 47 angeschlossen,
während die Transistoren 43 und 44 mit ihren Gateanschlüssen an einen
Zwischenknoten zwischen den Serientransistoren 42 und 46
angeschlossen sind. Die Transistoren 46 und 47 sind mit ihren Gateanschlüssen an
den Ausgang des NAND-Gatters 40 direkt bzw. über den Negator 50
angeschlossen. Der Transistor 48 ist mit seinem Gateanschluß an einen
Zwischenknoten 51 zwischen den Transistoren 45 und 49 sowie an das
Gate des Auswahltransistors 5 angeschlossen, der mit seinem Körper an
den Drain angeschlossen ist. Der Transistor 49 hat seinen Gateanschluß
an einen Zwischenknoten 52 zwischen den Transistoren 44 und 48 sowie
an das Gate des Auswahltransistors 6 angeschlossen, dessen Körper mit
Vb verbunden ist.
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Schließlich enthält der Schalttransistor 12 einen N-Kanal-Transistor 53
zwischen Vcc und dem Gate des Auswahltransistors 6. Das Gate des
Transistors 53 wird über einen Negator 54 von der Spannung Vpp
gesteuert.
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Aufgrund der Wirkungsweise des beschriebenen Aufbaus ist die als
Beispiel in den Zeichnungen dargestellte Schalteinrichtung so ausgelegt,
daß sie folgendermaßen arbeitet:
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Der Analogvergleicher 10 (Fig. 3) vergleicht fortwährend Vcc (immer
5V) mit Vpp (12,5V in der Programmierphase und 5V in der
Lesephase).
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Ist Vpp höher als Vcc, wie es in der Programmierphase der Fall ist, so
leitet der Transistor 18 mehr als der Transistor 16 mit der Folge, daß
der Schaltungsknoten 22 der Vergleicherstufe 15 auf einen hohen
Spannungspegel ansteigt und über den Negator sowie das NOR-Gatter 30 ein
Ausgangssignal UC mit hohem Pegel erzeugt.
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Ist Vpp gleich oder niedriger als Vcc, wie es in der Lesephase der Fall
ist, leitet der Transistor 16 mehr als der Transistor 18, so daß der
Schaltungsknoten 22 auf ein niedrigen Pegel abfällt, mit dem Ergebnis, daß
das Ausgangssignal UC in ähnlicher Weise sinkt.
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Deshalb ist grundsätzlich UC auf hohem Pegel, falls Vpp höher als Vcc
ist, und auf niedrigem Pegel, falls dies nicht der Fall ist.
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Diese letztgenannte Situation tritt auch auf, wenn erwünscht ist, den
Programmierstift 3 für andere Zwecke als zur Speicherprogrammierung
zu benutzen. In diesem Fall schaltet ein EPR-Signal hohen Pegels die P-
Kanal-Transistoren 26 und 27 aus und bewirkt ein Leiten des N-Kanal-
Transistors 28, so daß der Schaltungsknoten 22 auf niedrigem Pegel
absinkt und einen ähnlichen Abfall des Ausgangssignals UC des
Vergleichers verursacht. Der Stromverbrauch für diesen Zweck ist also
gering.
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Über den Negator 31 und das NOR-Glied 30 ist es möglich, ein
unmittelbares Abfallen des Pegels des Ausgangssignals UC für den Fall eines
plötzlichen Spannungsabfalls von Vpp zu erreichen, was z. B. auf einen
Zusammenbruch der Versorgungsschaltung zurückzuführen ist.
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Der Spannungspegel des Ausgangssignals UC des Vergleichers 10 wird
von der Körpervorspannschaltung 11 und dem Umschaltkreis 12 benutzt.
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Die Körpervorspannschaltung 11 (Fig. 4) verwendet ihn insbesondere
dazu, die höchste verfügbare Spannung, Vpp oder Vcc zu halten, den
Körper sämtlicher P-Kanal-Transistoren, deren Source- und
Drain-Vorspannung möglicherweise höher als die Körpervorspannung ist,
vorzuspannen. Wie bekannt, ist dies wesentlich, um die Injektion von
Ladungsträgers in das Substrat hinein zu vermeiden.
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Hat UC hohen Pegel, was bedeutet, daß Vpp höher als Vcc ist, d. h.,
wenn der Speicher sich in der Programmierphase befindet sind die
Gate-Anschlüsse der P-Kanal-Transistoren 35 und 36 auf niedrigem
Pegel, so daß diese Transistoren leiten und zu den Anschlüssen 13 und
14 die Spannung Vpp übertragen, d. h. Vorspannungen Vb und Vbb
erzeugen, die gleich Vpp sind. Gleichzeitig werden die Transistoren 38
und 39 ausgeschaltet, wobei der Schaltungsknoten 37 aufgrund der
Wirkung des Leiters des P-Kanal-Transistors 33 auf hohem Pegel ist, und
der N-Kanal-Transistor 34 wird ausgeschaltet, veranlaßt durch den an
ihre Gateanschlüsse gelegten niedrigen Pegel. In dieser Situation haben
sämtliche P-Kanal-Transistoren ihre Körper auf der Spannung Vpp, d. h.
der höchsten derzeit in der Schaltung verfügbaren Spannung.
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Wenn US auf niedrigem Pegel ist, was bedeutet, daß Vpp niedriger als
oder gleich Vcc ist, d. h., wenn die Lesephase ansteht oder der
Programmierstift 3 für andere Zwecke entsprechend dem hohen Signalpegel von
EPR verwendet wird, oder wenn ein plötzlicher Fall der Spannung Vp
vorhanden ist, sind die Gateanschlüsse der Transistoren 35 und 36 auf
hohem Pegel, so daß diese Transistoren sperren, während die
Transistoren 38 und 39 leiten, wobei der Schaltungsknoten 39 wegen der
Auswirkung des Leitens des Transistors 34 und des Sperrens des Transistors
33 auf niedrigem Pegel ist. An den Anschlüssen 13 Und 14 gibt es daher
Vorspannungen Vb Und Vbb gleich Vcc. In dieser Situation liegen
sämtliche P-Kanal-Transistoren mit ihrem Körper auf der Spannung Vcc,
d. h. der höchsten in der Schaltung derzeit verfügbaren Spannung. Wenn
ein Signal EPR mit hohem Pegel vorhanden ist, kann die Spannung Vpp
an dem externen Stift 3 nicht höher sein als Vcc.
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Wie bereits erwähnt, wird der Spannungspegel des Ausgangs UC des
Vergleichers auch von dem Umschaltkreis 12 (Fig. 5) benutzt. Das
genannte Signal wird an dem NAND-Gatter 40 mit dem Signal PRG
derart kombiniert, daß das Signal PRG freigegeben wird, um das
abwechselnde Schalten der Auswahltransistoren 5 und 6 zu steuern und
damit das Anlegen der Spannung Vcc (in der Speicher-Lesephase oder
um den Stift 3 anders zu verwenden als zur Programmierung des
Speichers) oder der Spannung Vpp (in der Programmierphase des Speichers)
an den internen Knoten 4, abhängig vom Spannungspegel des
Ausgangssignals UC und mithin basierend auf der am Stift 3 vorhandenen Vpp.
Es sei angemerkt, daß die Vorspannungen Vb und Vbb, die von der
Vorspannschaltung 11 erzeugt werden, sicherstellen, daß die gewünschte
Körper-Vorspannung mit dem höchsten in der Schaltung vorhandenen
Spannungspegel an die verschiedenen P-Kanal-Transistoren gemäß Fig. 5
gelangt.
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Das UC-Signal hohen Pegels ermöglicht, daß das Programmiersignal
PRG den internen Knoten 4 bzgl. der Auswahl der
Programmierspannung Vpp steuert, wobei das Signal UC zu diesem Zeitpunkt angibt, daß
die Spannung höher als Vcc ist und sich mithin zur
Speicherprogrammierung eignet. Mit zwei hochpegeligen Signalen UC und PRG geht der
Ausgang des NAND-Gatters 40 auf niedrigen Pegel und verursacht über
den Spannungsumsetzer 41 das Anlegen einer Spannung von Null an das
Gate des Auswahltransistors 6 sowie einer Spannung entsprechend Vbb
(d. h. Vpp mit 12,5V) an das Gate des anderen Auswahltransistors 5.
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Folglich ist letzterer offen, während ersterer leitet und die
Programmierspannung Vpp an den internen Knoten 4 übergibt.
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In dieser Situation haben der Negator 54 und der Transistor 53 die
Aufgabe, den Transistor 6 unmittelbar abzuschalten, falls ein plötzlicher
Abfall der Spannung Vpp stattfinden sollte.
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Ein Signal UC mit niedrigem Pegel, welches das Fehlen einer
geeigneten Programmierspannung Vpp mit 12,5V bedeutet, entweder deshalb,
weil die Lesephase stattfindet, oder weil der Stift 3 für andere Zwecke
als zur Programmierung verwendet wird, oder weil plötzlich die
Leistung verschwunden ist, sperrt den Ausgang des NAND-Gatters 40 bei
hohem Pegel und sperrt damit das Programmiersignal PRG und
veranlaßt über die Spannungsumsetzschaltung 41 das Anlegen einer
Spannung von Null an das Gate des Auswahltransistors 5 und einer Spannung
entsprechend Vbb (d. h. Vcc mit 5V) an das Gate des Auswahltransistors
6. Letzterer wird mit hin ausgeschaltet, während ersterer leitet und die
Versorgungsspannung Vcc an den internen Knoten 4 gibt.