DE3904910A1 - Integrierte gegentakt-ausgangsstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Gegentakt- Ausgangsstufe zum Erzeugen eines impulsförmigen Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem impulsförmigen Eingangssignal mit Ausgangs-Feldeffekttransistoren, die aus zwei Gruppen parallelgeschalteter Teiltransistoren bestehen, deren Gate-Zonen miteinander verbunden sind, wobei mit den verbundenen Gate-Zonen der Teiltransistoren wenigstens einer der beiden Gruppen ein Stromableittransistor verbunden ist.

Bei integrierten Halbleiterschaltungen, die speziell zur Erzielung hoher Schaltgeschwindigkeiten entwickelt wurden, haben sich parasitäre Induktivitäten der Zuleitungen zu den aktiven Schaltungselementen als sehr nachteilig erwiesen, da sie eine Umsetzung der theoretisch möglichen hohen Schaltgeschwindigkeiten in die Praxis verhindern. Insbesondere in den Ausgangsstufen integrierter Schaltungen, in denen relativ hohe Ströme fließen, werden in den parasitären Leitungsinduktivitäten bei schnellen Schaltvorgängen, also beispielsweise beim schnellen Umschalten zwischen einem hohen Spannungspegel und einem niedrigen Spannungspegel, hohe Spannungsspitzen erzeugt, die zu einem starken Überschwingen an den von der jeweiligen Ausgangsstufe abgegebenen Impulsen führen. Dieses Überschwingen kann zu fehlerhaften Ausgangssignalen führen, da es vor allem beim niedrigem Signalwert, der im Bereich des Massepotentials liegt, zu einem unerwünschten Anheben dieses Potentials kommt, das von nachfolgenden Schaltungsstufen im ungünstigen Fall dazu führt, daß das von der Ausgangsstufe abgegebene Signal wegen der Überschwingerscheinungen als Signal mit hohem Wert interpretiert wird, während es eigentlich ein Signal mit niedrigem Wert sein sollte. Diese Erscheinung wird im englischen Sprachgebrauch als "ground bounce" bezeichnet.

Das Überschwingen kann natürlich dadurch reduziert werden, daß die Schaltflanken der impulsförmigen Signale langsamer gemacht werden, was allerdings dem Ziel der Erreichung hoher Schaltgeschwindigkeiten entgegensteht. In dem von der Firma Texas Instruments herausgegebenen Buch "Advanced CMOS Logic, Designers Handbook", das 1987 herausgegeben wurde, ist im Kapitel 3.1.5, Seite 3-9, eine Ausgangsstufe beschrieben, in der Maßnahmen angewendet sind, um das ungünstige Überschwingen zu reduzieren. In dieser Ausgangsstufe sind die Ausgangstransistoren jeweils aus mehreren Einzeltransistoren gebildet, die zueinander parallel geschaltet sind. Die Gate-Zonen dieser Einzeltransistoren sind in Serie geschaltet und wirken wie eine widerstandsbehaftete Leitung. Da diese Leitung auch eine gewisse Kapazität hat, wirkt die Serienschaltung der Gate-Zonen wie eine Verzögerungsleitung, so daß das Signal vom ersten Transistor bis zum letzten Transistor der parallelgeschalteten Einzeltransistoren eine gewisse Laufzeit benötigt. Ohne besondere Maßnahmen ist diese Verzögerung aber nicht groß genug, um die Flanken der Schaltimpulse so weit zu verlangsamen, daß unerwünschte Überschwingungen nicht mehr auftreten. Die besondere Maßnahme, Reduzierung der Überschwingung umfaßt bei dieser bekannten Ausgangsstufe die Verwendung eines Stromableittransistors, der an die Serienschaltung der Gate-Zonen der Ausgangstransistoren einer der beiden Gruppen von Einzeltransistoren in der Gegentakt- Ausgangsstufe angeschlossen ist und im eingeschalteten Zustand das Fließen eines Stroms durch die Serienschaltung der Gate-Zonen nach Masse hervorruft.

Das Fließen des Stroms durch die Serienschaltung der Gate- Zonen hat zur Folge, daß an den einzelnen Gate-Zonen, die wie einzelne Widerstände wirken, Spannungsabfälle auftreten, so daß sich die Gate-Spannungen vom ersten Transistor der Gruppe bei zum letzten nacheinander verringern. Dieser durch den Stromableittransistor hervorgerufene zusätzliche Strom durch die Serienschaltung der Gate-Zonen wirkt aufgrund der an den einzelnen Gate-Zonen auftretenden Spannungsabfälle dem Entstehen der Überschwingungen entgegen. Der Stromableittransistor muß aber nach einer definierten Zeit auch wieder gesperrt werden, damit nicht ständig durch die Gate-Zonen Strom fließt. Dieses Sperren wird in Abhängigkeit vom Eingangssignal der Ausgangsstufe durchgeführt, aus dem mittels einer Verzögerungsschaltung ein Steuersignal erzeugt wird, das nach der von der Verzögerungsschaltung erzeugten Verzögerungszeit den Stromableittransistor wieder sperrt. Im günstigsten Fall, also dann, wenn die herstellungsbedingten Parameter der Ausgangsstufe gute Werte haben, muß die Verzögerungsschaltung den Stromableittransistor lang genug leitend halten, damit der Strom durch die Serienschaltung der Gate-Zonen lange genug fließt, um den gewünschten Effekt der Gate-Spannungsreduzierung für eine genügend lange Zeitdauer aufrechtzuerhalten. Dieser Stromfluß mit dem damit verbundenen Spannungsabfall an den Gate-Zonen ist die Voraussetzung dafür, daß die unerwünschten Überschwingungen stark reduziert werden. Wenn allerdings die herstellungsbedingten Parameter der integrierten Ausgangsstufe ungünstige Werte haben, ist die Laufzeit des Signals durch die Gate-Zonen von vornherein bereits relativ lang, so daß der durch den Stromableittransistor zusätzlich hervorgerufene Strom mit der damit verbundenen weiteren Verlängerung der Laufzeit zu einer zu starken Verlangsamung der Flanken des Ausgangssignals der Ausgangsstufe führt, was höchst unerwünscht ist, da der Stromableittransistor zwar das Überschwingen reduzieren soll, nicht aber die Flankensteilheit der Ausgangsimpulse zu stark verlangsamen darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Gegentakt-Ausgangsstufe zu schaffen, bei der mit geringem Schaltungsaufwand das Überschwingen an den Impulsen des Ausgangssignals wesentlich reduziert wird, ohne daß die Schaltgeschwindigkeit der Ausgangsstufe merklich beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stromableittransistor der Ausgangstransistor einer ausschließlich aus Feldeffekttransistoren aufgebauten Stromspiegelschaltungen ist, deren Eingangstransistor ein vom Eingangssignal abhängiger Strom zur Steuerung des Stromableittransistors zugeführt wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert, deren einzige Figur ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausgangsstufe 10 enthält Ausgangstransistoren, die jeweils aus einer Gruppe von in Serie geschalteten Teiltransistoren bestehen. Die Gruppe 12 enthält mehrere N-Kanal-Teiltransistoren TN 1 bis TNn, die zueinander parallelgeschaltet sind, wobei ihre Gate-Zonen jeweils in Serie geschaltet sind. Die Gruppe 14 enthält mehrere P-Kanal-Teiltransistoren TP 1 bis TPn, die in der gleichen Weise wie die Transistoren der Gruppe 12 miteinander verbunden sind. Wie zu erkennen ist, ist jeweils ein Teiltransistor der einen Gruppe mit einem Teiltransistor der anderen Gruppe in Serie geschaltet, also beispielsweise der Transistor TP 1 mit dem Transistor TN 1. Schaltungstechnisch gesehen verhalten sich die Transistoren einer Gruppe jeweils wie ein Ausgangstransistor, wobei die beiden Gruppen so miteinander verbunden sind, daß eine herkömmliche Gegentakt- Ausgangsstufe in CMOS-Technologie entsteht.

Das Eingangssignal wird den beiden Zweigen der Gegentakt- Ausgangsstufe jeweils über Negatoren 16, 17 zugeführt. Die verbundenen Eingänge der Negatoren 16, 17 bilden den Signaleingang 18. Der Signalausgang 20 wird von den miteinander verbundenen Source- und Drain-Anschlüssen der Teiltransistoren der beiden Gruppen 12, 14 gebildet.

In der Gruppe 12 ist mit gestrichelten Linien angedeutet, daß die in Serie geschalteten Gate-Zonen der Teiltransistoren TN 1 bis TNn wie ein Verzögerungsglied mit einem Serienwiderstand R und einer Kapazität C wirken.

Mit den in Serie geschalteten Gate-Zonen der Teiltransistoren TN 1 bis TNn der Gruppe 12 ist ein Stromableittransistor TS 1 verbunden, wobei dessen Drain-Source-Strecke zwischen den verbundenen Gate-Zonen und Masse liegt. Dieser Stromableittransistor TS 1 ist ein Teil einer Stromspiegelschaltung, zu der außerdem die Transistoren TS 2, TS 3 und TS 4 gehören. Wie dem Schaltbild zu entnehmen ist, sind diese drei zuletzt genannten Transistoren in Serie geschaltet. Die Gate-Zone des Transistors TS 2 ist mit der Gate-Zone des Stromableittransistors TS 1 verbunden, und es besteht eine direkte Verbindung zwischen der Drain-Zone und der Gate-Zone am Transistor TS 2. Der Stromableittransistor TS 1 und der Transistor TS 2 sind N-Kanal-Transistoren, während es sich bei den Transistoren TS 3 und TS 4 um P-Kanal-Transistoren handelt.

Vom Verbindungspunkt der beiden Gate-Zonen der Transistoren TS 1 und TS 2 führt die Drain-Source-Strecke eines weiteren N-Kanal-Transistors TS 5 nach Masse. Mit der Gate-Zone des Transistors TS 5 ist der Ausgang einer Verzögerungsschaltung 22 verbunden, deren Eingang mit dem Ausgang des Negators 16 verbunden ist. In der Ausgangsstufe, die in der Zeichnung dargestellt ist, sind außer den die eigentlichen Ausgangstransistoren bildenden Gruppen 12 und 14 aus jeweils mehreren Teiltransistoren lediglich noch Schaltungsteile hinzugefügt, die für eine Abhilfe beim Problem des Überschwingens bei abfallenden Flanken des Eingangssignals sorgen, also dann, wenn das Eingangssignal von einem hohen Signalwert auf einen niedrigen Signalwert umgeschaltet wird. Da es gerade bei abfallenden Flanken zu der unerwünschten Anhebung des Massepotentials aufgrund des auftretenden Überschwingens kommt, sind besonders für die Verbesserung des Verhaltens in diesem Signalbereich Schaltungsmaßnahmen erforderlich. Falls es jedoch erwünscht ist, das Überschwingen auch bei ansteigenden Flanken zu reduzieren, könnte der Gruppe 14 ebenfalls eine Stromspiegelschaltung entsprechend der Stromspiegelschaltung aus den Transistoren TS 1, TS 2, TS 3 und TS 4 sowie eine Verzögerungsschaltung entsprechend der Verzögerungsschaltung 22 und ein davon gesteuerter Transistor wie der Transistor TS 5 zugeordnet werden.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausgangstufe arbeitet wie folgt:

Es wird angenommen, daß an den Signaleingang 18 ein impulsförmiges Signal angelegt wird, das einen hohen Signalwert hat und auf den niedrigen Signalwert umgeschaltet wird. Bei Vorhandensein des hohen Signalwerts am Eingang 18 ist der Transistor TS 4 gesperrt, so daß durch die Serienschaltung aus den Transistoren TS 4, TS 3 und TS 2 kein Strom fließt. Aufgrund der bekannten Eigenschaften der Stromspiegelschaltung fließt daher auch kein Strom durch den Stromableittransistor TS 1, da sich die Transistoren TS 2 und TS 1 hinsichtlich des Fließens von Strom gleich verhalten. Am Ausgang 20 gibt die Ausgangsstufe ebenfalls ein Signal mit hohem Wert ab.

Wenn nun das Eingangssignal am Eingang 18 beginnt, auf einen niedrigen Wert umzuschalten, wird der Transistor TS 4 eingeschaltet, so daß durch ihn der Strom I fließt. Dieser Strom fließt auch durch den Transistor TS 3, der sich im leitenden Zustand befindet, weil in seiner Gate-Elektrode eine niedrige Spannung liegt. Der Strom I durchfließt auch den Transistor TS 2, was wiederum das Fließen des gleichen Stroms I durch den Transistor TS 1 zur Folge hat. Gleichzeitig mit dem Übergang des Signalwerts am Eingang 18 auf den niedrigen Wert geht auch das Signal am Ausgang des Negators 16 auf einen hohen Wert über, so daß auch die Transistoren TN 1 bis TNn der Gruppe 12 leitend werden. Infolge des Widerstandes der in Serie geschalteten Gate-Zonen der Transistoren TN 1 bis TNn sowie der vorhandenen Streukapazität C werden die Transistoren TN 1 bis TNn nicht gleichzeitig leitend, sondern der Transistor TNn wird um die sich aus dem Widerstand R und dem Kondensator C ergebende Zeitkonstante später leitend. Infolge des durch den leitenden Stromableittransistors TS 1 fließenden Stroms wird an dem verteilten Widerstand R der einzelnen Gate-Zonen jeweils ein Spannungsabfall erzeugt, so daß die wirksamen Gate-Spannungen vom Transistor TN 1 bis zum Transistor TNn nacheinander immer kleiner werden. Dies wirkt sich wie eine Verlangsamung der abfallenden Flanke des Eingangssignals aus, so daß das Überschwingen des am Ausgang 20 abgegebenen impulsförmigen Signals im Bereich des Massewerts verringert wird. Sobald nach der durch den Widerstand R und den Kondensator C hervorgerufenen Verzögerung die Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors TS 3 auf den hohen Wert angestiegen ist, wird der Transistor TS 3 gesperrt, so daß der Stromausfluß durch den Transistor TS 2 unterbrochen wird. Dies hat zur Folge, daß auch durch den Stromableittransistor TS 1 kein Strom mehr fließt, so daß im statischen Zustand, also dann, wenn das Eingangssignal keine Änderung erfährt, in der Ausgangsstufe kein Gleichstrom fließt.

Um sicherzustellen, daß in der Ausgangsstufe im statischen Zustand kein Gleichstrom fließen kann, wird die Verbindung der Gate-Zonen der Transistoren TS 1 und TS 2 über den Transistor TS 5 an Masse gelegt, sobald das Signal am Ausgang der Verzögerungsschaltung 22 einen hohen Wert angenommen hat. Die Verzögerungsdauer der Verzögerungsschaltung 22 ist auf einen längeren Wert eingestellt als die Laufzeit, die sich aufgrund des Widerstands R und des Kondensators C in der Serienschaltung der Gate-Zonen der Transistoren TN 1 und TN 3 ergibt.

Die den Stromableittransistor TS 1 enthaltende Stromspiegelschaltung wirkt sich günstig auf das Überschwingverhalten aus, wenn die herstellungsbedingten Parameter der Ausgangsstufe optimale Werte haben, aber auch dann, wenn diese Parameter die ungünstigsten Werte haben. Im zuerst genannten Fall ist die durch den Widerstand R und den Kondensator C bedingte Laufzeit des Signals von der Gate-Zone des Transistors TN 1 bis zur Gate-Zone des Transistors TS 3 sehr kurz, jedoch wird wegen des vom Stromableittransistor TS 1 hervorgerufenen Spannungsabfalls an den Gate-Zonen der Transistoren TN 1 bis TNn die jeweilige Gate-Spannung an den Teiltransistoren nacheinander immer kleiner, so daß dem Überschwingen wirksam entgegengewirkt wird. Das Abschalten des Stromableittransistors TS 1 erfolgt, wenn der Transistor TS 3 aufgrund des Anstiegs der Spannung an seiner Gate-Zone gesperrt wird. Im Fall der ungünstigsten Parameter fließt ein kleinerer Strom durch die Transistoren TS 4 und TS 3, was auch einen kleineren Strom durch den Stromableittransistor TS 1 zur Folge hat. Dadurch ergibt sich an den Gate-Zonen der Transistoren TN 1 bis TNn ein geringerer Spannungsabfall, so daß keine unnötige Zunahme der Signallaufzeit bewirkt wird. Wie im zuvor geschilderten Fall wird der Stromableittransistor TS 1 gesperrt, sobald aufgrund des Spannungsanstiegs an der Gate-Zone des Transistors TS 3 dieser Transistor gesperrt wird. Auch hier sorgt die Verzögerungsschaltung 22 wieder dafür, daß ein unnötiger Gleichstrom in der Ausgangsstufe im statischen Zustand, also bei gleichbleibender Eingangsspannung verhindert wird.

Claims (3)

1. Integrierte Gegentakt-Ausgangsstufe zum Erzeugen eines impulsförmigen Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem impulsförmigen Eingangssignal mit Ausgangs-Feldeffekttransistoren, die aus zwei Gruppen parallelgeschalteter Teiltransistoren bestehen, deren Gate-Zonen miteinander verbunden sind, wobei mit den verbundenen Gate-Zonen der Teiltransistoren wenigstens einer der beiden Gruppen ein Stromableittransistor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromableittransistor (TS 1) der Ausgangstransistor einer ausschließlich aus Feldeffekttransistoren aufgebauten Stromspiegelschaltungen (TS 1, TS 2, TS 3, TS 4) ist, deren Eingangstransistor (TS 2) ein vom Eingangssignal abhängiger Strom zur Steuerung des Stromableittransistors (TS 1) zugeführt wird.

2. Integrierte Gegentakt-Ausgangsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Eingangstransistor (TS 2) der Stromspiegelschaltung (TS 1, TS 2, TS 3, TS 4) ein Steuertransistor (TS 3) in Serie geschaltet ist, der den dem Eingangstransistor (TS 1) der Stromspiegelschaltung (TS 1, TS 2, TS 3, TS 4) zugeführten Strom in Abhängigkeit vom Eingangssignal steuert.

3. Integrierte Gegentakt-Ausgangsstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Stromspiegel (TS 1, TS 2, TS 3, TS 4) fließende Strom durch einen weiteren, mit dem Steuertransistor (TS 3) in Serie geschalteten Schalttransistor (TS 4) in Abhängigkeit vom Eingangssignal steuerbar ist.