DE4343722A1 - Präzisions-Referenzspannungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterschaltungen und insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeu­ gen einer Präzisions-Referenzspannung unter Verwendung eines Paars von Flash-EEPROM-Speicherzellen.

Präzisions-Referenzspannungsquellen sind in der Technik be­ kannt. Es gibt viele Schaltungsanordnungen zur Erzeugung sol­ cher Referenzspannungen. Jedoch ist es notwendig, solche Refe­ renzspannungen unter Verwendung der zum Herstellen der zugehö­ rigen Schaltungen verfügbaren Verfahren herzustellen, da Schal­ tungen immer spezialisierter werden. Beispielsweise kann die Verwendung von Referenzspannungsquellen in Großintegrations­ schaltungen erfordern, daß die Schaltung zur Erzeugung der Re­ ferenzspannungen mit den für die Herstellung von großen inte­ grierten Schaltungen verwendeten Verfahren hergestellt wird. Auf diese Weise wird es möglich, eine Präzisions-Referenzspan­ nungsquelle dort zur Verfügung zu stellen, wo einzelne Kompo­ nenten, einschließlich Präzisionswiderständen und Präzisions­ kondensatoren, verfügbar sind. Müssen jedoch integrierte Schal­ tungselemente verwendet werden und sind sowohl die Ströme als auch die Spannungen solcher Elemente begrenzt, wird die Bereit­ stellung solcher Referenzspannungen viel schwieriger. Infolge­ dessen stehen immer weniger Komponenten zur Erzeugung solcher Referenzspannungen zur Verfügung, wenn die Art der integrierten Schaltungen immer spezialisierter wird, die einzelnen Elemente der Schaltung immer kleiner werden und die Fläche immer be­ grenzter wird.

Eine Art der integrierten Schaltung, die Präzisionsspan­ nungspegel verwendet, ist ein Speicherfeld bzw. eine Speicher­ matrix. Normalerweise sind Präzisionsspannungen von externen Schaltungen zur Abfrage eines Speicherfeldes während eines Le­ seprozesses oder für eine Schreiboperation zu einem solchen Feld verfügbar. Neuere Flash-EEPROM-Speicherfelder, die für Langzeitspeicherung in tragbaren Computern verwendet werden, sind zum Betrieb mit Mikroprozessoren konstruiert, die niedri­ gere Quellenspannungen verwenden und keine Präzisionsspannungs­ versorgungen zur Erzeugung solcher höherer Spannungswerte ha­ ben, wie sie zum Programmieren und Löschen solcher Flash-Daten­ felder erforderlich sind. Infolgedessen ist es notwendig, sol­ che Präzisionsreferenzspannungen in der integrierten Schaltung zu erzeugen, die das Datenfeld oder die Steuerschaltung ent­ hält. Dies macht es erforderlich, daß die zum Erzeugen der Prä­ zisionsreferenzspannungen benötigten Elemente bei dem Prozeß zur Herstellung der Flash-Speicherfelder hergestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Präzisions-Refe­ renzspannung für eine integrierte Schaltung zur Verfügung zu stellen und aufrechtzuerhalten. Insbesondere soll für ein Flash-Speicherfeld eine Präzisions-Referenzspannungsschaltung angegeben werden, die nach dem gleichen Verfahren wie das Spei­ cherfeld hergestellt wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Präzisions-Referenzspan­ nungsschaltung hat ein Paar von ähnlichen Flash-EEPROM- Speicherzellen jeweils mit einer Source-, Drain-, Floating- Gate- und Steuer-Gateelektrode. Die Speicherzellen des Paares von ähnlichen Flash-EEPROM-Speicherzellen sind so programmiert, daß sie unterschiedliche Ladungen auf ihren schwimmenden Gate- Elektroden haben.

Die Zellen sind in einem Paar von parallelen Schaltungs­ zweigen angeordnet, in denen unter Gleichgewichtsbedingungen gleiche Stromwerte erzeugt werden. Mittel zum Abtasten einer Spannung sind in jedem der beiden parallelen Zweige vorgesehen, um festzustellen, ob sich die Ströme darin unterscheiden. Die Abtastmittel liefern eine Ausgangsspannung, die als Referenz­ wert verwendet werden kann, wenn die Ströme im Gleichgewicht sind. Ferner sind Mittel zum Abtasten von Änderungen der Aus­ gangsspannung vorgesehen, um den Strom durch die Flash-EEPROM- Speicherzelle zu verändern und die Ströme abzugleichen, wenn die Ausgangsspannung von dem im Gleichgewicht zur Verfügung ge­ stellten Referenzwert abweicht.

Vorteile, Anwendungen und Merkmale der Erfindung werden un­ ter Bezugnahme auf die nachfolgende Figurenbeschreibung besser verständlich.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines die Erfindung verwen­ denden Computersystems;

Fig. 2 ein Grundschaltbild der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild der vorliegenden Er­ findung, und

Fig. 4 ein Schaltbild eines Abschnitts der in Fig. 3 gezeigten Schaltung.

Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein die Erfindung verwendendes Computersystem zeigt. Das System weist typischerweise einen Zentralprozessor auf, der die verschie­ denen dem Computer für seine Operationen gegebenen Befehle aus­ führt. Der Zentralprozessor ist mit einem Bus verbunden, der verwendet wird, um Informationen zu den verschiedenen Komponen­ ten des Computersystems zu übertragen. Mit dem Bus ist der Hauptspeicher verbunden, der üblicherweise aus einem dynami­ schen Speicher mit wahlfreiem Zugriff besteht und zum Speichern von Informationen in den Zeiten verwendet wird, in denen das System mit Strom versorgt wird. Außerdem ist ein Nur-Lese-Spei­ cher mit dem Bus verbunden, der verschiedene Speicherbauele­ mente (beispielsweise elektrisch programmierbare Nur-Lese- Speicherbauelemente (EPROM-Bauelemente) oder Flash-EEPROM- Speicherbauelemente) enthalten kann, die dem Fachmann bekannt und geeignet sind, einen Speicherzustand bei stromlosem System beizubehalten. Der Nur-Lese-Speicher speichert üblicherweise verschiedene von dem Prozessor 11 verwendete Grundfunktionen, wie beispielsweise grundlegende Eingabe-/Ausgabe- und Betriebs­ startprozesse.

Mit dem Bus sind außerdem verschiedene periphere Schal­ tungskomponenten verbunden, wie beispielsweise ein Langzeit­ speicher, der in der Zeichnung als Festplattenlaufwerk darge­ stellt ist. Mit dem Bus ist ferner eine Schaltung, wie bei­ spielsweise ein Rahmenpuffer verbunden, in den Daten geschrie­ ben werden können, die zu einem Ausgabeanzeigegerät, wie einem Bildschirm zur Anzeige übertragen werden sollen. Zum Zwecke der Erläuterung soll der Rahmenpuffer zusätzlich zu verschiedenen für die Informationsspeicherung notwendigen Speicherebenen ver­ schiedene dem Fachmann bekannte Schaltungen enthalten, wie z. B. eine Digital/Analog-Wandlerschaltung und eine Schaltung zum Steuern der Informationsabtastung für das Ausgabeanzeigegerät.

In Fig. 1 ist außerdem eine Schaltungsanordnung gezeigt, von der das Computersystem mit Strom versorgt werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel enthält diese eine Stromsteuerschal­ tung, die die verschiedenen Zustände zum Stromversorgen des Sy­ stems steuert und eine Batterie, die in einem tragbaren Compu­ ter verwendet werden kann, um dem System und der Steuerung der Stromsteuerschaltung Strom zu liefern. Bei einer speziellen Anordnung kann die Stromsteuerschaltung tatsächlich Teil eines bestimmten Abschnitts der Schaltung der Fig. 1 sein. Die Stromsteuerschaltung einschließlich Referenzspannungsschaltung könnte beispielsweise erfindungsgemäß ein physikalischer Teil des Nur-Lese-Speicherblocks sein, wenn der Nur-Lese-Speicher aus Flash-EEPROM-Speicherbauelementen aufgebaut wäre.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Es wird eine Grundschaltung 10 gezeigt, die erfindungsgemäß konstruiert ist. Die Grundschaltung 10 dient insbesondere dazu, die Betriebs­ weise der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Die Schaltung 10 weist ein Paar von im wesentlichen identischen, elektrisch lösch- und programmierbaren Nur-Lese-Speicher(EEPROM) Flash- Bauelementen 12 und 13 auf.

Ein Flash-EEPROM-Speicherbauelement (Zelle) ist ein Floa­ ting-Gate-MOS-Feldeffekt-Transistor mit einem Drain-Bereich, einem Source-Bereich, einer schwimmenden Gate-Elektrode und ei­ ner Steuergate-Elektrode. Leiter sind mit der Drain-Elektrode, der Source-Elektrode und der Steuergate-Elektrode jeweils ver­ bunden, um Signale an den Transistor anzulegen. Eine Flash- EEPROM-Zelle arbeitet wie eine normale EEPROM-Zelle und spei­ chert einen Eins- oder einen Null-Zustand, wenn kein Strom mehr an der Schaltung anliegt. Anders als eine typische EEPROM-Zelle ist eine Flash-EEPROM-Zelle vor Ort elektrisch löschbar und muß nicht entfernt und mit ultraviolettem Licht gelöscht werden.

Ein N-Typ-Flash-Speichertransistor wird üblicherweise pro­ grammiert, indem die schwimmende Gate-Elektrode dadurch negativ geladen wird, daß die Steuergate-Elektrode mit einem hohen Po­ tential (das können ungefähr 12 V sein, wenn die Zelle als eine Speicherzelle in einem Datenfeld verwendet wird), der Drain-Be­ reich mit einem niedrigeren Potential beaufschlagt (ungefähr +7 V, wenn die Zelle als Speicherzelle verwendet wird) und der Source-Bereich an Erde gelegt wird. Unter diesen Bedingungen wird Ladung auf der schwimmenden Gate-Elektrode gespeichert. Eine Zelle wird gelesen, indem eine positive Spannung zwischen die Steuergate-Elektrode und den Source-Bereich angelegt wird und ein niedriges positives Potential an den Drain-Bereich an­ gelegt wird. Die zwischen die Gate-Elektrode und die Source- Elektrode angelegte Lesespannung ist größer als die Schwellen­ spannung Vt eines Bauelementes, das noch nicht programmiert wurde, aber geringer als die Schwellenspannung eines Bauelemen­ tes, das programmiert ist. Der Strom durch das Bauelement wird abgetastet, um zu bestimmen, ob die schwimmende Gate-Elektrode negativ geladen ist oder nicht. Wenn Ladung auf der schwimmen­ den Gate-Elektrode ist, dann fließt kein Drainstrom, während eine Zelle gelesen wird. Wenn der Transistor dagegen nicht pro­ grammiert wurde und keine Ladung auf der schwimmenden Gate- Elektrode vorliegt, dann fließt beim Lesen der Zelle ein Drain­ strom.

Felder solcher Flash-EEPROM-Speicherzellen wurden in jüng­ ster Zeit in Computern und ähnlichen Schaltungen sowohl als Nur-Lese-Speicher, als auch als Langzeitspeicher verwendet, der gelesen und in den geschrieben werden kann. Diese Zellen erfor­ dern genaue angelegte Spannungswerte, um das Programmieren und Lesen der Bauelemente auszuführen. Felder von Flash-EEPROM- Speicherelementen werden üblicherweise für Langzeitspeicherung in tragbaren Computern verwendet, deren leichtes Gewicht und schnelle Programmierungsmöglichkeit klare Vorteile gegenüber elektro-mechanischen Festplatten-Laufwerken bieten. Es bestand jedoch die Tendenz, die Leistungsanforderungen an solche trag­ baren Computer zu verringern, um die Computer leichter zu ma­ chen und die Benutzungsdauer zwischen dem Wiederaufladen zu verlängern. Dafür war es nötig, die zum Programmieren der Flash-Speicherzellen verfügbaren Spannungen zu verringern. Wa­ ren Präzisions-Referenzspannungen lange Zeit in Schaltungen in tragbaren Computern zum Programmieren von Flash-Feldern verfüg­ bar, so trifft dies nicht länger zu. Daher ist es nun notwen­ dig, solche Präzisions-Referenzspannungsquellen in der Schal­ tung zum Steuern des Flash-EEPROM-Speicherfeldes zur Verfügung zu stellen. Das bedingt, daß die Präzisions-Referenzspannungs­ schaltung bei den Prozessen zum Herstellen der Steuerschaltung des anstelle eines Festplattenlaufwerks verwendeten Flash- EEPROM-Speicherfeldes herstellbar ist.

Die Schaltung 10 der vorliegenden Erfindung ist deshalb zum Herstellen mit einem konventionellen CMOS-Verfahren konzipiert, das die gleichen Techniken benutzt, die der Fachmann zum Her­ stellen der Flash-EEPROM-Speicherfelder verwendet.

Die Flash-EEPROM-Zellen 12 und 13 sollten jedoch nicht als Speicherfeldzellen betrachtet werden; selbst wenn sie auf die gleiche Weise unter Verwendung derselben Prozesse hergestellt sind, wie erläutert ist, dienen sie zum Speichern von zwei ver­ schiedenen ausgewählten Ladungswerten an Stelle der üblicher­ weise für solche Bauelemente verwendeten Ladungswerte. Das Flash-Bauelement 12 ist mit seinen Source- und Drain-Anschlüs­ sen mit den Source- und Drain-Anschlüssen eines N-Typ-Feldef­ fekt-Transistorbauelements 15 und den Source- und Drain-An­ schlüssen eines P-Typ-Feldeffekt-Transistorbauelements 16 in Reihe geschaltet. Bei dem P-Typ-Bauelement 16 ist der Gate-An­ schluß mit dem Drain-Anschluß verbunden, so daß es wie ein Wi­ derstand arbeitet. Das N-Typ-Bauelement 15 ist ein Kaskodenbau­ element, das dazu verwendet wird, das Potential an dem Drain- Anschluß des Flash-Bauelements 12 um die Schwellenspannung Vt des Bauelementes 15 unterhalb des Gatepotentials des Kaskoden­ bauelements 15 zu halten.

Das Flash-Bauelement 13 ist mit seinen Source- und Drain- Anschlüssen mit den Source- und Drain-Anschlüssen eines N-Typ- Feldeffekt-Transistorbauelements 18 und den Source- und Drain- Anschlüssen eines P-Typ-Feldeffekt-Transistorbauelements 19 in Reihe geschaltet. Das P-Typ-Bauelement 19 ist genauso wie das P-Typ-Bauelement 16 dimensioniert. Bei dem P-Typ-Bauelement 19 ist der Gate-Anschluß mit dem Drain-Anschluß verbunden, so daß es wie ein Widerstand arbeitet. Das N-Typ-Bauelement 18 ist ein Kaskodenbauelement wie das Kaskodenbauelement 15 und wird eben­ falls dazu verwendet, das Potential an dem Drain-Anschluß des Flash-Bauelements 13 um eine Spannung Vt unterhalb des Gatepo­ tentials des Kaskodenbauelements 18 zu halten.

Der Drain-Anschluß des P-Bauelements 16 ist mit dem negati­ ven Eingang eines Differenzverstärkers 21 verbunden, während der Drain-Anschluß des P-Bauelements 19 mit dem positiven Ein­ gang des Differenzverstärkers verbunden ist. Der Verstärker 21 stellt an einem Anschluß ein Ausgangspotential zur Verfügung, das gegenüber Erde über ein Paar von Widerständen 23 und 24 ge­ messen werden kann. Die Spannung an dem Ausgabeanschluß ist die von der Schaltung 10 gesteuerte Referenzspannung. Der Wider­ stand 23 ist bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung halb so groß wie der Widerstand 24.

Da der Widerstand 23 halb so groß wie der Widerstand 24 ist, teilt sich die Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangsan­ schluß und der Erde derart auf, daß an der Gate-Elektrode des Flash-Bauelementes 12 zwei Drittel der Spannung an der Gate- Elektrode des Flash-Bauelementes 13 anstehen. Während der Her­ stellung wird jedes Flash-Bauelement zum Halten einer anderen Ladung auf seiner schwimmenden Gate-Elektrode programmiert. Die Werte der Ladungen werden derart gewählt, daß die Schaltung 10 im Gleichgewicht (abgeglichener Zustand) den gewünschten Aus­ gangswert als zu verwendende Referenzspannung erzeugt. Im Gleichgewicht sind die Ströme durch die zwei Flash-Bauelemente, die Spannungen über die von den schwimmenden Gate-Elektroden gebildeten Kondensatoren, die Felder jedes Flash-Bauelements und die Drain-Spannungen gleich. In diesem Zustand sind die von dem Spannungsteiler-Netzwerk der Widerstände 23 und 24 gelie­ ferten Gatespannungen genau passend, um den gleichen Strom durch die zwei Bauelemente 12 und 13 aufrechtzuhalten. Das be­ deutet, daß die Schwellenspannung Vt des Bauelements 13 größer als die Schwellenspannung Vt des Bauelements 12 ist, und das ist tatsächlich die Art, in der die Bauelemente 12 und 13 pro­ grammiert werden, so daß gleiche Ströme erzeugt werden, wenn die Spannung an der Gate-Elektrode des Bauelementes 12 zwei Drittel der Spannung an der Gate-Elektrode des Bauelementes 13 ist.

Wenn sich die Ausgangsreferenzspannung verschiebt, muß das daran liegen, daß sich der Strom durch eines der zwei Flash- Bauelemente verändert hat. Beispielsweise steigt der Strom durch das Bauelement 16 und die Spannung an diesem, wenn der Strom durch das Bauelement 12 ansteigt. Das verringert den Spannungspegel an der Drain-Elektrode des Bauelements 16 und an dem negativen Eingang des Verstärkers 21. So wird eine höhere Spannung zwischen den Differenzeingängen des Verstärkers 21 wirksam und eine positive Änderung, ein Anstieg der Ausgangs­ spannung des Verstärkers 21 hervorgerufen. Das wiederum erhöht den Spannungspegel an den Gate-Anschlüssen der Flash-Bauele­ mente 12 und 13. Die Spannung an dem Gate-Anschluß des Bauele­ ments 13 wird im Verhältnis zu derjenigen des Gate-Anschlusses des Bauelements 12 um einen größeren Betrag verändert. Diese erhöhte Gate-Spannung erhöht den Strom durch das Flash-Bauele­ ment 13 und das P-Bauelement 19, wodurch die Spannung an dem Drain-Anschluß des Bauelements 19 und an dem positiven Eingang des Verstärkers verringert und dem ursprünglichen Stromanstieg durch das Bauelement 12 entgegengewirkt wird. Eine andere Ände­ rung des Stroms durch eines der Bauelemente 12 oder 13 bewirkt ähnlich einen Abgleich des Stroms und ein Halten der Ausgangs­ spannung auf dem stationären Referenzausgangspegel.

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer die Erfindung verwendenden Schaltung 30. Die Schaltung 30 weist ein Paar identisch dimen­ sionierter Flash-EEPROM-Bauelemente 32 und 33 auf. Diese Bau­ elemente und die anderen in Fig. 3 gezeigten Bauelemente sind unter Verwendung üblicher CMOS-Techniken hergestellt, die dem Fachmann zur Herstellung von Flash-EEPROM-Speicherfeldern be­ kannt sind. Die Bauelemente haben die in der Zeichnung angege­ benen Kanalbreiten- und Kanallängen-Dimensionen. Mit den Source- und Drain-Anschlüssen der Bauelemente 32 und 33 sind die Source- und Drain-Anschlüsse eines Paars von Kaskoden-Bau­ elementen 35 und 36 und die Source- und Drain-Anschlüsse eines Paars identisch dimensionierter P-Bauelemente 38 und 39 in Reihe geschaltet. Das P-Bauelement hat, wie in der Schaltung der Fig. 2, gekoppelte Gate- und Drain-Elektroden und arbeitet im wesentlichen als Widerstand. Die Source-Elektrode jedes P- Bauelements 38 und 39 ist jeweils mit einer Quelle des Potenti­ als V_pump verbunden (ein von einer Strompumpschaltung 80 gelie­ ferter Wert). Die Gate-Elektrode des Bauelements 39 ist jedoch mit den Drain- und Gate-Elektroden des Bauelements 38 gekop­ pelt, so daß das Bauelement 39 als Stromspiegel des Stroms durch das Bauelement 38 und somit durch das Bauelement 32 wirkt.

Die Drain-Elektrode des Bauelements 39 ist mit der Gate- Elektrode des N-Typ-Bauelementes 41 verbunden. Das N-Typ-Bau­ element 41 ist ein FET, der eine niedrigere Schwellenspannung Vt als ein konventioneller, zum Verringern des Leistungsver­ lusts verwendeter N-Typ-FET hat. Das Bauelement 41 ist über ein N-Bauelement 42 mit Erde verbunden, das vorgespannt ist, um als Konstantstromquelle zu arbeiten. Das Bauelement 41 ist als Sourcefolger derart geschaltet, daß die Spannung an seinem Source-Anschluß im wesentlichen der um die Schwellenspannung Vt des Bauelements 41 verringerten Spannung an seiner Gate-Elek­ trode folgt. Wenn sich der Strom durch das Flash-Bauelement 33 und das Potential an der Gate-Elektrode des Bauelementes 41 än­ dern, wird dies auf diese Weise an dem Source-Anschluß des Bau­ elements 41 wiedergegeben. Dieser Source-Anschluß ist der Aus­ gangsknoten, von dem die Präzisions-Referenzspannung abgeleitet wird.

Die Referenzspannung wird über drei P-Bauelemente 43, 44 und 45 zur Verfügung gestellt, die identische Größe haben und in Reihe geschaltet sind. Bei jedem dieser Bauelemente ist die Gate-Elektrode mit der Drain-Elektrode verbunden, so daß es als Widerstand arbeitet. Bei jedem P-Bauelement 43, 44 und 45 ist das Substrat mit dem Source-Anschluß verbunden, um ein Ver­ schieben der Schwellenspannung auszuschließen, wenn eine Span­ nung zwischen dem Source-Anschluß und dem Substrat besteht; das trägt dazu bei, sicherzustellen, daß die Bauelemente wie ideale Widerstände in einem Spannungsteilernetzwerk wirken. Ein N-Typ- Bauelement 47, das in seinen linearen Betriebsbereich vorge­ spannt ist, stellt an der Drain-Elektrode des Bauelements 45 Erdpotential zur Verfügung. Auf diese Weise wird ein erster Spannungspegel an die Gate-Elektrode des Flash-Bauelements 33 und zwei Drittel dieses Spannungspegels an die Gate-Elektrode des Flash-Bauelementes 32 angelegt. Diese Werte halten die Gate-Spannungen der Flash-Bauelemente 32 und 33 derart, daß der Referenzspannungswert V_ref an dem Ausgabeanschluß genau auf dem gewünschten Wert gehalten wird.

Wenn der Strom durch das Flash-Bauelement 32 beispielsweise unter einen dem Strom durch das Flash-Bauelement 33 entspre­ chenden Wert absinkt, veranlaßt dieser Stromabfall einen Span­ nungsabfall über dem Bauelement 38 und einen Spannungsanstieg an der Drain-Elektrode des Bauelementes 38. Dieser Spannungspe­ gel liegt an der Gate-Elektrode des Bauelements 39 an und ver­ ursacht ein Absinken der Gate-zu-Source-Spannung des Bauelemen­ tes 39. Dies bewirkt, daß das Bauelement 39, den Stromabfall durch das Bauelement 38 zu berücksichtigen sucht. Gleichzeitig erzeugt das Flash-Bauelement 33 einen Strom auf dem vorherigen Pegel und versucht, diesen Stromwert durch das Bauelement 39 fließen zu lassen. Das Sinken der Gate-Source-Spannung des Bau­ elements 39, während das Flash-Bauelement 33 versucht, den hö­ heren Strom zu halten, veranlaßt das Bauelement 39, in einem Bereich zu arbeiten, in welchem seine Drain-Source-Spannung an­ steigt. Auf diese Weise veranlassen die zwei konkurrierenden Ströme, die an den Gate-Anschluß des Bauelements 41 angelegte Spannung zu senken. Das verringert das Potential über die drei Bauelemente 43, 44 und 45. Das die Gate-Spannung am Bauelement 33 um etwas mehr als die Gate-Spannung am Bauelement 42 und bringt die zwei Ströme wieder in das Gleichgewicht. Eine andere Änderung des Stroms durch eines der Bauelemente 32 oder 33 be­ wirkt ähnlich einen Stromabgleich und hält die Ausgangsspannung V_ref auf dem stationären Referenzpegel.

Die Schaltungsanordnung 30 weist eine Schaltung zum Auf­ bauen solcher Vorspannungswerte auf, daß die Bauelemente in den geeigneten Bereichen arbeiten. Ein N-Typ-Bauelement 49 ist mit Erde verbunden und seine Gate-Elektrode mit seiner Drain-Elek­ trode gekoppelt. Ein Paar von Diffusionswiderständen 50 und 51 verbindet die Drain-Elektrode des Bauelementes 49 mit einem P- Typ-Schalter 52, der mit der Quellenspannung V_cc beaufschlagt ist. Ein anderer P-Typ-Schalter 53 ist mit V_cc beaufschlagt und zwischen den Ausbreitungswiderständen 50 und 51 angeordnet. Ein Fünf-Volt-Eingangssignal an der Gate-Elektrode des Bauelements 52 stellt einen Strompfad durch das Bauelement 49 und einen ausgewählten Spannungsabfall über das Bauelement 49 zur Verfü­ gung. Ein 3,3-Volt-Eingangssignal an der Gate-Elektrode des Bauelements 53 stellt einen Strompfad durch das Bauelement 49 zur Verfügung und liefert den gleichen Spannungsabfall über das Bauelement 49. Dieser Spannungspegel wird zum Bereitstellen identischer Vorspannungen für die Bauelemente der Schaltung 30 verwendet, wenn 5 Volt und wenn 3,3 Volt extern verfügbar sind.

Die Spannung über das Bauelement 49 wird an der Gate-Elek­ trode des Bauelements 42 und der Gate-Elektrode eines Bauele­ ments 54 angelegt. Diese Bauelemente liegen mit ihren Source- Elektroden an Erde, und ihre Gate-Anschlüsse sind mit der Span­ nung des Gate-Anschlusses des Bauelementes 49 beaufschlagt. In­ folgedessen wirken die Bauelemente 42 und 54 als im Verhältnis stehende Stromspiegel des Stroms durch das Bauelement 49, so daß der Strom durch diese Bauelemente nie den von dem Strom­ spiegel aufgebauten Sättigungswert überschreitet.

Das leistungsschwache N-Bauelement 54 ist mit seiner Drain- Elektrode mit der Gate-Elektrode eines P-Typ-Bauelements 56 ge­ koppelt. Bei dem Bauelement 56 ist die Source-Elektrode mit der Spannungsquelle V_pump und die Drain-Elektrode mit der Gate- Elektrode des Bauelementes 41 gekoppelt. Ein P-Bauelement 55 ist mit der Spannungsquelle V_pump und dem Gate-Anschluß des Bauelementes 56 gekoppelt. Das Bauelement 56 (mit den Bauele­ menten 54, 55 und einem Bauelement 57) wird beim Einschalten zum Sicherstellen eines schnellen Betriebsstarts (ungefähr 500 ns) für die Schaltung 39 verwendet und zum Sicherstellen, daß diese nicht in demjenigen Gleichgewichtszustand arbeitet, bei dem die Ströme durch die zwei Flash-Bauelemente 32 und 33 Null betragen.

Wenn kein Strom durch die Flash-Bauelemente fließt, arbei­ ten die Bauelemente 54 und 55 als Spannungsteiler und legen eine genau um einen Wert Vt (des Bauelementes 55) geringere Spannung als der Spannungspegel V_pump an die Gate-Elektrode des Bauelements 56 an. Das aktiviert das Bauelement 56 und zieht die Spannung an der Gate-Elektrode des Bauelementes 51 derart hoch, daß das Bauelement arbeitet und die Gate-Spannungen der Flash-Bauelemente 32 und 33 anhebt, um den Strom durch diese Flash-Bauelemente ansteigen zu lassen. Ein P-Bauelement 57 ist als Stromspiegel für den Strom durch das Bauelement 38 (und auf diese Weise durch das Flash-Bauelement 32) geschaltet. Wenn der Strom durch das Flash-Bauelement 32 genügend angestiegen ist, läßt das Bauelement 57, das als Widerstand arbeitet und den Strom spiegelt, die Spannung an der Gate-Elektrode des Bauele­ mentes 56 ansteigen, wobei das Bauelement 56 allmählich abge­ schaltet wird. Auf diese Weise fährt die Schaltung 30 schnell an und geht in den geeigneten Gleichgewichtszustand über, wäh­ rend der Starter-Transistor 56 bedeutungslos wird. Angesichts der Tatsache, daß eine Ausführungsform der Schaltung 30 jedes­ mal eingeschaltet wird, wenn ein zugehöriges Flash-Speicherfeld programmiert, gelesen oder gelöscht wird, ist diese schnelle Betriebsstartcharakteristik sehr wünschenswert.

Zusätzlich zu der bereits erörterten Schaltung kann die Schaltung 30 mehrere Eingabeanschlüsse aufweisen, die zum Anle­ gen von Programmierspannungen an die Flash-EEPROM-Bauelemente 32 und 33 verwendet werden, um die Ladungswerte, die an den schwimmenden Gate-Elektroden gespeichert sind, genau auf die gewünschten Werte zu bringen und die richtigen Gleichgewichts­ punkte zur Verfügung zu stellen. Ein N-Typ-FET-Bauelement 60 kann zum Anlegen einer Spannung von einem externen Anschluß an die Drain-Elektrode des Flash-Bauelements 32 gewählt werden. Ein ähnliches N-Typ-FET-Bauelement 61 kann zum Anlegen einer Spannung von einem externen Anschluß an die Drain-Elektronen des Flash-Bauelementes 33 gewählt werden. Ein weiteres N-Typ- FET-Bauelement 62 kooperiert mit einem N-Typ-FET-Bauelement 63, um die gleiche Spannung von einem anderen externen Anschluß an die Gate-Elektroden jedes der Bauelemente 32 und 33 während des Programmierens anzulegen. Durch Einstellen der an die externen Anschlüsse angelegten Werte können die auf die schwimmenden Gate-Elektroden der Flash-Bauelemente 32 und 33 gebrachten La­ dungswerte auf die genauen Ladungswerte getrimmt werden, die die gewünschte Präzisionsreferenzspannung an dem Ausgangsan­ schluß erzeugen sollen.

Eine Schaltung 70, in Fig. 3 als Block dargestellt, dient zum Bereitstellen der richtigen Gate-Spannungen (das Doppelte der Vt der Bauelemente 35 und 36) an jedem der Kaskoden-Bauele­ mente 35 und 36 derart, daß die Spannung an der Drain-Elektrode der Flash-Bauelemente 32 und 33 jeweils auf dem für Gleichge­ wichtsbetrieb richtigen Spannungswert (Vt der Kaskoden-Bauele­ mente) gehalten wird. Das steuert die Drain-Spannungen der Flash-Bauelemente 32 und 33 derart, daß sie auf einem der Span­ nung Vt der Kaskoden-Bauelemente entsprechenden Spannungspegel bleiben.

Da die Schaltung 30 eine Stromversorgung von wenigstens 6 Volt benötigt, wird eine Strompumpanordnung zum Bereitstellen der Spannung V_pump an den Source-Elektroden der Bauelemente 38 und 39 verwendet, wenn entweder 5 Volt oder 3 Volt an einem Eingabeanschluß als Source-Spannung V_cc verfügbar sind. Fig. 4 zeigt eine Strompumpschaltung 80, die für diesen Zweck verwen­ det werden kann. Die Schaltung 80 hat ein P-Typ-Bauelement 81, das zum Bereitstellen eines Stromes von der Quelle V_cc geschal­ tet ist. Das Bauelement 81 ist in einem ersten Pfad über ein als diodengeschaltetes (der Gate-Anschluß ist mit dem Drain-An­ schluß verbunden) erstes N-Typ-Bauelement 82 und ein als di­ odengeschaltetes zweites N-Typ-Bauelement 83 mit einem Ausgabe­ anschluß verbunden, an dem die Spannung V_pump auftritt. Das Bauelement 81 ist außerdem mit zwei zusätzlichen N-Typ-Bauele­ menten 88 und 89 in Diodenschaltung verbunden, die einen zwei­ ten Pfad zu dem Ausgangsanschluß bilden, an dem die Spannung V_pump auftritt. Jedes der Bauelemente 82, 83, 88 und 89 ist ein N-Typ-Bauelement mit einem besonders niedrigen Schwellenspan­ nungswert.

Ein Takt-Eingangssignal CK, das zwischen V_cc und Erde vari­ iert, wird einem NAND-Gatter 85 und, invertiert, einem NAND- Gatter 86 zur Verfügung gestellt. Die NAND-Gatter 85 oder 86 werden durch ein Pumpfreigabe-Eingangssignal PUMPEN zur Über­ tragung des Taktsignals aktiviert. Die Rückkopplung der Aus­ gangssignale jedes NAND-Gatters 85 und 86 zu dem Eingang des anderen NAND-Gatters stellt sicher, daß die NAND-Gatter 85 und 86 zwei Taktsignalströme übertragen, die sich nicht überlappen und genau phasenverschoben sind.

Wenn die Strompumpe 80 durch das Anlegen des Signals PUMPEN aktiviert ist, ist ein Signal PUMPEN# niedrig. Das veranlaßt das Bauelement 81, V_cc der Drain-Elektrode des N-Bauelementes 82 zur Verfügung zu stellen. Wenn der Wert von V_cc 5 Volt be­ trägt, wird ein Signal IS5V zum Entaktivieren eines Übertra­ gungsgatterschalters 87 zur Verfügung gestellt, so daß das Taktsignal von dem NAND-Gatter 85 unterbrochen wird. In einem solchen Fall wird das Taktsignal von dem NAND-Gatter 86 zwi­ schen den Bauelementen 82 und 83 angelegt. Wenn der Wert des Taktsignals negativ ist, wird das Bauelement 82 derart akti­ viert, daß die über Bauelement 81 eingespeiste Quellenspannung V_cc einen Kondensator 84 auflädt. Wenn das Taktsignal positiv ist, wird das Bauelement 82 entaktiviert, wogegen das Bauele­ ment 83 aktiviert wird. Das Bauelement 83 doppelt dann den Kon­ densator 84 so mit dem Ausgang, daß der während des negativen Halbzyklus gespeicherte Anfangswert V_cc und der zusätzliche von dem positiven Taktsignal gelieferte Wert V_cc an dem Ausgang als Spannung V_pump zur Verfügung gestellt werden. Das verdoppelt tatsächlich die an dem Ausgabeanschluß verfügbare Ausgangsspan­ nung auf den gewünschten Wert.

Wenn die Spannung V_cc dagegen drei Volt beträgt, leitet der Schalter 87 das Taktsignal zu einem Knoten zwischen den zusätz­ lichen zwei N-Bauelementen 88 und 89. Diese Bauelemente arbei­ ten in der gleichen Weise wie die Bauelemente 82 und 83, um einen Kondensator 91 derart aufzuladen, daß eine zusätzliche Ladung während der negativen Hälfte des Takts über das NAND- Gatter 85 akkumuliert wird und eine zusätzliche Spannung an den Ausgang der Schaltung 80 angelegt wird. Auf diese Weise akti­ viert das zwischen den Bauelementen 82 und 88 angelegte nega­ tive erste Taktsignal das Bauelement 82 und akkumuliert auf dem Kondensator 84 Ladung. Wenn das Taktsignal positiv wird (und das Taktsignal durch NAND-Gatter 85 negativ ist), wird das Bau­ element 88 aktiviert, und der Kondensator 91 wird geladen. Dann wird der von dem Kondensator 91 gespeicherte Wert und der Wert des positiven Taktsignals von dem Freigabe-Bauelement 89 an den Ausgang übertragen, wenn der Spannungswert an dem Knoten zwi­ schen den Bauelementen 88 und 89 positiv wird. Auf diese Weise wird die Spannung von V_pump für entweder einen 5-Volt- oder einen 3-Volt-Wert von V_cc auf den gewünschten Wert erhöht. Die Spannung V_pump lädt einen Kondensator 90 derart auf, daß die Ausgangsspannung V_pump das Bauelement 83 entaktiviert, wenn der Pfad über die Bauelemente 88 und 89 aktiviert ist.

Claims (9)

1. Präzisions-Referenzspannungsschaltung, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei ähnlich ausgebildete Flash-EEPROM-Speicherzellen (12; 13, 32, 33), von denen jede eine Source-Elektrode, eine Drain-Elektrode, eine schwimmende Gate-Elektrode und eine Steu­ ergate-Elektrode hat, mit unterschiedlichen Ladungen auf ihren schwimmenden Gate-Elektrode versehen sind;
daß die beiden Zellen in parallelen Schaltungszweigen (12, 15, 16 und 13, 18, 19) angeordnet sind, in denen unter Ab­ gleichbedingungen gleiche Stromwerte erzeugt werden;
daß auf Ströme in den beiden parallelen Schaltungszweigen ansprechende Mittel (16, 19, 21) zur Erzeugung einer Ausgangs­ spannung (V_ref) vorgesehen sind, die als Referenzspannung ver­ wendet werden kann, wenn die Ströme abgeglichen sind; und
daß Mittel (23, 24; 43, 44, 45) zum Abtasten von Änderungen der Ausgangsspannung (V_ref) vorgesehen sind, die den Strom durch die Flash-EEPROM Speicherzellen zum Abgleich der Ströme ändern, wenn die Ist-Ausgangsspannung von der bei Stromabgleich in den beiden parallelen Schaltungszweigen zur Verfügung ge­ stellten Ausgangsspannung abweicht.

2. Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abtastmittel eine ein Spannungsteiler­ netzwerk bildende Widerstandsanordnung (23, 24; 43, 44, 45) und Mittel zum Abtasten der Spannung an unterschiedlichen Punkten des Spannungsteilernetzwerks aufweisen und daß von den unter­ schiedlichen Punkten des Spannungsteilernetzwerks die Steuerga­ tepotentiale für die Flash-EEPROM-Speicherzellen abgeleitet sind.

3. Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Widerstandsanordnung P-Typ-FET-Bauele­ mente (43, 44, 45) aufweist, deren Source- und Drain-Anschlüsse zwischen dem Ausgangspotential und einem zweiten Potentialpegel in Reihe geschaltet sind und deren Drain- und Gate-Anschlüsse kurzgeschlossen sind.

4. Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Ströme in den paral­ lelen Schaltungszweigen ansprechenden Mittel einen Differenz­ verstärker (21) und Mittel (15, 16) zum erzeugen von die Ströme in den parallelen Schaltungszweigen anzeigenden Spannungen als Eingangsspannungen des Differenzverstärkers aufweisen.

5. Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Ströme in den paral­ lelen Schaltungszweigen ansprechenden Mittel eine Schaltung (38, 39) zum Spiegeln des Stroms in einem ersten der parallelen Schaltungszweige über einen Teil des zweiten Schaltungszweigs und Mittel zum Abtasten der Differenz zwischen dem gespiegelten Strom und dem Strom durch die Flash-EEPROM-Speicherzelle des zweiten Schaltungszweigs zum Ändern der Ausgangsspannung auf­ weisen.

6. Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie außerdem Mittel (54-57) zum Initialisie­ ren der Ströme durch das Paar von parallelen Schaltungszweigen bei ausgewählten Abgleichsstromwerten aufweist.

7. Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Mittel (49-53) zum Vorspannen der Referenzspannungsschaltung aufweist, um mit wenigstens zwei unterschiedlichen Quellenspannungen arbeiten zu können.

8. Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel (49-53) zum Vorspannen der Refe­ renzspannungsschaltung Ladungspumpmittel zum selektiven Bereit­ stellen einer größeren Ausgangsspannung als die von einem der beiden unterschiedlichen Quellenspannungen gelieferten Spannun­ gen aufweisen.

9. Verwendung der Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Bestandteil eines nicht-flüchtigen Lang­ zeitspeichers in einem eine Zentraleinheit, eine Buseinrichtung und einen Hauptspeicher aufweisenden Computersystem.