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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Tristate-Differenz-Ausgangsstufe
mit zwei parallelen Schaltungszweigen, die jeweils zwei in Serie
geschaltete Feldeffekttransistoren unterschiedlichen Leitungstyps
enthalten und die einerseits mit einer Versorgungsspannungsklemme
und andererseits mit einem Anschluß einer Stromquelle verbunden
sind, deren anderer Anschluß an
Masse liegt, wobei die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren
des einen Leitungstyps miteinander verbunden sind und die Gate-Anschlüsse der
beiden Feldeffekttransistoren des anderen Leitungstyps Eingangsanschlüsse bilden,
während
die verbundenen Drain-Anschlüsse der
Feldeffekttransistoren in jeweils einem Schaltungszweig Ausgangsanschlüsse bilden.
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Tristate-Differenz-Ausgangsstufen
werden in Bus-Schnittstellenschaltungen eingesetzt. Diese Schnittstellenschaltungen
haben die Aufgabe, die von einem Modul erzeugten Signale an einen
Bus anzulegen, über
den sie zu einem anderen Modul übertragen
werden können.
Die Übertragung
kann dabei bidirektional sein, was bedeutet, daß die Signale auch über den
Bus und die an ihn angeschlossene Schnittstellenschaltung zu einem
Modul übertragen werden
können,
indem sie unter Umständen
weiterverarbeitet werden. Die Ausgangsstufe steht dabei über zwei
Ausgangsanschlüsse
mit dem Bus in Verbindung, und sie kann drei Zustände annehmen, nämlich einen
ersten Zustand, in dem der erste Ausgangsanschluß Strom empfängt und
der zweite Ausgangsanschluß Strom
liefert, einen zweiten Zustand, in dem der erste Ausgangsanschluß Strom
liefert und der zweite Ausgangsanschluß Strom empfängt, und einen
dritten Zustand, in dem sich beide Ausgangsanschlüsse in einem
hochohmigen Zustand befinden, also weder Strom liefern noch Strom
empfangen. Der zuletzt genannte Zustand wird auch als Z-Zustand bezeichnet.
An solche Tristate-Differenz-Ausgangsstufen werden immer höhere Anforderungen
bezüglich
ihrer Leistungsfähigkeit
gestellt. Insbesondere sollen sie einen hohen Ausgangsstrom liefern
können,
sie sollen einen großen
Gleichtaktspannungsbereich und einen niedrigen Gleichtaktausgangsstrom
haben, und ihre Arbeitsgeschwindigkeit soll hoch sein. Bei Herstellung
solcher Ausgangsstufen in der Technik der integrierten Schaltungen
sollen sie außerdem
möglichst
mit wenigen Bauelementen zu verwirklichen sein, die auf dem Halbleiter-Plättchen wenig
Platz in Anspruch nehmen.
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In
der US-A-5644258 ist eine Ansteuerschaltung mit geringer Blindleistungsaufnahme
offenbart, die eine Konstantstromquelle und ein Differenz-MOS-Transistorpaar aufweist,
wobei die Drain-Anschlüsse
jedes MOS-Transistors an eine Reihenschaltung aus einem ein Freigabesignal
empfangenden Schalttransistor und einem Widerstand angeschlossen
sind. Der das Differenz-Transistorpaar betreibende Vorstrom wird
durch einen Rücksetzzustand
eines Freigabesignals während
eines Ruhezustands der Schaltung gespart.
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Zur
Erzielung des gewünschten
hohen Ausgangsstroms aus der Vorrichtung ist es bei der Herstellung
in Form einer integrierten Schaltung erforderlich, Feldeffekttransistoren
einzusetzen, die große Abmessungen
haben, so daß sie
auf dem Halbleiter-Plättchen
wiederum viel Platz in Anspruch nehmen. Zur Unterdrückung von
Gleichtaktstörungen müssen die
in den einzelnen Zweigen vorhandenen Transistoren möglichst
gleichzeitig geschaltet werden. Außerdem müssen die Gate-Kapazitäten der Transistoren
beim Umschalten der Ausgangsstufe zwischen den verschiedenen Schaltzuständen sehr schnell
geladen und entladen werden, was insbesondere beim Ladevorgang einen
sehr hohen Störstromimpuls
erzeugt, der zu einem kurzzeitigen Spannungsabfall der Versorgungsspannung
führen
kann.
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Dieser
Spannungsabfall kann wiederum Auswirkungen auf die Schaltung haben,
an deren Ausgang die Tristate-Differenz-Ausgangsstufe verwendet
wird. Der Störstromimpuls
ließe
sich zwar reduzieren, indem die Umschaltzeit der Transistoren in den
Schaltungszweigen der Ausgangsstufe herabgesetzt wird, jedoch wird
es dann sehr schwierig, das gleichzeitige Schalten der Transistoren
zu erreichen, was wiederum zu einer Gleichtaktstörung führen würde.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tristate-Differenz-Ausgangsstufe
der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die die hohen Anforderungen
hinsichtlich des hohen Ausgangsstroms, des großen Gleichtaktspannungsbereichs
bei niedrigem Gleichtaktausgangsstrom sowie der hohen Arbeitsgeschwindigkeit
erfüllt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einer solchen Ausgangsstufe gelöst durch einen mittels eines
Steuersignals steuerbaren ersten Schalter zum Anlegen einer ersten
Referenzspannung an die verbundenen Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren
des einen Leitungstyps, die diese beiden Transistoren im gesperrten
Zustand hält,
einen mittels des Steuersignals steuerbaren zweiten Schalter zum
Anlegen einer zweiten Referenzspannung an die verbundenen Gate-Anschlüsse der
Feldeffekttransistoren des einen Leitungstyps, die diese beiden
Transistoren im leitenden Zustand hält, und eine Entladeschaltung
zur Erzeugung eines Impulses zum Entladen der Gate-Kapazitäten der
Feldeffekttransistoren des einen Leitungstyps aus dem Steuersignal,
wenn dieses den zweiten Schalter in den leitenden Zustand zum Anlegen
der zweiten Referenzspannung an deren Gate-Anschlüsse versetzt.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Ausgangsstufe können
die in der Ausgangsstufe als Stromquellen wirkenden Transistoren gemeinsam über einen
Schalter geschaltet werden, wobei dieses Schalten mit einem niedrigen
Spannungshub erfolgen kann, so daß kein Störstromimpuls auftritt. Die
als Stromquellen eingesetzten Transistoren können mit relativ kleinen Abmessungen ausgeführt werden,
so daß ihr
gleichzeitiges Schalten ermöglicht
wird. Die Entladeschaltung trägt
besonders dazu bei, die Gatekapazitäten der umzuschaltenden Transistoren
schnell zu entladen, was die Beschleunigung des Schaltvorgangs ergibt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert,
deren einzige Figur ein Schaltbild der Tristate-Differenz-Ausgangsstufe
nach der Erfindung zeigt.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Tristate-Differenz-Ausgangsstufe enthält einen
Differenzschaltungsteil 10 mit zwei parallelen Schaltungszweigen,
die jeweils zwei in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren 12, 14 bzw. 16, 18 aufweist.
Die Feldeffekttransistoren 12 und 16 sind p-Kanal-Transistoren; ihre
Gate-Anschlüsse
sind miteinander verbunden. Die Feldeffekttransistoren 14 und 18 sind
n-Kanal-Transistoren; ihre Gate-Anschlüsse bilden die Signaleingänge des
Differenzschaltungsteils 10. Die verbundenen Drain-Elektroden
der Transistoren 12, 14 bzw. 16, 18 sind
die Ausgänge
OUT-P und OUT-N. Die verbundenen Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 12 und 16 stehen
mit einem Versorgungsanschluß 20 in
Verbindung, an dem die Versorgungsspannung Vcc liegt. Die verbundenen Source-Anschlüsse der
Feldeffekttransistoren 14 und 18 sind mit einer
von einem n-Kanal-Feldeffekttransistor 22 gebildeten Stromquelle
verbunden, deren Source-Anschluß an
Masse liegt. Am Gate-Anschluß dieses
Feldeffekttransistors 22 liegt eine Referenzspannung Vref2
zur Einstellung des durch diesen Feldeffekttransistor fließenden Stroms.
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Wie
ferner zu erkennen ist, ist ein von einem Feldeffekttransistor 24 gebildeter
erster Schalter 26 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Feldeffekttransistoren 12 und 16 gemeinsam
aus- und eingeschaltet werden können. Über einen
zweiten Schalter 28 können
die verbundenen Gate-Anschlüsse
der Feldeffekttransistoren 12 und 16 an eine Referenzspannung
Vref1 gelegt werden. Ein zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß 20 und
dem an der Referenzspannung Vref1 liegenden Schaltungspunkt liegender
Kondensator 30 dient dazu, die Referenzspannung Vref1 konstant
zu halten. Der Schalter 28 besteht aus zwei parallel geschalteten
Feldeffekttransistoren, nämlich
einem n-Kanal-Feldeffekttransistor 32 und einem p-Kanal-Feldeffekttransistor 34.
Diese beiden Feldeffekttransistoren bilden zusammen ein sogenanntes Übertragungsgatter,
und sie werden in einer noch zu erläuternden Weise so angesteuert, daß sie entweder
beide leitend oder beide gesperrt sind.
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Es
ist ferner eine Entladeschaltung 36 vorgesehen, die an
zwei Eingängen 38 und 40 die
Steuersignale empfängt,
die auch den Schalter 28 steuern. Wie noch erläutert wird,
erzeugt die Entladeschaltung 36 aus diesen beiden Steuersignalen
einen kurzen Entladeimpuls, der einen Feldeffekttransistor 42 in
den leitenden Zustand versetzt, so daß zwischen den verbundenen
Gate-Anschlüssen
der Transistoren 12 und 16 und Masse ein Entladeweg
zum Entladen der Gatekapazitäten
dieser Transistoren für
die Dauer dieses kurzen Entladeimpulses geschaffen wird.
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Die
Signale zum Steuern der Ausgangsstufe 10 werden einem Dateneingang 44 und
einem Freigabe/Sperr-Eingang 46 zugeführt. Üblicherweise wird das dem Dateneingang 44 zugeführte Signal
mit D bezeichnet, während
das Freigabe/Sperr-Signal mit E/D bezeichnet wird. Wie zu erkennen
ist, wird in der Ausgangsstufe aus dem Freigabe/Sperr-Signal E/D
durch Invertierung in einem Negator 48 auch das invertierte
Signal E/D erzeugt. Durch
Verknüpfung
in einer UND-Schaltung 50 und durch Invertierung in einem
Negator 52 werden aus dem negierten Freigabe/Sperr-Signal E/D und aus dem Datensignal
D die zur Steuerung des Differenzschaltungsteils 10 benötigten Signale
IN-P und IN-N erzeugt.
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Die
Wirkungsweise der bisher in ihrem Aufbau beschriebenen Ausgangsstufe
wird nun näher erläutert.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung der Arbeitsweise wird davon ausgegangen,
daß sich
die Tristate-Differenz-Ausgangsstufe im Z-Zustand befindet, d.h.
in dem Zustand, in dem die beiden Ausgänge OUT-P und OUT-N hochohmig
sind. Dieser Z-Zustand ist vorhanden, wenn das Freigabe/Sperr-Signal
E/D am Eingang 46 den hohen Signalwert H hat, also einen
Spannungswert im Bereich der Versorgungsspannung Vcc. Das invertierte
Signal E/D hat dabei den niedrigen
Signalwert L, also einen Wert im Bereich des Massewerts, was zur
Folge hat, daß sich
der Transistor 24 im Schalter 26 im leitenden
Zustand befindet, so daß an
die Gate-Anschlüsse
der Feldeffekttransistoren 12 und 16 eine hohe
Spannung gelangt, die unter Berücksichtigung des
Spannungsabfalls am Feldeffekttransistor 24 im vorliegenden
Beispiel etwa 3,6 V beträgt.
Diese Spannung bewirkt die Sperrung der Feldeffekttransistoren 12 und 16.
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Aufgrund
des hohen Werts H des Freigabe/Sperr-Signals E/D und des entsprechenden
niedrigen Signalwerts L des invertierten Freigabe/Sperr-Signals E/D sind die Transistoren 34 bzw. 32 im
Schalter 28 gesperrt, so daß die Referenzspannung Vref1
nicht zu den Gate-Anschlüssen
der Feldeffekttransistoren 12 und 16 gelangen
kann.
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Nunmehr
wird angenommen, daß die
Ausgangsstufe in den aktiven Zustand versetzt wird, in dem abhängig vom
Signal D am Eingang 44 der Ausgangsstrom des Differenzschaltungsteils 12 vom Ausgang
OUT-P zum Ausgang OUT-N oder umgekehrt vom Ausgang OUT-N zum Ausgang
OUT-P fließen
kann. Mit dem Umschalten des Freigabe/Sperr-Signals E/D vom hohen
Wert H auf den niedrigen Wert L und dem entsprechenden Umschalten
des invertierten Freigabe/Sperr-Signals E/D vom niedrigen Wert L
auf den hohen Wert H treten gleichzeitig folgende Wirkungen ein:
- a) Der Feldeffekttransistor 24 im
Schalter 26 geht in den gesperrten Zustand über, so
daß den Gate-Anschlüssen der
Feldeffekttransistoren 12 und 16 nicht mehr die
erwähnte
hohe Spannung von 3,6 V zugeführt
wird.
- b) Die Feldeffekttransistoren 32 und 34 im
Schalter 28 werden in den leitenden Zustand versetzt, so
daß die
durch den Kondensator 30 stabil gehaltene Referenzspannung
Vref1 an die Gate-Anschlüsse
der Feldeffekttransistoren 12 und 16 angelegt
wird. Im beschriebenen Beispiel hat diese Spannung Vref1 einen Wert
von 2,9 V. Dies hat zur Folge, daß die Feldeffekttransistoren 12 und 16 in
den leitenden Zustand übergehen
und ihre Funktion als Stromquellen ausüben können.
- c) Das Freigabe/Sperr-Signal E/D gelangt an eine NOR-Schaltung 54 in
der Entladeschaltung 36, und das invertierte Freigabe/Sperr-Signal E/D gelangt, verzögert über drei
Pufferschaltungen 56, 58 und 60 an den
anderen Eingang der NOR-Schaltung 54. Aufgrund des verzögerten Anlegens
der Signale an die NOR-Schaltung 54 haben die an deren
Eingängen
anliegenden Signale kurzzeitig den gleichen Signalwert, nämlich den
niedrigen Wert L, der zur Abgabe eines Signals mit dem hohen Wert
H an ihrem Ausgang führt.
Dieser nur für
eine kurze Zeitperiode vorhandene hohe Signalwert H hat zur Folge,
daß der
Feldeffekttransistor 42 für die Dauer dieser kurzen Zeitperiode
in den leitenden Zustand übergeht,
so daß ein
Entladeweg für
die verbundenen Gate-Anschlüsse der
Feldeffekttransistoren 12 und 16 nach Masse entsteht. Über diesen
Entladeweg können
die Gate-Kapazitäten
der Feldeffekttransistoren 12 und 16 schnell entladen
werden, so daß der Übergang
dieser Feldeffekttransistoren in den leitenden Zustand dementsprechend
schnell stattfinden kann. Ohne diesen Entladeweg müßten sich
die Gate-Kapazitäten über die
die Referenzspannung Vref1 liefernde Quelle entladen, jedoch könnte dieser
Entladevorgang nicht mit der gleichen hohen Geschwindigkeit erfolgen.
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Es
sei bemerkt, daß beim Übergang
der Feldeffekttransistoren 12 und 16 von ihrem
gesperrten Zustand in den leitenden Zustand lediglich eine Gate-Spannungsänderung
von 3,6 V auf 2,9 V erfolgen muß,
also nur ein kleiner Spannungshub auftritt. Auch im umgekehrten
Fall, also wenn die Feldeffekttransistoren 12 und 16 vom
leitenden in den gesperrten Zustand umgeschaltet werden müssen, muß ihre Gate-Spannung
lediglich um 0,7 V von 2,9 V auf 3,6 V angehoben werden. In beiden
Fällen
kann dieser kleine Spannungshub sehr schnell durchlaufen werden,
und er führt
auch nicht zu einem großen
Störimpuls
im Versorgungsstrom. Gleichtaktstörungen werden auf diese Weise
wirksam unterdrückt.
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Wenn
sich die Tristate-Differenz-Ausgangsstufe nun im aktiven Zustand
befindet, kann durch Anlegen des entsprechenden Datensignals D an
den Eingang 44 entweder der Feldeffekttransistor 14 oder der
Feldeffekttransistor 18 in den leitenden Zustand versetzt
werden. Durch die Verknüpfung
des invertierten Freigabe/Sperr-Signals E/D in den UND-Schaltungen 50 und 62 wird
erreicht, daß nur im
freigegebenen oder aktiven Zustand der Ausgangsstufe das Datensignal
D je nach seinem Wert (H oder L) einen der beiden Feldeffekttransistoren 14 oder 18 in
den leitenden Zustand versetzen kann. Wenn beispielsweise das Datensignal
D den hohen Signalwert H hat, dann tritt am Ausgang der UND-Schaltung 50 ebenfalls
ein Signal mit hohem Wert H auf, das den Feldeffekttransistor 14 in
den leitenden Zustand versetzt. Gleichzeitig wird durch Invertierung
im Negator 52 an die UND-Schaltung 62 ein Signal
mit dem niedrigen Wert L angelegt, so daß ihr Ausgangssignal ebenfalls
den niedrigen Wert L annimmt, das den Feldeffekttransistor 18 sperrt.
In diesem Zustand ist im Differenzschaltungsteil 10 der Ausgangsstufe
ein Stromweg vorhanden, der von der Versorgungsspannungsklemme 20 über den
Feldeffekttransistor 16, die Ausgangsklemme OUT-N zur angeschlossenen
Schaltung und von dieser über
die Ausgangsklemme OUT-P und über
den Feldeffekttransistor 14 sowie über den Feldeffekttransistor 22 nach
Masse führt.
Der als Stromquelle wirkende Feldeffekttransistor 22 wird
dabei mit Hilfe der Referenzspannung Vref2 so eingestellt, daß durch
ihn der gewünschte
Gesamtstrom fließen
kann.
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Wenn
das Datensignal D am Eingang 44 dagegen den niedrigen Wert
L hat, gibt die UND-Schaltung 50 ebenfalls ein Signal mit
dem niedrigen Wert L ab, so daß der
Feldeffekttransistor 14 gesperrt wird. Über dem Negator 52 und
die UND-Schaltung 62 wird
dagegen am Gate-Anschluß des
Feldeffekttransistors 18 ein Signal mit dem hohen Wert
H erzeugt, der diesen Feldeffekttransistor in den leitenden Zustand
versetzt. Nun verläuft
der Stromweg im Differenzschaltungsteil 10 von der Versorgungsspannungsklemme 20 über den
Feldeffekttransistor 12, die Ausgangsklemme OUT-P, die
daran angeschlossene Schaltung, die Ausgangsklemme OUT-N, den Feldeffekttransistor 18 und
den Feldeffekttransistor 22 nach Masse.
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Mit
Hilfe des Datensignals D kann somit die Ausgangsstufe in die zwei
gewünschten
Betriebszustände
versetzt werden. Mit Hilfe des Freigabe/Sperr-Signals E/D kann, wie erwähnt, die
Ausgangsstufe deaktiviert oder aktiviert werden.
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Es
ist gezeigt worden, daß die
beschriebene Tristate-Differenz-Ausgangsstufe die entsprechenden
Anforderungen hinsichtlich der Schnelligkeit der Umschaltung zwischen
den verschiedenen Betriebszuständen
bei reduzierten Gleichtaktstörungen
erfüllt.
Außerdem
erfordert sie keine großen
Stromquellen mit dementsprechend großen Transistoren, so daß sie bei
Herstellung als integrierte Schaltung auf einem Halbleiter-Plättchen nur
einen geringen Platzbedarf hat.