DE60309386T2 - Pegelschieber zum Aufrechterhalten der Integrität des Gate-Oxids von Halbleiterelemente in kleinem Massstab - Google Patents

Pegelschieber zum Aufrechterhalten der Integrität des Gate-Oxids von Halbleiterelemente in kleinem Massstab Download PDF

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    • HELECTRICITY
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Spannungsverschiebeschaltungen und insbesondere digitale Pegelverschieber, damit das Gateoxid von Treiberschaltungen nicht beschädigt wird, die als Schnittstelle für externe Vorrichtungen dienen, die mit erhöhten Spannungspegeln arbeiten, wobei die Treiberschaltungen so stark verkleinert wurden, dass sie keine Eingaben mit erhöhten Spannungen vertragen.
  • BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • Im Verlauf der Fortentwicklung der Entwürfe von integrierten Schaltungen und der Herstellungsverfahren sind die Betriebsspannungen mit zunehmendem Umfang der Schaltungen immer kleiner geworden. VLSI-Schaltungen (VLSI = Very Large Scale Integrated circuits) und insbesondere Mikroprozessoren sind führend bei der Absenkung der Größe und der Betriebsspannungen. Daher müssen VLSI-Schaltungen, die bei geringeren Spannungen arbeiten, mit äußeren Schaltungen verbunden werden, beispielsweise Ein/Ausgabevorrichtungen (I/O) oder ähnlichen Schaltungen, die nicht so stark verkleinert sind wie die VLSI-Schaltungen. Zudem müssen die äußeren Schaltungen auf erhöhte Spannungspegel angesteuert werden, die weit über den Pegeln im Kern der VLSI-Schaltungen liegen. Deswegen besitzen viele bereits vorhandene verkleinerte VLSI-Schaltungen Spannungsumsetzschaltkreise, die den Spannungshub der I/O-Signale erhöhen, damit sie gut mit den äußeren Schaltungen zusammenarbeiten können, die auf höheren Spannungspegeln arbeiten.
  • In den letzten Jahren haben die Abmessungen der VLSI-Schaltungen und die Betriebsspannungen so stark abgenommen, dass in einigen Fällen verkleinerte P-Kanal-Schaltungen, die die Anbindung an äußere Schaltungen mit höheren Spannungspegeln herstellen, Gateoxid-Durchbrüche erleiden, wenn man die gleichen erhöhten Spannungspegel dazu verwendet, ihre Eingänge anzusteuern. Da man diese P-Kanal-Schaltungen stark verkleinert hat, ist ihr Gateoxid so dünn, dass, wenn ihr Gate auf die geringste Spannung im digitalen Spannungsbereich gezogen wird, (z.B. 0 Volt) und ihre Source auf die erhöhte Spannung gezogen wird (z.B. 3,3 Volt), die Source-Gate-Spannung VSG, die Kanal-Gate-Spannung VCG und die Drain-Gate-Spannung VDG jeweils die Durchbruchsspannung des Gateoxids überschreiten, die mit VBROX bezeichnet wird.
  • Spannungsumsetzschaltungen waren bisher recht einfach aufgebaut, da die einzige Anforderung darin bestand, den Pegel einer logischen 1 (etwa von 3,3 Volt auf 5 Volt) anzuheben und dabei Null (0) Volt als logischen Nullpegel beizubehalten. Bei ständig kleiner werdenden Siliciumvorrichtungen werden herkömmliche Pegelverschiebetechniken jedoch erkennbar nachteilig. Beispielsweise werden heutzutage VLSI-Schaltungen mit einem 0,18 Mikron-Verfahren hergestellt, das bei einer üblichen Schaltung zu einer Gateoxiddicke von ungefähr 40 Angström (A) führt. Fachleuten ist geläufig, dass die Durchbruchsspannung für Siliciumdioxid (SiO2) grob 107 Volt pro Zentimeter (V/cm) beträgt, und sie wissen auch, dass es sachgemäß ist, die Gatespannungen auf ungefähr 60 Prozent der Durchbruchsspannung zu beschränken. Damit beträgt ein vorsichtiger Durchbruch-Grenzwert VBROX für eine 0,18 Mikron-Schaltung ungefähr 2,4 Volt. Die 0,18 Mikron-Schaltungen werden in der Regel mit VDD = 1,8 Volt bezogen auf die Masse bei 0 Volt betrieben, so dass sie eine logische Eins (1) bei 1,8 Volt und eine logische Null (0) bei 0 Volt erzeugen. Damit bereitet der Gateoxid-Durchbruch auf Kernspannungspegeln keine Schwierigkeiten. Für diese Vorrichtungen wird jedoch in der Regel gefordert, dass sie als Schnittstelle zu äußeren CMOS-Schaltungen (CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor) dienen, die auf höheren Spannungspegeln arbeiten, beispielsweise auf 3,3 Volt. Zieht man eine P-Kanal-Ausgabeschaltung mit 0,18 Mikron auf 3,3 Volt, während ihr Gate auf null Volt gehalten wird, so ist ein Schaden am Gateoxid der P-Kanal-Schaltung sehr wahrscheinlich. Herkömmliche Spannungsumsetzschaltungen arbeiten also unter diesen Randbedingungen nicht.
  • In neueren Vorgehensweisen für die Anpassung von Ausgangsspannungen werden sowohl digitale als auch analoge Schaltungen zum Verschieben einer logischen 1 auf Kernspannungspegel auf den erhöhten Pegel der äußeren Vorrichtung und zum Schieben einer logischen 0 von 0 Volt auf einen Zwischenspannungspegel verwendet. Der Zwischenspannungspegel wird so nieder gewählt, dass er eine P-Kanal-Schaltung durchschaltet, jedoch auch so hoch, dass ein Durchbruch des Gateoxids verhindert wird. Die Analogschaltung wird zum Erzeugen einer logischen Nullverschiebung für die digitalen Schaltungen verwendet, so dass eine logische 0 auf dem Zwischenspannungspegel hergestellt wird und nicht mehr bei 0 Volt. Analogschaltungen neigen jedoch dazu, räumlich groß auszufallen und viel Energie zu verbrauchen. Diese Eigenschaften machen Analogschaltungen für Anwendungen bei VLSI-Vorrichtungen ungeeignet. Herkömmliche Pegelverschieber, die einen Zwischenpegel enthalten, kennt man aus US-6,268,744 B1 und US-6,040,708 A.
  • Man muss also eine Steuerung für verkleinerte P-Kanal-Ausgangstreiberschaltungen bereitstellen, die Gateoxiddurchbrüchen ausgesetzt sind, da sie so weit verkleinert wurden, dass ihre Gateoxidschichten zu dünn sind, um Eingangssignalpegel auf den erhöhten Pegeln zu ertragen, die sie an den Ausgängen liefern müssen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein digitaler Pegelverschieber gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird bereitgestellt, um den Eingang einer verkleinerten Treiberschaltung innerhalb eines spannungsverschobenen Bereichs anzusteuern, damit man Gateoxiddurchbrüchen der verkleinerten Treiberschaltung vorbeugen kann. Die verkleinerte Treiberschaltung weist einen Ausgang auf, der innerhalb eines erhöhten Spannungsbereichs arbeitet, so dass der spannungsverschobene Bereich die einem logischen Signal zugeordnete Spannung verschiebt, und zwar von einem unteren Spannungspegel auf einen Zwischenspannungspegel, damit der Durchbruchsgrenzwert eingehalten und die verkleinerte Treiberschaltung geschützt wird. Der digitale Pegelverschieber wird mit digitalen Schaltungen implementiert, wodurch analoge Verschiebeschaltungen vermieden werden. Der digitale Pegelverschieber und die verkleinerte Treiberschaltung können auf der gleichen integrierten Schaltung (IC) implementiert werden und mit Hilfe des gleichen Prozesses gefertigt werden, den man für die Kernschaltung einsetzt. Somit kann das IC direkt mit äußeren Schaltungen zusammenarbeiten, die mit erhöhten Spannungspegeln betrieben werden, ohne dass die Kernschaltung oder die verkleinerte Treiberschaltung beschädigt wird.
  • Ein digitaler Pegelverschieber gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält einen digitalen Spannungsbegrenzer und einen digitalen pegelverschobenen Schalter. Der digitale Spannungsbegrenzer ist zwischen eine erste und eine zweite Quellspannung geschaltet, die einen ersten und einen zweiten Spannungspegel haben und einen ersten Spannungsbereich definieren. Der digitale Spannungsbegrenzer empfängt ein digitales Eingangssignal, das innerhalb des ersten Spannungsbereichs betreibbar ist, und liefert ein zugehöriges spannungsbegrenztes Signal, das innerhalb eines begrenzten Spannungsbereichs zwischen dem zweiten Spannungspegel und einem Zwischenspannungspegel betreibbar ist, der eine Höhe zwischen dem ersten Spannungspegel und dem zweiten Spannungspegel hat. Der Zwischenspannungspegel ist so gewählt, dass er eine überhöhte Eingangsspannung an der verkleinerten Treiberschaltung verhindert. Der digitale pegelverschobene Schalter ist zwischen eine dritte Quellspannung und die erste Quellspannung geschaltet, wobei die dritte Quellspannung einen dritten Spannungspegel aufweist, dessen Höhe über der Höhe des zweiten Spannungspegels liegt. Der digitale pegelverschobene Schalter empfängt das spannungsbegrenzte Signal und schaltet entsprechend ein spannungsverschobenes digitales Signal abhängig vom Schalten des spannungsbegrenzten Signals, und zwar in einem spannungsverschobenen Bereich, der zwischen dem Zwischenspannungspegel und dem dritten Spannungspegel definiert ist.
  • Ein digitaler Pegelverschieber gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält einen digitalen Spannungsteiler und einen digitalen pegelverschobenen Schalter. Der digitale Spannungsteiler umfasst P-Kanal-Schaltungen, die zwischen einer Referenzspannung und einer ersten Quellspannung liegen. Der digitale Spannungsteiler empfängt ein digitales Eingangssignal, das innerhalb eines ersten Spannungsbereichs zwischen der Referenzspannung und der ersten Quellspannung betreibbar ist, und weist eine Abzweigung auf, an der ein spannungsbegrenztes Signal entsteht. Das spannungsbegrenzte Signal ist innerhalb eines begrenzten Spannungsbereichs zwischen der ersten Quellspannung und einem Zwischenspannungspegel betreibbar und weist einen Spannungspegel zwischen der Referenzspannung und der ersten Quellspannung auf. Der digitale pegelverschobene Schalter enthält P-Kanal-Schaltungen und N-Kanal-Schaltungen, die in komplementärer Anordnung zwischen die Referenzspannung und eine zweite Quellspannung geschaltet sind. Die zweite Quellspannung hat einen Spannungspegel, der höher liegt als der Pegel der ersten Quellspannung. Der digitale Schalter hat einen Eingang, der das spannungsbegrenzte Signal aufnimmt, und einen Ausgang, der ein verschobenes digitales Signal liefert, das innerhalb eines spannungsverschobenen Bereichs zwischen der Zwischenspannung und der zweiten Quellspannung betreibbar ist.
  • Eine integrierte Schaltung (IC) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält Kernschaltungen, einen digitalen Pegelverschieber und eine verkleinerte Treiberschaltung. Die Kernschaltung ist an eine Referenzspannung und eine erste Quellspannung angeschlossen und erzeugt ein erstes digitales Signal, das in einem unteren Spannungsbereich betreibbar ist, der durch die Referenzspannung und die erste Quellspannung bestimmt wird. Der digitale Pegelverschieber ist an die Referenzspannung und die erste Quellspannung sowie an eine zweite Quellspannung angeschlossen. Die zweite Quellspannung ist größer als die erste Quellspannung. Der digitale Pegelverschieber empfängt das erste digitale Signal und liefert ein verschobenes digitales Signal, das das erste digitale Signal abbildet. Das verschobene digitale Signal ist zwischen der zweiten Quellspannung und einer Zwischenspannung betreibbar, wobei die Zwischenspannung zwischen der Referenzspannung und der ersten Quellspannung liegt. Die verkleinerte Treiberschaltung empfängt das verschobene digitale Signal und liefert ein zweites digitales Signal, das das erste digitale Signal abbildet. Das zweite digitale Signal ist in einem erhöhten Spannungsbereich betreibbar, der zwischen der Referenzspannung und der zweiten Quellspannung bestimmt ist. Da das verschobene digitale Signal auf der Zwischenspannung arbeitet, wird ein Gateoxiddurchbruch der verkleinerten Treiberschaltung verhindert.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus den verbleibenden Teilen der Patentschrift und den Zeichnungen hervor.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung versteht man anhand der folgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen besser. Es zeigt:
  • 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems, das eine digitale Pegelverschiebeschaltung enthält, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert ist;
  • 2 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform der Pegelverschiebeschaltung der Erfindung in 1; und
  • 3 einen ausführlicheren Schaltplan einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Pegelverschiebeschaltung in 1.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung dient dazu, einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung so zu verwenden, wie sie im Zusammenhang mit einer bestimmten Anwendung und deren Anforderungen bereitgestellt wird. Für Fachleute sind verschiedene Abwandlungen der bevorzugten Ausführungsform jedoch offensichtlich, und man kann die hier bestimmten allgemeinen Prinzipien auf andere Ausführungsformen anwenden. Daher ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die hier dargestellten und beschriebenen besonderen Ausführungsformen einzuschränken, sondern ihr ist der breiteste Bereich zuzugestehen, der mit den hier offenbarten Prinzipien und neuartigen Merkmalen vereinbar ist.
  • Der Erfinder dieses Patents hat den Bedarf erkannt, verkleinerte Treiberschaltungen einzusetzen, die erhöhte Spannungen ausgeben müssen, jedoch keine erhöhten Eingangsspannungen vertragen können. Er hat daher eine vollständig digitale Pegelverschiebeschaltung entwickelt, die verkleinerte Treiberschaltungen mit Spannungspegeln ansteuert, die diese verkleinerten Treiberschaltungen vor Gateoxiddurchbrüchen schüt zen. Dies wird im Weiteren anhand von 13 beschrieben.
  • 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems 100, das eine digitale Pegelverschiebeschaltung 103 enthält, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert ist. Der Begriff "digital" bezieht sich so wie er hier verwendet wird, auf Vorrichtungen, die vergleichbar mit einem Schalter arbeiten und mehrere diskrete Betriebspunkte aufweisen, die zu unterschiedlichen Logikzuständen und/oder unterschiedlichen Spannungspegeln gehören. Eine Kernschaltung 101 empfängt Energie über ein erstes Quellspannungssignal VDDL, das einen Spannungspegel oder eine Höhe hat, der bzw. die auf einen gemeinsamen Pegel bzw. ein Referenzspannungsquellen-Signal REF bezogen ist, der der Kernschaltung 101 ebenfalls geliefert wird. Eine Energie- bzw. Spannungsquelle (nicht dargestellt) erzeugt eine Quellspannung zwischen VDDL und REF. VDDL und REF bestimmen gemeinsam einen ersten bzw. unteren Spannungsbereich, der zum Versorgen der Vorrichtungen in der Kernschaltung 101 mit Energie geeignet ist. Die Kernschaltung 101 erzeugt mindestens ein logisches oder digitales Signal LDS, das an einen Eingang der Pegelverschiebeschaltung 103 angelegt wird. Das LDS-Signal weist einen ersten logischen Zustand in der Nähe oder auf dem Spannungspegel von REF auf, und einen zweiten logischen Zustand in der Nähe oder auf dem Spannungspegel von VDDL. Die Logikzustände bezeichnet man üblicherweise als logisch eins oder "1" und logisch null oder "0". Es werden positive und negative Logiken betrachtet, so dass beide Zustände logisch 1 und logisch 0 entweder REF oder VDDL entsprechen können. Die Pegelverschiebeschaltung 103 ist an VDDL und REF angeschlossen, um die internen digitalen Schaltkreise, die im Folgenden beschrieben werden, mit Energie zu versorgen, damit sie den logischen Zustand des Signals LDS erkennen können.
  • Die Pegelverschiebeschaltung 103 gibt ein verschobenes logisches oder digitales Signal SDS an den Eingang einer verkleinerten Treiberschaltung 105 ab. Die verkleinerte Treiberschaltung 105 ist zwischen eine zweite Spannungsquelle VDDH und REF geschaltet, die gemeinsam einen zweiten oder erhöhten Spannungsbereich bestimmen. Eine weitere Energie- bzw. Spannungsquelle (nicht dargestellt) erzeugt eine Quellspannung zwischen VDDH und REF. VDDH hat eine größere Höhe als VDDL. Damit ist der zweite zu VDDH gehörende Spannungsbereich größer als der erste zu VDDL gehörende Spannungsbereich. Die Quellspannungen VDDL und VDDH sind in der Regel beide positiv. In der Erfindung wird jedoch auch der Gebrauch negativer Quellspannungen betrachtet. Die verkleinerte Treiberschaltung 105 erzeugt ein logisches oder digitales Ausgabesignal ODS für mindestens eine "äußere" Vorrichtung 107, die ebenfalls an VDDH und REF angeschlossen ist. Das ODS-Signal wirkt im zweiten erhöhten Spannungsbereich und besitzt einen ersten und einen zweiten logischen Zustand 0 und 1 mit entsprechenden Spannungspegeln innerhalb der Spannungspegel von VDDH und REF. Jeder der logischen Zustände 1 und 0 kann entweder REF oder VDDH entsprechen, da sowohl positive als auch negative Logik betrachtet wird. Die äußere Vorrichtung 107 ist "extern" bezüglich der Kernschaltung 101. Die äußere Vorrichtung 107 kann irgendeine Ein/Ausgabeschaltung (I/O) sein, die mit der Kernschaltung 101 verbunden werden soll.
  • Bei Betrieb wünscht man, dass die logische Information des Signals LDS, das die Kernschaltung 101 ausgibt, an die äußere Vorrichtung 107 übertragen wird. Die äußere Schaltung 107 ist jedoch dafür entworfen, mit Logiksignalen zu arbeiten, die Spannungspegel haben, die im zweiten erhöhten Spannungsbereich VDDH - REF definiert sind, der größer ist als der erste untere Spannungsbereich VDDL - REF. Auf diese Weise muss die äußere Schaltung 107 auf Spannungspegel über dem Signal LDS getrieben werden, damit das logische Schalten vereinfacht wird. Das Signal LDS wird durch die Pegelverschiebeschaltung 103 in das Signal SDS umgewandelt, wobei das Signal SDS in einem spannungsverschobenen Bereich arbeitet, der vom Spannungspegel von VDDH abhängt und sich zum Ansteuern des Eingangs der verkleinerten Treiberschaltung 105 eignet. Der spannungsverschobene Bereich erstreckt sich nicht über den vollen Spannungsbereich des erhöhten Spannungsbereichs, wodurch das Signal SDS ein spannungsverschobenes digitales Signal ist. VDDH wird an die Pegelverschiebeschaltung 103 angelegt, damit die Pegelverschiebeschaltung 103 im verschobenen Spannungsbereich arbeiten kann. Die verkleinerte Treiberschaltung 105 schaltet das ODS-Signal beim Umschalten des Signals SDS im vollen erhöhten Bereich, der zum Ansteuern des Eingangs der äußeren Schaltung 107 erforderlich ist. Damit setzen die Pegelverschiebeschaltung 103 und die verkleinerte Treiberschaltung 105 gemeinsam das Signal LDS, das im unteren Spannungsbereich arbeitet, der für die Kernschaltung 101 geeignet ist, in das Signal ODS um, das im vollen Spannungsbereich arbeitet, der für die äußere Schaltung 107 geeignet ist. Auf diese Weise übermittelt die Kernschaltung 101 wie gewünscht erfolgreich logische Information an die äußere Schaltung 107.
  • Die verkleinerte Treiberschaltung 105 enthält eine oder mehrere verkleinerte P-Kanal-Schaltungen (nicht dargestellt), die die benötigte Schnittstelle zu den erhöhten Spannungspegeln der äußeren Schaltung 107 liefern. Die verkleinerten P-Kanal-Schaltungen können jedoch einen Gateoxid-Durchbruch erleiden, wenn man den vollen Bereich der erhöhten Spannungspegel zum Ansteuern ihrer Eingänge verwendet. Im Einzelnen kann die verkleinerte Treiberschaltung 105 ODS bei ungefähr dem Spannungspegel von VDDH anlegen. Das Signal SDS sollte aber nicht gleichzeitig auf den Spannungspegel von REF gezogen werden, da die Spannungsdifferenz VDDH - REF an der verkleinerten Treiberschaltung 105 einen Gateoxid-Durchbruch der inneren P-Kanal-Schaltungen verursachen kann. Die Pegelverschiebeschaltung 103 arbeitet so, dass sie das Signal SDS innerhalb des spannungsverschobenen Bereichs zwischen einem Zwischenspannungspegel (INT) und dem Spannungspegel von VDDH schaltet. Die Höhe des Spannungspegels INT ist größer als die Höhe von REF. Sie wird so gewählt, dass der spannungsverschobene Bereich VDDH - INT die Durchbruchsspannung der verkleinerten P-Kanal-Schaltungen in der verkleinerten Treiberschaltung 105 nicht überschreitet. Insbesondere kann man das Signal ODS auf den Spannungspegel von VDDH treiben, wogegen das Signal SDS auf den Spannungspegel INT getrieben wird, ohne dass das Risiko besteht, dass ein Gateoxid-Durchbruch der P-Kanal-Schaltungen der verkleinerten Treiberschaltung 105 verursacht wird.
  • Wie bereits erwähnt haben sich der Entwurf integrierter Schaltungen (IC) und die Herstellungsverfahren dahingehend entwickelt, dass sich die Betriebsspannungen zusammen mit der Größe der Vorrichtungen verkleinert haben. VLSI-Schaltungen und insbesondere Mikroprozessoren sind führend bei der Absenkung der Größe und der Betriebsspannungen. Daher müssen VLSI-Schaltungen, die bei geringeren Spannungen arbeiten, häufig mit äußeren Schaltungen zusammenarbeiten, die nicht so stark verkleinert sind wie die VLSI-Schaltungen. Die Kernschaltung 101 kann beispielsweise eine VLSI-Schaltung sein, die in ein IC 109 integriert ist, wobei man wünscht, dass das IC 109 direkt mit der äußeren Schaltung 107 verbunden wird. In einer Ausführungsform sind die Pegelverschiebeschaltung 103 und die verkleinerte Treiberschaltung 105 in das gleiche IC 109 wie die Kernschaltung 101 integriert. Zudem werden die Kernschaltung 101, die Pegelverschiebeschaltung 103 und die verkleinerte Treiberschaltung 105 mit Hilfe der gleichen Schaltungsverkleinerungstechniken implementiert, bei denen ihre zugrunde liegenden N-Kanal-Schaltungen und P-Kanal-Schaltungen eine relative geringe Gateoxiddicke aufweisen. Auf diese Weise enthält das IC 109 mehrere Stifte oder Anschlüsse für äußere Quellen, die mit den jeweiligen Quellspannungen verbunden werden. Wie dargestellt enthält das IC 109 beispielsweise einen ersten Quellanschluss 111, an den VDDL angelegt wird, einen zweiten Quellanschluss 113, an den REF angelegt wird, und einen dritten Quellanschluss 115, an den VDDH angelegt wird. Innerhalb des IC 109 ist VDDL an die Kernschaltung 101 und die Pegelverschiebeschaltung 103 angeschlossen. VDDH ist an die Pegelverschiebeschaltung 103 und die verkleinerte Treiberschaltung 105 angeschlossen, und REF ist an die Kernschaltung 101, die Pegelverschiebeschaltung 103 und die verkleinerte Treiberschaltung 105 angeschlossen.
  • Man beachte, dass die Erfindung nicht auf Ausführungsformen beschränkt ist, in denen die Pegelverschiebeschaltung 103 und die verkleinerte Treiberschaltung 105 mit dem gleichen Prozess und/oder auf dem gleichen IC implementiert werden wie die Kernschaltung 101. Man kann jede Schaltung getrennt implementieren, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Ist man in der Lage, diese Schaltungen auf dem gleichen IC zu entwerfen und herzustellen, wobei vergleichbare Herstellungsverfahren eingesetzt werden, so bietet dies, wie Fachleuten geläufig ist, beträchtliche Vorteile. Man kann eine Verkleinerung der Ausgangsspannung sowohl mit digitalen als auch analogen Schaltungen erreichen, die den logischen Zustand mit der höheren Spannung auf den erhöhten Spannungspegel der äußeren Schaltung 107 verschieben, wobei zugleich der logische Zustand mit der geringeren Spannung auf einen erhöhten Spannungspegel (z.B. INT) verschoben wird. In diesem Fall verwendet man die analogen Schaltungen zum Erzeugen einer Logikspannungsverschiebung für die digitalen Schaltungen. Analogschaltungen sind jedoch großflächig und verbrauchen viel Energie. Sie sind damit für Anwendungen in VLSI-Schaltungen ungeeignet. Es würde dem Zweck von VLSIs generell widersprechen, die Analogschaltungen direkt auf dem IC 109 zu implementieren. Extern implementierte Analogschaltungen verbrauchen wertvolle Platinenfläche und Energie.
  • In einer konkreteren Ausführungsform ist das IC 109 eine VLSI-Schaltung, die mit einem 0,18 Mikron-Prozess hergestellt wird und Metalloxid-Halbleiter-Schaltungen (MOS) enthält, die eine Gateoxiddicke von ungefähr 40 Å aufweisen. Die Kernschaltung 101 kann beispielsweise ein Mikroprozessor sein, bei dem es erwünscht ist, Abmessungen und Spannungen soweit wie möglich zu verkleinern. Wie bereits angegeben beträgt der Gateoxid-Durchbruchsgrenzwert VBROX für diese Schaltungen ungefähr 2,4 Volt. VDDL beträgt bezogen auf REF in der Regel 1,8 Volt, und REF liegt normalerweise auf 0 Volt oder Erde. Da die an die Kernschaltung 101 angelegten Höchstspannungspegel weit unter der Durchbruchsgrenze liegen, ist ein Oxiddurchbruch nicht zu befürchten. In der besonderen Ausführungsform enthält die äußere Schaltung 107 3,3 Volt CMOS-Schaltungen. Damit hat VDDH ungefähr 3,3 Volt und REF 0 Volt. Die verkleinerte Treiberschaltung 105 enthält P-Kanal-Schaltungen mit 0,18 Mikron, die mit der äußeren Schaltung 107 mit 3,3 Volt verbunden werden müssen. Die Pegelverschiebeschaltung 103 betreibt das Signal SDS zwischen ungefähr 1,0 Volt und ungefähr 3,3 Volt, wobei INT ungefähr 1,0 Volt beträgt. In dieser Ausführungsform beträgt der spannungsverschobene Bereich ungefähr 2,3 Volt. Da die Gates der P-Kanal-Schaltungen der verkleinerten Treiberschaltung 105, die auf dem IC 109 integriert ist, nicht unter ungefähr 1,0 Volt fallen, beträgt der größtmögliche Spannungsbereich 2,3 Volt. Da die Spannung 2,3 Volt kleiner als VBROX mit ungefähr 2,4 Volt ist, besteht nur wenig Risiko, dass das Gateoxid der ver kleinerten P-Kanal-Schaltungen durchbricht.
  • Hier werden 0,18 Mikron-Teile und die zugehörigen Spannungspegel dazu verwendet, die erfundene Lösung für Probleme darzustellen, die beim Verkleinern von CMOS-Schaltungen auftreten. Die gleiche Lösung ist jedoch sowohl für kleinere als auch für größere Schaltungen anwendbar. Dies hat seinen Grund darin, dass die Erscheinung des Gateoxid-Durchbruchs nicht nur vom Herstellungsvorgang einer Schaltung abhängt, sondern auch von der Verwendung der Schaltung, d. h. den Spannungsanforderungen an Teile, an die eine hergestellte Schaltung angeschlossen werden muss. Demgemäß ist die Erfindung nicht auf 0,18 Mikron-Teile und die zugehörigen Spannungspegel eingeschränkt, sondern sie ist auf jede Technologie anwendbar, die mit Verkleinerungen arbeitet. Zudem können die Quellspannungssignale unterschiedliche Spannungspegel und Polaritäten haben, die irgendeinen praktisch umsetzbaren Spannungsbereich für einen gegebenen Herstellungsprozess bestimmen. Beispielsweise kann REF auf einen von null verschiedenen Spannungspegel geschoben werden, wobei die restlichen Quellspannungen entsprechend verschoben werden, damit gewünschte oder anderweitig geeignete Spannungsbereiche bestimmt werden. Die Durchbruchsgrenze ist durch den Herstellungsprozess, die Anwendung und die relativen Spannungspegel festgelegt, damit das Gateoxid der verkleinerten Treiberschaltungen nicht zerstört wird.
  • In der erläuterten Ausführungsform ist die Pegelverschiebeschaltung 103 auf dem IC 109 implementiert und enthält digitale Logik, damit ein verschobener Logikspannungsbereich hergestellt wird, der sich zum Ansteuern des Eingangs der verkleinerten Treiberschaltung 105 eignet. In einer Ausführungsform enthält die Pegelverschiebeschaltung 103 0,18 Mikron-Schaltungen, die eine Gateoxiddicke von ungefähr 40 Å aufweisen und bei Kern-Quellspannungspegeln von 1,8 Volt arbeiten. Die Pegelverschiebeschaltung 103 wird dazu verwendet, die verkleinerte Treiberschaltung 105 anzusteuern, die 0,18 Mikron-P-Kanal-Schaltungen enthält, die bei bis zu 3,3 Volt arbeiten. Die P-Kanal-Schaltungen erzeugen Logikpegel von 3,3 Volt, die für die Anbindung an die äußere Schaltung 107 erforderlich sind. Damit hält die Pegelverschiebeschaltung 103 die Höhe des an die P-Kanal-Schaltungen angelegten Spannungsbereichs unter 2,4 Volt, um Gateoxid-Durchbrüchen vorzubeugen. In einer Ausführungsform begrenzt beispielsweise die Pegelverschiebeschaltung 103 das Signal SDS so, dass es nicht unter ungefähr 1 Volt fällt. Damit beträgt die höchste an die verkleinerte Treiberschaltung 105 angelegte Spannung 2,3 Volt.
  • 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform der Pegelverschiebeschaltung 103 der Erfindung. In diesem Fall weist die Pegelverschiebeschaltung 103 zwei Hauptstufen auf, die einen digitalen Spannungsbegrenzer 201 und einen digitalen pegelverschobenen Schalter 203 enthalten. Der digitale Spannungsbegrenzer 201 ist an VDDL und REF angeschlossen und empfängt das Signal LDS. Der digitale Spannungsbegrenzer 201 erkennt das Schalten des Signals LDS zwischen den Logikzuständen High und Low innerhalb des Spannungsbereichs VDDL - REF und schaltet abhängig vom Schalten des Signals LDS ein entsprechendes spannungsbegrenztes Signal VLS an den digitalen pegelverschobenen Schalter 203, damit die Logikinformation des Signals LDS übermittelt wird. Der digitale Spannungsbegrenzer 201 dient dazu, das Signal VLS innerhalb eines begrenzten Spannungsbereichs zwischen den Spannungspegeln VDDL und INT zu halten, wobei INT eine größere Höhe hat als REF. Im Einzelnen wird das Signal VLS für einen Logikzustand (z.B. logisch eins) ungefähr mit dem Spannungspegel von VDDL angelegt und ungefähr mit dem Spannungspegel von INT für den anderen entgegengesetzten Logikzustand (z.B. logisch null) oder umgekehrt.
  • Der digitale pegelverschobene Schalter 203 enthält eine P-Kanal-Schaltung 205, die auf VDDH bezogen ist und das Signal VLS empfängt und das Signal SDS ausgibt. Die P-Kanal-Schaltung 205 schaltet das Signal SDS abhängig vom Schalten des Signals VLS, damit die logische Information des Signals LDS an die verkleinerte Treiberschaltung 105 übertragen wird. Die P-Kanal-Schaltung 205 dient dazu, das Signal SDS innerhalb des spannungsverschobenen Bereichs zwischen VDDH und der Zwischenspannung INT zu halten. Im Einzelnen wird das Signal SDS für einen Logikzustand (z.B. logisch eins) ungefähr mit dem Spannungspegel von VDDH angelegt und ungefähr mit dem Spannungspegel von INT für den anderen entgegengesetzten Logikzustand (z.B. logisch null) oder umgekehrt. Wie beschrieben wird der Spannungspegel von INT bezogen auf den Spannungspegel von VDDH so gewählt, dass ein Gateoxid-Durchbruch der P-Kanal-Schaltungen der verkleinerten Treiberschaltung 105 verhindert wird. Somit übermittelt das Signal SDS die logische Information des Signals LDS vom der Kernschaltung 101, wobei das Gate der verkleinerten Treiberschaltung 105 unbeschädigt bleibt.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist der digitale pegelverschobene Schalter 203 komplementär gestaltet und enthält eine N-Kanal-Schaltung 207, die über mindestens einen Verschiebeknoten 209 mit der P-Kanal-Schaltung 205 gekoppelt ist. Die N-Kanal-Schaltung 207 ist an VDDL und REF angeschlossen und darauf bezogen, sie hält jedoch die Spannung des Knotens 209 auf einem Pegel, der so hoch ist, dass eine Beschädigung der Schaltungen in der P-Kanal-Schaltung 205 verhindert wird. Die N-Kanal- Schaltung 207 empfängt das Signal LDS und schaltet abhängig vom Schalten des Signals LDS, damit das Schalten der P-Kanal-Schaltung 205 erleichtert wird. Generell arbeiten die N-Kanal-Schaltung 207 und die P-Kanal-Schaltung 205 zum Schalten in komplementärer Weise zusammen, damit das Signal SDS den ganzen spannungsverschobenen Bereich zwischen VDDH und INT einnehmen kann.
  • 3 zeigt einen ausführlicheren Schaltplan einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Pegelverschiebeschaltung 103. Es werden nun zusätzliche Einzelheiten für besondere Ausführungsformen des digitalen Spannungsbegrenzers 201 und des digitalen pegelverschobenen Schalters 203 erläutert, die die P-Kanal-Schaltung 205 und die N-Kanal-Schaltung 207 enthalten. Der digitale Spannungsbegrenzer 201 umfasst die P-Kanal-Transistoren P1 bis P6 und einen Inverter 301. Der Inverter 301 wird dafür eingesetzt, das Signal LDSB zu erzeugen, das eine invertierte Version des Signals LDS ist. Man beachte, dass ein an einen Signalnamen angehängtes "B" hier eine logische Negation bezeichnet, bei der das invertierte oder komplementäre Signal den entgegengesetzten logischen Status hat. Die N-Wannen der P-Kanal-Transistoren P1 bis P6 sind an VDDL angeschlossen. Das Signal LDS wird an die Gates der P-Kanal-Transistoren P1, P3 und P6 und den Eingang des Inverters 301 geliefert. Das Signal LDSB wird an die Gates der P-Kanal-Transistoren P2, P4 und P5 angelegt. Die Sources von P2, P3, P5 und P6 sind an VDDL angeschlossen. Die Source von P1 ist an der Verbindung 303 mit den Drains von P2 und P3 verbunden, wobei an der Verbindung 303 das spannungsbegrenzte Signal VLS entsteht. Das Drain von P1 ist an REF angeschlossen, d. h. in der dargestellten Ausführungsform Erde oder null Volt. In ähnlicher Weise ist die Source von P4 an der Verbindung 305 mit den Drains von P5 und P6 verbunden, an der das invertierte spannungsbegrenzte Signal VLSB entsteht. Das Drain von P4 ist an REF angeschlossen. Man beachte, dass das Signal VLSB nicht von sich aus eine invertierte Version des Signals VLS darstellt, dass es jedoch aufgrund der Schaltungssymmetrie und der Wirkung des Inverters 301 abhängig vom Schalten des Signals LDS generell den entgegengesetzten Logikzustand annimmt.
  • Der digitale pegelverschobene Schalter 203 enthält die P-Kanal-Transistoren P7, P8, P9 und P10 und die N-Kanal-Transistoren N1, N2, N3, N4, N5 und N6 (N1–N6). In der dargestellten Anordnung enthält die P-Kanal-Schaltung 205 die Transistoren P7–P10, und die N-Kanal-Schaltung 207 enthält die Transistoren N1, N2, N4 und N5. An die Sources von P8 und P10 wird VDDH angelegt. Das Drain von P8 ist an das Gate von P10, die Source von P7, das Drain von N3 und das Gate von N6 angeschlossen. Das Ausgangssignal SDS entsteht am ersten Ausgangsknoten 307, der mit dem Drain von P8 verbunden ist. Das Gate von P7 und die Source von N3 sind mit der Verbindung 301 gekoppelt und empfangen das Signal VLS. In ähnlicher Weise ist das Drain von P10 mit einem komplementären Ausgangsknoten 309 verbunden, der an das Gate von P8, die Source von P9, das Drain von N6 und das Gate von N3 angeschlossen ist. Am Ausgangsknoten 309 entsteht ein invertiertes Ausgangssignal SDSB. Das Gate von P9 und die Source von N6 sind mit der Verbindung 303 gekoppelt und empfangen das Signal VLSB. Die N-Wannen der P-Kanal-Transistoren P7–P10 sind alle mit VDDH verbunden. Die verkleinerte Treiberschaltung 105 wurde bisher verbunden mit dem Signal SDS dargestellt. Man kann jedoch eines der beiden Signale SDS und SDSB oder beide dazu verwenden, die Eingänge der verkleinerten Treiberschaltungen anzusteuern, und beide Ausgangssignale schalten innerhalb des spannungsverschobenen Bereichs VDDH - INT, wie im Weiteren beschrieben wird.
  • Das Drain von P7 ist an einem Knoten B1, mit dem Drain von N2 verbunden. Das Drain von P9 ist an einem Knoten B2 mit dem Drain von N5 verbunden. Die Knoten B1 und B2 stellen gemeinsam den Verschiebeknoten 209 in 2 dar. Die Gates von N2 und N5 sind an VDDL angeschlossen. Die Source von N2 ist mit dem Drain von N1 verbunden, dessen Source an REF angeschlossen ist. Die Source von N5 ist an das Drain von N4 angeschlossen, dessen Source an REF liegt. Der Ausgang des Inverters 301 ist an das Gate von N1 gekoppelt und nimmt das Signal VLSB auf. Das Signal VLS dient dem Ansteuern des Gates von N4.
  • Die Abmessungen der P-Kanal-Transistoren P1 und P4 sind verglichen mit den P-Kanal-Transistoren P3 und P5 groß. Durch diese relative Bemessung wirken P1 und P3 in Kombination mit P4 bzw. P5 als Spannungsteiler. P1 und P4 können nicht ganz bis Erde (null) herunterziehen, da ein P-Kanal-Transistor, dessen Drain fest an Erde liegt, nicht bis null herunterziehen kann. Nehmen die Signale VLS und VLSB hin zu 0 Volt ab, so bewirkt der Body-Effekt von P1 und P4 zusammen mit dem von P3 und P5 gelieferten Strom, dass P1 und P4 auf dem Zwischenspannungspegel INT zu sperren beginnen. Auf diese Weise fallen die Signale VLS und VLSB nicht unter den Spannungspegel INT, der durch das Verhältnis der Größen von P3 zu P1 und P5 zu P4 bestimmt ist. Der Spannungspegel von INT bezogen auf die Spannungspegel von VDDL und REF wird durch das Größenverhältnis von P1 und P4 verglichen mit P1 und P3 festgelegt. Um beispielsweise INT zu erhöhen wird das Größenverhältnis von P3 zu P1 und P5 zu P4 erhöht, und um INT zu verkleinern wird das Größenverhältnis verkleinert. Das Größenverhältnis von P3 zu P1 sollte ungefähr so groß sein wie das Größenverhältnis von P5 zu P4, damit die Signale VLS und VLSB ungefähr innerhalb des gleichen Spannungsbereichs gehalten werden.
  • Die relativen Größenverhältnisse können sich auf Wunsch unterscheiden.
  • Wird das Signal LDS bei Betrieb auf REF gezogen, so wird die Verbindung 303 auf den Spannungspegel von INT gezogen. P3 wird leitend, und P1 wird abhängig vom Strom, den P3 liefert, schwach leitend. Das Signal LDSB wird hin zu VDDL gezogen und schaltet P2, P4 und P5 ab. P6 wird leitend und arbeitet als Hochziehvorrichtung, die das Signal VLSB auf den Spannungspegel von VDDL hochzieht. Wird das Signal LDS auf die Spannung von VDDL gezogen, so werden in ähnlicher Weise die Transistoren P1, P3 und P6 gesperrt. Der Inverter 301 zieht das Signal LDSB auf Erde und schaltet P2 und P5 ein. P4 wird abhängig vom Strom, den P5 liefert, schwach leitend. Damit wird das Signal VLSB auf den Spannungspegel von INT gezogen, und das Signal VLS wird von P2 auf den Spannungspegel von VDDL gezogen. Auf diese Weise schalten die Signale VLS und VLSB abhängig vom Schalten des Signals LDS zwischen INT und VDDL.
  • Ist das Signal LDS auf Low, so wird VLS auf den Spannungspegel INT heruntergezogen, wodurch P7 leitend wird. P7 zieht das Signal SDS herunter, wenn er durchschaltet, wodurch auch P10 leitend wird. P10 zieht, wenn er leitet, das Signal SDSB auf VDDH, wodurch P8 sperrt. Bei hochgezogenem Signal SDSB leitet N3, so dass das Signal SDS durch N3 auf den Spannungspegel INT von VLS heruntergezogen wird. Inzwischen ist das Signal LDSB auf High, und VLSB wird auf den Spannungspegel von VDDL hochgezogen, so dass P9 sperrt.
  • Ist LDS High, so wird das Signal VLSB auf Low gezogen, d. h. den Spannungspegel INT, wodurch P9 leitet. P9 zieht, wenn er leitet, das Signal SDSB herunter, wodurch auch P8 leitet. P8 zieht, wenn er leitet, das Signal SDS auf VDDH, wodurch P10 sperrt. Bei hochgezogenem SDS leitet N6, so dass das Signal SDSB durch N6 auf den Spannungspegel INT des Signals VLSB heruntergezogen wird. Inzwischen ist das Signal VLS auf den Pegel von VDDL hochgezogen, wodurch P7 sperrt. Auf diese Weise schalten die Signale SDS und SDSB abhängig vom Schalten der Signale LDS und LDSB zwischen den Spannungspegeln von REF und VDDL zwischen den Spannungspegeln von INT und VDDH. In der komplementären Anordnung werden die Signale SDS und SDSB bezogen aufeinander auf entgegengesetzte Logikzustände geschaltet. In einer Ausführungsform beträgt INT ungefähr 1,0 Volt und VDDH ungefähr 3,3 Volt. Damit bewegen sich die Signale SDS und SDSB mit einem Spannungsbereich von 2,3 Volt zwischen 1 und 3,3 Volt.
  • Das Signal LDS schaltet im Zustand High N4 durch und sperrt ihn im Zustand Low. In ähnlicher Weise schaltet das Signal LDSB N1 im Zustand High durch und sperrt ihn im Zustand Low. Die Transistoren N2 und N5 leiten stets und dienen als Schutzvorrichtungen für die Transistoren N1 bzw. N4. Sie verhindern, dass irgendeiner der Transistoren N1 und N4 eine hohe Drain-Source-Spannung VDS erhält. Im Allgemeinen teilt sich während des Normalbetriebs N1 die Last mit N5, wenn N1 leitet, und N4 teilt sich die Last mit N5, wenn N4 leitet. Die Reihenschaltung aus N1 und N2 sperrt P7 zuverlässig, falls P8 leitet (und falls N1 sperrt). Andernfalls könnte ein Stromfluss durch P7 auftreten, der verhindern könnte, dass die Spannung des Signals SDS den Spannungspegel von VDDH erreicht. In ähnlicher Weise sperrt die Reihenschaltung aus N4 und N5 P9 zuverlässig, falls P10 leitet (und falls N4 sperrt). Dadurch erreicht das Signal SDSB im Wesentlichen VDDH.
  • N3 unterstützt das Herunterziehen des Drains des Transistors P8 auf den Spannungspegel INT, wenn P8 gesperrt wird. In ähnlicher Weise unterstützt N6 das Herunterziehen des Drains des Transistors P10 auf den Spannungspegel INT, wenn P10 gesperrt wird. Die Signale SDS und SDSB unterschreiten aufgrund der Wirkungsweise der Transistoren N3 bzw. N6 den durch die Signale VLS und VLSB eingestellten Spannungspegel INT nicht. Um einen Oxiddurchbruch zu verhindern, werden N3 und N6 im Normalbetrieb außerhalb der Sättigung im linearen Bereich betrieben (d. h., VDS < (VGS - VTH)), so dass ihre Gate-Kanal-Spannung stets auf einem sicheren Pegel liegt, wenn ihre Gates auf High schalten. VTH ist, wie Fachleuten bekannt ist, der Gate-Source-Grenzspannungspegel von N-Kanal-Transistoren. Die Gates von N3 und N6 sehen grob den Spannungspegel INT (d. h., 1 Volt), da ihre Kanäle vollständig ausgebildet sind. Würde man, erlauben, dass N3 und N6 in die Sättigung gehen, so würden ihre Kanäle abgeschnürt und ihre Gates würden die Bulkspannung sehen, d. h. 0 Volt, und dadurch den Oxiddurchbruchspegel überschreiten.
  • Die Erfindung ist sehr ausführlich anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Andere Versionen und Abwandlungen sind möglich und werden in Betracht gezogen. Es ist beispielsweise eine komplementäre Anordnung erläutert, in der in Betracht gezogen wird, dass eine einzige Ausgangsschiebevorrichtung implementiert werden kann. Zudem können abhängig vom Typ der Schaltungen und dem Herstellungsvorgängen bestimmte Spannungspegel und/oder Spannungsbereiche unterschiedlich sein. Die zugeordneten Spannungspegel der 0,18 Mikron-Schaltungen sind in beispielhaften Ausführungsformen erklärt. Dabei ist klar, dass die Erfindung sowohl auf kleinere als auch auf größere Vorrichtungen anwendbar ist, die zu den gleichen oder zu unterschiedlichen Spannungspegeln gehören. Positive oder negative Logik wird in Betracht gezogen, und die tatsächlichen Spannungswerte können positiv oder negativ sein.
  • Die Erfindung betrifft das Verschieben der Spannungshöhe, die zu einem beliebigen Logikwert gehört, um zu verhindern, dass eine überhöhte Spannung an eine verkleinerte Treiberschaltung angelegt wird.
  • Zudem ist die Erscheinung des Gateoxid-Durchbruchs, die bei MOS-Schaltungen typischerweise auftritt, nicht nur vom Herstellungsvorgang der Schaltung abhängig, sondern auch vom Einsatz der Schaltung. Hierzu gehören die Spannungsanforderungen äußerer Schaltungen, an die die hergestellte Schaltung angeschlossen werden muss. Obwohl beispielsweise die erläuterte Ausführungsform der Pegelverschiebeschaltung 103 zwei Stufen enthält, können zusätzliche digitale Zwischenschaltstufen enthalten sein, falls der gleiche Herstellungsvorgang dazu verwendet wird, äußere Schaltungen anzuschließen, die auf noch höheren Spannungspegeln arbeiten, beispielsweise 5 Volt.
  • Fachleute können schließlich erkennen, dass sie die offenbarte Konzeption und die besonderen Ausführungsformen leicht als Ausgangspunkt für den Entwurf oder die Abwandlung anderer Strukturen verwenden können, und dass sie damit die Zwecke der Erfindung ausführen können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist.

Claims (8)

  1. Digitaler Pegelverschieber (103) zum Ansteuern eines Eingangs (SDS) einer verkleinerten Treibervorrichtung (105), die einen Ausgang (ODS) aufweist, der innerhalb eines erhöhten Spannungsbereichs arbeitet, gekennzeichnet durch: einen digitalen Spannungsbegrenzer (201), der zwischen eine erste und eine zweite Quellspannung geschaltet ist, die den ersten Spannungspegel (REF) bzw. den zweiten Spannungspegel (VDDL) aufweisen, die einen ersten Spannungsbereich definieren, in dem der zweite Spannungspegel (VDDL) eine Höhe hat, die über dem ersten Spannungspegel (REF) liegt, wobei der digitale Spannungsbegrenzer (201) ein digitales Eingangssignal (LDS) empfängt, das innerhalb des ersten Spannungsbereichs betreibbar ist, und ein zugehöriges spannungsbegrenztes Signal (VLS) liefert, das innerhalb eines begrenzten Spannungsbereichs zwischen dem zweiten Spannungspegel (VDDL) und einem Zwischenspannungspegel (INT) betreibbar ist, der eine Höhe zwischen dem ersten Spannungspegel (REF) und dem zweiten Spannungspegel (VDDL) hat; und einen digitalen pegelverschobenen Schalter (203), der zwischen eine dritte Quellspannung und die erste Quellspannung geschaltet ist, wobei die dritte Quellspannung einen dritten Spannungspegel (VDDH) aufweist, dessen Höhe über der Höhe des zweiten Spannungspegels (VDDL) liegt, und der digitale pegelverschobene Schalter (203) das spannungsbegrenzte Signal (VLS) empfängt und entsprechend ein spannungsverschobenes digitales Signal abhängig vom Schalten des spannungsbegrenzten Signals (VLS) schaltet, und zwar in einem spannungsverschobenen Bereich, der zwischen dem Zwischenspannungspegel (INT) und dem dritten Spannungspegel (VDDH) definiert ist, wobei der Zwischenspannungspegel (INT) so gewählt ist, dass ein Gateoxiddurchbruch der verkleinerten Treibervorrichtung (105) verhindert wird.
  2. Digitaler Pegelverschieber nach Anspruch 1, wobei der digitale Spannungsbegrenzer einen digitalen Spannungsteiler enthält, der einen Eingang besitzt, der das digitale Eingangssignal empfängt, und eine Abzweigung, an der das spannungsbegrenzte Signal entsteht.
  3. Digitaler Pegelverschieber nach Anspruch 2, wobei der digitale Pegelverschiebeschalter umfasst: eine P-Kanal-Schaltung, die zwischen der dritten Quellspannung und min destens einem Vorspannungsknoten liegt, wobei die P-Kanal-Schaltung an die Abzweigung angeschlossen ist und das spannungsbegrenzte Signal aufnimmt und das spannungsverschobene digitale Signal schaltet, und zwar abhängig vom Schalten des spannungsbegrenzten Signals; und eine N-Kanal-Schaltung, die zwischen der ersten und der zweiten Quellspannung liegt und komplementär angeordnet zur P-Kanal-Schaltung am mindestens einen Vorspannungsknoten liegt, wobei die N-Kanal-Schaltung das digitale Eingangssignal aufnimmt und dazu verwendbar ist, das Schalten des spannungsverschobenen digitalen Signals durch die P-Kanal-Schaltung zu erleichtern.
  4. Digitaler Pegelverschieber nach Anspruch 1, wobei der digitale Spannungsbegrenzer umfasst: eine erste P-Kanal-Vorrichtung, die ein Gate hat, das das digitale Eingangssignal empfängt, und eine Source und ein Drain, die zwischen die zweite Quellspannung und eine Abzweigung geschaltet sind; und eine zweite P-Kanal-Vorrichtung, umfassend: eine Source, die mit der Abzweigung verbunden ist, ein Drain, das mit der ersten Quellspannung verbunden ist, und ein Gate, das das digitale Eingangssignal aufnimmt, wobei die zweite P-Kanal-Vorrichtung relativ zur ersten P-Kanal-Vorrichtung so bemessen ist, dass sie die Höhe des spannungsbegrenzten Signals daran hindert, unter die Höhe des Zwischenspannungspegels zu fallen.
  5. Digitaler Pegelverschieber nach Anspruch 4, wobei die zweite P-Kanal-Vorrichtung größer bemessen ist als die erste P-Kanal-Vorrichtung, so dass sie mit dem Abschalten beginnt, wenn das digitale Eingangssignal hin zum ersten Spannungspegel schaltet.
  6. Digitaler Pegelverschieber nach Anspruch 4, zudem umfassend: eine dritte P-Kanal-Vorrichtung, die ein Gate enthält sowie eine Source und ein Drain, die zwischen die zweite Quellspannung und die Abzweigung geschaltet sind; und einen Inverter, der einen Eingang hat, der das digitale Eingangssignal empfängt, und einen Ausgang, der mit dem Gate der dritten P-Kanal-Vorrichtung verbunden ist, wobei die dritte P-Kanal-Vorrichtung die Abzweigung auf den zweiten Spannungspegel zieht, wenn sie eingeschaltet ist.
  7. Digitaler Pegelverschieber nach Anspruch 1, wobei der digitale pegelverschobene Schalter umfasst: eine erste, eine zweite und eine dritte P-Kanal-Vorrichtung, die jeweils N-Wannen aufweisen, die mit der dritten Quellspannung verbunden sind, und jeweils eine Source, ein Drain und ein Gate besitzen, wobei bei der ersten P-Kanal-Vorrichtung die Source mit der dritten Quellspannung verbunden ist und das Drain mit einem Ausgangsknoten verbunden ist, der zudem mit der Source der zweiten P-Kanal-Vorrichtung und dem Gate der dritten P-Kanal-Vorrichtung verbunden ist, und am Ausgangsknoten das spannungsverschobene digitale Signal entsteht, bei der zweiten P-Kanal-Vorrichtung das Drain mit der ersten Quellspannung verbunden ist und das Gate mit der Abzweigung verbunden ist, die das spannungsbegrenzte Signal liefert, bei der dritten P-Kanal-Vorrichtung die Source mit der dritten Quellspannung verbunden ist und das Drain mit dem Gate der ersten P-Kanal-Vorrichtung verbunden ist; und eine erste N-Kanal-Vorrichtung, bei der die Source mit der Abzweigung verbunden ist, das Drain mit dem Drain der ersten P-Kanal-Vorrichtung verbunden ist, und das Gate mit dem Gate der ersten P-Kanal-Vorrichtung verbunden ist.
  8. Digitaler Pegelverschieber nach Anspruch 7, wobei der digitale pegelverschobene Schalter zudem umfasst: eine zweite N-Kanal-Vorrichtung, umfassend: eine Source, ein Drain, das mit dem Drain der zweiten P-Kanal-Vorrichtung verbunden ist, und ein Gate, das mit der zweiten Quellspannung verbunden ist; und eine dritte N-Kanal-Vorrichtung, umfassend: eine Source, die mit der ersten Quellspannung verbunden ist, ein Drain, das mit der Source der zweiten N-Kanal-Vorrichtung verbunden ist, und ein Gate, das ein invertiertes digitales Eingangssignalempfängt; und einen Inverter, der einen Eingang hat, der das digitale Eingangssignal empfängt, und einen Ausgang, der das invertierte Eingangssignal liefert.
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