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Integrierte Halbleiterschaltung mit
Pegelumsetzungsschaltung
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Hintergrund der Erfindung
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Feld der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine integrierte
Halbleiterschaltung, und insbesondere eine Pegelumsetzungsschaltung für
den Gebrauch in einer sog. logischen integrierten BiMOS-
Halbleiterschaltung aus Bipolartransistoren und
MOS-Transistoren, die in gemischter Weise auf demselben einzelnen
Chip ausgebildet sind.
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Beschreibung bekannter Technik
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Integrierte logische BiCMOS-Halbleiterschaltungen bestehend
aus CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor;
Komplementärer Metalloxidhalbleiter)-Transistoren und
Bipolartransistoren, die auf demselben einzelnen Chip ausgebildet
sind, so daß die Schaltungen beide Vorteile der
CMOS-Transistoren wie niedriger Energieverbrauch und hohe
Integrationsdichte als auch die Vorteile der Bipolartransistoren wie
hohe Betriebsgeschwindigkeit und hohe Treiberleistung
ausnutzen können. Tatsächlich haben logische
BiCMOS-Schaltungen bereits eine Gateverzögerungszeit erreicht, die
teilweise mit der überlappt, die in bekannten
ECL-Logikschaltungen (emitter-coupled Logic; emittergekoppelte logik)
erreicht wird. Aufgrunddessen ist zu erwarten, daß ECL-
Logikschaltungen durch BiCMOS-Schaltungen bei Anwendungen
oder Feldern verwendet werden, in denen relativ große
Gateverzögerungszeit erlaubt ist.
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Hinsichtlich der Kompatibilät mit ECL-Logikschaltungen
müssen BiCMOS-Logikschaltungen mit demselben
Versorgungsspannungspegel betrieben werden wie die existierenden
ECL-Logikschaltungen. Beispielsweise ist es für
BiCMOS-Logikschaltungen erforderlich, daß sie mit dem sog.
ECL-Eingangs-/Ausgangspegel arbeiten durch Zuführung einer
nominellen Versorgungsspannung von -4,5 V an den Chip. Unter
Berücksichtigung der Kompatibilität mit
TTL-Logikschaltungen (Transistor-Transistor-Logik) ist es andererseits bei
den BiCMOS-Logikschaltungen vorzuziehen, daß sie mit dem
sog. TTL-Eingangs-/Ausgangs-Pegel betrieben werden durch
Verbindung einer nominellen Versorgungsspannung von +5,0V
mit dem Chip. Wenn ECL-Schaltungen und TTL-Schaltungen auf
demselben Signalchip kombiniert werden, wird der Chip
sowohl mit einer Versorgungsspannung von -4,5V und der
anderen Versorgungsspannung von +5,0V verbunden. In diesem
Fall wird im Ergebnis eine Signalpegel-/Wandlerschaltung
zum Umsetzen eines Signalpegels zwischen einer Schaltung,
die zwischen +5,0V und Masse (=0V) geschaltet ist und einer
weiteren Schaltung, die zwischen -4,5V und Masse geschaltet
ist, erforderlich. Die bekannten
Signalpegel-Umsetzerschaltungen sind jedoch vom Differenz-Schaltungstyp, der einen
relativ hohen Leistungsverbrauch aufweist und ferner eine
große Anzahl von Schaltungselementen benötigt. Insbesondere
erfordert die bekannte Signalpegelumsetzungsschaltung des
Differenzschaltungstyps zumindest ein Paar aktiver
Schaltungselemente wie ein Paar Bipolartransistoren und benötigt
eine Konstantstromquelle.
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Integrierte Halbleiterschaltungen mit allen Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind aus DE-A-2524001 und
"Modern Electronic Circuits Reference Manual" von J. Markus,
1980, McGraw Hill Book Company, Seite 513, bekannt. Das
erste Dokument zeigt einen Inverter, der zwischen den
Massepegel und den Pegel mit negativem Potential als
Umsetzschaltung geschaltet ist und zwischen eine TTL-Schaltung
und eine MOS-Schaltung geschaltet ist. Das zweite Dokument
umfaßt eine Reihenschaltung eines Feldeffekttransistors,
der mit Massenpegel verbunden ist, und eines Widerstandes,
der mit dem Pegel positiven Potentials verbunden ist, wobei
das Gate des Transistors mit einem MOS-Logikelement
verbunden ist und wobei der Knoten zwischen dem Transistor und
dem Widerstand mit einem bipolaren Logikelement verbunden
ist.
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Zusammefassung der Erfindung
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Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, eine
Signalpegel-Umsetzerschaltung zur Verwendung in
BiCMOS-Schaltungen zu schaffen, wobei diese Umsetzerschaltung die oben
beschriebenen Probleme bekannter Schaltungen nicht
aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung
einer Signalpegel-Umsetzerschaltung zur Verwendung in
BiCMOS-Schaltungen, wobei die Umsetzerschaltung einen
einfachen Aufbau aufweist, mit geringem Leistungsverbrauch
arbeitet und aus einer relativ kleinen Anzahl von
Schaltungselementen zusammengesetzt ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung
einer Signalpegel-Umsetzerschaltung zur Verwendung in
Bi-CMOS-Schaltungen, wobei die Umsetzerschaltung aus einem
einzigen Transistor ohne Konstantstromquelle
zusammengesetzt ist.
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Die oben genannten und weitere Aufgaben der Erfindung
werden erfindungsgemäß durch eine integrierte
Halbleiterschaltung gelöst mit einer positiven Spannungsleitung, einer
negativen Spannungsleitung, einer Massenleitung, einer ersten
Schaltung, die zwischen die Masseleitung und entweder die
positive Spannungsleitung oder die negative
Spannungsleitung geschaltet ist, so daß sie durch eine
Spannungsdifferenz
zwischen der Masseleitung und der positiven
Spannungsleitung bzw. der negativen Spannugsleitung betrieben wird,
einer zweiten Schaltung, die zwischen Massenleitung und die
andere der positiven Spannungsleitung und der negativen
Spannungsleitung geschaltet ist, so daß sie durch die
Spannungsdifferenz zwischen der Massenleitung und der anderen
der positiven Spannungsleitung und der negativen
Spannungsleitung betrieben wird, und einer
Signalpegel-Umsetzerschaltung einschließlich eines MOS-Transistors mit einem
Gate, das mit dem Ausgang der ersten Schaltung verbunden
ist, und einem Drain, das mit dem Eingang der zweiten
Schaltung verbunden ist, wobei das Drain des Transistors
über einen Widerstand mit der Massenleitung verbunden ist,
wobei die Source des Transistors mit der anderen der
positiven Spannungsleitung und der negativen Spannungsleitung
verbunden ist, wobei der Transistor eine Quellspannung
aufweist, deren Absolutwert größer ist als der Absolutwert
einer Spannungsdifferenz zwischen der Massenleitung und der
anderen der positiven Spannungsleitung und der negativen
Spannungsleitung, so daß ein Signal, das am Ausgang der
ersten Schaltung erscheint und dessen Potential zwischen dem
Potential auf der Massenleitung und dem auf der einen
positiven Spannungsleitung oder negativen Spannungsleitung
variiert, in ein Signal gewandelt wird, dessen Potential
zwischen dem Potential auf der Massenleitung und dem auf der
anderen der positiven Spannungsleitung und der negativen
Spannungsleitung variiert.
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Vorzugsweise hat der MOS-Transistor eine Schwellspannung,
deren Absolutwert im wesentlichen gleich der Summe des
Absolutwertes der Spannungsdifferenz zwischen der
Massenleitung und der anderen der positiven Spannungsleitung und der
negativen Spannungsleitung und dem Absolutwert einer
Schwellspannung der ersten Schaltung liegt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltung aus
einer ECL-Schaltung zusammengesetzt, die zwischen die
Massenleitung und die negative Spannungsleitung geschaltet
ist, so daß sie durch die Spannungsdifferenz zwischen der
Massenleitung und der negativen Spannungsleitung getrieben
wird, und wobei die zweite Schaltung aus einer
TTL-Schaltung zusammengesetzt ist, die zwischen die Massenleitung
und die positive Spannungsleitung geschaltet ist, so daß
sie durch die Spannungsdifferenz zwischen der Massenleitung
und der positiven Spannungsleitung betrieben wird, und
wobei der MOS-Transistor ein P-Kanal-Transistor ist, dessen
Source mit der positiven Spannungsleitung verbunden ist,
wobei der MOS-Transistor eine Schwellspannung aufweist,
deren Absolutwert größer ist als der Absolutwert der
Spannungsdifferenz zwischen der Massenleitung und der positiven
Spannungsleitung, so daß ein Ausgangssignal der
ECL-Schaltung, dessen Potential sich zwischen der Massenleitung und
der negativen Spannungsleitung ändert, in ein Signal
geändert wird, dessen Potential sich zwischen der Massenleitung
und der positiven Spannungsleitung ändert.
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Desweiteren besitzt der P-Kanal-MOS-Transistor eine
Schwellspannung, deren Absolutwert im wesentlichen gleich
der Summe des Absolutwertes der Spannungsdifferenz zwischen
der Massenleitung und der positiven Spannungsleitung und
dem Absolutwert der Schwellspannung der ECL-Schaltung ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste
Schaltung eine TTL-Schaltung, die zwischen Masseleitung und
die positive Spannungsleitung geschaltet ist, so daß sie
durch eine Spannungsdifferenz zwischen der Masseleitung und
der positiven Spannungsleitung betrieben wird, und die
zweite Schaltung ist eine ECL-Schaltung, die zwischen die
Masseleitung und die negative Spannungsleitung geschaltet
ist, so daß sie durch eine Spannungsdifferenz zwischen der
Masseleitung und der negativen Spannungsleitung betrieben
wird, wobei der MOS-Transistor vom n-Kanal-Typ ist, dessen
Source mit der negativen Spannungsleitung verbunden ist,
und der n-Kanal-Transistor eine Schwellspannung aufweist,
deren Absolutwert größer ist als der Absolutwert der
Spannungsdifferenz zwischen der Masseleitung und der negativen
Spannungsleitung, so daß ein Ausgangssignal der
TTL-Schaltung, dessen Potential sich zwischen der Masseleitung und
der positiven Spannungsleitung ändert, in ein Signal
gewandelt wird, dessen Potential sich zwischen der Masseleitung
und der negativen Spannungsleitung ändert.
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Desweiteren hat der n-Kanal-MOS-Transistor eine
Schwellspannung, deren Wert im wesentlichen gleich der Summe des
Absolutwertes der Spannungsdifferenz zwischen der
Massenleitung und der negativen Spannungsleitung und dem
Absolutwert der Schwellspannung der TTL-Schaltung ist.
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Die obengenannten und andere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf
die beigefügten Zeichnungen deutlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Schaltungsblockdiagramm einer bekannten
Signalpegel-Umsetzschaltung für den Gebrauch in
BiCMOS-Schaltungen;
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Fig. 2 ist ein Blockschaltungsdiagramm einer
Ausführungsform der Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß der Erfindung
zum Gebrauch der BiCMOS-Schaltungen; und
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Fig. 3 ist ein der Fig. 2 ähnliches Diagramm, zeigt aber
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß der Erfindung zum Gebrauch in
BiCMOS-Schaltungen.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltungsdiagramm einer bekannten
Signalpegel-Umsetzschaltung zur Verwendung in
BiCMOS-Schaltungen. Die dargestellte BiCMOS-Schaltung umfaßt eine ECL-
Schaltung 10, die zwischen eine negative
Spannungsversorgung VEE und Masse GND geschaltet ist, und eine
TTL-Schaltung 12, die zwischen eine positive Spannungsversorgung VCC
und Masse GND geschaltet ist. Eine
Signalpegel-Umsetzschaltung 14, die zwischen die ECL-Schaltung 10 und die TTL-
Schaltung 12 geschaltet ist, umfaßt eine
Differenzschaltung, die einen ersten Bipolartransistor 16 aufweist, der
mit seiner Basis mit dem Ausgang der ECL-Schaltung 10
verbunden ist, und einen zweiten Bipolartransistor 18, dessen
Basis zum Empfang einer Bezugsspannung VR geschaltet ist.
Die jeweiliegen Emitter dieser Transistoren 16 und 18 sind
gemeinsam miteinander verbunden und ferner über eine
Konstantstromquelle 20 mit der negativen Spannungsversorgung
VEE. Desweiteren sind die Kollektoren der Transistoren 16
und 18 über Widerstände 20 und 24 mit der positiven
Spannungsversorgung VCC verbunden. Der jeweilige
Verbindungsknoten zwischen dem Kollektor eines Transistors und dem
entsprechenden Widerstand ist mit einem Paar von Eingängen
der TTL-Schaltung 12 verbunden.
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Durch Vorgabe der Bezugs spannung VR, die diesselbe ist wie
die Schwellspannung der ECL-Schaltung 10, wird bei der
obenbeschriebenen Anordnung das Ausgangssignal der ECL-
Schaltung 10, das zwischen Massepegel GND und negativer
Spannung VEE variiert, in ein Signal gewandelt, das sich
zwischen der positiven Spannung VCC und Massepegel GND
ändert.
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Bei dieser Signalpegel-Umsetzschaltung 14 fließt jedoch ein
Strom von einigen wenigen Milliampere fortgesetzt in die
Differenzschaltung, die zwischen die positive
Spannungsversorgung VCC und die negative Spannungsversorgung VEE
geschaltet ist. Mit anderen Worten, falls die positive
Versorgungsspannung VCC + 5,0V beträgt und die negative
Versorgungsspannung VEE - 4,5 V beträgt, fließt der
elektrische Strom von einigen wenigen Milliampere unausweichlich
über eine Potentialdifferenz von etwa 10V. Dies ist ein
wesentlicher Verbrauch elektrischer Leistung in der bekannten
Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß Fig. 1. Desweiteren
benötigt die Differenzschaltung ein Paar Transistoren 16 und
18, und ein Lastwiderstand (22 oder 24) ist für jeden im
Paar der Transistoren erforderlich. Desweiteren ist die
Konstantstromquelle 20 der Differenzschaltung zugeordnet.
Aufgrunddessen benötigt die Signalpegel-Umsetzschaltung 14
eine hohe Anzahl von Schaltungselementen, die
dementsprechend viel Chipfläche besetzen.
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Fig. 2 zeigt ein Blockschaltungsdiagramm einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Signalpegel-Umsetzschaltung zur
Verwendung in BiCMOS-Schaltungen. Die dargestellte BiCMOS-
Schaltung umfaßt eine ECL-Schaltung 30, die zwischen eine
negative Spannungsversorgung VEE und Masse GND geschaltet
ist, und eine TTL-Schaltung 32, die zwischen eine positive
Versorgungsspannung VCC und Masse GND geschaltet ist. Für
die Signalpegelumsetzung zwischen der ECL-Schaltung 30 und
der TTL-Schaltung 32 ist ein p-Kanal-MOS-Transistor 34 mit
seinem Gate mit dem Ausgang der ECL-Schaltung 30 und mit
seiner Source mit der positiven Spannungsversorgung VCC
verbunden. Das Drain des Transistors 34 ist über einen
Widerstand 36 mit Masse GND verbunden, und ein
Verbindungsknoten "A" zwischen dem Drain des Transistors 34 und dem
Widerstand 36 ist mit dem Eingang der TTL-Schaltung 32
verbunden. Auf diese Weise bilder der Transistor 34 und der
Widerstand 36 eine Signalpegel-Umsetzschaltung.
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Ist der P-Kanal-MOS-Transistor 34 so ausgelegt, daß er eine
Schwellspannung VTP aufweist, deren Absolutwert VTP im
wesentlichen gleich der Summe des Absolutwertes VCC
der
positiven Spannung VCC und des Absloutwertes der
Schwellspannung VT.ECL der ECL-Schaltung 30 ist (oder einer
Schwellspannung VT.DIC einer BiCMOS-Schaltung mit einem
logischen Ausgang, der zwischen Masse GND und der negativen
Versorgungsspannung VEE variiert, für den Fall, daß die
BiCMOS-Schaltung zwischen Masse GND und die negative
Spannungsversorgung VEE anstatt der ECL-Schaltung 30 geschaltet
ist). Insbesondere gilt
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VTP VCC + VT.ECL
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Wenn beispielsweise VCC = 5V und VT.ECL = -1,3V, VTP =
-6, 3V.
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Falls ferner VCC = 5V und VT.BIC = -2,6V, VTP = -7,6V.
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Wenn nun die ECL-Schaltung 30 ein Signal mit niedrigem
Pegel "L" ausgibt, wird der P-Kanal-MOS-Transistor 34 in den
Einschaltzustand gebracht. Aufgrunddessen wird der Knoten
"A" auf einen Pegel nahe der positiven Spannung VCC
angehoben, und dementsprechend wird ein Signal mit hohem Pegel
"H" der TTL-Schaltung 32 eingegeben.
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Wenn andererseits die ECL-Schaltung 30 ein Signal mit hohem
Pegel "H" ausgibt, wird der P-Kanal-MOS-Transistor 34 in
einen Ausschaltzustand gebracht. Aufgrunddessen wird der
Knoten "A" auf einen niedrigen Pegel nach der Spannung von
Masse GND herabgezogen, und dementsprechend wird ein Signal
mit niedrigem Pegel "L" der TTL-Schaltung 32 eingegeben.
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Wie sich aus dem Obigen ergibt, erfolgt der einzige
Stromverbrauch in der Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß Fig. 2
aufgrund eines Stroms, der durch den P-Kanal-MOS-Transistor
34 nur dann fließt, wenn er im Einschaltzustand ist.
Insbesondere ist kein bedingungslos fließender Strom in der
Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß Fig. 2 vorhanden. In diesem
Punkt zeigt die Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß Fig. 2
einen geringen Leistungsverbrauch verglichen mit dem der
bekannten Schaltung gemäß Fig. 1. Desweiteren ist der Strom
im Einschaltzustand des P-Kanal-MCS-Transistors 34 in der
Größenordnung von einigen wenigen 100 Mikroampere.
Dementsprechend ist der Leistungsverbrauch der
Signalpegel-Umsetzschaltung im Vergleich mit dem der bekannten Schaltung
gemäß Fig. 1 deutlich vermindert.
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Fig. 3 zeigt ein Blockschaltungsdiagramm einer weiteren
Ausführungsform der Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß der
Erfindung für BiCMOS-Schaltungen. Die dargestellte BiCMOS-
Schaltung umfaßt eine TTL-Schaltung 40, die zwischen eine
positive Versorgungsspannung VCC und Masse GND geschaltet
ist, und eine ECL-Schaltung 42, die zwischen eine negative
Versorgungsspannung VEE und Masse GND geschaltet ist. Zur
Signalpegelumsetzung zwischen der TTL-Schaltung 40 und der
ECL-Schaltung 42 ist ein n-Kanal-MOS-Transistor 44 mit
seinem Gate mit einem Ausgang der TTL-Schaltung 40 und mit
seinem Source mit der negativen Versorgungsspannung VEE
verbunden. Das Drain des Transistors 44 ist über einen
Widerstand 46 mit Masse GND verbunden, und ein
Verbindungsknoten "B" zwischen dem Drain des Transistors 44 und dem
Widerstand 46 ist mit einem Eingang der ECL-Schaltung 42
verbunden. Auf diese Weise bilden der Transistor 44 und der
Widerstand 46 eine Signalpegel-Umsetzschaltung.
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Bei der oben beschriebenen Schaltung ist der n-Kanal-MOS-
Transistor 44 so ausgelegt, daß er eine Schwellspannung VTN
aufweist, deren Absolutwert VTN im wesentlichen gleich
der Summe des Absolutwertes VEE der negativen Spannung
VEE und dem Absolutwert der Schwellspannung VTTL der TTL-
Schaltung 40 ist (oder einer Schwellspannung VT.BIC einer
BiCMOS-Schaltung mit einem Logikausgang, der zwischen Masse
GND und der positiven Versorgungsspannung VCC variiert, für
den Fall, daß die BiCMOS-Schaltung zwischen Masse GND und
die positive Versorgungsspannung VCC anstatt der
TTL-Schaltung 40 geschaltet ist. Insbesondere gilt
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VTN VEE + VT.TTL
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Falls beispielsweise VEE = -5,2V und VT.TTL = 1,4V, VTN =
6, 6V.
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Desweiteren, falls VEE = -5,2V und VT.BIC = 2,5V, VTP =
7, 7V.
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Falls nun die TTL-Schaltung 40 ein Signal mit hohem Pegel
"H" ausgibt, wird der n-Kanal-MOS-Transistor 44 in den
Einschaltzustand gebracht. Dementsprechend wird der Knoten "B"
auf einen Pegel nahe der negativen Spannung VEE
heruntergezogen, und dementsprechend wird ein Signal mit niedrigem
Pegel "L" der ECL-Schaltung 42 eingegeben.
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Falls andererseits die TTL-Schaltung 40 ein Signal mit
niedrigem Pegel "L" ausgibt, wird der
n-Kanal-MOS-Transistor 44 in einen Ausschaltzustand gebracht. Aufgrunddessen
wird der Knoten "B" auf einen Pegel nahe der Spannung der
Masse GND angehoben, und dementsprechend wird ein Signal
mit hohem Pegel "H" der ECL-Schaltung 42 eingegeben.
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Wie sich aus dem Obigen ergibt, ist die einzige elektrische
Leistung, die in der Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß Fig.
3 verbraucht wird, aufgrund eines Stromes, der durch den n-
Kanal-MOS-Transistor 44 nur dann fließt, wenn er im
Einschaltzustand ist, ähnlich wie bei der Schaltung gemäß Fig.
2. Desweiteren liegt der Strom des n-Kanal-MOS-Transistors
44 in der Größenordnung von einigen wenigen 100
Mikroampere. Aufgrunddessen ist der Leistungsverbrauch der
Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß Fig. 3 im Vergleich mit dem der
bekannten Schaltung gemäß Fig. 1 deutlich vermindert.
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Wie sich aus der obigen Erklärung ergibt, kann die
Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß der Erfindung ein Signalpegel
ohne wesentlichen Leistungsverbrauch effektiv umsetzen und
kann aufgrunddessen in einer integrierten
BiCMOS-Halbleiterschaltung mit niedrigem Leistungsverbrauch verwendet
oder in ihr ausgebildet sein. Desweiteren hat die
Signalpegel-Umsetzschaltung gemäß der Erfindung einen sehr
einfachen Aufbau und besteht aus einer sehr geringen Anzahl von
Schaltungselementen und kann dementsprechend auf einer
kleinen Chipfläche ausgebildet oder zusammengesetzt werden.
Dieses Merkmal ist sehr vorteilhaft zur Erhöhung der
Integrationsdichte der integrierten Schaltung.