DE69304722T2

DE69304722T2 - TTL-CMOS-Ausgangsstufe für integrierte Schaltungen

Info

Publication number: DE69304722T2
Application number: DE69304722T
Authority: DE
Inventors: Pierre Hirschauer
Original assignee: Matra MHS SA
Current assignee: Atmel Switzerland SARL
Priority date: 1992-01-20
Filing date: 1993-01-19
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2013-01-20
Also published as: DE69304722D1; FR2686469A1; JPH0661436A; US5361004A; FR2686469B1; EP0553020B1; EP0553020A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine TTL-CMOS-Ausgangsstufe, oder Pufferstufe, für integrierte Schaltungen.
In aktuellen integrierten Schaltungen bleibt das Problem der Verbindung des Zentrums der integrierten Schaltung, welches die Funktion sicherstellt, für die sie ausgelegt worden ist, mit den umgebenden elektronischen Schaltungen ein großes technisches Problem insbesondere aufgrund der Verschiedenheit von Signalstandards in Spannungsamplitude oder Intensität, welche erforderlich sind, um die Übertragung dieser Signale in ausreichenden Bedingungen für diese letzteren sicherzustellen.
Unter den aktuellen Signalstandards sind die Signale mit den Normen TTL (Transistor Transistor Logic) oder CMOS, die am häufigsten gebrauchten. Man erinnert sich, daß in dem Falle von Signalen mit den Normen TTL die Amplitude der Spannung der Signale zwischen 5 V und 2,4 V für das hohe logische Niveau und zwischen 0 V und 0,4 V für das niedrige logische Niveau liegt, wobei eine Intensität von 32 mA geliefert werden kann, wobei im Falle von Signalen mit Normen CMOS die Spannungsamplitude dieser Signale im wesentlichen gleich 5 V für das hohe logische Niveau und 0 V für das niedrige logische Niveau ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine TTL-CMOS- Ausgangsstufe für integrierte Schaltungen zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt, eine Anpassung der logischen Signale, die vom Zentrum einer integrierten Schaltung geliefert werden, an die Standardsignalnormen TTL oder CMOS zu verwirklichen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine TTL-CMOS- Ausgangsstufe für integrierte Schaltungen zur Verfügung zu stellen, die eine elektrische Eingangskapazität in der Größenordnung von 1 pF aufweist.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine TTL-CMOS- Ausgangsstufe mit geringem Lärm zur Verfügung zu stellen.
Die TTL-CMOS-Ausgangsstufe für integrierte Schaltungen nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie einen bipolaren Transistor und einen MOS-Transistor aufweist, die in Serie zwischen einer Speisungsspannung und einer Referenzspannung verbunden sind, wobei der gemeinsame Punkt des bipolaren Transistors und des MOS-Transistors den Ausgangskontakt der TTL-CMOS-Ausgangsstufe bilden. Eine erste Eingangsbahn zur Steuerung ist vorgesehen und weist einen ersten Umkehrer auf, dessen Eingang den Eingangskontakt der TTL-CMOS-Stufe bildet und dessen Ausgang mit dem Gitter des Transistors MOS durch Zwischenschaltung eines ersten Widerstandes verbunden ist.
Eine zweite Eingangsbahn zur Steuerung ist vorgesehen und weist einen zweiten Umkehrer auf, dessen Eingang mit dem Ausgang des ersten Umkehrers verbunden ist und dessen Ausgang mit der Basis des bipolaren Transistors durch Zwischenschaltung eines zweiten Widerstandes verbunden ist. Die Widerstände haben einen derart vorbestimmten Wert, um einerseits den bei der Umschreibung fließenden Strom und andererseits den durch den bipolaren Transistor gelieferten Strom zu begrenzen.
Die erfindungsgemäße TTL-CMOS-Ausgangsstufe findet Anwendung bei der Verwirklichung von integrierten Schaltungen, vor allem bei Pufferschaltungen oder der Anpassung von logischen Signalen, die zwischen dem Zentrum der integrierten Schaltung und dem Gehäuse derselben angeordnet sind.
Eine TTL-CMOS-Ausgangsstufe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist bekannt aus der Druckschrift US-A- 4,717,847.
Eine detailliertere Beschreibung einer erfindungsgemäßen TTL-CMOS-Ausgangsstufe für integrierte Schaltungen wird nachfolgend anhand der Beschreibung und der Zeichnungen gegeben, in denen
- die Fig. 1a ein Funktionsschema einer erfindungsgemäßen TTL-CMOS-Ausgangsstufe ist,
- die Fig. 1b ein Chronogramm von Signalen darstellt, die an verschiedenen charakteristischen Punkten der Fig. 1a erhalten werden,
- die Fig. 2a zeigt eine erfindungsgemäße Ausgangsstufe in einer Ausführungsvariante, die insbesondere bestimmt ist zur Anpassung der logischen Eingangssignale im Niveau TTL,
- die Fig. 2b zeigt ein Chronogramm von Signalen, die in charakteristischen Punkten der Fig. 2a erhalten werden,
- die Fig. 3a zeigt eine erfindungsgemäße Ausgangsstufe in einer ersten Ausführungsvariante, die insbesondere bestimmt ist zur Anpassung der logischen Eingangssignale im Niveau CMOS,
- die Fig. 3b zeigt eine erfindungsgemäße Ausgangsstufe in einer zweiten Ausführungsvariante, die insbesondere bestimmt ist zur Anpassung der logischen Eingangssignale im Niveau CMOS,
- die Fig. 3c zeigt ein Chronogramm von Signalen, die in charakteristischen, identischen Punkten der ersten und zweiten Ausführungsform erhalten werden, welche in den Fig. 3a und 3b dargestellt sind,
- die Fig. 4 zeigt beispielhaft, aber nicht beschränkend eine Art der Verwirklichung und Implementierung von Komponenten, welche es erlauben, die Ausführungsform nach Fig. 3b zu verwenden.
Die erfindungsgemäße TTL-CMOS-Ausgangsstufe für integrierte Schaltungen wird zuerst in Verbindung mit der Fig. 1a beschrieben.
Wie man aus der zitierten Figur ersehen wird, weist die erfindungsgemäße TTL-CMOS-Ausgangsstufe im allgemeinen einen bipolaren Transistor 1 und einen MOS-Transistor 2 auf, die in Serie zwischen einer Speisungsspannung, mit VDD bezeichnet, und einer Referenzspannung, nämlich der Masse, bezeichnet mit VSS, verbunden sind. Für die Serienverbindung des bipolaren Transistors 1 und des MOS- Transistors 2 versteht es sich, daß der Emitter des bipolaren Transistors 1 mit dem Boden des MOS-Transistors 2 verbunden ist. Der gemeinsame Punkt des bipolaren Transistors und des MOS-Transistors bildet den Ausgangskontakt BS der TTL-CMOS-Ausgangsstufe.
Im allgemeinen liegt die Speisungsspannung VDD bei 5V.
Wie man außerdem der Fig. 1a entnehmen kann, weist die erfindungsgemäße TTL-CMOS-Ausgangsstufe eine erste Eingangsbahn zur Steuerung der Umschaltung auf, welche einen ersten Umkehrer 3 aufweist, dessen Eingang den Eingangskontakt BE der TTL-CMOS-Stufe bildet und dessen Ausgang mit dem Gitter des MOS-Transistors 2 durch Zwischenschaltung eines ersten Widerstandes 4 verbunden ist.
Außerdem ist eine zweite Eingangsbahn zur Steuerung der Umschaltung vorgesehen und weist einen zweiten Umkehrer 5 auf, dessen Eingang mit dem Ausgang des ersten Umkehrers 3 verbunden ist und dessen Ausgang mit der Basis des bipolaren Transistors 1 durch Zwischenschaltung eines zweiten Widerstandes 6 verbunden ist. Die Widerstände 4 und 6 haben einen derart vorbestimmten Wert, um einerseits den bei der Umschaltung fließenden Strom und andererseits den durch den bipolaren Transistor 1 gelieferten Strom zu begrenzen.
Ein Chronogramm von in charakteristischen Punkten der erfindungsgemäßen TTL-CMOS-Ausgangsstufe gemäß Fig. 1a erzeugten Signale ist in Fig. 1b dargestellt. Die Eingangssignale sind logische Signale, die vom Zentrum der integrierten Schaltung geliefert werden. Diese logischen Signale haben gewöhnlicherweise ein hohes logisches Niveau, bezeichnet mit 1, und ein niedriges logisches Niveau, bezeichnet mit 0, wobei diese logischen Niveaus Spannungswerten von 5 V bzw. 0 V für eine sehr schwache Intensität in der Größenordnung von einigen mA entsprechen. Die Umkehrer 3 und 5 können durch einen Umkehrer BICMOS bzw. durch einen Umkehrer CMOS verwirklicht werden, was es erlaubt, die Eingangskapazität der TTL-CMOS-Ausgangsstufe auf einen Wert in der Größenordnung von 1 pF zu minimieren.
Man bemerkt, daß die verwendeten CMOS- oder TTL-Operatoren stromabwärts der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe nur einen dynamischen Verbrauch haben. Daraus resultieren bedeutende Stromanforderungen in der Zuspeisung. Die angepaßte Auswahl des Wertes der Widerstände 6 und 4, welche in den Schaltungen der Basis bzw. des Gitters des bipolaren Transistors 1 und des MOS-Transistors 2 angeordnet sind, erlaubt es somit, durch Begrenzung der Steigung des Ausgangssignals TTL-CMOS-Ausgangsstufen mit geringem Lärm zu verwirklichen. In der Tat begrenzt der Widerstand 6 den Basisstrom des bipolaren Transistors 1 und der Widerstand 4 führt einen Faktor mit konstanter Zeitkapazität auf dem Gitter des MOS-Transistors 2 ein. Für schnelle Versionen der TTL-CMOS-Ausgangsstufe, die in Übereinstimmung mit der Erfindung sind, können die Werte der Widerstände 4 und 6 sehr gering oder bei 0 gehalten werden.
Auf dem Ausgangskontakt BS ist das entsprechende erhaltene Signal in Fig. 1b dargestellt, wobei wohlgemerkt dieses Signal etwa den Eingangssignalen entspricht, aber der Strom, welcher von dem Ausgangskontakt BS geliefert wird, Werte in der Größenordnung von 30 mA erreichen kann. Dieser Strom wird wohlgemerkt durch den bipolaren Transistor 1 geliefert.
Unter Berücksichtigung des Standards der TTL-Signale versteht man sicher gut, daß die im Ausgang der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe gelieferten Signale diesem Standard genügen.
Um jedoch die Geschwindigkeit der Umschaltung im Niveau TTL zu steigern, d.h. alles bei Beibehaltung der Kompatibilität mit dem Standard dieser Signale, weist die zweite Eingangsbahn zur Steurung der Umschaltung, wie in Fig. 2a dargestellt, stromabwärts des zweiten Umkehrers 5 eine Diode 7 auf. Diese Diode erlaubt es, den Wert des hohen logischen Niveaus im Ausgang der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe auf den Wert VDD-2Vbe zurückzubringen. Man erinnert sich, daß Vbe den Wert der Spannungs Basis-Emitter des bipolaren Transistors im Leitungszustand darstellt.
In Fig. 2b hat man einerseits die an dem Eingangskontakt BE anliegenden logischen Signale und andererseits die am Ausgangskontakt BS anliegenden Signale dargestellt. Man bemerkt, daß aufgrund der Gegenwart der Diode 7 die Amplitude der Ausgangssignale ungefähr zwischen 0 und 3,2 V liegt, was es erlaubt, einerseits dem Standard der Signale TTL zu genügen und andererseits die Übertragungszeit zwischen dem niedrigen logischen Niveau und dem hohen logischen Niveau zu reduzieren.
Man wird bemerken, daß die Diode entweder durch eine Siliziumdiode oder durch einen anderen bipolaren Transistor mit geringerer Dimension als der bipolare Transistor 1 gebildet werden kann, weil der Basisstrom geringer ist als derjenige des Emitters, und wobei die Basis und der Kollektor kurzgeschlossen sind.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2a erlaubt die Kompatibilität mit dem Standard der Niveaus TTL, einen Strom von 32 mA für das untere logische Niveau unterhalb von 0,4 V zu liefern. Zu diesem Zweck wird ein MOS-Transistor des Typs N beispielsweise, der Transistor 2, implantiert, um das vorzitierte niedrige logische Niveau sicherzustellen, wobei der MOS-Transistor ein großer Transistor ist, um das hohe logische Niveau sicherzustellen, wobei die Diode 7 und der bipolare Transistor 1, beispielsweise ein NPN- Transistor, es erlauben, eine Beschränkung der Wanderung der Spannung für die Geschwindigkeit der gesuchten gewünschten Umschaltung zu erhalten.
Eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen TTL- CMOS-Ausgangsstufe wird in Verbindung mit den Figuren 3a und 3b dargestellt, in dem Fall wo es notwendig ist, die Kompatibilität der Umschaltung im Niveau CMOS sicherzustellen, wie dies in der Beschreibung vorstehend dargestellt ist.
Bei einer ersten entsprechenden Ausführungsform weist eine Ausgangsstufe, wie diese in Fig. 3a dargestellt ist, außerdem einen MOS-Hilfstransistor 8 auf, dessen Bodenelektrode mit der Speisungsspannung VDD verbunden ist und dessen Quellenelektrode mit dem gemeinsamen Punkt des bipolaren Transistors 1 und des MOS-Transistors 2 verbunden ist. Die Gitterelektrode des Hilfstransistors 8 ist dann am Ausgang mit dem ersten Umkehrer 3 verbunden. Der Hilfstransistor 8 erlaubt es, bei Verbindung desselben im Ausgangspunkt der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe den Wert der Speisungsspannung VDD aufzuzwingen.
Man bemerkt, daß bei der Ausführungsform nach Fig. 3a diese im wesentlichen der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe nach Fig. 1a entspricht, wobei der Hilfstransistor hinzugefügt worden ist.
Jedoch ist die Ausführungsform nach Fig. 3a nicht beschränkend und wohlgemerkt kann der Hilfstransistor 8 gleichermaßen der Ausführungsform nach Fig. 2a hinzugefügt werden, um die Kompatibilität der Umschaltung im Niveau CMOS sicherzustellen.
In diesem Falle, so wie dies in Fig. 3b dargestellt ist, ist der MOS-Hilfstransistor auf diesselbe Weise wie im Falle der Fig. 3a angeschlossen. Im Falle der Fig. 3b jedoch soll der MOS-Hilfstransistor 8 aufgrund der Gegenwart der Diode 7 eine Nachstellung der wichtigeren Spannung sicherstellen, weil in diesem Falle der Ausgangskontakt BS, der ja normalerweise mit einem Potential VDD- 2Vbe aufgrund der Gegenwart der Diode 7 gespeist wird, auf den Wert der Speisungsspannung VDD durch den MOS- Transistor 8 in Leitung zurückgeführt wird, von wo eine wichtigere Nachstellung der Spannung durch diesen letzteren bewirkt wird.
In Fig. 3c hat man ein Chronogramm der Signale dargestellt, die am Eingang gegenwärtig sind, nämlich logische Signale auf dem Eingangskontakt BE bzw. die Ausgangssignale im Niveau CMOS zwischen den Spannungswerten 0 V und 5 V.
Bei den in Bezug auf die Fig. 1a, 2a und 3a nicht beschränkend dargestellten Ausführungsformen ist der bipolare Transistor 1 ein Transistor des Typs NPN, wobei der MOS-Transistor 2 ein Transistor des Typs NMOS ist. Der MOS-Hilfstransistor 8 ist dann ein komplementärer Transistor des Typs PMOS.
Eine detailliertere Beschreibung im Hinblick auf die für die Ausführung der erfindungsgemäßen TTL-CMOS-Ausgangsstufe verwendeten Bestandteile wird mit Bezug auf die Fig. 4 gegeben.
Im allgemeinen wird man feststellen, daß die Umkehrer 3 und 5 durch Umkehrer des Typs BICMOS bzw. CMOS realisiert werden können. Für eine genauere Beschreibung der jeweiligen Qualitäten des Typs des Umkehrers kann man sich auf den Artikel "La technologie BICMOS" beziehen, der in der Revue TLE No. 544 im Mai 1989 durch Pierre Hirschauer veröffentlicht worden ist.
Wie außerdem in Fig. 4 dargestellt, in welcher die Funktionselemente der Fig. 1a, 2a und 3a dargestellt sind, kann die erfindungsgemäße TTL-CMOS-Ausgangsstufe Hilfstransistoren zur Umschaltung aufweisen, die mit 11, 12 und 13 bezeichnet sind und es erlauben, die Steuerung zur Umschaltung des bipolaren Transistors 1 und des MOS-Transistors 2 vorwegzunehmen. Man bemerkt, daß die Hilfstransistoren zur Umschaltung vorteilhaft von Transistoren des Typs MOS gebildet sind und daß diese Transistoren, welche jeweils in Umschaltung zwischen der Basis des bipolaren Transistors 1, nämlich die Hilfstransistoren 11 und 13, und zwischen dem Gitter des MOS-Transistors 2 und der Referenzspannung VSS angeordnet sind, es erlauben, im wesentlichen die Umschaltung des bipolaren Transistors 1 und des MOS-Transistors 2 in der Umschaltungszeit der Umkehrer vorwegzunehmen, wobei die Hilfstransistoren 12 und 13 durch das logische Eingangssignal gesteuert werden, und zwar vor der Umschaltung des Umkehrers 3, und wobei der Transistor 11 durch die Eingangsspannung des Umkehrers 5 oder durch die Spannung gesteuert wird, welche auf das Gitter des MOS-Transistors 2 angewendet wird. Man bemerkt schließlich, daß im Hinblick auf den MOS-Hilfstransistor 8, der die Umschaltung im Niveau CMOS erlaubt, dieser durch einen oder zwei Transistoren in Kaskadenschaltung ohne Nachteile verwirklicht werden kann.
Man bemerkt schließlich, daß die Umkehrer 3 und 5 gleichermaßen von Umkehrern mit drei Zuständen des klassischen Typs gebildet werden können.
Man hat so eine TTL-CMOS-Ausgangsstufe beschrieben, welche insbesondere vorteilhaft in dem Maße ist, wo die Verwendung einer geringen Modifikation, die Gegenwart oder Abwesenheit des Hilfstransistors zur Umschaltung, die Kompatibilität der erzeugten Ausgangssignale entweder im Niveau TTL oder im Niveau CMOS gesichert werden kann.

Claims

1. TTL-CMOS-Ausgangsstufe für integrierte Schaltungen mit:

- einem bipolaren Transistor (1) und einem MOS-Transistor (2), die in Serie zwischen einer Speisungsspannung (VDD) und einer Referenzspannung (VSS) verbunden sind, wobei der gemeinsame Punkt dieses bipolaren Transistors und des MOS-Transistors den Ausgangskontakt (BS) dieser TTL-CMOS- Ausgangsstufe bilden,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie außerdem aufweist:

- eine erste Eingangsbahn zur Steuerung der Umschaltung mit einem ersten Umkehrer (3), dessen Eingang den Eingangskontakt (BE) der TTL-CMOS-Stufe bildet und dessen Ausgang mit dem Gitter des Transistors MOS (2) durch Zwischenschaltung eines ersten Widerstandes (4) verbunden ist,

- eine zweite Eingangsbahn zur Steuerung der Umschaltung mit einem zweiten Umkehrer (5), dessen Eingang mit dem Ausgang des ersten Umkehrers (3) verbunden ist und dessen Ausgang mit der Basis des bipolaren Transistors (1) durch Zwischenschaltung eines zweiten Widerstands (6) verbunden ist, wobei die Widerstände einen derart vorbestimmten Wert haben, um einerseits den bei der Umschaltung fließenden Strom und andererseits den durch den bipolaren Transistor (1) gelieferten Strom zu begrenzen.

2. Ausgangsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (3) und der zweite (5) Umkehrer jeweils von einem Umkehrer BICMOS bzw. einem Umkehrer CMOS gebildet sind.

3. Ausgangsstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Schnelligkeit der Umschaltung im Niveau TTL die zweite Eingangsbahn zur Steuerung der Umschaltung stromabwärts des zweiten Umkehrers (5) eine Diode (7) aufweist, die es erlaubt, den Wert des hohen logischen Niveaus am Ausgang der Ausgangsstufe auf den Wert VDD-2Vbe zurückzuführen, wobei Vbe den Wert der Spannung Basis-Emitter des bipolaren Transistors (1) des Stufenleiters darstellt.

4. Ausgangsstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (7) von einem anderen bipolaren Transistor gebildet ist, der identisch zum bipolaren Transistor (1) ist, dessen Basis und Kollektor im Kurzschluß verbunden sind.

5. Ausgangsstufe nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherstellung der Kompatibilität der Umschaltung im Niveau CMOS diese außerdem einen Hilfstransistor MOS (8) aufweist, dessen Bodenelektrode mit der Speisespannung VDD verbunden ist, wobei die Elektrode der Quelle mit dem gemeinsamen Punkt des bipolaren Transistors (1) und des Transistors MOS (2) verbunden ist, und dessen Gitterelektrode mit dem Ausgang des ersten Umkehrers (3) verbunden ist, was es erlaubt, während der Inleitungsetzung des Hilfstransistors (8) dem Ausgangspunkt der Ausgangsstufe den Wert der Speisespannung aufzuerlegen.

6. Ausgangsstufe nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bipolare Transistor (1) ein Transistor NPN ist, wobei der Transistor MOS (2) ein Transistor NMOS ist.

7. Ausgangsstufe nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstransistor MOS (8) ein Transistor PMOS ist.

8. Ausgangsstufe nach Anspruch 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese außerdem Hilfstransistoren zur Umschaltung (11,12,13) aufweist, die es erlauben, die Umschaltungssteuerung des bipolaren Transistors (1) und des Transistors MOS (2) vorauszusehen.