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Die Erfindung betrifft eine Schnittstellenschaltung zum Treiben der
Eingangsstufe elektronischer Bauelemente, die monolithisch auf einem
Halbleiter in MOS/COMS-Technologie integriert sind.
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Diese Bauelemente können durch verschiedene logische Strukturen
implementiert werden, beispielsweise einen Schmitt-Trigger, ein
NOR- oder NAND-Logikgatter oder einen Negator.
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All diese Bauelemente empfangen ein Eingangssignal, welches an ein
dünnes Gate Oxid gelegt wird.
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Um die Leistungsfähigkeit integrierter Bauelemente zu steigern,
insbesondere bezüglich ihrer Größe, ihrer Leistungsaufnahme und ihrer
Arbeitsgeschwindigkeit, werden bekanntlich zunehmend höher
entwickelte Technologien eingesetzt, bei denen eine Verringerung der
horizontalen und vertikalen Abmessungen der integrierten
Halbleiterbauelemente einhergeht mit einer Verringerung der für diese
Bauelemente vorgesehenen Versorgungsspannungen.
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Insbesondere können herabgesetzte Versorgungsspannungen und mithin
herabgesetzte Amplituden der betroffenen Signale das elektrische
Leistungsvermögen der oben erwähnten Bauelemente steigern. In der Tat
führt eine solche Verringerung sowohl zu weniger Verlustleistung als
auch zu schnelleren Übergängen zwischen den logischen Zuständen.
Niedrigere Versorgungsspannungen ermöglichen auch die Lösung von
Problemen, die mit dem Aspekt der Zuverlässigkeit in Verbindung
stehen. Das Vorhandensein elektrischer Felder innerhalb integrierter
Bauelemente aufgrund von Spannungen, die für die verfügbaren
Geometrien möglicherweise zu hoch sind, können Ursache sein für
abnormale Verlustleistungen sowie Stromverluste und Durchbrüche des
Transistor-Gateoxids.
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Diese unvermeidlichen Umstände führen zu einer verkürzten Nutz-
Lebensdauer des integrierten Bauelements.
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Aus den obigen Betrachtungen ersieht man, daß jeglicher
Integrationsprozeß von Entwurfsregeln abhängt, die sowohl die
Bemessungs- als auch die elektrischen Beschränkungen festlegen.
Insbesondere setzen Entwurfsregeln Grenzen nicht nur für den Schritt
des Bauelements-Wachstums, sondern ebenso hinsichtlich des
Anwendungsgebiets.
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Ferner können die hier in Rede stehenden integrierten Bauelemente
möglicherweise nicht in einem Anwendungs-Kontext verwendet werden,
welcher technologisch gesehen homogen ist.
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Dies betrifft die Verbindung von Bauelementen, die mit
unterschiedlichen Spannungen gespeist werden, so daß bezüglich der
Schnittstellen dieser Bauelemente zahlreiche schwerwiegende Probleme
entstehen.
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Ein Beispiel für eines dieser Probleme ist folgendes: eine Eingangsstufe
eines integrierten Bauelements muß mit Signalen größerer Amplituden
angesteuert werden, als es der für dieses Bauelement maßgeblichen
Grenzspannung entspricht.
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Dies kann umfangreiche Schäden insbesondere deshalb hervorrufen, weil
der hohe Wert der Spannungen zwischen dem Gate und dem Drain-
Anschluß oder zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluß der
MOS- und COMS-Transistoren des Bauelements vorhanden ist.
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Um diesen Nachteil zu verrneiden, wurden Schnittstellenschaltungen
eingesetzt, die auf dem gleichen Chip integriert sind wie das Bauelement
selbst.
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Die Schaffung solcher Schaltungen ermöglicht die Verrneidung einer
direkten Verbindung zwischen den Bauelementen, die von Signalen
unterschiedlicher Amplituden angesteuert werden, und dies ist tatsächlich
ein Durchbrechen der elektrischen Beschränkungen, die durch die
verringerte Dicke des Gate-Oxids vorgegeben sind.
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Allgemein sollte darauf hingewiesen werden, daß die Hauptmerkmale
einer guten Schnittstellenschaltung folgende sind:
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- ihr sollte die gleiche Spannung wie dem integrierten Haupt-
Bauelement zugeführt werden;
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- sie sollte sicher die Zuführung von Eingangssignalen mit einer
größeren Amplitude als der Versorgungsspannung aufnehmen;
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- die zwischen Gate- und Source-Anschlüssen sowie Gate- und Drain-
Anschlüssen der Transistoren in der Schaltung vorhandene
Potentialdifferenz sollte niemals die durch die Entwurfsregeln
festgesetzte Grenze überschreiten, welche gerade oberhalb der
höchsten Versorgungsspannung für das integrierte Bauelement liegt;
und
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- sie sollte in der Lage sein, an den Eingang des angeschlossenen
Bauelements ein Signal mit zwischen hohem und niedrigem Pegel
variierender Amplitude zu übertragen, um die Bauelement-
Ruheverlustleistung zu minimieren, wenn nicht zu eliminieren.
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Eine im Stand der Technik verwendete Schnittstellenschaltung ist in Fig.
1 dargestellt.
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Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, besitzt die allgemein mit 1
bezeichnete Schaltung einen Eingangsanschluß IN und einen
Ausgangsanschluß OUT, zwischen denen ein erster Transistor M1,
beispielsweise ein N-Kanal-MOS-Transistor geschaltet ist, der einen
ersten und einen zweiten Anschluß sowie einen Steueranschluß besitzt.
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Insbesondere sind der erste und der zweite Anschluß des Transistors M1
dem Eingangsanschluß IN bzw. dem Ausgangsanschluß OUT der
Schnittstellenschaltung 1 zugeordnet.
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Der Steueranschluß des Transistors M1 ist an einen
Versorgungsspannungspol Vdd angeschlossen.
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Die Schnittstellenschaltung 1 arbeitet wie folgt:
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Der Transistor M1 ist dauernd leitend, weil sein Steueranschluß an die
Versorgungsspannung Vdd angeschlossen ist, wobei Vdd beispielsweise
3V beträgt.
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Dies führt dazu, daß die Spannung an dem zweiten und dem
Steueranschluß des Transistors M2 stets einen Wert in der Nähe der
Schwellenspannung VT des Transistors besitzt.
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Bei einem N-Kanal-MOS-Transistor beträgt diese Spannung
typischerweise etwa 1V.
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Wenn also beispielsweise an den Eingangsanschluß IN der
Schnittstellenschaltung 1 eine Spannungswellenform Vin mit einer
Amplitude von 0 bis 5V belegt wird, schwankt die Spannung Vout am
Ausgangsanschluß OUT der Schaltung 1 zwischen 0V und einem Wert,
der annähernd Vdd -VT entspricht, d.h. etwa 2V bei einer
Versorgungsspannung Vdd = 3V und der Schwellenspannung VT im
Bereich von 1V.
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Wenn nun der Ausgangsanschluß OUT der Schnittstellenschaltung 1 an
den Eingangsanschluß einer Logikschaltung 2 gelegt wird, beispielsweise
eines Negators, dessen hoher Pegel mit dem Wert der
Versorgungsspannung Vdd, hier 3V, übereinstimmt, wird, da die
Spannung am Ausgangsanschluß OUT der Schnittstellenschaltung 1 etwa
2V beträgt, der Negator niemals als Eingangsgröße einen ausreichend
hohen Pegel empfangen, durch den sein ordnungsgemäßes Arbeiten
gewährleistet ist.
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Aus diesem Grund ist gemäß den Fig. 2, 3 und 4 das dynamische
Ausgangsverhalten der Logikschaltung 2, wie sie sich bei verschiedenen
Werten der Versorgungsspannung Vdd darstellt, sehr langsam.
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Weiterhin kann man unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3 und 4 sehen,
daß außerdem durch die Logikschaltung 2 ein unerwünschter Strom
(Ruheversorgungsstrom) fließt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Schnittstellenschaltung für auf einem Halbleiter in MOS/COMS-
Technologie monolithisch integrierte elektronische Bauelemente
anzugeben, die jegliche Logikstrukturen mit einem Signal größerer
Amplitude ansteuern können, als es der höchsten Betriebsspannung
entspricht, die für die spezifischen Merkmale der Festigkeit und
Zuverlässigkeit des Gate-Oxids gegeben sind, während die Merkmale der
elektrischen Leistungsfähigkeit der Struktur erhalten bleiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Schnittstellenschaltung für
elektronische Bauelemente, die auf einem Halbleiter in MOS/COMS-
Technologie monolithisch integriert sind, wie sie im Anspruch 1
angegeben ist.
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Die Merkmale und Vorteile einer Schaltung gemäß der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung, die als nicht beschränkend zu verstehendes Beispiel unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen zu lesen ist.
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig 1 ein Diagramm einer zum Stand der Technik gehörigen
Schnittstellenschaltung;
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Fig. 2, 3 und 4 das für unterschiedliche Werte der
Versorgungsspannung, abgeschätzte Muster der Spannung Vout und
Vout'am Ausgang der Schnittstellenschaltung nach Fig. 1 bzw. am
Ausgang einer daran angeschlossenen Logikschaltung;
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Fig. 5 ein Diagramm einer erfindungsgemäßen Schnittstellenschaltung;
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Fig.6, 7 und 8 das für unterschiedliche Werte der Versorgungsspannung
abgeschätzte Muster, der Spannungen Vout und Vout' am Ausgang der
Schnittstellenschaltung nach Fig. 5 und am Ausgang einer daran
angeschlossenen Logikschaltung.
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Bezugnehmend auf die Zeichnungsfiguren ist allgemein und schematisch
bei 1 eine Schnittstellenschaltung für elektronische Bauelemente
dargestellt, die in MOS/COMS-Technologie monolithisch auf einem
Halbleitermaterial integriert sind, wobei die Schnittstellenschaltung
einem Eingangsanschluß IN und einen Ausgangsanschluß OUT enthält.
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Zwischen diesen beiden Anschlüssen befindet sich ein erster Transistor
M1, beispielsweise ein N-Kanal-MOS-Transistor mit einem ersten und
einem zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß
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Der erste und der zweite Anschluß des Transistors M1 sind dem
Eingang IN bzw. dem Ausgangsanschluß OUT der
Schnittstellenschaltung 1 zugeordnet, während ein Steueranschluß an
einen Versorgungsspannungspol Vdd angeschlossen ist.
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Wie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält die Schnittstellenschaltung 1 in
vorteilhafter Weise außerdem einen zweiten Tranistor M2, der ein N-
Kanal-MOS-Transistor mit einem ersten und einem zweiten Anschluß
sowie einem Steueranschluß sein kann.
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Der erste und der zweite Anschluß des Transistors M2 sind mit dem
Versorgungsspannungspol Vdd bzw. dem Ausgangsanschluß OUT der
Schnittstellenschaltung 1 verbunden, während sein Steueranschluß mit
dem Eingangsanschluß IN der Schnittstellenschaltung 1 gekoppelt jst.
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Ebenfalls bezugnehmend auf Fig. 5 ist der Ausgangsanschluß OUT der
Schnittstellenschaltung 1 mit einem Eingangsanschluß einer
Logikschaltung 2, beispielsweise einem Negator, verbunden.
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Die Logikschaltung 2 besitzt einen hohen Pegel, der übereinstimmt mit
der Versorgungsspannung Vdd, z.B. Vdd = 3V, sowie einen niedrigen
Pegel, der mit einem Spannungswert übereinstimmt, der mit Vss
bezeichnet ist, z.B. Vss = 0V.
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Die Schnittstellenschaltung arbeitet folgendermaßen:
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Wenn der Eingangsanschluß IN der Schnittstellenschaltung 1 z.B. eine
Spannungswellenform Vin mit einer Amplitude im Bereich von 0V bis
5V empfängt, leistet nur der Transistor M1 einen Beitrag zu dem Wert
der Spannung Vout am Ausgangsanschluß OUT der
Schnittstellenschaltung 1 innerhalb eines Segments, welches von 0V bis
zu einem entsprechenden Wert von annähernd Vdd -Vd, d.h. etwa 2V
reicht, wobei Vdd = 3V die Versorgungsspannung und VT die
Schwellenspannung des Transistors M1 ist, bei dem es sich um einen N-
Kanal-MOS-Transistor handelt, der typischerweise einen Schwellenwert
von etwa 1V besitzt.
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Damit hat der Transistor M1 im Grunde genommen die Funktion, an
den Ausgangsanschluß OUT der Schnittstellenschaltung 1 den niedrigen
Pegel der Eingangsspannung Vin zu transferieren, in diesem Fall 0V
übereinstimmend mit dem niedrigen Pegel Vss der Logikschaltung 1.
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Der Transistor N2 wiederum, der mit seinem Steueranschluß an den
Eingangsanschluß IN der Schnittstellenschaltung 1 angeschlossen ist,
wird leitend, wenn die Eingangsspannung Vin sich dem hohen Pegel
nähert.
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Da dieser Pegel typischerweise viel höher ist als der Wert Vdd +VT
mit VT als Schwellenspannung des Transistors M2, erhält die Spannung
Vout am Ausgangsanschluß OUT der Schnittstellenschaltung 1 den Wert
Vdd als asymptotischen Wert. Deshalb füngiert der Transistor M1 so,
daß er an den Ausgangsanschluß OUT der Schnittstellenschaltung 1 den
Wert Vdd transferiert, der mit dem hohen Pegel der Logikschaltung 2
übereinstimmt.
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Wie in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigt ist, übersteigt die Ausgangsspannung
Vout, die flir unterschiedliche Werte der Versorgungsspannung Vdd
berechnet wurde, niemals die vorgenannten Werte, so daß die korrekten
Betriebsbedingungen für die Logikschaltung 2 eingehalten werden.
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Außerdem sieht man anhand der Fig. 6, 7 und 8, daß durch Betrieb bei
korrekten Betriebsbedingungen die Logikschaltung 2 keinen festen Strom
mehr zieht.
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Außerdem werden die Transistoren M1 und M2 in ihrem korrekten
Arbeitsbereich betrieben, vorausgesetzt natürlich, daß der entsprechende
Wert Vinmax - Vddmin niemals die Beschädigungsspannung für das
Gate Oxid übersteigt, die in der Nähe von Vddmax liegt.