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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Transistor-Schwellenspannung
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1, ferner betrifft sie eine Schaltung gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 4.
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Das
Ermitteln der Schwellenspannung findet unterschiedliche Anwendung
auf dem Gebiet der Charakterisierung elektronischer Bauelemente,
der Pegelumsetzung, der absoluten oder relativen Temperaturmessung,
der Temperaturkompensation und der Kompensation von Prozessparametern.
Ein spezifisches Panorama dieses Gebiets findet sich in dem Artikel
von Zhenhua Wang "Automatic
Vt Extractors... and Their Applications", in IEEE Journal of Solid-State Circuits,
Vol. 27 No. 9, Seiten 1277–1285,
September 1992.
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Dieser
Artikel zeigt die Schaltung nach der hier beigefügten 1. Sie enthält zwei
N-Kanal-MOS-Transistoren M1 und M2 gleicher Schwellenspannung und
einen Stromspiegel MC mit einem Eingangsanschluss IM und einem Ausgangsanschluss
OM. Die Sourceanschlüsse
S1 und S2 der Transistoren M1 und M2 sind an einen Masseanschluss
GND angeschlossen, ihre Drainanschlüsse D1 und D2 sind an die Anschlüsse IN bzw.
OM angeschlossen, und ihre Gateanschlüsse G1 und G2 sind an den Eingang
IT bzw. den Ausgang OT angeschlossen. Darüber hinaus sind Gate- und Drainanschlüsse des
Transistors M2 zusammengeschaltet.
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Das
Potential am Ausgang OT ergibt sich durch eine lineare Kombination
des Eingangspotenztials IT und der Schwellenspannung der Transistoren M1
und M2. Dies hängt
nur von geometrischen Parametern ab, allerdings mit der Ausnahme
des Potentials am Eingang IT.
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Auch
hier schlägt
der genannte Artikel wiederum eine Abwandlung der oben angesprochenen Schaltung
vor, gemäß der durch
Auswahl des Verhältnisses
W/L des Transistors M1 entsprechend einem Viertel des Verhältnisses
W/L des Transistor M2 und durch Verbinden des Ausgangs der obigen Schaltung
mit einem Verstärker
der Verstärkung zwei,
am Ausgang ein Potential erzielt wird, welches der Summe des Potentials
am Ausgang IT und der Schwellenspannung der Transistoren M1 und
M2 gleicht.
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Die
angesprochenen Schaltungen haben den Vorteil, dass die Schwellenspannung
frei vom Volumeneffekt ermittelt wird, da der Sourceanschluss des
N-Kanal-Transistors
mit dem Substrat (im Fall des N-Mulden-Prozessors) oder mit der
Prozessmulde (im Fall des P-Mulden-Prozessors) verbunden ist. Andere
Schaltungen erfordern getrennte Mulden, in die die Transistoren
einzuarbeiten sind, die frei von dem Volumeneffekt sein sollen,
oder aber die Beschränkung
der Schwellenwertermittlung auf Transistoren einer einzigen Polarität.
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Eine
zum Stand der Technik gehörige
Lösung
ist offenbart in dem IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.
23 No. 3, June 1988 N.Y., die sich auf eine Stromreferenzschaltung
bezieht.
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Eine
derartige Schaltung enthält
einen ersten und einen zweiten Transistor sowie eine Spannungsquelle,
die zwischen dem Gate des ersten Transistors und dem Gate des zweiten
Transistors liegt.
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Allerdings
kann eine solche Referenzschaltung nicht als Schwellenspannungs-Ermittlungsspannung
eingesetzt werden.
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Zweck
der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer alternativen
Schaltung gegenüber dem
Stand der Technik.
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Erreicht
wird dieser Zweck durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch die Schaltungsmittel mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 4, während
zusätzliche
vorteilhafte Gesichtspunkte der Erfindung in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt
sind.
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Durch
Verwendung einer Spannungsquelle und durch Zusammenschalten der
Steueranschlüsse der
beiden Transistoren über
mindestens die Spannungsquelle und durch Einrichten eines Rückkopplungspfads
zwischen den Steueranschlüssen
und einem der Eingangs-Ausgangs-Anschlüsse des Stromspiegels werden
die gleichen Vorteile wie in der zum Stand der Technik gehörigen Schaltung
erreicht.
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In
vorteilhafter Weise wird durch Schaffung einer geschlossenen Rückkopplungsschleife
(mit einer Verstärkung
von weniger als eins) der Betrieb der Schaltung stabiler.
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Darüber hinaus
ist es am Ausgang der Schaltung erfindungsgemäß möglich, ein Potential zu erreichen,
welches der Summe aus der Schwellenspannung und der Spannungsquellenspannung, multipliziert
mit einer von geometrischen Parametern abhängigen Konstanten, greift.
Der Agent lässt
sich damit gut steuern, je nachdem, ob große oder kleine Werte erwünscht sind.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Schaltungssystem,
welches eine erfindungsgemäße Schaltung
verwendet und beinhaltet für
den unabhängigen
Betrieb und/ oder mit Streuparametern, die die verschiedenen Merkmalen
des Anspruchs 12 aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung wird offenbart durch die nachstehende Beschreibung
in Verbindung mit den begleiteten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm gemäß Stand
der Technik,
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2 eine
erste Schaltung, die das Verständnis
der vorliegenden Erfindung erleichtert,
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3 eine
zweite Schaltung, die das Verständnis
der Erfindung erleichtert,
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4 eine
erste Schaltung gemäß der Erfindung,
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5 eine
zweite Schaltung gemäß der Erfindung,
und
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6 eine
Schwellenwert-Ermittlungsschaltung gemäß der Erfindung in Verbindung
mit einer zweiten Stufe.
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Die
in 2 gezeigte Schaltung enthält N-Kanal-MOS-Transistoren
M1 und M2, die im Wesentlichen die gleiche Schwellenspannung aufweisen,
ferner einen Stromspiegel MC mit einem Eingangsanschluss IM und
einem Ausgangsanschluss OM. Ein Ausgang ist mit OT bezeichnet. Die
Sourceanschlüsse
S1 und S2 der Transistoren M1 und M2 sind mit einem Masseanschluss
GND verbunden, ihre Drainanschlüsse
D1 und D2 sind mit den Anschlüssen
IM bzw. OM verbunden, während
ihre Gateanschlüsse
G1 und G2 an dem positiven bzw. negativen Anschluss einer Spannungsquelle
VG angeschlossen sind. Zusätzlich
sind die Gate-und Drainanschlüsse
des Transistors M2 über
einen Rückkopplungspfad
FP, der aus einer Kurzschlussschaltung besteht, verbunden. Der Ausgang
OT ist mit dem Anschluss G2 verbunden.
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In 2 ist
ebenfalls eine äußerst einfache Implementierung
des Spiegels MC dargestellt. Sie besteht aus zwei P-Kanal-MOS-Transistoren
M3 und M4. Ihre Sourceanschlüsse
sind mit einem Versorgungsspannungsanschluss VDD verbunden, ihre Gateanschlüsse sind
zusammengeschaltet, der Drainanschluss des Transistors M3 liegt
am Anschluss OM des Spiegels MC, und der Drainanschluss sowie der
Gateanschluss des Transistors M4 sind gemeinsam an den Anschluss
IM geschaltet.
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Das
Potential am Ausgang OT ergibt sich aus der Summe der Schwellenspannung
der Transistoren M1 und M2 und der Spannungsquelle VG, multipliziert
mit einer Konstanten, wie folgt:
wobei A die Stromverstärkung zwischen
Eingang und Ausgang des Spiegels MC und K1 und K2 die Verhältnisse
W/L der Transistoren M1 und M2 sind. Diese Konstante hängt nur
von geometrischen Parametern ab und lässt sich folg lich gut beherrschen
und abhängig
von den jeweiligen Erfordernissen sehr groß oder sehr klein gestalten.
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Vorzugsweise
ist diese Schaltung derart bemessen, dass die MOS-Transistoren unter
Sättigungsbedingungen
normal arbeiten können.
Es sei daran erinnert, dass in erster Näherung der Strom eines MOS-Transistors
in Sättigung
nicht von seiner Spannung VDS abhängt.
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Eine
Implementierung der Spannungsquelle VG, die etwas kompliziert ist,
jedoch ein hervorragendes Leistungsverhalten bietet, was die Unabhängigkeit
von der Temperatur und vom Fertigungsprozess angeht, lässt sich
durch Modifizieren der in 5 dargestellten
Schaltung gemäß dem Artikel
von Zhenua Wang "A
CMOS... Analog Multiplier..." in IEEE
Journal of Solid-State Circuits, Vol. 26 No. 9, Seiten 1293–1301, September
1991 erreichen. Wenn in dieser Schaltung der Anschluss VSS auf Masse
gelegt wird, eine der beiden identischen Ausgangsstufen, die eine
schwimmende Spannung VB erzeugen, weggelassen wird, und der negative
Pol des Eingangs VY auf Masse gelegt und der positive Pol auf eine
Konstantpotentialquelle, die auf Masse bezogen ist, angeschlossen
wird, beispielsweise vom "Bandlücken"-Typ, so wird am
Ausgang VB eine konstante Spannung erzielt, die nicht auf Masse
bezogen ist, also masse- oder erdfrei ist.
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3 zeigt
eine Schaltung analog derjenigen nach 2, allerdings
basierend auf zwei Transistoren M5 und M6, wiederum vom MOS-Typ,
jedoch als P-Kanal-Version. In diesem Fall sind die Sourceanschlüsse der
Transistoren an einen Versorgungsspannungsanschluss VDD geschaltet.
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4 zeigt
eine erste Schaltung gemäß der Erfindung,
bei der insbesondere der Pfad FP aus einem Transistor und einem
zwei Anschlüsse
aufweisenden Schaltungselement besteht, während die Spannungsquelle VG
aus den gleichen beiden Elementen unter Hinzufügung einer Stromquelle besteht.
Dargestellt sind verallgemeinert außerdem drei unterschiedliche
Potentialreferenzen, bezeichnet mit P1, P2, und P3.
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Die
Anschlüsse
S1 und S2 sind an das dritte Referenzpotential P3 geschaltet, die
insbesondere mit dem Masseanschluss GND übereinstimmen können. Wenn
dieses Potential nicht mit Massepotential übereinstimmt, wird ein Schwellenwert
ermittelt, der durch den Volumeneffekt beeinflusst ist.
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Die
Schaltung enthält
einen N-Kanal-MOS-Vorspannungstransistor MB, dessen Drainanschluss
DB mit dem zweiten Gateanschluss GB am Anschluss OM verbunden ist,
und dessen Sourceanschluss SB mit dem Anschluss G1 verbunden ist und
ein zwei Anschlüsse
aufweisendes Schaltungselement B1 aufweist, das zwischen den Anschlüssen G1
und G2 liegt, ferner einer Stromquelle IG, die zwischen dem Anschluss
G2 und der ersten Referenzspannung P1, beispielsweise dem Masseanschluss GND
liegt.
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Lässt man
den Gatestrom der Transistoren M1 und M2 außer Betracht, so bewirkt die
Stromquelle IG einen konstanten Stromfluss in dem Transistor MB,
welcher diesen in Sättigung
hält, ferner
in dem zwei Anschlüsse
aufweisendes Schaltungselement B1, was eine konstante Potentialdifferenz
zwischen den Anschlüssen
G1 und G2 bewirkt. Da der Transistor MB in Sättigung gehalten wird, verrasten
sich die Potentiale der Anschlüsse
G2 und D2 gegenseitig.
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Das
zwei Anschlüsse
aufweisende Schaltungselement B1 kann gebildet werden durch einfach einen
Transistor oder durch als Diode geschaltete MOS-Transistoren, echte
Dioden etc.
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Es
kann geschehen, dass diese Schaltung zwei Arbeitspunkte aufweist,
beispielsweise dann, wenn die Spannung an den Anschlüssen des
Elements B1 niedriger als der Schwellenwert ist. In solchen Fällen ist
eine Anfahrschaltung erforderlich, damit die Schaltung nach dem
Startvorgang zu dem gewünschten
Arbeitspunkt gelangt. Dies ist die übliche Praxis bei sich selbst
vorspannenden Schaltungen dieser Art.
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5 zeigt
eine sehr vorteilhafte Variation der Schaltung nach 4,
abgeleitet durch das Vorhandensein eines zweiten zwei Anschlüsse aufweisenden
Schaltungselements B1. Diese Schaltung enthält weiterhin ein zweites, zwei Anschlüsse aufweisendes
Schaltungselement B1 im Wesentlichen identisch mit dem zwei Anschlüsse aufweisenden Schaltungselement
B1, eingefügt
zwischen den Anschluss G2 und die Stromquelle IG. Der Ausgang OT liegt
an dem Knoten, der das zwei zu zwei anschlussaufweisende Schaltungselement
B2 und die Stromquelle IG verbindet.
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Die
Stromquelle IG bewirkt, dass der gleiche Strom sowohl in dem zwei
Anschluss aufweisenden Schaltungselement B1 als auch in dem zwei
Anschlüsse
besitzenden Schaltungselement B2 fließt, und da diese Elemente im
Wesentlichen gleich sind, ergibt sich an ihren Anschlüssen im
Wesentlichen die gleiche Potentialdifferenz. Auf diese Weise befindet sich
am Ausgang ein Potential entsprechend dem Schwellenwert der Transistoren
M1 und M2. Dieser Schwellenwert ist extrem genau, da sich die Effekte der
beiden jeweils zwei Anschluss aufweisenden Schaltungselemente gegenseitig
kompensieren. In einer integrierten Ausführungsform lässt sich
die technologische und geometrische Gleichheit relativ einfach erreichen.
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Die
Schaltung lässt
sich auch in anderer Weise dadurch beschreiben, dass man sagt, sie
enthalte einen Spannungsteiler VD mit einem Zwischenausgang E3,
einem ersten Anschluss E1 und einem zweiten Anschluss E2, und sie
bestehe aus zweiten wesentlichen gleichen, jeweils zwei Anschlüsse aufweisenden
Schaltungselementen B1 und 62, wobei man weiterhin angibt, dass
der Ausgang E3 am Anschluss G2 liegt, der Anschluss D1 an den Anschluss G1
und den Anschluss SB angeschlossen ist, und der Anschluss E2 mit
der Stromquelle IG und dem Ausgang OT verbunden ist.
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Die
beiden je zwei Anschlüsse
aufweisende Schaltungselemente B1 und B2 können auch ungleich sein. In
diesem Fall muss allerdings gelten:
wobei Z1 und Z2 die Impedanzen
der beiden zwei Anschluss aufweisenden Schaltungselemente B1 und
62 sind.
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Die
letzte erfindungsgemäße Schaltung
ist in 6 gezeigt. Sie besteht aus einer Schwellenwert-Ermittlungsschaltung
TE derart, wie sie eben beschrieben wurde, außerdem aus einer Stufe, deren
Eingang mit dem Ausgang OT verbunden ist, und die einen eigenen
Ausgang UT besitzt. Diese Stufe ist identisch mit der Extrahierschaltung
gemäß Stand der
Technik nach 1.
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Sie
enthält
zwei N-Kanal-MOS-Transistoren M7 und M8, die die gleiche Schwellenspannung
haben wie die Transistoren M1 und M2, außerdem einen weiteren Stromspiegel
MC2 mit einem Eingangsanschluss IM2 und einem Ausgangsanschluss
OM2. Ausgestattet ist die Anordnung mit einem Eingag, der mit dem
Ausgang OT verbunden ist, ferner mit einem eigenen Ausgang UT. Die
Sourceanschlüsse
S7 und S8 der Transistoren M7 und M8 sind mit dem Masseanschluss
GND verbunden, ihre Drainanschlüsse
D7 und D8 sind an die Anschlüsse
IM2 bzw. OM2 angeschlossen, ihre Gateanschlüsse G7 und G8 sind mit dem
Eingang OT bzw. dem Ausgang UT verbunden. Darüber hinaus sind Gate- und Drainanschlüsse des Transistors
M8 miteinander verbunden.
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Wenn
die Schaltung nach 2 als Ermittlungsschaltung verwendet
wird, indem z.B. die Verstärkung
des Spiegels MC2 auf annähernd
eins eingestellt wird und mit K7, K8 das Verhältnis W/L für M7 bzw. M8 bezeichnet wird,
so ergibt sich das Potential an dem Ausgang UT durch die Summe der
Schwellenspannung (nur eine für
die vier Transistoren) und der Spannung der Spannungsquelle VG,
multipliziert mit einer neuen Konstanten folgenden Werts:
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Diese
neue Konstante hängt
nur von geometrischen Parametern ab und lässt sich daher steuern und
je nach den Erfordernissen größer oder
kleiner machen als die alte Konstante.
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Natürlich könnte man
ein oder mehrere solche Stufen abhängig vom Wert der gewünschten Konstante
als Kaskade schalten.
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Bei
der obigen Beschreibung wird häufig
auf direkte Verbindungen zwischen verschiedenen Schaltungselementen
Bezug genommen, es ist aber ersichtlich für den Fachmann, dass ziemlich
häufig indirekte
Verbindungen, d.h. über
andere Schaltungselemente, auch als "Verbindungen" bezeichnet werden, ohne dass diese
Einfluss auf den Betrieb der betreffenden Schaltungen haben.
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Die
oben beschriebenen Schaltungen dienen dazu, den Schwellenwert von
N-Kanal-MOS-Transistoren
zu ermitteln. Bestünde
die Notwendigkeit den Schwellenwert von P-Kanal-Transistoren zu
ermitteln, so müssten
duale Schaltungen verwendet werden. Einige Beispiele für die Dualität sind die,
dass die Masseanschlüsse
GND durch Versorgungsspannungsanschlüsse VDD ersetzt werden müssten, die
Versorgungsspannungsanschlüsse VDD
durch Massenanschlüsse
GND ersetzt, die N-Kanal-Transistoren durch P-Kanal-Transistoren
ersetzt und die P-Kanal-Transistoren durch N-Kanal-Transistoren
ersetzt werden müssen
etc. Die Schaltung nach 3 ist beispielsweise (in dem oben
angegebenen Sinn) duale Schaltung der Schaltung nach 2.
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Außerdem ist
es möglich,
anstelle der MOS-Transistoren andere Transistortypen, beispielsweise
BJT-Transistoren zu verwenden. In diesem Fall allerdings ist das
Schwellenwert-Konzept weniger genau und könnte der Spannung entsprechen, die
zwischen Basis und Emitter herrscht.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
lassen sich zurückführen auf
eine Anweisung des methodischen Typs, durch im Wesentlichen aus der
Verwendung einer Schaltung des Typs nach 1 unter
Verwendung einer Spannungsquelle, die zwischen den Gateanschlüssen der
Transistoren M1 und M2 liegt (und nicht auf Masse) besteht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt wird eine geschlossene Rückkopplungsschleife (anstellte
einer offenen Schleife) mit einer Verstärkung von weniger als eins
zur Erzielung von Stabilität
geschaffen.
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Nach
einem noch weiteren Aspekt werden an die beiden Transistoren zwei
unterschiedliche und streng gesteuerte Spannungen gelegt.
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Schließlich findet,
wie oben ausgeführt,
die vorliegende Erfindung vorteilhafte Anwendung in einem Schaltungssystem
für einen
Betrieb unabhängig von
der Temperatur und/ oder der Streuung von Prozessparametern.
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Ein
solches System umfasst:
- a) einen Betriebsschaltungsblock,
- b) mindestens eine Schwellenwert-Ermittlungsschaltung gemäß der obigen
Beschreibung, ausgestattet mit einem Ausgang, und
- c) mindestens ein Vorspannungsnetzwerk, welches mit dem Eingang
an den Ausgang angeschlossen ist, und mit dem Ausgang an den Block angeschlossen
ist, um Vorströme
und/ oder- Spannungen bereitzustellen.
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Der
Zweck eines solchen Vorspannungsnetzwerks besteht in der Erzeugung
eines Vorstroms oder einer Vorspannung, die mit dem Schwellenwert eines
Referenzelements verknüpft
ist. Angenommen, der Schwellenwert habe einen Wert, der von einem physikalischen
Parameter abhängt,
und weiterhin angenommen, der Blockbetrieb weise ebenfalls eine analoge
Abhängigkeit
vom selben Parameter auf, so ist es durch Einwirken auf die Vorströme und/
oder Vorspannungen, die dem Block zugeführt bzw. an ihn angelegt werden,
in Relation zu dem Wert des Schwellenwerts möglich, Schwankungen des Parameters
(entweder zeitlich oder von Bauelement zu Bauelement) zu kompensieren,
um einen konstanten Block-Betrieb zu erreichen.
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Diese
Arten von Vorspannungsnetzwerken sind in der Literatur gut beschrieben,
in jedem Fall liegen sie im Rahmen des Könnens eines Durchschnittsfachmanns.
Ein Beispiel für
eine Spannungsversorgungsschaltung findet sich in dem Artikel von M.
Sasaki und F. Ueno "A
Novel Implementation of Fuzzy Logic Controller Using New Meet Operation", in Proceedings
of THIRD IEEE INTER NATIONAL CONFERENCE ON FUZZY SYSTEMS, Vol. III,
Seiten 1676–1681,
26–29
Juni 1994.
