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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein
das Gebiet integrierter Halbleiterschaltungen und insbesondere als
integrierte Schaltungen ausgeführter
Analogschalter.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Integrierte Halbleiterschaltungen
(ICs) können
so ausgelegt werden, daß sie
als Schalter funktionieren. Insbesondere gehören das Schalten digitaler
Logiken und das Schalten linearer Signale zu den wichtigsten Anwendungen,
bei denen Feldeffekttransistor-Schaltungen (FET-Schaltungen) verwendet werden.
Eine übliche
Verwendung von MOSFETs besteht in einer Verwendung als Analogschalter.
Ein idealer Analogschalter verhält
sich wie ein mechanischer Schalter. Im "Einschaltzustand" läßt der Analogschalter
ein Signal zur Last durch, während
der Schalter im "Ausschaltzustand" als ein offener
Stromkreis wirkt. Analogschalter werden bei zahlreichen Anwendungen,
beispielsweise bei Hochgeschwindigkeitsschaltern (z. B. MOS-Speicher),
linearen Schaltvorrichtungen, anwendungsspezifischen Produkten (z.
B. Multiplexer) und Analog-Digital-Wandlern, verwendet.
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Ein Entwurfsproblem bei bestehenden
Analogschaltern besteht darin, daß ihr Dynamikbereich durch
den Betrag der Versorgungsspannungen der ICs begrenzt ist. Falls
mit anderen Worten der Betrag der von der Vorrichtung geschalteten
oder "durchgelassenen" Spannung den Betrag
der Versorgungsspannung (üblicherweise
als "Versorgungsschienen" oder Vdd bezeichnet) übersteigt,
treten erhebliche Substrat/Wannen-Vorspannungen (beispielsweise für die P-FETs)
auf, und es werden Substrat/Wannen-Injektionsströme in den IC eingeführt, wodurch die
Geschwindigkeit, Linearität
und Gesamtleistungsfähigkeit
des Schalters erheblich verringert werden.
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Bei den existierenden Analogschalterentwürfen werden
typischerweise sehr komplexe Wannenschaltschemata verwendet, um
den Dynamikbereich der Vorrichtungen zu vergrößern. Andere existierende Analogschalter
sind dafür
ausgelegt, Analogsignale zu handhaben, welche die Versorgungsschiene übersteigen,
jedoch für
nur eine "Seite" des Schalters arbeiten.
Diese Vorrichtungen sind jedoch für bestimmte Anwendungen nicht
verwendbar, bei denen die zu schaltenden analogen Spannungen von
zahlreichen verschiedenen Quellen eingegeben werden, wie es beispielsweise
bei einer Signalmultiplexieranwendung der Fall ist. Typischerweise
vergrößern die vorstehend
beschriebenen Entwürfe
die Komplexität und
die Kosten der Analogschalter-ICs, vergrößern ihren Dynamikbereich nicht
erheblich und können manchmal
für bestimmte
Anwendungen einfach nicht verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demgemäß besteht in der integrierte
Halbleiterschaltungen herstellenden Industrie ein Bedarf an einem
verhältnismäßig einfachen
Hochspannungs-Analogschalter
mit einem vergrößerten Dynamikbereich.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die den durch Substratvorspannungen
hervorgerufenen Fluß von
Injektionsströmen
in dem Analogschalter blockiert. Diese Vorspannungen werden wiederum
durch Eingangssignalspannungen hervorgerufen, welche die Versorgungsschienen
erreichen oder übersteigen.
Ein Paar von Transistoren, die den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen
wie die schaltenden Transistoren, wird Rücken an Rücken in Reihe geschaltet und über den Schalttransistor
des Analogschalters nebengeschlossen. Diese Nebenschlußtransistoren
bewirken das Blockieren des Fließens der den schaltenden Transistoren
zugeordneten Injektionsströme.
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Ein wichtiger technischer Vorteil
der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch das Blockieren des
Fließens
durch hohe Eingangssignalspannungen hervorgerufener Injektionsströme der Dynamikbereich,
die Geschwindigkeit und die Leistungsfähigkeit des Analogschalters
erheblich verbessert werden. Ein weiterer wichtiger technischer
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch
den Prozeß des
Hinzufügens
von Nebenschlußtransistoren
zur integrierten Schaltung die technische Gesamtkomplexität der Vorrichtung
nicht vergrößert wird.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß der
Analogschalter durch eine einzige logische Eingabe gesteuert werden
kann. Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden
Erfindung besteht darin, daß jede
Analogschalter-Schaltung zur Verwendung als eine "Einfügungs"-Standardzelle für viele
Anwendungen hergestellt werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Für
ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgende
Beschreibung in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung Bezug
genommen. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schaltplan eines gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebauten Hochspannungs-Analogschalters und
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2 einen
schematischen Schaltplan, der eine Verwendung von zweien der in 1 dargestellten Analogschalter "EESWITCH" in einer als Beispiel dienenden
Schaltanwendung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile lassen sich am besten
anhand der 1 und 2 der Zeichnung verstehen,
wobei gleiche Bezugszahlen für
gleiche und entsprechende Teile der verschiedenen Zeichnungsbestandteile
verwendet werden.
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1 ist
ein schematischer Schaltplan eines gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebauten Hochspannungs-Analogschalters.
Der Hochspannungs-Analogschalter ("EESWITCH") weist ein Transistoren (vorzugsweise
MPaar von OSFETs) M1 und M2 auf, die parallel über Kreuz geschaltet sind,
wodurch ein "Pol" des Schalters gebildet
ist. Vorzugsweise wird der in 1 dargestellte
Analogschalter auf einem einzigen IC-Chip hergestellt. Die Erfindung
soll jedoch nicht auf einen einzigen IC beschränkt sein. Die Source-Anschlüsse und
die "hinteren Gate-Anschlüsse" der Transistoren
M1 und M2 sind miteinander verbunden. Der Drain-Anschluß des Transistors M1
ist mit dem "vorderen
Gate-Anschluß" des Transistors
M2 und dem Drain-Anschluß des
Transistors M3 verbunden. Der Source-Anschluß des Transistors M3 ist mit
der "Schaltungsmasse" verbunden. Der Gate-Anschluß des Transistors
M3 ist mit einem Eingang eines Inverters INV1 und einer Schaltersteuerleitung
CTLB verbunden. Eine Analogspannung (V1), die durch den Schalter
zu schalten oder "durchzulassen" ist, ist mit dem
Source-Anschluß und
dem "hinteren Gate-Anschluß" des Transistors
M1 verbunden. Das Signal an der Schaltersteuerleitung CTLB liegt
entweder auf einem "hohen" Logikwert oder einem "niedrigen" Logikwert.
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Die Source-Anschlüsse und die "hinteren Gate-Anschlüsse" der Transistoren
M1, M2 und M5 sind alle miteinander verbunden. Der Drain-Anschluß des Transistors
M2 ist mit dem "vorderen
Gate-Anschluß" des Transistors
M1, dem Drain-Anschluß des Transistors
M4 und dem "vorderen
Gate-Anschluß" des Transistors
M5 verbunden. Der Gate-Anschluß des
Transistors M4 ist mit dem Ausgang des Inverters INV1 verbunden.
Der Drain-Anschluß des
Transistors M4 ist mit der "Schaltungsmasse" verbunden. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform sind
die Transistoren M1, M2 und M5 als P-Vorrichtungen dargestellt,
und die Transistoren M3 und M4 sind N-Vorrichtungen. Die Erfindung
soll jedoch nicht darauf beschränkt
sein, und der Leitfähigkeitstyp
der Vorrichtungen könnte
bei einer anderen Ausführungsform,
beispielsweise für
n-Substrate, entgegengesetzt
sein. Beispielsweise könnten
die Transistoren M1, M2 und M5 N-Vorrichtungen sein, während die
Transistoren M3 und M4 P-Vorrichtungen
sein könnten.
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Der Source-Anschluß und der "hintere Gate-Anschluß" des Transistors
M5 sind auch mit dem Drain-Anschluß des "Schalttransistors" M7 verbunden. Wenngleich der "Schalttransistor" M7 in 1 als eine NMOS-Vorrichtung dargestellt
ist, könnte
sein Leitfähigkeitstyp
auch umgekehrt werden, um Strom in entgegengesetzter Richtung (in 1 von rechts nach links),
beispielsweise unter Verwendung eines n-Substrats, "durchzulassen". Der Gate-Anschluß des "Schalttransistors" M7 ist mit dem Ausgang
des Inverters INV1 verbunden. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren M5 und
M6 sind miteinander verbunden. Der Drain-Anschluß des "Schalttransistors" M7 ist mit den Drain-Anschlüssen und "hinteren Gate-Anschlüssen" der Transistoren M6,
M8 und M9 verbunden. Eine zweite vom Schalter zu schaltende oder "durchzulassende" Analogspannung (V2)
ist mit dem Drain-Anschluß und
dem "hinteren Gate-Anschluß" des Transistors
M9 gekoppelt. Der "vordere
Gate-Anschluß" des Transistors
M6 ist mit den Drain-Anschlüssen
der Transistoren M8 und M10 und dem "vorderen Gate-Anschluß" des Transistors M9 verbunden. Der Gate-Anschluß des Transistors
M10 ist mit dem Ausgang des Inverters INV1 verbunden, und der Source-Anschluß des Transistors
M10 ist mit der "Schaltungsmasse" verbunden. Die Transistoren
M8 und M9 sind unter Bildung des zweiten "Pols" des
Analogschalters über
Kreuz geschaltet. Der Drain-Anschluß des Transistors M9 ist mit
dem "vorderen Gate-Anschluß" des Transistors M8
und dem Drain-Anschluß des Transistors
M11 verbunden. Der Gate-Anschluß des
Transistors M11 ist mit der Eingangssteuerleitung CTLB und dem Eingang
des Inverters INV1 verbunden. Der Source-Anschluß des Transistors M11 ist mit
der "Schaltungsmasse" verbunden. Ähnlich den
Leitfähigkeitstypen der
vorstehend beschriebenen Transistoren M1 – M5 und M7 könnten die
Leitfähigkeitstypen
der P-Vorrichtungen M6, M8 und M9 und der N-Vorrichtungen M10 und
M11, die in 1 dargestellt
sind, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung beispielsweise für
n-Substrate entgegengesetzt sein.
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Beim Betrieb wird die Schaltfunktion
des in 1 dargestellten
Hochspannungs-Analogschalters durch den Logikpegel ("hoch" oder "niedrig") des Steuersignals
CTLB gesteuert. Das Steuersignal CTLB kann beispielsweise ein Bit
eines Bytes oder Digitalworts sein. Falls das Steuersignal CTLB "hoch" ist, werden die
Transistoren M3 und M11 durchgeschaltet. Das invertierte Steuersignal
CTLBB ist dann "niedrig", wodurch die Transistoren
M4 und M10 und der "Schalttransistor" M7 gesperrt werden.
Die Spannungen an den Schaltungspunkten N1 und N2 gehen "auf den niedrigen
Pegel". Weil die
Transistoren M4 und M10 gesperrt sind, sind die Transistoren M5
und M6 gesperrt.
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Wenn das Steuersignal CTLB jedoch "auf dem niedrigen
Pegel" liegt, sind
die Transistoren M3 und M11 gesperrt. Das invertierte Steuersignal CTLBB
liegt nun "auf dem
hohen Pegel", wodurch
die Transistoren M4 und M10 und der "Schalttransistor" M7 durchgeschaltet sind. Die Spannungen
an den Schaltungspunkten N3 und N4 liegen nun "auf dem niedrigen Pegel", wodurch die Transistoren
M1 und M9 sowie M5 und M6 durchgeschaltet sind. Folglich kann ein
Strom durch den "Schalttransistor" M7 fließen (von
rechts nach links in 1),
und es kann auch ein Strom über
einen parallelen Weg durch die Transistoren M5 und M6 fließen. Wenn
das Steuersignal CTLB gemäß dieser
Ausführungsform "auf dem niedrigen
Pegel" liegt, wird
das Signal V1 vom Transistor M7 "durchgelassen" und als eine Ausgangsspannung
mit der mit V2 bezeichneten Verbindung gekoppelt. Wenn das Steuersignal
CTLB umgekehrt "auf
dem hohen Pegel" liegt,
ist der vorliegende Analogschalter ausgeschaltet, und der Transistor
M7 läßt kein
Signal durch. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin,
daß ein
paralleler Stromweg durch die Transistoren M5 und M6 bereitgestellt
wird, welche in einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration
angeordnet sind. Gemäß dieser
Ausführungsform
wirken diese P-leitenden MOS-/Diffusionsvorrichtungen als Dioden,
wodurch Injektionsströme
blockiert werden, welche durch die Substratvorspannung hervorgerufen werden,
die den schaltenden P-Kanal-Transistoren M1, M2 sowie M8, M9 zugeordnet
ist. Diese Injektionsströme
werden durch die Vorspannungen erzeugt, die an den Elementen auftreten,
die im wesentlichen an den PN-Übergängen in
den schaltenden P-Kanal-Transistoren gebildete "Parasitärdioden" sind. Folglich sind diese "Dioden" (M5 und M6) dafür konfiguriert,
einen Stromfluß nur
in einer Richtung entgegengesetzt zum Injektionsstrom fließen zu lassen,
welcher versucht, durch die vorstehend beschriebenen "Parasitärdioden" zu fließen, was
bewirkt, daß die
den schaltenden P-Kanal-Transistoren zugeordneten
Injektionsströme
blockiert werden. Diese Blockier funktion der Transistoren M5 und
M6 verhindert auf diese Weise, daß die Injektionsströme den "Schalttransistor" M7 nebenschließen. Daher kann
der vorliegende Analogschalter vorteilhafterweise Signalspannungen
linear "durchlassen", welche sehr nahe
bei null Volt liegen oder die Versorgungsschienen übersteigen,
indem das Fließen
von durch Substratvorspannungen hervorgerufenen Injektionsströmen blockiert
wird und dadurch der Dynamikbereich des vorliegenden Analogschalters
gegenüber
bestehenden Vorrichtungen erheblich verbessert wird.
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2 ist
ein schematischer Schaltplan, in dem eine Verwendung von zweien
der in 1 dargestellten
Analogschalter "EESWITCH" in einer als Beispiel
dienenden Schaltanwendung dargestellt ist. Wie in 2 dargestellt ist, ist eine erste zu
schaltende Spannung an den Eingangsanschluß V1 des vorliegenden Analogschalters
SW1 angelegt. Eine zweite zu schaltende Spannung ist an den Eingangsanschluß V2 des
Analogschalters SW2 angelegt. Die Ausgänge der Schalter SW1 und SW2
sind am Anschluß VPRE
miteinander verbunden. Der Schalter SW1, der entsprechend dem in 1 dargestellten und mit
Bezug auf 1 beschriebenen
vorliegenden Analogschalter arbeitet, ist immer dann eingeschaltet,
wenn das Steuersignal CTL1B "auf
dem niedrigen Pegel" liegt,
und der Schalter SW2 ist immer dann eingeschaltet, wenn das Steuersignal CTL2B "auf dem niedrigen
Pegel" liegt. Immer
dann, wenn der Schalter SW1 eingeschaltet ist, wird die Spannung
am Anschluß V1
durch den jeweiligen Transistor M7 "durchgelassen" und an den Anschluß VPRE angelegt. Immer dann,
wenn der Schalter SW2 eingeschaltet ist, wird die Spannung am Anschluß V2 durch
den jeweiligen Transistor M7 "durchgelassen" und an VPRE angelegt.
Falls die Steuersignale CTL1B und CTL2B beispielsweise verschiedene
Bits in einem Byte oder einem Wort sind, ist die spezifische Spannung
bei VPRE durch das Vorhandensein eines "hohen" dieser Bits im Steuersignal für einen
der Analogschalter bestimmt. Unter Erweiterung dieses Konzepts kann
die in 2 dargestellte Schaltanordnung
beispielsweise in einem Signalmultiplexer verwendet werden, in dem
jede an einen Ausgang des Multiplexers zu schaltende ankommende
Spannung an einen Eingang eines jeweiligen Analogschalters angelegt
wird. Falls beispielsweise Signale von acht verschiedenen Quellen
zu multiplexen sind, können
die acht Signale an die jeweiligen Eingänge von acht der in 1 dargestellten Analogschalter
angelegt werden. Die Ausgangsanschlüsse VPRE (2) würden
miteinander verbunden werden. Die Schaltfunktion von jedem der acht
Analogschalter könnte
durch ein jeweiliges Steuersignal CTLB gesteuert werden. Gemäß den Lehren
der Erfindung würde
jeder der acht Analogschalter durch Substrat/Wannen-Injektionsströme hervorgerufene Probleme
verhindern, und der Dynamikbereich jedes Schalters (und die Gesamtleistungsfähigkeit
des Multiplexers) würde
dadurch verbessert werden. Weiterhin könnte jeder Schalter gemäß der Erfindung vorteilhaft
durch eine einzige logische Eingabe gesteuert werden, wodurch die
Komplexität
dieser Vorrichtungen verringert wird. Überdies können zusätzliche Schalter hergestellt
und als "Einfügungs"-Standardzellen für komplexere
Schalt- oder Multiplexieranwendungen hinzugefügt werden. Weiterhin können sogar
viel höhere
Signalspannungen (beispielsweise bis zu 60 V Spitze) geschaltet
werden, wenn gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Hochspannungstransistoren, wie beispielsweise
DE-NMOS-, DE-PMOS- oder LDMOS-Vorrichtungen,
verwendet werden.