-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine asymmetrische Verriegelungsschaltung und eine vollkommen statische,
wenig Energie verbrauchende Schmelzsicherungsschaltung mit einer
solchen Verriegelungsschaltung.
-
Es ist bekannt, dass eine statische
RAM-Zelle oder irgendein Element eines Registers, das in Mikroprozessoren
implementiert werden kann, eine geeignete Voreinstellungsschaltung
benötigt,
wenn das Bauelement eingeschaltet wird. Deshalb muss ein statisches
RAM einen vorhersehbaren anfänglichen Speicherstatus
einnehmen, den man durch eine Vorspeicherinformation in den einzelnen
Zellen erhält, die
den RAM-Speicher bilden.
-
Während
der Herstellung wird jede Zelle so voreingestellt, dass sie eine
binäre
Null oder Eins repräsentiert,
so dass während
des Betriebes der Zustand der Zelle schalten kann, um binäre Informationen
zu speichern.
-
Wie bereits erwähnt, um eine binäre Information
in den RAM-Zellen vorzuspeichern, ist es notwendig, eine geeignete
Voreinstellungsschaltung zu haben, was den Nachteil hat, dass die
Größe der Schaltung
wächst.
-
Anstelle von nichtflüchtigen
Speichern der EPROM-, EEPROM- und FLASH-Art ist es bekannt, Schmelzsicherungen
zu verwenden, um Ereignisse zu speichern und programmierbare Konfigurationen vorzusehen.
In Redundanzschaltungen werden die Schmelzsicherungen verwendet,
um die Adresse der Speicherleitung zu speichern, die durch die Redundanzschaltung
ersetzt wird.
-
Statische Schmelzsicherungen werden
außerdem
zur Konfiguration von integrierten Schaltungen in nicht flüchtiger
Weise verwendet, in denen sie Schalteigenschaften annehmen können.
-
Eine andere Anwendung kann in der
Programmierung von Verzögerungen
und Sprüngen
in nichtflüchtiger
Weise bestehen. Ein Nachteil von bekannten Schmelzsicherungen besteht
darin, dass sie relativ kompliziert sind und einen beträchtlichen
Abschnitt von Silizium auf dem integriertem Chip aufgrund der Anzahl
der verwendeten Komponenten einnehmen.
-
Ein weiterer Nachteil besteht darin,
dass die Schmelzsicherungen gegen zufälliges Programmieren, bekannt
als „soft-writing", in einer komplizierten Wiese
geschützt
sind.
-
Wenn außerdem die Schmelzsicherung noch
zu programmieren ist, d. h. sozusagen wenn sie sich noch im „jungfräulichen" Zustand befindet,
hat sie einen beträchtlichen
Verbrauch. Dieser Verbrauch, der sich durch die Anzahl der in einer
integrierten Schaltung vorgesehenen Schmelzsicherungen multipliziert,
ist nicht vernachlässigbar.
-
Die EP-A-0 650 257 offenbart eine
asymmetrische Verriegelungsschaltung mit über Kreuz geschalteten CMOS-Invertern.
Die Asymmetrie wird durch Einstellung der W/L-Verhältnisse
der einzelnen FETs erreicht. Kondensatoren sind vorgesehen, um die
Knoten-Kapazität
zu erhöhen.
Dieses Verschieben der Größen der
p-Kanal-Transistoren und n-Kanal-Transistoren verändert den
logischen Schwellwert eines CMOS-Inverters, vgl.
JP 57 010 533 in Patent Abstracts
of Japan oder US-A 4 703 201.
-
Gemäß dem Buch von P. R. Gray und
R. G. Mayer „Analysis
and Design of Analog Integrated Circuits", dritte Auflage, J. Wiley & Sons, New York,
Chichester, Brisbane, Toronto, Singapor, 1993, auf den Seiten 62
und 63, besitzt jeder FET eine eigene Schwellwertspannung, die gewöhnlich bei
der Verarbeitung durch Implantation von zusätzlichen Störstellen in den Kanalbereich
eingestellt wird.
-
Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine asymmetrische Verriegelungsschaltung zu schaffen,
die als ein Element verwendet werden kann, das bei eingeschalteter
Spannung automatisch in einen definierten Zustand voreingestellt
werden kann, und eine vollständig
statische, wenig Energie verbrauchende Schmelzsicherungsschaltung
mit einer solchen Verriegelungsschaltung zu schaffen.
-
In Anbetracht dieses Ziels ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vollkommen statische,
wenig Energie aufweisende Schmelzsicherungsschaltung zu schaffen,
die die asymmetrische Verriegelungsschaltung aufweist und in struktureller Hinsicht
einfacher als die bekannten Schmelzsicherungsschaltungen ist.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine vollkommen statische, wenig Energie verbrauchende
Schmelzsicherungsschaltung zu schaffen, die eine geringere Anzahl
von Komponenten als bekannte Schmelzsicherungsschaltungen erfordert.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine vollkommen statische, wenig Energie verbrauchende
Schmelzsicherungsschaltung mit einem einzigen programmierbaren Element
zu schaffen.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine vollkommen statische, wenig Energie verbrauchende
Schmelzsicherungsschaltung zu schaffen, die gegen zufälliges Programmieren,
als „soft-writing" bekannt, geschützt ist.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine vollkommen statische, wenig Energie verbrauchende
Schmelzsicherungsschaltung zu schaffen, die für die Durchführung von
statischem Lesen geeignet ist.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine vollkommen statische, wenig Energie verbrauchende
Schmelzsicherungsschaltung zu schaffen, die keine besonderen Leseschaltungen
erfordert.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine vollkommen statische, wenig Energie verbrauchende
Schmelzsicherungsschaltung zu schaf fen, die frei von Verbrauch ist,
nachdem der Entscheidungsschritt stattgefunden hat.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine vollkommen statische, wenig Energie verbrauchende
Schmelzsicherungsschaltung zu schaffen, die Steuerungsschaltungen
vermeidet.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine asymmetrische Verriegelungsschaltung und
eine vollkommen statische, wenig Energie verbrauchende Schmelzsicherungsschaltung
mit einer solchen Verriegelungsschaltung zu schaffen, welche sehr
zuverlässig
und relativ einfach herzustellen sind, und zwar zu konkurrenzfähigen Kosten.
-
Dieses Ziel, diese Aufgaben und weiteres, was
nachfolgend deutlich wird, werden durch eine Verriegelungsschaltung
gemäß Anspruch
1 erreicht.
-
Die Eigenschaften und Vorteile der
Erfindung werden aus der Beschreibung eines bevorzugten, jedoch
nicht ausschließlichen
Ausführungsbeispiels deutlich,
die auf nicht beschränkende
Weise in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt ist, wobei
-
1 ein
Schaltbild der asymmetrischen Verriegelungsschaltung gemäß der Erfindung
ist;
-
2 ein
Schaltbild einer ersten Ausführung der
Schmelzsicherungsschaltung mit der in 1 gezeigten
asymmetrischen Verriegelungsschaltung ist;
-
3 ein
Schaltbild einer zweiten Ausführung
der Schmelzsicherungsschaltung mit der in 1 gezeigten asymmetrischen Verriegelungsschaltung
ist.
-
Unter Bezugnahme auf 1 weist die Verriegelungsschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung einen ersten Transistor 2 der P-Kanal-Art mit
einem hohem Schwellwert in Bereich von 1,7 V auf. Der Drain des
Transistors 2 ist an eine Versorgungsspannung VDD angeschlossen, während die Source an den Drain
eines zweiten Transistors 3 der N-Kanal-Art mit einem geringen
Schwellwert (im Bereich von 0,3 V) angeschlossen ist. Die Source
des zweiten Transistors 3 ist an Masse GND angeschlossen.
-
Die Verriegelungsschaltung 1 weist
ferner einen dritten Transistor 4 der P-Kanal-LVS(Light Voltage Shift)-Corrected-Threshold-Art
mit einem durchschnittlichen Schwellwert im Bereich von 0,9 V auf. Der
Drain-Anschluss des dritten Transistors 4 ist an die Versorgungsspannung
VDD angeschlossen, während der Source-Anschluss
an einen vierten Transistor 5 der N-Kanal-LVS-Art mit einem
korrigierten Schwellwert (typischerweise 0,8 V, höher als
der entsprechende Transistor 3) angeschlossen ist. Der Source-Anschluss
des vierten Transistors 5 ist gegen Masse geschaltet.
-
Ein erster Knoten 6 ist
auf der Leitung vorgesehen, die den ersten Transistor 2 und
den zweiten Transistor 3 verbindet, und an die Gates des
dritten Transistors 4 und des vierten Transistors 5 angeschlossen.
In ähnlicher
Weise ist auf der Leitung, die den dritten Transistor 4 und
den vierten Transistor 5 miteinander verbindet, ein zweiter
Knoten 7 vorgesehen, der an die Gates des ersten Transistor 2 und
des zweiten Transistors 3 angeschlossen ist.
-
Auf diese Weise bilden die ersten
vier Transistoren 2 bis 5 eine klassische Latch-Struktur,
die aufgrund der verschiedenen Schwellwerte bewusst asymmetrisch
ist, so dass nach Einschalten der Versorgungsspannung VDD der
erste Knoten 6 gegen den Massewert GND tendiert, während der
zweite Knoten 7 gegen den Wert der Versorgungsspannung VDD tendiert.
-
Um den Betrieb der Latch-Struktur
zu erleichtern, ist ferner ein erster Kondensator 12 vorgesehen,
der zwischen den ersten Knoten 6 und der Masse GND geschaltet
ist. Der erste Kondensator ist in vorteilhafter Weise im N-Diffusionsbereich
vorgesehen.
-
Ein zweiter Kondensator 13 ist
ebenfalls vorgesehen, und zwar in vorteilhafter Weise im P-Diffusionsbereich,
und zwischen dem zweiten Knoten 7 und der Vorsorgungsspannung
VDD geschaltet.
-
2 ist
ein Schaltbild einer ersten Ausführung
der zuvor beschriebenen Verriegelungsschaltung und einer vollkommen
statischen Schmelzsicherungsschaltung.
-
Ein zurücklaufender Zweig ist mit dem
zweiten Knoten 7 der Verriegelungsschaltung 1 verbunden
und besteht aus einem fünften
Kaskaden-Transistor 8 der N-Kanal-Art mit einem niedrigen
Schwellwert (im Bereich von 0,3 V), der in Reihe mit dem Drain-Anschluss
eines sechsten Dual-Gate-Transistors 9 der nicht flüchtigen
N-Kanal-Art geschaltet ist. Der Transistor 8 ist nicht
unentbehrlich für
den Betrieb der Schaltung, hat jedoch den Zweck, die Spannung am
Drain des Transistors 9 einzustellen. Der sechste Transistor 9 besitzt
einen hohen Schwellwert (etwa 2,1 V) und wirkt als Schmelzsicherung
für die Schaltung,
d. h. ist sozusagen programmierbar. Der andere Anschluss (Source-Anschluss)
des nichtflüchtigen
Transistors 9 ist gegen Masse geschaltet.
-
Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 8 und 9 sind
mit der Versorgungsspannung VDD verbunden. Wenn
auf diese Weise die Versorgungsspannung VDD den
Schwellwert des nichtflüchtigen
Transistors 9 erreicht, werden die Transistoren 8 und 9 eingeschaltet
und wird der zweite Knoten 7 mit der Masse GND verbunden,
während
der erste Knoten 6 aufgrund der Latch-Struktur mit der
Versorgungsspannung VDD verbunden wird.
-
Der nichtflüchtige Transistor 9 ist
in Reihe mit einem programmierbaren Zweig geschaltet, der von einem
LVS-N-Kanal-Transistor 11 mit einem durchschnittlichen
Schwellwert im Bereich von 0,8 V gebildet wird. Dieser Transistor 11,
der in geeigneter Weise vorgespannt ist, wirkt als Stromquelle während der Programmierung.
-
Der Betrieb der Verriegelungsschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist wie folgt.
-
Wenn die Versorgungsspannung eingeschaltet
ist, neigt der erste Knoten 6 der Verriegelungsschaltung 1 dazu,
auf dem Wert der Masse GND zu bleiben, da der einen niedrigen Schwellwert aufweisende
Transistor 3 zu leiten beginnt, und tendiert der zweite
Knoten 7 zur Versorgungsspannung VDD.
Auf diese Weise stellt sich die Verriegelungsschaltung 1 selbst
ein, wenn sie eingeschaltet wird, und zwar in einen definierten
Zustand aufgrund der Asymmetrie, die man durch Differenzierung der Schwellwerte
der zwei N-Transistoren und der Schwellwerte der zwei P-Transistoren
erhält.
-
Den Grund, warum die Schwellwerte
der P-Transistoren ähnlich
wie die Schwellwerte der N-Transistoren zueinander unterschiedlich
sein müssen,
kann man deutlich aus 1 erkennen.
Falls der Umkehrübergangsstrom
der P-Transistoren 1 und 3 höher als der Umkehrstrom der
N-Transistoren 2 und 4 ist, liegen bei eingeschalteter
Spannung die beiden Knoten 6 und 7 der Verriegelungsschaltung 1 auf
einer Spannung, dessen Wert gleich der Versorgungsspannung ist.
Wenn der Wert der Spannung den Wert des Schwellwertes des N-Transistors 3 erreicht,
entlädt
sich der Knoten 6 zur Masse (GND) hin.
-
Falls stattdessen der Umkehrübergangsstrom
der P-Transistoren 1 und 3 geringer als der Umkehrübergangsstrom
der N-Transistoren 2 und 4 ist, werden dann bei
eingeschalteter Spannung beide Knoten 6 und 7 der
Verriegelungsschaltung 1 mit der Masse (GND) verbunden;
sobald die Spannungsquelle einen Wert erreicht, der gleich dem Schwellwert
des P-Transistors 4 ist, wird der Knoten 7 mit
der Versorgungsspannung VDD geladen.
-
In den beiden zuvor beschriebenen
Fällen befindet
sich die Verriegelungsschaltung 1 in einem definierten
und eindeutig bestimmten Zustand.
-
Der Betrieb der Schmelzsicherungsschaltung,
die in 2 gezeigt ist
und die Verriegelungsschaltung von 1 enthält, ist
für den
ersten Schritt ähnlich,
bei welchem die Spannung eingeschaltet wird. Anschließend bei
etwa 2,1 V schaltet der nichtflüchtige
Transistor 9 durch (, während
der Transistor 8 bereits eingeschaltet ist, wenn VDD = 0,5 V ist), und der Betrieb der Verriege lungsschaltung
kehrt sich um, d. h. sozusagen wird der zweite Knoten 7 gegen Masse
GND geschaltet und der erste Knoten mit der Versorgungsspannung
VDD verbunden, und zwar unterschiedlich
gegenüber
dem anfänglichen
Vorgang.
-
Die Schwellwerte und die Innenwiderstände der
Transistoren 4, 8 und 9 und der Wert
des Kondensators 13 (der am Knoten 7 angeschlossen
ist,) sind so gewählt,
dass die Spannung am Knoten 14, der am Drain des nichtflüchtigen
Transistors 9 angeschlossen ist, niemals einen Wert von
etwa 1 V übersteigt.
Auf diese Weise werden gefährliche
Spannungen am Drain des nichtflüchtigen
Transistors 9 vermieden, die zufällig den Transistorprogrammieren könnten.
-
Während
der Programmierung wird eine hohe Spannung von etwa 12 V an die
Gates des nicht flüchtigen
Transistors 9 und des Transistors 8 angelegt.
Eine hohe Spannung von etwa 12 V wird ebenfalls an das Gate des
programmierenden Transistors 11 angelegt, während eine
Spannung im Bereich von VDD an seinem Drain
angelegt wird. Die hohe Spannung am Gate des Transistors 11 hat
den Zweck, einen kräftigen
Programmierstrom im nichtflüchtigen Transistor 9 fließen zu lassen.
Dies ist nur für EPROM-
und FLASH-Speicher notwendig, während für EEPROM-Speicher
es ausreichend ist, eine hohe Spannung am Gate des nichtflüchtigen
Transistors zu haben.
-
Wenn eine hohe Spannung am Gate anliegt und
ein kräftiger
Strom über
die Drain/Souce-Anschlüsse
fließt,
wird das schwebende Gate des Transistors 9 geladen und
steigt sein Schwellwert auf 6 bis 7 V, d. h. sozusagen über den
Wert von VDD, der normal am Gate des Transistors 9 anliegt.
-
Wenn auf diese Weise der Transistor 9 programmiert
worden ist, indem eine Spannung VDD an seinem
Gate anliegt, leitet er nicht mehr und zieht den zweiten Knoten
nicht mehr zur Masse GND. Auf diese Weise erreicht der zweite Knoten 7 VDD, wie durch die asymmetrische Verriegelungsschaltung 1 definiert,
und erreicht der erste Knoten 6 die Masse GND.
-
Während
des Lesens kann die Spannung am Drain des programmierenden Transistors 11 jeden Wert
haben, jedoch muss die Spannung an seinem Gate gleich 0 V sein,
so dass er keine Spannung leitet.
-
Während
des Lesens können
die Ausgangswerte vom ersten Knoten 6 und vom zweiten Knoten 7 abgenommen
werden.
-
3 ist
ein Schaltbild einer verbesserten Version der vollkommen statischen
Schmelzsicherungsschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
Die Schaltung ist im Wesentlichen
identisch mit der Schaltung von 2,
allerdings mit dem ersten Unterschied, dass sie einen Zwangsvoreinstellungstransistor 15 aufweist,
der zwischen dem ersten Knoten 6 und der Masse GND geschaltet
ist. Dieser Transistor hat den Zweck, eine Voreinstellung der Verriegelungsschaltung 1 zu
bewirken (d. h. sozusagen den ersten Knoten mit der Masse und den
zweiten Knoten mit VDD zu verbinden), wenn
es notwendig ist, die Voreinstellung im Anfangsmoment der Aktivierung
der Schaltung zu erleichtern und die Voreinstellung zu erzwingen,
wann immer es gewünscht
ist.
-
Der zweite Unterschied gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
von 1 besteht darin,
dass eine Spannungsquelle 16 zwischen dem nichtflüchtigen Transistor 9 und
dem Masseanschluss zwischengeschaltet ist. Diese Quelle hat den
Zweck, die Spannung an der Source des nichtflüchtigen Transistors 9 während der
Programmierung und während
der Beseitigung der Programmierung der Schaltung einzustellen.
-
Für
EPROM-Speicher hält
die Spannungsquelle 16 die Spannung an der Source des Transistors 9 immer
auf dem Wert der Masse GND.
-
Für
FLASH-Speicher hält
die Spannungsquelle 16 die Spannung an der Source des Transistors 9 auf
dem Weit der Masse GND während
der Programmierung und während
des Lesens, während während der
Beseitigung sie eine hohe Spannung von etwa 12 V erzeugt und eine
Spannung von 0 V an das Gate des Transistors 9 anliegt.
Auf diese Weise entlädt
sich das schwimmende Gate des Transistors 9 und kehrt der
Transistor 9 in den jungfräulichen Zustand zurück.
-
Für
EEPROM-Speicher wird die Source des Transistors 9 auf Massespannung
während
es Lesens gehalten und schwimmt während der Programmierung. Das
Löschen
findet in einer Weise statt, welches ähnlich dem Löschen in
FLASH-Speichern ist.
-
Aus der zuvor gegebenen Beschreibung
ist es evident, dass die vorliegende Erfindung vollständig das
beabsichtigte Ziel und die Aufgaben erfüllt.
-
Insbesondere wird eine asymmetrische
Verriegelungsschaltung vorgeschlagen, welche beispielsweise als
eine statische RAM-Zelle wirken kann, die automatisch bei Einschalten
der Spannung in einen definierten Zustand voreingestellt werden kann,
ohne dass eine spezifisch vorgesehene, externe Voreinstellungsschaltung
erforderlich wird. Um dies zu erreichen, ist es ausreichend, die
Schwellwerte der zwei N-Transistoren und die Schwellwerte der zwei
P-Transistoren voneinander zu unterscheiden.
-
Die asymmetrische Verriegelungsschaltung erlaubt
ferner, eine vollkommen statische Schmelzsicherungsschaltung zu
erhalten, die einfacher ist und eine geringere Anzahl von Komponenten
als bekannte Schaltungen hat. Eine solche Schaltung erfordert außerdem nur
ein programmierbares Element, nämlich
den Transistor 9.
-
Außerdem wird der nichtflüchtige Transistor 9 gegen „soft-writing" in einfacher Weise
mit Hilfe des Transistors 8 geschützt.
-
Die Schaltung führt außerdem ein statisches Lesen
aus, erfordert keine besondere Leseschaltung und vermeidet Steuerungsschaltungen.
-
Die Schaltung ist ebenfalls frei
von Verbrauch, nachdem der Entscheidungsschritt stattgefunden hat.
-
Die so erhaltene Erfindung ist für verschiedene
Modifikationen und Veränderungen
offen, von denen sämtliche
innerhalb des Umfanges des erfindungsgemäßen Konzeptes liegen, wie durch
die beigefügten
Ansprüche
definiert.
-
Somit können beispielsweise die Polaritäten der
Transistoren verdreht werden, und es ist möglich, eine Stromquelle anstelle
des Transistors 11 zu verwenden.
-
Auch wenn die dargestellten Transistoren von
der MOSFET-Art sind, können
sie außerdem auch
von anderer Art sein.
-
In der Praxis können die verwendeten Stoffe sowie
die Formen und Abmessung in Abhängigkeit von
den Anforderungen sein, ohne dadurch vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
-
Wo in einem Anspruch erwähnte technische Merkmale
von Bezugszeichen gefolgt sind, sind solche Bezugszeichen nur für den Zweck
eingefügt
worden, die Verständlichkeit
der Ansprüche
zu erhöhen, und
dementsprechend haben solche Bezugszeichen keine beschränkende Wirkung
bei der Auslegung jedes Elementes, das beispielsweise durch solche
Bezugszeichen identifiziert ist.