ITMI20001729A1

ITMI20001729A1 - Circuito di disaccoppiamento tra linee di conduzione.

Info

Publication number: ITMI20001729A1
Application number: IT2000MI001729A
Authority: IT
Inventors: Marco Riva
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2002-01-27
Also published as: ITMI20001729A0; US6788517B2; US20020033726A1; IT1318266B1

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dell titolo: "Circuito di disaccoppiamento tra lìnee di conduzione”

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione fa riferimento ad un circuito di disaccoppiamento tra linee di conduzione.

Più specificatamente l'invenzione si riferisce ad un circuito di disaccoppiamento tra linee di conduzione comprendente almeno un elemento a pass gate avente terminali di conduzione collegati a dette linee di conduzione ed almeno un terminale di controllo.

Arte nota

Come è ben noto, due generiche linee di conduzione di un circuito elettronico sono normalmente connesse tramite un circuito di disaccoppiamento 10 comprendente essenzialmente un elemento a pass gate.

In particolare detto circuito di disaccoppiamento 10 comprende un transistore di disaccoppiamento a pass gate il quale, se acceso, connette tra loro le due linee permettendo il passaggio di un segnale, mentre se, è spento, isola le linee impedendo il passaggio di tale segnale.

Come schematicamente illustrato in Figura 1, una prima LI ed una seconda linea di conduzione L2 sono collegate fra loro da un circuito di disaccoppiamento 10 a pass gate, comprendente essenzialmente un transistore di disaccoppiamento N 1.

Il transistore di disaccoppiamento NI presenta i terminali di conduzione connessi rispettivamente a dette linee di conduzione LI ed L2 ed un terminale di controllo o terminale di gate collegato ad un invertitore d'ingresso II. Il transistore di disaccoppiamento NI è ad esempio un transistore MOS a pass gate di tipo N o di tipo P.

E' opportuno notare che, utilizzando ad esempio transistori ad arricchimento (enhancement), la condizione di disaccoppiamento delle linee di conduzione LI ed L2 (transistore spento) viene ottenuta portando la tensione del terminale di gate pari alla tensione del terminale di bulk.

In questo modo, fintanto che i segnali di tensione presenti sulle due linee di conduzione LI ed L2 connesse ai terminali di conduzione sono maggiori di un valore di riferimento di massa GND per un transistore di disaccoppiamento NI di tipo N o, in maniera del tutto equivalente, minori di un valore di alimentazione Vdd per un transistore di disaccoppiamento di tipo P, come normalmente avviene nella maggior parte dei circuiti, il transistore di disaccoppiamento NI risulta effettivamente spento e le linee di conduzione LI ed L2 correttamente disaccoppiate.

Nel caso in cui i segnali di tensione sui terminali di conduzione sono invece all'estemo di tali intervalli, vale a dire minori del valore di riferimento di massa GND per un transistore di disaccoppiamento NI di tipo N o maggiori del valore di alimentazione Vdd per un transistore di disaccoppiamento di tipo P, il transistore di disaccoppiamento NI stesso potrebbe non spegnersi e le linee di conduzione LI ed L2 risultare scorrettamente accoppiate.

Queste condizioni anomale di funzionamento sono definite normalmente condizioni di disturbo e i segnali, tensioni o correnti, che le innescano sono denominati nel seguito segnali di disturbo.

In particolare, nel caso di un transistore di disaccoppiamento NI di tipo N ad enhancement, avente il terminale di bulk ed il terminale di gate connessi ad un riferimento di massa GND e quindi in condizione di canale chiuso, il transistore di disaccoppiamento NI risulta spento se le tensioni sui terminali di conduzione sono positive.

Nel caso in cui uno dei due terminali di conduzione, ad esempio il terminale di drain, presenta una tensione inferiore alla tensione di riferimento di massa GND, la tensione fra l'ulteriore terminale di conduzione, ad esempio il terminale di source, ed il terminale di gate, Vgs, può risultare superiore alla tensione di soglia del transistore stesso, che risulta quindi inopportunamente acceso.

Nelle condizioni sopra descritte, dunque, un transistore di disaccoppiamento NI di tipo N non assolve al compito di isolare tra loro le due linee di conduzione LI ed L2, permettendo anzi il passaggio di un segnale indesiderato.

Dualmente si può ragionare per un transistore di tipo P quando la tensione ad uno dei terminali di conduzione, di source o drain, risulta maggiore del riferimento di alimentazione Vdd utilizzato in questo caso per polarizzare i terminali di bulk e di gate.

Nel seguito faremo riferimento al caso particolare di un transistore a pass gate di tipo N: tutte le considerazioni che verranno fatte sono però valide anche per un transistore di tipo P laddove si sostituiscano i termini in questione con i loro duali (transistore Neh <— > transistore Pch, riferimento GND <— > riferimento Vdd, maggiore <— > minore, ecc.), come evidente per un tecnico del ramo.

Segnali di disturbo quali quelli sopra indicati si riscontrano in diverse condizioni di funzionamento dei circuiti elettronici quali ad esempio:

1) internamente ad un generico circuito elettronico:

a. quando, a causa di resistenze interne al circuito elettronico, due nodi interni al circuito stesso si trovano ad avere riferimenti interni di massa (Vcc) diversi,

b. quando un nodo flottante (floating) viene pilotato per effetto capacitivo;

2) in un circuito di interfaccia I/O su nodi connessi a piedini [pad] esterni al circuito elettronico:

a. quando si verificano abbassamenti (undershoot) o innalzamenti (overshoot) di tensione a causa di effetti induttivi;

b. quando esternamente al circuito di interfaccia I/O viene pilotato un segnale al di sotto del riferimento di massa (o, analogamente, al di sopra del riferimento di alimentazione Vdd);

Non considereremo nel seguito come disturbi le scariche elettrostatiche (ESD), supponendo di prevedere una circuiteria protetta contro tali scariche tramite apposite strutture.

Il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è quello di garantire un corretto isolamento fra linee di conduzione connesse mediante un elemento a pass gate, anche in presenza di un segnale di disturbo sulle linee stesse, in modo tale da evitare le condizioni di malfunzionamento che tuttora limitano i circuiti realizzati secondo l'arte nota.

Sommario dell' invenzione

L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di inserire in un circuito di disaccoppiamento di linee di conduzione collegate mediante un elemento a pass gate un circuito di protezione atto ad evitare il propagarsi di un segnale di disturbo fra tali linee e garantire cosi corrette condizioni di spegnimento dell'elemento a pass gate stesso, vale a dire corrette condizioni di isolamento delle linee di conduzione.

Sulla base di tale idea di soluzione il problema tecnico è risolto da un circuito di disaccoppiamento del tipo precedentemente indicato e definito dalla parte caratterizzante della rivendicazione 1.

Le caratteristiche ed i vantaggi del circuito di disaccoppiamento secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di suoi esempi di realizzazione dati a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

Breve descrizione dei disegni

In tali disegni:

la Figura i: rappresenta schematicamente un circuito di disaccoppiamento di linee di conduzione secondo l'arte nota;

la Figura 2: rappresenta schematicamente un primo esempio di realizzazione di un circuito di disaccoppiamento di linee di conduzione secondo l'invenzione;

la Figura 3: rappresenta schematicamente un secondo esempio di realizzazione di un circuito di disaccoppiamento di linee di conduzione secondo l'invenzione;

la Figura 4: rappresenta schematicamente un terzo esempio di realizzazione di un circuito di disaccoppiamento di linee di conduzione secondo l'invenzione.

Descrizione dettagliata

Con riferimento a tali figure, ed in particolare alla Figura 2, viene illustrato un primo esempio di realizzazione di un circuito di disaccoppiamento 1 tra linee di conduzione LI ed L2 secondo l'invenzione. Vantaggiosamente secondo l'invenzione il circuito di disaccoppiamento comprende un circuito di protezione, schematicamente e globalmente indicato con 2.

Il circuito di disaccoppiamento 1 , in maniera analoga a quanto descritto in relazione all'arte nota, comprende essenzialmente un transistore di disaccoppiamento NI inserito tra una prima LI ed una seconda linea di conduzione L2.

In particolare, il transistore di disaccoppiamento NI presenta i terminali di conduzione connessi rispettivamente a dette linee di conduzione LI ed L2 ed un terminale di controllo o terminale di gate Gl collegato ad un invertitore d'ingresso II. Il transistore di disaccoppiamento NI è ad esempio un transistore a pass gate di tipo N.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, un circuito di protezione 2 è inserito tra il terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI ed almeno una linea di conduzione, in particolare la seconda linea di conduzione L2, ed è collegato a detto invertitore d’ingresso II.

In particolare, il circuito di protezione 2 comprende un primo transistore di protezione P2 inserito tra un riferimento di tensione di alimentazione Vdd ed una linea di conduzione interna L3 ed avente il terminale di gate connesso al terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI.

Il circuito di protezione 2 comprende inoltre un secondo transistore di protezione N2 avente i terminali di conduzione connessi a detta seconda linea di conduzione L2 e a detta linea di conduzione interna L3 ed avente un terminale di gate connesso al terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI.

Il primo transistore di protezione P2 è un transistore PMOS, mentre il secondo transistore di protezione N2 è un transistore NMOS. In sostanza, quindi, il circuito di protezione 2 comprende un transistore MOS P2 in configurazione di pull-up ed un transistore MOS N2 in configurazione di pass-gate.

Vediamo ora il funzionamento del circuito di disaccoppiamento 1 comprendente il circuito di protezione 2 secondo l'invenzione.

Quando l'uscita dell'invertitore d'ingresso II è a massa, la linea di conduzione interna L3 è tenuta alta tramite il primo transistore di protezione P2 ed una eventuale corrente di disturbo che attraversa il transistore di disaccoppiamento NI viene derivata dal riferimento di tensione di alimentazione Vdd tramite il primo transistore di protezione P2 anziché direttamente tramite la seconda linea di conduzione L2.

Tale circuito di protezione 2 risulta quindi efficiente laddove una corrente di disturbo può essere prelevata dal transistore PMOS senza che questo ne venga danneggiato o finché la corrente in gioco non influisca significativamente sulla tensione di alimentazione Vdd.

Ciò è vero se la corrente di disturbo è temporanea o non troppo elevata, condizione che dipende dalle caratteristiche del circuito collegato alle linee di conduzione L1 ed L2.

In sostanza, il circuito di protezione 2 preleva un segnale di disturbo che attraversa il transistore di disaccoppiamento NI e impedisce che si propaghi sulla seconda linea di conduzione L2.

Un segnale di disturbo, in particolare una tensione, può essere evitato anche pilotando il terminale di gate del transistore di disaccoppiamento NI tramite un valore di tensione inferiore alla tensione presente sul terminale di bulk (e pari al riferimento di massa GND) in modo cioè da essere pari o vicina alla tensione di disturbo stessa. Tale tensione di pilotaggio, però, essendo al di fuori dal range normale delle tensioni di alimentazione non è in genere disponibile in un circuito integrato di tipo noto.

La Figura 3 mostra un secondo esempio di realizzazione di un circuito di disaccoppiamento 1 comprendente circuito di protezione 3 secondo l’invenzione.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il circuito di protezione 3 è inserito tra il terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI ed almeno una linea di conduzione, in particolare la prima linea di conduzione LI.

Il circuito di protezione 3 comprende un transistore di protezione N3 avente i terminali di conduzione collegati al terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI e a detta prima linea di conduzione LI, nonché il terminale di gate connesso ad un riferimento di massa GND.

Il transistore di protezione N3 presenta inoltre il terminale di source connesso alla prima linea di conduzione LI dove è presente un segnale di disturbo, in particolare una tensione, e il terminale di drain collegato al terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il transistore di protezione N3 è un transistore NMOS di tipo naturale.

Vediamo ora il funzionamento del circuito di disaccoppiamento 1 comprendente il circuito di protezione 3 secondo l'invenzione.

Il circuito di protezione 3 mantiene spento il transistore di disaccoppiamento NI pilotando la tensione del suo terminale di gate Gl cori una tensione inferiore al riferimento di massa GND. Il circuito di protezione 3 non richiede però livelli di tensione diversi dal riferimento di massa GND, ma utilizza le stesse tensioni che provocano la condizione di disturbo come segnali utili per pilotare il terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI.

Vantaggiosamente secondo l'invenzione, il transistore di protezione N3 è di tipo naturale e presenta quindi una tensione di soglia minore rispetto al transistore di disaccoppiamento N 1.

Il transistore di protezione N3, quando è acceso, connette quindi il terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI alla prima linea di conduzione LI.

In condizioni normali, cioè quando la tensione sulla prima linea di conduzione LI è maggiore del valore di riferimento di massa GND, il transistore di protezione N3 è spento ed il transistore di disaccoppiamento NI viene pilotato direttamente dall' invertitore d'ingresso II.

Quando la tensione sulla prima linea di conduzione LI scende al di sotto del valore di riferimento di massa GND, il transistore di protezione N3, avendo il terminale di gate a massa, tende ad accendersi poiché la sua tensione gate-source Vgs3 aumenta man mano che la tensione sulla prima linea di conduzione LI decresce.

Quando il transistore di protezione N3 si accende, la corrente che scorre in esso tende a far abbassare la tensione al terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI.

In questo modo la tensione del terminale di gate Gl segue la tensione del terminale di source, mantenendo così la tensione gatesource Vgs1 del transistore di disaccoppiamento NI costante.

Poiché il transistore di protezione N3 ha tensione di soglia Vth3 minore di una tensione di soglia Vth1 del transistore di disaccoppiamento NI, esso si accende prima che la tensione gatesource Vgsl superi la tensione di soglia Vth1 del transistore di disaccoppiamento NI.

Il transistore di disaccoppiamento NI rimane così spento e impedisce il passaggio di un segnale di disturbo sulle linee di conduzione L1 ed L2.

La Figura 4 mostra un terzo esempio di realizzazione di un circuito di disaccoppiamento 1 comprendente un circuito di protezione 4 secondo l'invenzione.

Vantaggiosamente secondo l'invenzione, il circuito di protezione 4 comprende una prima porzione 42 inserita tra il terminale di gate G1 del transistore di disaccoppiamento N1 ed almeno una linea di conduzione, in particolare la seconda linea L2, e collegata a detto invertitore d'ingresso II, nonché una seconda porzione 43 inserita tra il terminale di gate G1 del transistore di disaccoppiamento NI ed almeno una ulteriore linea di conduzione, in particolare la prima linea L1.

Analogamente al primo esempio di realizzazione, la prima porzione 42 comprende un primo transistore di protezione P2 inserito tra un riferimento di tensione di alimentazione Vdd ed una linea di conduzione interna L3 ed avente il terminale di gate connesso al terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento NI.

La prima porzione 42 comprende inoltre un secondo transistore di protezione N2 avente i terminali di conduzione connessi a detta seconda linea di conduzione L2 e a detta linea di conduzione interna L3 ed avente un terminale di gate connesso al terminale di gate Gl del transistore di disaccoppiamento N 1.

Inoltre, analogamente al secondo esempio di realizzazione, la seconda porzione 43 comprende un transistore di protezione N3 avente i terminali di conduzione collegati al terminale di gate G 1 e a detta prima linea di conduzione LI, nonché il terminale di gate connesso ad un riferimento di massa GND.

Vantaggiosamente secondo l'invenzione, il secondo transistore di protezione N2 della prima porzione 42 presenta un valore della tensione di soglia pari al valore della tensione di soglia Vthl del transistore di disaccoppiamento N 1.

In questo caso, l'accensione del transistore di protezione N3 della seconda porzione 43 mantiene la tensione gate-source Vgsl del transistore di disaccoppiamento NI pressoché costante, ma vicina al valore della tensione di soglia Vthl del transistore stesso.

Il transistore di disaccoppiamento NI non è dunque perfettamente spento, ma risulta comunque molto resistivo e la corrente che fluisce attraverso il primo transistore di protezione PI della prima porzione 42 risulta molto minore rispetto al caso del circuito di protezione 2 di Figura 2.

E' infine opportuno osservare il fatto che segnali di disturbo, in particolari tensioni, risultano "naturalmente" limitati dal diodo di giunzione del transistore di disaccoppiamento NI il quale, entrando in diretta, impedisce che una tensione di disturbo superi in maniera significativa la tensione di built-in della giunzione stessa.

In conclusione, il circuito di disaccoppiamento proposto impedisce che eventuali segnali di disturbo, causati da tensioni con valore all'esterno dal range delle tensione di alimentazione e di riferimento di massa normalmente utilizzate, producano l’accensione di elementi a pass-gate ai cui nodi, collegati a linee di conduzione, vengono applicate tali tensioni fuori range.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Circuito di disaccoppiamento tra linee di conduzione (LI, L2) comprendente almeno un elemento a pass gate (NI) avente terminali di conduzione collegati a dette linee di conduzione (LI, L2) ed almeno un terminale di controllo (Gl), caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un circuito di protezione (2, 3, 4) inserito tra detto terminale di controllo (Gl) ed almeno una di dette linee di conduzione (LI, L2) e comprendente a sua volta almeno un transistore di protezione (P2, N3) collegato a detto terminale di controllo (Gl) e a detta almeno una di dette linee di conduzione (LI, L2), in grado di assorbire un segnale di disturbo che attraversa detto elemento a pass gate (NI), assicurando cosi un corretto disaccoppiamento tra dette linee di conduzione (LI, L2) in presenza di condizioni di disturbo.
2. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito di protezione (2) comprende almeno un transistore di protezione (P2) inserito tra un riferimento di tensione di alimentazione (Vdd) ed una linea di conduzione interna (L3) e presenta un terminale di controllo connesso al terminale di controllo (Gl) di detto elemento a pass gate (NI).
3. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto circuito di protezione (2) comprende un ulteriore transistore di protezione (N2) avente i terminali di conduzione connessi a detta almeno una linea di conduzione (L2) e a detta linea di conduzione interna (L3) ed un terminale di controllo connesso al terminale di controllo (Gl) di detto elemento a pass gate (NI).
4. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto transistore di protezione (P2) è un transistore PMOS in configurazione di pull-up e detto ulteriore transistore di protezione (N2) è un transistore NMOS in configurazione di pass-gate.
5. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito di protezione (2) comprende almeno un transistore di protezione (N3) avente terminali di conduzione collegati al terminale di controllo (Gl) di detto elemento a pass gate (NI) e a detta almeno una linea di conduzione (LI), nonché un terminale di controllo connesso ad un riferimento di massa (GND).
6. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto transistore di protezione (N3) è un transistore NMOS con tensione di soglia minore rispetto ad una tensione di soglia (Vthl) di detto elemento a pass gate (NI).
7. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito di protezione (4) comprende almeno una prima porzione (42) inserita tra il terminale di controllo (Gl) di detto elemento a pass gate (NI) ed almeno una linea di conduzione (L2), nonché almeno una seconda porzione (43) inserita tra il terminale di controllo (Gl) di detto elemento a pass gate (NI) ed almeno una ulteriore linea di conduzione (LI).
8. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta prima porzione (42) comprende un primo transistore di protezione (P2) inserito tra un riferimento di tensione di alimentazione (Vdd) ed almeno una linea di conduzione interna (L3) ed avente il terminale di controllo connesso al terminale di controllo (Gl) di detto elemento a pass gate (NI) e detta seconda porzione (43) comprende un secondo transistore di protezione (N3) avente terminali di conduzione collegati al terminale di controllo (Gl) di detto elemento a pass gate (NI) e a detta ulteriore linea di conduzione (LI), nonché un terminale di controllo connesso ad un riferimento di massa (GND).
9. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detta prima porzione (42) comprende inoltre un ulteriore transistore di protezione (N2) avente i terminali di conduzione connessi a detta almeno una linea di conduzione (L2) e a detta linea di conduzione interna (L3) ed avente un terminale di controllo connesso al terminale di controllo (Gl) di detto elemento a pass gate (NI).
10. Circuito di disaccoppiamento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto ulteriore secondo transistore di protezione (N2) di detta prima porzione (42) presenta un valore della tensione di soglia pari ad un valore di tensione di soglia (Vthl) di detto elemento a pass gate (NI).