NL8800236A

NL8800236A - Logische schakeling met geschakelde "anti-stress"-transistor.

Info

Publication number: NL8800236A
Application number: NL8800236A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-02-01
Publication date: 1989-09-01
Also published as: FI890411A0; KR890013892A; JP2685272B2; DE68900324D1; EP0327159A1; US4967103A; JPH027620A; KR0132780B1; FI890411A; EP0327159B1

Description

PHN 12.390 1 * 't N.V. Philips1 Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Logische schakeling met geschakelde "anti-stress"-transistor.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde logische schakeling, omvattende een, in een eerste trajekt tussen een eerste voedingslijn met een hoge voedingsspanning en een uitgang van de schakeling geplaatst, eerste deelcircuit en een, in een tweede trajekt 5 tussen de uitgang en een tweede voedingslijn met een lage voedingsspanning geplaatst, tweede deelcircuit, waarbij in minstens één van de trajekten een stroomgeleidingspad van minstens één extra transistor is geplaatst, ter begrenzing van elektrische velden in een verdere transistor van het deelcircuit in het betreffende trajekt.

10 Een dergelijke logische schakeling is bekend uit de

Nederlandse octrooiaanvrage 8400523. In de bekende logische schakeling is ter bescherming van een N-kanaal-veldeffekttransistor in het tweede deelcircuit, geplaatst tussen een uitgangsknooppunt en de tweede voedingslijn met lage voedingsspanning, in cascode met de eerstgenoemde 15 transistor een extra N-kanaal-veldeffekttransistor opgenomen. De extra transistor is met zijn stuurelektrode verbonden met de eerste voedingslijn met hoge voedingsspanning. Over de beschermde transistor komt hiermee maximaal een spanning te staan gelijk aan het verschil tussen de hoge en de lage voedingsspanning minus een drempelspanning van 20 de extra transistor. Dit vermindert het risiko van de zogenaamde "hot-carrier-stress" en de "hot-carrier-degradation", die het gevolg zijn van sterke elektrische velden in het inwendige van een transistor, veroorzaakt door een hoge spanning over de transistor. Naarmate de afmetingen van de transistoren kleiner worden, treden deze problemen 25 sterker op. Wordt nu in een logische schakeling een N-kanaal-veldeffekttransistor in het eerste deelcircuit op eenzelfde wijze beschermd, dan leidt het daarmee in cascode schakelen van een extra N-kanaal-veldeffekttransistor tot het probleem, dat bij geleiden van het eerste deelcircuit een op de uitgang aangesloten dissiperende last niet 30 op een voldoende hoog logisch niveau zou kunnen worden gebracht. De beide N-kanaaltransistoren worden namelijk steeds verder dichtgeknepen naarmate de uitgangsspanning stijgt. Vergroten van de transistoren heeft .8800236 ΐ * ΡΗΝ 12.390 2 daarom geen zin.

De uitvinding beoogt te voorzien in een logische schakeling waarin ter bescherming een extra transistor is opgenomen, die niet begrenzend werkt op het op te wekken logisch hoog niveau.

5 Een logische schakeling volgens de uitvinding wordt daartoe gekenmerkt, doordat de extra transistoren in serie met de verdere transistor is opgenomen en van een geleidingstype is, tegengesteld aan dat van de verdere transistor, welke serieschakeling in één van beide trajekten is opgenomen, waarbij is voorzien in 10 schakelmiddelen voor het hetzij als diode, hetzij als stroombron schakelen van de extra transistor in afhankelijkheid van logische toestandsveranderingen op de uitgang van de logische schakeling.

De extra transistor ter bescherming van de verdere transistor in het ene trajekt wordt als stroombron geschakeld bij het van geleiden naar 15 sperren gaan van het andere trajekt. Doordat het geleidingstype gekozen is zoals vermeld, wordt de extra transistor niet afgeknepen door een afnemende spanning daarover. De extra transistor wordt als diode geschakeld bij het van sperren naar geleiden gaan van het andere trajekt. Bij deze overgang ontstaat over de verdere transistor een 20 toenemende spanning hetgeen aanleiding geeft tot "hot-carrier-stress". Door de extra transistor als diode te schakelen, wordt de over de verdere transistor staande spanning verminderd met een drempelspanning.

Een uitvoeringsvorm van een logische schakeling volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat transistoren in de genoemde 25 deelcircuits veldeffekttransistoren van eenzelfde geleidingstype zijn en direkt met de uitgang zijn verbonden, waarbij de minstens éne extra transistor van het tegengesteld veldeffekttype met zijn stroomgeleidingspad tussen de betreffende voedingslijn en het betreffende deelcircuit geplaatst is.

30 Stijgt in een schakeling de spanning op een uitgang, waarop veldeffekttransistoren van verschillende geleidingstypes zijn aangesloten, boven de hoge voedingsspanning of daalt de uitgangsspanning van zo'n schakeling beneden de lage voedingsspanning, dan wordt lading geinjekteerd naar de well of het substraat vanuit een met de uitgang 35 verbonden diffusie van een daarbij behorende veldeffekttransistor. Dit geeft aanleiding tot "latch-up"-verschijnselen. Door met de uitgang slechts veldeffekttransistoren van eenzelfde geleidingstype te . 8800236 * ΡΗΝ 12.390 3 verbinden, wordt dit probleem althans met de helft gereduceerd.

Een verdere uitvoeringsvorm van een logische schakeling volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de schakelmiddelen de extra transistor als diode schakelen als een spanning over het 5 betreffende deelcircuit toeneemt en een stroom door de verdere transistor in dat deelcircuit nagenoeg onafhankelijk is van een spanning over de verdere transistor.

Hiermee wordt vermeden dat de spanningsverandering, die ontstaat door het schakelen van de extra transistor, een stroompiek veroorzaakt, die 10 via parasitaire indukties de toestand van de schakeling verandert.

Een andere uitvoeringsvorm van een logische schakeling volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de schakelmiddelen de extra transistor geleidelijk als stroombron schakelen bij een afnemènde spanning over het betreffende deelcircuit, waarbij een stroom door de 15 verdere transistor in het betreffende deelcircuit afhankelijk is van de spanning over de verdere transistor.

Het volledig uitsturen van de extra transistor mag niet te vroeg gebeuren vanwege het risiko van “hot-carrier-stress". Daarbij moet dit geleidelijk gebeuren omdat onder de genoemde voorwaarde de spanning over 20 de verdere transistor de doorgelaten stroom bepaalt. Zou de spanning over de verdere transistor te plotseling worden verhoogd, dan zou dit aanleiding geven tot stroompieken, die via parasitaire indukties de logische toestand van de schakeling kunnen veranderen.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een logische schakeling 25 volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de schakelmiddelen een eerste schakeltransistor, met een stroomgeleidingspad tussen een stuurelektrode van de extra transistor en een hoofdelektrode van de extra transistor voor het als diode schakelen van de extra transistor, een tweede schakeltransistor, met een stroomgeleidingspad tussen de 30 stuurelektrode van de extra transistor en een betreffende voedingslijn voor het als stroombron schakelen van de extra transistor, en een terugkoppelcircuit omvatten, dat de uitgang van de schakeling naar de stuurelektrodes van de schakeltransistoren terugkoppelt voor het in afhankelijkheid van de uitgangsspanning schakelen van de 35 schakeltransistoren.

De uitgangsspanning is daardoor mede bepalend voor een spanning over en een stroom door de betreffende verdere transistor. Het moment van .6800236 ΡΗΝ 12.390 4 * schakelen van de extra transistor wordt door de uitgangsspanning bepaald.

Een verdere uitvoeringsvorm van een logische schakeling volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat ingeval de extra transistor van het tweede geleidingstype is, de eerste, respektievelijk 5 tweede schakeltransistor van het tweede, respektievelijk eerste geleidingstype is en ingeval de extra transistor van het eerste geleidingstype is, de eerste respektievelijk tweede schakeltransistor van het eerste, respektievelijk tweede geleidingstype is.

Met schakeltransistoren van de voorgestelde geleidingstypes worden 10 drempelspanningsverliezen vermeden.

Een praktische uitvoeringsvorm van een logische schakeling volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de eerste schakeltransistor substantieel groter is dan de tweede schakeltransistor. De kleine tweede schakeltransistor geleidt een kleine stroom, hetgeen 15 nodig is om, zoals boven is vermeld, de extra transistor geleidelijk open te sturen. De grote eerste schakeltransistor geleidt een grote stroom, hetgeen nodig is om snel de extra transistor van stroombron naar diode te kunnen omschakelen. Zoals eerder is vermeld, moet dit gebeuren als de stroom door de verdere transistor in het betreffende deelcircuit 20 nagenoeg onafhankelijk is van de spanning over die transistor bij een over dat deelcircuit toenemende spanning. Dit betekent voor bijvoorbeeld een veldeffekttransistor als verdere transistor, dat het als diode schakelen moet gebeuren nadat de veldeffekttransistor in verzadiging is geraakt maar voordat de drain-source-spanning de limiet heeft 25 overschreden, waarboven "hot-carrier-stress" op gaat treden. Dit moet dus voldoende snel gebeuren.

Een nog verdere uitvoeringsvorm van een logische schakeling volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat het terugkoppelcircuit tussen de uitgang van de schakeling en een 30 stuurelektrode van minstens één van de schakeltransistoren een niet-inverterende buffer bevat.

Door vastleggen van een omslagpunt van de buffer is in afhankelijkheid van de uitgangsspanning van de schakeling bij een gegeven uitgangslast het moment te bepalen waarop de minstens ene schakeltransistor gaat 35 geleiden.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van een in tekening weergegeven voorbeeld van een logische schakeling in de vorm . 8800236 a.

ê PHN 12.390 5 van een push-pull-trap.

De in de tekening weergegeven logische schakeling volgens de uitvinding in de vorm van een push-pull-trap bevat N-kanaal-veldeffekttransistoren T1 en T2, die respektievelijk de push- en de pull-5 transistor van de trap zijn en die op hun respektievelijke stuurelektrode ingangsspanningen Vi1 en Vi2 ontvangen. Een last op uitgang K van de trap met uitgangsspanning Vo wordt gerepresenteerd door weerstanden R1 en R2 en kapaciteit C1. Zorn last kan bijvoorbeeld een ingang van een TTL-schakeling zijn. Een N-kanaal-veldeffekttransistor tO TB1 is in cascode met de pull-transistor T2 geplaatst ter vermijding van "hot-electron-stress"-effekten. Gewoonlijk wordt de stuurelektrode van de transistor TB1 op een referentiespanning Vref gelijk aan VDD aangesloten. Over transistor T2 komt dan maximaal een spanning te staan VDD~VSS rainus een drempelspanning van transistor TB1. Zou push-15 transistor T1 eveneens beschermd worden door een in cascode daarmee geschakelde N-kanaal-veldeffekttransistor, dan zou dit problemen geven bij het naar een logisch hoog niveau trekken van uitgangsspanning Vo. In dat geval worden zowel de push-transistor T1 als de daarmee in cascode geschakelde beschermtransistor verder afgeknepen naarmate de 20 uitgangsspanning Vo stijgt, omdat van beide transistoren dan de stuurspanning (gate spanning minus source spanning) zakt. Het leveren van een voldoend grote stroom bij een voldoend hoge uitgangsspanning (bijvoorbeeld bij VDD- VTH) wordt hiermee onmogelijk. Ter vermindering van dit probleem, waarbij push-transistor T1 toch beschermd 25 is tegen “hot-electron-stress", is nu in cascode met push-transistor T1 een extra transistor TB2 opgenomen, die van het E-kanaal-veldeffekttype is. Deze extra transistor TB2 wordt, indien de uitgangsspanning Vo afneemt en bijgevolg de spanning over push-transistor T1 toeneemt, als diode geschakeld via de eerste schakeltransistor ST1. Indien 30 uitgangsspanning Vo toeneemt, wordt push-transistor T1 als stroombron geschakeld via de tweede schakeltransistor ST2. Om de gedacht te kunnen bepalen, wordt uitgegaan van een begintoestand waarin uitgangsspanning Vo logisch hoog is. Ingangsspanning Vi1 is dan logisch hoog en ingangsspanning Vi2 logisch laag. Bijgevolg spert de eerste 35 schakeltransistor STT, waarvan de stuurelektrode met uitgang K is gekoppeld via een niet-inverterende schakeling, hier gerepresenteerd door een cascode van inverteerschakelingen IN1 en IN2. De tweede .&8 0 0236 PHN 12.390 6 I f schakeltransistor ST2, waarvan de stuurelektrode op soortgelijke wijze via inverteerschakelingen IN3 en IN4 met uitgang K is gekoppeld, geleidt. In deze toestand is extra transistor TB2 als stroombron geschakeld, doordat diens stuurelektrode nu verbonden is met de lage 5 voedingsspanning VgS.

Het veranderen van uitgangsspanning Vo van logisch hoog naar logisch laag wordt ingezet door ingangsspanning Vi2 van logisch laag op logisch hoog te brengen. Ingangsspanning Vi1 blijft hierbij nog even logisch hoog. Zou ingangsspanning Vi1 op een logisch laag niveau 10 worden gebracht, voordat ingangsspanning Vi2 toeneemt dan zou de schakeling traag zijn. Zouden de ingangsspanningen tegelijkertijd veranderen, dan zou dit aanleiding geven tot aanzienlijke stroomveranderingen die, als gevolg van de aanwezigheid van (niet getekende) parasitaire inducties op de voedingslijnen VL1 en VL2, 15 stoorspanningen genereren. Pull-transistor T2 gaat dus geleiden terwijl push-transistor T1 nog open staat. Omdat uitgangsspanning Vo nu daalt, neemt de spanning over de nog geleidende push-transistor T1 toe, die daardoor in verzadiging raakt. De stroom door push-transistor T1 is dan nagenoeg onafhankelijk geworden van de spanning erover. Voordat nu "hot-20 electron-stress" optreedt in push-transistor T1 moet extra transistor TB2 omgeschakeld worden van stroombron naar diode om een extra spanningsval te kreëren, teneinde de spanning over push-transistor T1 te beperken. Dit moet snel gebeuren, derhalve is de eerste schakeltransistor ST1 een grote transistor, zodat in korte tijd veel 25 lading van de drain naar de stuurelektrode van de extra transistor TB2 kan stromen. Door instellen van het omslagpunt van inverteerschakeling IN1 is het moment vast te leggen waarop de eerste schakeltransistor ST1 gaat geleiden. Evenzo is door het omslagpunt van inverteerschakeling IN3 het moment bepaald, waarop de tweede schakeltransistor ST2 gaat 30 sperren. Verder is de eerste schakeltransistor ST1 van het P-kanaal-veldeffekttype, opdat deze zonder drempelverlies de stuurelektrode van extra transistor TB2 oplaadt tot diens drainspanning. Ingangsspanning Vi1 neemt nu af en spert push-transistor T1. Uitgangsspanning Vo is dan logisch laag geworden.

35 Om de uitgangsspanning Vo van logisch laag naar logisch hoog te laten toenemen, wordt push-transistor T1 geleidend gemaakt met een logisch hoog ingangssignaal Vi1 voordat pull-transistor T2 gaat 8800236 « PHN 12.390 7 sperren bij een logisch laag ingangssignaal Vi2. Zoals eerder is opgemerkt, is deze volgorde gekozen om storende inductiespanningen te reduceren. Hierbij moet extra transistor TB2 als stroombron worden geschakeld. Dit gebeurt door het laten geleiden van de tweede 5 schakeltransistor ST2 en het laten sperren van de eerste schakeltransistor ST1. De push-transistor T1 geraakt nu in het lineaire gebied, waarin de door de transistor geleide stroom afhankelijk is van een spanning eroverheen. Te snel inschakelen van extra transistor TB2 als stroombron zou dan een te snelle stroomverandering teweegbrengen, 10 hetgeen aanleiding geeft tot stoorspanningen via de parasitaire indukties. Daarom wordt extra transistor TB2 geleidelijk als stroombron ingeschakeld. Dit gebeurt geleidelijk doordat de tweede schakeltransistor ST2 een kleine transistor is, zodat weinig lading per tijdseenheid van de stuurelektrode van de extra transistor TB2 kan 15 worden gehaald. Het moment van inschakelen van de extra transistor TB2 als stroombron is mede afhankelijk van het omslagpunt van inverteerschakeling IN3 en de grootte van de tweede schakeltransistor ST2.

,8800236

Claims

1. Geïntegreerde logische schakeling, omvattende een, in een eerste trajekt tussen een eerste voedingslijn met een hoge voedingsspanning en een uitgang van de schakeling geplaatst, eerste deelcircuit en een, in een tweede trajekt tussen de uitgang en een 5 tweede voedingslijn met een lage voedingsspanning geplaatst, tweede deelcircuit, waarbij in minstens één van de trajekten een stroomgeleidingspad van minstens één extra transistor is geplaatst ter beperking van nadelig sterke elektrische velden in een verdere transistor van het deelcircuit in het betreffende trajekt, gekenmerkt, 10 doordat de extra transistor in serie met de verdere transistor is opgenomen en van een geleidingstype is tegengesteld aan dat van de verdere transistor, welke serieschakeling in één van beide trajekten is opgenomen, waarbij is voorzien in schakelmiddelen voor het hetzij als diode, hetzij als stroombron schakelen van de extra transistor in 15 afhankelijkheid van logische toestandsveranderingen van de logische schakeling.

2. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 1, gekenmerkt, doordat transistoren in de genoemde deelcircuits veldeffekttransistoren van eenzelfde geleidingstype zijn en direkt met 20 de uitgang zijn verbonden, waarbij de minstens éne extra transistor van het tegengesteld veldeffekttype met zijn stroomgeleidingspad tussen de betreffende voedingslijn en het betreffende deelcircuit geplaatst is.

3. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt, doordat de schakelmiddelen de extra transistor als 25 diode schakelen als een spanning over het betreffende deelcircuit toeneemt en een stroom door de verdere transistor in dat deelcircuit nagenoeg onafhankelijk is van een spanning over de verdere transistor.

, 4. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 1, 2 of 3, gekenmerkt, doordat de schakelmiddelen de extra transistor 30 geleidelijk als stroombron schakelen bij een afnemende spanning over het betreffende deelcircuit, waarbij een stroom door de verdere transistor in het betreffende deelcircuit afhankelijk is van de spanning over de verdere transistor.

5. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 1, 35 2, 3 of 4, gekenmerkt, doordat de schakelmiddelen een eerste schakeltransistor, met een stroomgeleidingspad tussen een stuurelektrode van de extra transistor en een hoofdelektrode van de extra transistor . 880 0236 PHN 12.390 9 * voor het als diode schakelen van de extra transistor en een tweede schakeltransistor, met een stroomgeleidingspad tussen de stuurelektrode van de extra transistor en een betreffende voedingslijn voor het als stroombron schakelen van de extra transistor omvatten, alsmede een 5 terugkoppelcircuit tussen de uitgang van de schakeling en stuurelektrodes van de schakeltransistoren voor het in afhankelijkheid van een uitgangsspanning schakelen van de schakeltransistoren.

6. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 5, gekenmerkt, doordat ingeval de extra transistor van het tweede 10 geleidingstype is, de eerste, respektievelijk tweede schakeltransistor van het tweede, respektievelijk eerste geleidingstype is en ingeval de extra transistor van het eerste geleidingstype is, de eerste respektievelijk tweede schakeltransistor van het eerste, respektievelijk tweede geleidingstype is.

7. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 5 of 6, gekenmerkt, doordat de eerste schakeltransistor substantieel groter is dan de tweede schakeltransistor.

8. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 6 of 7, gekenmerkt, doordat het terugkoppelcircuit tussen de uitgang van 20 de schakeling en een stuurelektrode van minstens één van de schakeltransistoren een niet-inverterende buffer bevat.

9. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 8, gekenmerkt, doordat ingeval de eerste schakeltransistor van het tweede geleidingstype is, de daarmee gekoppelde buffer een omslagpunt heeft 25 nabij een minimaal niveau van de uitgangsspanning en ingeval de eerste schakeltransistor van het eerste geleidingstype is, de daarmee gekoppelde buffer een omslagpunt heeft nabij een maximaal niveau van de uitgangsspanning.

10. Geïntegreerde logische schakeling volgens één der 30 voorgaande conclusies, uitgevoerd als een push-pull-trap. .8800236