NL9100947A - Inrichting voor superhogesnelheid-cmos-circuits. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Inrichting voor superhogesnelheid-CMOS-circuits.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een elektronische inrichting, bijvoorbeeld een versterker of een logische schakeling, zoals een inverter, NAND of NOR, welke ten minste is voorzien van een CMOS-omkeertrap bestaande uit een serieschakeling van een NM0S-' en een PMOS-transistor, waarbij beide MOS-transistoren via een gemeenschappelijk verbindingspunt met elkaar zijn verbonden, welk verbindingspunt de uitgang van de CMOS-omkeertrap vormt.

Een dergelijke omkeertrap wordt veelvuldig toegepast in verschillende soorten logische schakelingen, zoals inverters, NAND's en NOR's. In het algemeen is het gewenst dat het omslagpunt van de omkeerinrichting nagenoeg overeenkomt met het midden van de voedingspanning. De bekende omkeerinrichting kent in zo'n geval echter twee nadelen: 1. de gebruikte PMOS-transistoren moeten een grotere dimensie hebben dan de NMOS-transistoren om een omslagpunt overeenkomstig het midden van de voedingssspanning te verkrijgen; daardoor is de ingangscapa-citeit groter dan minimaal haalbaar is; 2. variaties in het productieproces van de schakeling beïnvloeden het omslagpunt in hoge mate.

De inrichting van de onderhavige uitvinding heeft tot doel deze nadelen op te heffen.

Daartoe wordt de elektronische inrichting van de uitvinding gekenmerkt doordat een stroombron is gekoppeld met een verbindingspunt teneinde tijdens bedrijf een stuurstroom te injecteren in het verbindingspunt. Door de grootte van de stuurstroom in te stellen, kan het omslagpunt nauwkeurig worden bestuurd. Bij toenemende stuurstroom stijgt het omslagpunt en bij afnemende stuurstroom daalt het omslagpunt.

De voordelen van de inrichting volgens de uitvinding zijn als volgt: 1. de PMOS- en NMOS-transistoren kunnen dezelfde afmetingen bezitten; indien gekozen wordt voor minimale afmetingen, dan wordt een minimale ingangscapaciteit verkregen; 2. invloeden van procesvariaties op het omslagpunt worden elektronisch gecorrigeerd, waardoor de digitale storingsmarge ("digital noise margin") aanzienlijk wordt verbeterd.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding is de stroombron een MOS-transistor waarvan een stuurspanning op diens poortelektrode de stuurstroom bepaalt.

In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding heeft de elektronische inrichting het kenmerk, dat de CMOS-omkeertrap de eindtrap van een gemodificeerde klasse AB Miller versterker vormt, waarbij de uitgang van de als eindtrap van de Miller versterker aangebrachte CMOS-omkeerinrich-ting is teruggekoppeld naar de ingang daarvan via een serieschakeling van een weerstandselement en een condensator, een en ander zodanig, dat het omslagpunt van de CMOS-omkeertrap door de stuurstroom Ictrl van de stroombron kan worden bestuurd.

Hierbij wordt opgemerkt dat een klasse AB Miller versterker met een inverterende eindtrap, waarbij de uitgang van de inverterende eindtrap via een serieschakeling van een weerstandselement en een condensator is teruggekoppeld, op zichzelf bekend is uit het Amerikaanse octrooischrift 4.335 *355· Een nadeel van deze op zichzelf bekende inrichting is echter dat daarin voorafgaand aan de inverterende eindtrap een "source follower" trap wordt toegepast. Met alle voordelen van dien kan deze "source follower" trap in de inrichting van de onderhavige aanvrage achterwege worden gelaten.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van de navolgende tekening, die slechts dient ter illustratie en niet limitatief is bedoeld. In de tekening toont: fig. 1 een bekende inverterende, enkelvoudige complementaire ver-sterkertrap in CMOS-technologie; fig. 2 een versterkertrap waarbij met behulp van stroominjectie het omslagpunt wordt beïnvloed; fig. 3 een NAND-schakeling waarin met behulp van stroominjectie het omslagpunt wordt beïnvloed; fig. 4 een NOR-schakeling waarin met behulp van stroominjectie het omslagpunt wordt beïnvloed; fig. 5 een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding van een versterkertrap met een door stroominjectie bestuurd omslagpunt; fig. 6 een weergave van de gesimuleerde versterking van twee operationele versterkers volgens de inrichting van fig. 5; fig. 7 de reactietijd van twee in cascade geschakelde operationele versterkers bij een ingangsspanningsverandering van -100 mV naar +100 mV; fig. 8 als fig. 7 maar voor een ingangsspanningsverandering van +100 mV naar -100 mV; fig. 9A een bekende tweetraps klasse AB Miller operationele versterker; 3 fig. 9B een tweetraps klasse AB Miller operationele versterker, aangepast volgens de leer van de uitvinding; fig. 10 een verschilversterker volgens de uitvinding en fig. 11 een uitvoeringsvorm van de uitvinding onder gebruikmaking van standaard omkeerinrichtingen.

Fig. 1 toont een bekende inverterende, enkelvoudige versterkertrap uitgevoerd in een CMOS-techniek. De poortelektroden van de complementaire PM0S-transistor (Ml) en NMOS-transistor (M2) zijn met elkaar verbonden en vormen de ingang van de omkeerinrichting. De aanvoerelektrode van transistor Ml is verbonden met de ene voedingsspanningsaansluiting VDD, terwijl diens afvoerelektrode is verbonden met de afvoerelektrode van transistor M2, die tevens de uitgang van de omkeerinrichting vormt. De aanvoerelektrode van M2 ten slotte is verbonden met de andere voedingsspanningsaansluiting Vss.

Meestal is het gewenst, dat het omslagpunt van de omkeerinrichting ligt bij het midden van de voedingsspanning. Om dat te realiseren kunnen in het geval van de bekende inrichting volgens fig. 1 de PM0S- en NMOS-transistor niet dezelfde dimensie hebben, zodat niet beide transistoren minimale afmetingen kunnen hebben. Een verhoogde ingangscapaciteit is een van de nadelige gevolgen hiervan.

Fig. 2 toont een omkeerinrichting volgens de uitvinding. De daar getoonde omkeerinrichting is identiek aan die van fig. 1, behalve dat op de uitgang daarvan een stroombron is aangesloten, die een stuurstroom Ictrl in de omkeerinrichting injecteert. Door de hoogte van de stuurstroom Ictrl in te stellen, kan het omslagpunt worden gevariëerd. Als Ictri positief is, zal het omslagpunt hoger worden bij toenemende waarde van Ictrl. Het omslagpunt zal dalen bij dalende waarde van Ictrl. Dit geldt eveneens voor negatieve waarden van Ictrl.

Het principe van stroominjectie in de uitgang, zoals weergegeven in fig. 2, kan ook in andere logische CMOS-schakelingen worden toegepast.

Fig. 3 toont de toepassing hiervan in een NAND-schakeling, terwijl fig. 4 toepassing in een NOR-schakeling toont. Fig. 3 en 4 betreffen schakelingen met twee ingangen (A en B), maar in principe kan het aantal ingangen elke willekeurige waarde hebben (aangegeven met stippellijnen).

In fig. 5 is een mogelijke uitvoeringsvorm van het principe van de onderhavige uitvinding, zoals getoond in fig. 2, weergegeven.

Fig. 5 toont twee onafhankelijke, enkelvoudige CMOS-omkeerinrichtin-gen. Beide bezitten een stroombron aan de uitgang, die zodanig stroom in de uitgang injecteert, dat de omslagspanning kan worden gestuurd. In beide gevallen bestaat de stroombron eenvoudig uit een MOS-transistor (MIA, MB1A), waarbij· de spanning op de poortelektrode de hoogte van de stroom bepaalt. De spanning op de poortelektroden wordt bepaald door de uitgangsspanning van een verschilversterker A, die aan zijn omkeeringang een referentiesignaal Vref ontvangt en aan zijn niet-omkeeringang de uitgangsspanning van een van beide CMOS-omkeerinrichtingen. Afhankelijk van de spanning op de niet-omkeeringang van de verschilversterker A, die weer wordt bepaald door de ingangsspanning (POS) van de ene CMOS-omkeerinrich-ting, neemt de verschilversterker A een bepaalde uitgangsspanning aan. Gewoonlijk is de referentiespanning Vref gelijk aan de middenspanning van de voedingsspanning.

Vergeleken met de omkeerinrichting van fig. 1 heeft die van fig. 5 de volgende voordelen: 1. De PMOS-transistor (Ml) kan dezelfde dimensies bezitten als de NMOS-transistor (M2). Beide kunnen dus minimale afmetingen worden gegeven, zodat de ingangscapaciteit minimaal is; 2. Variaties in de vervaardiging beïnvloeden niet langer de precieze ligging van het omslagpunt, hetgeen mede de digitale storings-marge sterk verbetert: een logische stap aan de ingang van +/- 250 mV bij een voedingsspanning van 5 Volt is realiseerbaar.

Zoals in fig. 5 is weergegeven, kan de daar getoonde inrichting ook de functie van een operationele versterker vervullen, waarbij de ingang (POS) van de ene CMOS-omkeerinrichting, waarvan de uitgangsspanning aan de niet-omkeeringang van de verschilversterker A wordt toegevoerd, de functie van niet-omkeeringang vervult. De ingang (NEG) van de andere CMOS-omkeerinrichting vervult de functie van omkeeringang, terwijl diens uitgang (OUT) tevens de uitgang van de operationele versterker vormt. Door de niet-omkeeringang (POS) van de operationele versterker te aarden, kan een enkelvoudige omkeerinrichting worden verkregen, met alle voordelen van de onderhavige uitvinding.

De belangrijkste kenmerken van de operationele versterker volgens fig. 5 zijn: - een extreem, grote bandbreedte tot het punt van eenmalige versterking (0 dB) (tot in het Giga Hertz bereik) van de omkeeringang (NEG) naar de uitgang (OUT); een relatief laag vermogensverbruik van ongeveer 1 mW.

Fig. 6 toont de gesimuleerde kenmerken van twee operationele versterkers volgens fig. 3 met minimale afmetingen van 1,5 ym bij de vervaardiging van de CMOS-transistoren. In de eerste operationele versterker is de kanaallengte van de transistoren Ml en M2 1,5 maal de minimale afmeting van 1,5 ym (Vout>1-curve). In de andere hebben beide kanalen de minimale afmeting van 1,5 ym (Vouti2-curve). In beide versterkers ligt het punt van eenmalige versterking nagenoeg bij 2 GHz, hetgeen een kenmerkende waarde is voor de onderhavige inrichting. De openlus-gelijkspannings-versterking van de eerstgenoemde versterker (V0Ut>1-curve) bedraagt 23 dB en die van de tweede (Vouti2-curve) 17 dB. De voedingsstroom is voor beide versterkers minder dan 200 yA per trap. Een comparator met zeer hoge snelheid kan worden gerealiseerd door twee omkeerinrichtingen volgens het onderhavige concept in serie te plaatsen, waarbij de uitgang van de eerste omkeerinrichting (Vout>1) wordt verbonden met de omkeeringang van de tweede omkeerinrichting.

Figuren 7 en 8 tonen de reactietijden van een dergelijke verschil-versterker voor een ingangsspanningsstap van -100 mV naar + 100 mV, respectievelijk van +100 mV naar -100 mV. De reactietijd is kenmerkend minder dan 3 ns, hetgeen snel genoeg is om een 5”t>it, parallel gecodeerde ["flash”] analoog-digitaal-omzetter met een bemonsteringsfrequentie van meer dan 100 MHz te realiseren.

Toepassing van het principe van omslagpuntregeling door middel van stroominjectie op een klasse AB Miller operationele versterker is weergegeven in fig. 9B, waarbij fig. 9A een bekende tweetraps klasse AB Miller operationele versterker toont.

Met alle voordelen vandien, heeft de schakeling van fig. 9B geen "source follower” trap meer nodig om beide transistoren van de eindtrap (Ml en M2) dynamisch aan te sturen.

Ook in andere versterkers kan het principe van omslagpuntregeling door middel van stroominjectie worden toegepast.

In het voorafgaande zijn alleen omkeerinrichtingen met een enkelvoudige in- en uitgang aan de orde geweest. De onderhavige leer kan echter tevens worden toegepast op omkeerinrichtingen met dubbelzijdige in-' en uitgang. Fig. 10 toont daarvan een voorbeeld. De daar getoonde dubbelzijdige verschilversterker is opgebouwd uit twee verschilversterkers zoals getoond in fig. 5. waarbij de beide niet-omkeeringangen (POS) met elkaar zijn verbonden en de middenspanning Vref van de voedingsspanning krijgen toegevoerd. Voorwaarde voor de goede werking van de inrichting van fig. 10 is, dat de ingangsspanningen ν*( + ) en V£(-) op de omkeeringan-gen (NEG) van de beide verschilversterkers volgens fig. 5 aan elkaar tegengesteld zijn met betrekking tot de middenspanning Vref.

Fig. 11 ten slotte toont een uitvoeringsvorm waarin de stroominjec-tie in de uitgang van een omkeerinrichting plaatsvindt met behulp van standaard omkeerinrichtingen, dat wil zeggen met behulp van'kant-en-klaar op de markt verkrijgbare omkeerinrichtingen. Hierbij wordt dan geen gebruik gemaakt van "custom"-IC ontwerpen. Met de schakeling van fig. 11 kan het omslagpunt weer elektronisch, via stroominjectie, worden geregeld. Een minimale ingangscapaciteit kan hiermee echter niet worden verkregen. Daarvoor is de inrichting volgens fig. 2 of 5 nodig, waarin de NM0S- èn PMOS-transistoren beide minimale afmetingen kunnen hebben.

De inrichting zoals getoond in fig. 10 kan uiteraard niet alleen worden opgebouwd uit twee van de in fig. 5 weergegeven omkeerinrichtingen, maar eveneens uit twee van dergelijke inrichtingen van fig. 11.

Claims (9)

1. Elektronische inrichting, bijvoorbeeld een versterker of een logische schakeling, zoals een inverter, NAND of NOR, welke ten minste is voorzien van een CMOS-omkeertrap bestaande uit een serieschakeling van een NMOS- en een PMOS-transistor, waarbij beide MOS-transistoren via een gemeenschappelijk verbindingspunt met elkaar zijn verbonden, welk verbindingspunt de uitgang van de CMOS-omkeertrap vormt, met het kenmerk, dat een stroombron is gekoppeld met het verbindingspunt teneinde tijdens bedrijf een stuurstroom Ictrl te injecteren in het verbindingspunt.

2. Elektronische inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de NMOS- en de PMOS-transistoren gelijke, minimale afmetingen bezitten.

3. Elektronische inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de stroombron voorzien is van een MOS-transistor (M1A) waarvan een stuurspanning op diens poortelektrode de stuurstroom Ictrl bepaalt.

4. Elektronische inrichting volgens conclusie 3» met het kenmerk, dat is voorzien in een tweede CMOS-omkeertrap (MB1, MB2), waarvan de ingangsspanning een vooraf bepaalde waarde (POS) heeft en de uitgangs-spanning wordt toegevoerd aan de ene ingang van een verschilversterker (A), waarvan de andere ingang is verbonden met een referentiespanning (Vref) en de uitgangspanning de stuurspanning op de poortelektrode van de MOS-transistor (M1A) bepaalt, alsmede de stuurspanning op. de poortelektrode van een als stroombron fungerende andere MOS-transistor (MB1A), die een andere stuurstroom injecteert in de uitgang van genoemde tweede CMOS-omkeertrap.

5· Elektronische inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de ingang van de tweede CMOS-omkeertrap (POS) met aarde is verbonden.

6. Elektronische inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3* met het kenmerk, dat de CMOS-omkeertrap de eindtrap van een gemodificeerde klasse AB Miller versterker vormt, waarbij de uitgang van de als eindtrap van de Miller versterker aangebrachte CMOS-omkeerinrichting is teruggekoppeld naar de ingang daarvan via een serieschakeling van een weerstandselement en een condensator, een en ander zodanig, dat het omslagpunt van de CMOS-omkeertrap door de stuurstroom Ictrl van de stroombron kan worden bestuurd.

7· Elektronische inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat is voorzien in een serieschakeling van een andere stroombron (IB) en een als diode geschakelde MOS-transistor (MB3), waarbij het verbindingspunt is verbonden met de ingang van een tweede CMOS-omkeertrap (MB1, MB2), waarvan de uitgang is verbonden met de ene ingang van een verschil-versterker (A), wiens andere ingang een referentiespanning ontvangt en wiens uitgang de stuurspanning op de poortelektrode van de MOS-transistor (M1A) bepaalt, alsmede de stuurspanning op de poortelektrode van een als stroombron fungerende andere MOS-transistor (MB1A), die een andere stuur-stroom injecteert in de uitgang van genoemde tweede CMOS-omkeertrap.

8. Elektronische inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de stroombron is samengesteld uit een tweede omkeerinrichting, waarvan de ingang met een vooraf bepaalde spanning (POS) is verbonden en de uitgang is verbonden met de ene ingang van een verschilversterker (A), wiens andere ingang is aangesloten op een referentiespanning (Vref) en waarvan de uitgang is gekoppeld met de ingang van een derde en een vierde omkeerinrichting, waarbij de uitgang van de derde omkeerinrichting is verbonden met de uitgang van de tweede omkeerinrichting en de uitgang van de vierde omkeerinrichting de stuurstroom Ictrl in het verbindingspunt injecteert.

9. Elektronische inrichting volgens conclusie 4 of 8, met het kenmerk, dat is voorzien in een tweede, identieke omkeerinrichting waarbij die ingangen van de twee identieke omkeerinrichtingen die de vooraf bepaalde spanning (POS) hebben, met elkaar zijn verbonden.