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Die
Erfindung betrifft eine Differenzverstärkerschaltung mit zwei Eingangstransistoren,
einem Lastelement und einer Stromquelle. Ein Anschluß für eine Eingangsspannung
ist mit einem Steueranschluß eines
ersten Eingangstransistors verbunden. Ein weiterer Anschluß für eine Referenzspannung
ist mit einem Steueranschluß eines
zweiten Eingangstransistors verbunden. Die Eingangstransistoren
sind parallel zwischen das Lastelement und einen Anschluß der Stromquelle
geschaltet. Ein Anschluß für ein internes
Bezugspotential ist mit einem weiteren Anschluß der Stromquelle verbunden.
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Eine
dem Stand der Technik entsprechende Differenzverstärkerschaltung
umfaßt
im Wesentlichen zwei Eingangstransistoren zwei Lastelemente und
eine Stromquelle, welche zwischen ein fest vorgegebenes hohes und
niedriges Versorgungspotential geschaltet sind. Die beiden Eingangstransistoren werden
von einer Eingangsspannung und von einer Referenzspannung gesteuert.
Die Stomquelle ist im Allgemeinen als Stromspiegel mit einem Eingangs- und
einem Ausgangspfad aufgebaut. Differenzverstärker werden bei Speicherbauelementen
wie beispielsweise den DDR SDRAMs (= double data rate synchronous
dynamic random access memory) eingesetzt, um Signalzustände 1 (High)
oder 0 (Low) zu generieren. Dabei wird eine Eingangsspannung mit einer
vorgegebenen Referenzspannung verglichen. Je nachdem, ob die Eingangsspannung
oberhalb oder unterhalb der Referenzspannung liegt, liefert der
Differenzverstärker
am Ausgang den Signalzustand 1 oder 0. Signalübergänge vom Zustand 0 in den Zustand
1 werden erzeugt, indem die Eingangsspannung von einem niedrigen
Spannungswert auf einen hohen Spannungswert angehoben wird. Beim Signalübergang
vom Zustand 1 in den Zustand 0 wird die Eingangsspannung des Differenzverstärkers vom einem
hohen Spannungspegel zu einem tiefen Spannungspegel erniedrigt.
Sobald der Signalpegel des Eingangssignals den Wert der Referenzspannung
erreicht, wechselt das Signal des Differenzverstärkers von einem in den anderen
Zustand.
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Problematisch
ist, daß der
Wert der Referenzspannung meist nicht auf einem festen Wert gehalten
werden kann, sondern Schwankungen unterliegt. Schwankungen der Referenzspannung
bewirken eine Verschiebung des Arbeitspunktes der Schaltung. Dies
führt nachteilig
dazu, daß der Schnittpunkt,
an dem der Pegel der Eingangsspannung den Pegel der Referenzspannung
schneidet, sich verschiebt. Eine weitere Folge sind auch längere oder
kürzere
Schaltzeiten des Differenzverstärkers aufgrund
veränderten
Schaltverhaltens von Schalttransis-toren und Stromquellentransistor,
so daß sich die
Anpassung bzw. Synchronisation eines Taktsignals und der Eingangssignale
verschlechtert.
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Als
weitere Folge aus diesen verlängerten oder
verkürzten
Schaltzeiten des Differenzverstärkers
kommt es auch zu Einflüssen
bei den sogenannten Setup- und Hold-Zeiten. Die Setup-Zeit ist die Zeitspanne,
während
der ein Signal bereits an einem Dateneingang einen definierten Zustand
angenommen haben muss, bevor das Signal nach dem Auftreten des Taktimpulses
weiter verarbeitet wird. Die Hold-Zeit beschreibt die Zeitspanne,
während
der ein Signal noch an einem Datenausgang anliegen muss, nachdem
der Taktimpuls erfolgt ist. Durch Schwankungen der Referenzspannung
mit den oben genannten Folgen müssen
die Setup- und Hold-Zeiten vergleichsweise groß bemessen werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Differenzverstärkerschaltung
anzugeben, die es gestattet, den Einfluß von Schwankungen der Referenzspannung
auf das Schaltverhalten zu reduzieren.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Differenzverstärkerschaltung,
die zwei Eingangstransistoren, ein Lastelement und eine Stromquelle
aufweist. Ein Anschluß für eine Eingangsspannung ist
mit einem Steueranschluß eines
ersten Eingangstransistors verbunden. Ein weiterer Anschluß für eine Referenzspannung
ist mit einem Steueranschluß eines zweiten
Eingangstransistors verbunden. Die beiden Eingangstransistoren sind
parallel zwischen das Lastelement und einen Anschluß der Stromquelle
geschaltet. Desweiteren ist ein Anschluß für eine interne Bezugsspannung,
der mit einem weiteren Anschluß der
Stromquelle verbunden ist, vorgesehen. Die Schaltung enthält ferner
eine Regelschaltung, die mit dem Anschluß für die Referenzspannung und
mit dem Anschluß für das interne
Bezugspotential verbunden ist. Dieses Bezugspotential der Schaltung wird
in Abhängigkeit
von Schwankungen der Referenzspannung geregelt.
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Die
Regelschaltung zur Regelung des internen Bezugspotentials umfaßt bevorzugt
einen Regelverstärker
mit einem ersten invertierenden Eingang, einem zweiten nichtinvertierenden
Eingang und einem Ausgang, weiterhin eine Steuerspannungsquelle
zur Erzeugung einer Steuerspannung und ein Stellglied. Die Steuerspannungsquelle
ist zwischen den invertierenden Eingang des Regelverstärkers und
den Anschluß der
Referenzspannung geschaltet. Der nichtinvertierende Eingang ist
mit dem Anschluß des
internen Bezugspotentials verbunden. Der Ausgang ist mit einem Steuereingang
des Stellglieds, das zwischen ein externes Versorgungspotential
und den Anschluß des
internen Bezugspotentials geschaltet ist, verbunden. Die Regelschaltung vergleicht
die am invertierenden Eingang des Regelverstärkers in Serie anliegende Referenz-
und Steuerspannung mit dem am nichtinvertierenden Eingang anliegenden
internen Bezugspotential. Mit Hilfe eines beispielsweise als Stellglied
betriebenen Schalttransistors wird das interne Bezugspotential geregelt,
bis die Differenzeingangsspannung des Regelverstärkers 0V ist. Das interne Bezugspotential
kann dadurch in Abhängigkeit
von Schwankungen der Referenzspannung geregelt werden. Der Wert
der Referenzspannung bezieht sich nicht mehr auf ein externes Versorgungspotential
sondern auf das interne Bezugspotential. Schwankungen der Referenzspannung
werden durch Regelung des internen Bezugspotentials auf dem Chip kompensiert,
so daß der Arbeitspunkt
der Schaltung stabil bleibt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung umfaßt die Regelschaltung zur
Regelung des internen Bezugspotentials einen Regelverstärker mit
einem ersten nichtinvertierenden Eingang, mit einem zweiten invertierenden
Eingang und mit einem Ausgang, weiterhin eine Steuerspannungsquelle
zur Erzeugung einer Steuerspannung und eine Spannungserzeugerschaltung.
Die Steuerspannungsquelle ist zwischen den nichtinvertierenden Eingang
des Regelverstärkers
und den Anschluß der
Referenzspannung geschaltet. Der invertierende Eingang ist mit dem
Anschluß des
internen Bezugspotentials verbunden. Der Ausgang ist mit der Spannungserzeugerschaltung
verbunden. Die Spannungserzeugerschaltung ist mit einem weiteren
Anschluß an
das externe Versorgungspotential angeschlossen und mit einem anderen
Anschluß mit
dem Anschluß für das interne
regelbare Bezugspotential verbunden. Die Spannungserzeugerschaltung
ist beispielsweise als Ladungspumpe realisierbar. Mit dieser Ladungspumpe
lassen sich negative interne Bezugspotentiale erzeugen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Stromquelle als Stromspiegel mit einem Eingangspfad
und einem Ausgangspfad ausgebildet. Der Ausgangspfad ist zwischen
den Anschluß des Bezugspotentials
und die Eingangstransistoren geschaltet.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine Schaltungsanordnung
eines Differenzverstärkers
nach dem Stand der Technik;
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2 eine Schaltungsanordnung
eines Differenzverstärkers
zur Regelung eines positiven internen Bezugspotentials gemäß der Erfindung;
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3 eine Schaltungsanordnung
eines Differenzverstärkers
zur Regelung eines negativen internen Bezugspotentials;
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4 eine Schaltungsanordnung
einer Ladungspumpe zur Erzeugung einer negativen Ladung.
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1 zeigt die Schaltung eines
Differenzverstärkers
nach dem Stand der Technik, der ein Lastelement 80, zwei
Eingangstransistoren 60 und 70 sowie eine Stromquelle 10 umfaßt.
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Das
Lastelement 80 ist in 1 beispielsweise
als aktive Last dargestellt und enthält als Lastelemente einen Transistor 81 und 82.
Die beiden Transistoren befinden sich in zwei parallelen Zweigen
und sind über
ihre Anschlüsse 83 und 86 mit
dem Anschluß 3,
an dem die Versorgungsspannung VDD angelegt
ist, verbunden. Beide Transistoren sind über ihre Anschlüsse 84 und 87 verbunden.
Bei dem Transistor 82 ist der Anschluß 87 zusätzlich mit
dem Anschluß 88 kurzgeschlossen,
so daß der
Transistor als Diode geschaltet ist. Der Eingangstransistor 60 ist mit
seinem Anschluß 62 mit
der Spannung Vin verbunden. Er ist über den
Anschluß 61,
an dem die Ausgangsspannung Vout der Schaltung
abgegriffen wird, mit dem Anschluß 85 des Transistors 81 verbunden.
Der Eingangstransistor 70 ist über den Anschluß 72 mit
der Referenzspannung Vref verbunden. Weiterhin
ist er über
seinen Anschluß 71 mit
dem Anschluß 88 des
Transistors 82 verbunden.
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Die
Stromquelle 10 weist im Eingangspfad 40 einen
Widerstand 19, der mit einem Anschluß an die Versorgungsspannung
VDD und mit dem anderen Anschluß an den
Transistor 11 angeschlossen ist, auf. Im Eingangspfad 40 fließt der Eingangsstrom IBias. Der Transistor 11 ist als
Diode geschaltet, indem die Anschlüsse 12 und 13 kurzgeschlossen
sind. Im Ausgangspfad der Stromquelle befindet sich der Transistor 15, über den
der Ausgangstrom in die beiden Parallelzweige des Differenzver stärkers eingespeist
wird. Er ist mit seinen Anschlüssen 16 und 18 zwischen
die Eingangstransistoren 60, 70 und den Anschluß 5 des
internen Bezugspotentials VSS geschaltet
und ist über
seinen Anschluß 17 zusätzlich mit
dem Anschluß 13 des
Transistors 11 verbunden.
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Werden
für die
beiden Transistoren 60 und 70 beispielsweise Feldeffekttransistoren
verwendet, so bestimmt die Gate-Source-Spannung
UGS das Verhalten der Transistoren. Die
Spannung Vin ist im Allgemeinen um die Spannung
Vref zentriert. Schwankungen der Referenzspannung
Vref führen
zu einer Änderung
des Potentials Vcom am Anschluß 63/73 der beiden
Transistoren 60 und 70. Das Potential stellt sich
dabei so ein, daß sich
der von der Stromquelle 10 bereitgestellte Strom je nach
Verhältnis
der Steuerspannungen Vin und Vref auf
die beiden Parallelzweige verteilt. Sind die beiden Potentiale Vin und Vref hinsichtlich
des Bezugspotentials VSS gleich, so fließt im Idealfall
identischer Parallel-zweige in beiden der gleiche Strom. Wenn sich
das Potential Vref am Anschluß 2 ändert, so ändert sich
auch der Strom, der in den Parallelzweigen fließt und damit auch das Potential
Vcom. Ein Absinken der Spannung Vref bewirkt ein Absinken der Spannung Vcom am Knotenpunkt 63/73.
Für bestimmte
Prozess-, Temperatur- und Spannungswerte von Vref kann
das Potential Vcom am Knotenpunkt der Transistoren
so weit absinken, daß der
Transistor 15 aus der Sättigung
gerät.
Dadurch sinkt der von der Stomquelle vorgegebene Strom IBIAS und damit auch die Spannung UGS der Transistoren 60 und 70.
Infolge dessen kommt es zu einer Arbeitspunktverschiebung der Schaltung
und zu veränderten
Schaltzeiten.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung
eines Differenzverstärkers
gemäß der Erfindung.
Zusätzlich
zu den in 1 beschriebenen
Elementen der Schaltung weist die verbesserte Schaltung eine Regelschaltung 20a auf.
Die Regelschaltung 20a umfaßt einen Regelverstärker 22a mit
einem invertierenden Eingang 23a, einem nichtinvertierenden
Eingang 24a sowie ei nem Ausgang 25a. An den Eingang 23a ist
eine Steuerspannungsquelle 21a, die eine Steuerspannung
Vcntr bereitstellt, angeschlossen. Die Steuerspannungsquelle
ist mit dem Anschluß 2,
an dem die Referenzspannung anliegt, verbunden. Der Ausgang 25a ist
mit dem Steuereingang eines Stellgliedes 26a, das beispielsweise
durch einen Transistor realisiert ist, verbunden. Das Stellglied 26a ist
zwischen den Anschluß der
Stromquelle 10, der auf dem regelbaren internen Bezugspotential
VSS(reg) liegt, und den Anschluß 4 für das externe
Versorgungspotential VSS geschaltet.
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Der
Längstransistor 26a wird
durch den Regelverstärker 22a gesteuert.
Im ausgeregelten Zustand ist die Differenzeingangsspannung des Regelverstärkers 0V.
Die Spannung VSS(reg) ist dann gleich der
Differenz der Spannungen Vref und Vcntr. Schwankt das Potential Vref so
wird die Differenzeingangsspannung ungleich 0V. Über den als Stellglied wirkenden
Transistor 26a wird dann VSS(reg) solange geregelt,
bis die Differenzeingangsspannung des Regelverstärkers wieder 0 V ist bzw. VSS(reg) = Vref – Vcntr ist. Es haben sich damit die beiden
Potentiale Vref und VSS(reg) betragsmäßig zwar
verändert,
der Potentialunterschied zwischen beiden ist aber der gleiche geblieben.
Dadurch bleibt der Arbeitspunkt der Schaltung, der durch die Spannung
UGS der Eingangstransistoren 60 und 70 festgelegt
wird, im gleichen Zustand.
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In 2 ist der Fall dargestellt,
daß das
externe Versorgungspotential VSS auf 0V
liegt und das interne Bezugspotential VSS(reg) über das
Stellglied auf einen Wert oberhalb dieses Potentials geregelt wird.
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3 zeigt den Fall, daß das Potential VSS(reg) auf einen Wert unterhalb 0V geregelt
wird. Die Schaltung unterscheidet sich im Vergleich zu der oben
beschriebenen Schaltung von 2 durch
die Regelschaltung 20b. Es wird daher im folgenden nur diese
Schaltungskomponente beschrieben. Die Regelschaltung 20b umfaßt einen
Regelverstärker 22b mit
einem nichtinvertierenden Eingang 23b, einem invertierenden
Eingang 24b sowie einem Ausgang 25b. An den Eingang 23b ist
eine Steuerspannungsquelle 21b, die eine Steuerspannung
Vcntr bereitstellt, angeschlossen. Die Steuerspannungsquelle
ist mit dem Anschluß 2,
an dem die Referenzspannung Vref anliegt,
verbunden. Die Regelschaltung 20b weist ferner eine Spannungserzeugerschaltung 28b,
die beispielsweise als Ladungspumpe realisierbar ist, auf. Die Ladungspumpe
wird über
den Ausgang 25b des Regelverstärkers angesteuert. Ihr Anschluß 27b ist
mit dem negativen Versorgungspotential VSS verbunden.
Der Ausgang 26b der Ladungspumpe ist mit dem Anschluß 5 des
internen regelbaren Bezugspotentials VSS(reg) verbunden.
Durch diese Beschaltung läßt sich
ein negatives interne Bezugspotential VSS(reg) erzeugen.
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4 zeigt das Prinzipschaltbild
der Ladungspumpe 28b aus 3 zur
Erzeugung eines negativen Bezugspotentials VSS(reg),
sowie die Steuerimpulse SS1 und SS2. Die Ladungspumpe umfaßt zwei Schalter 50 und 51,
die beispielsweise als P-MOS Transistoren ausgelegt sind und eine
Ladekapazität 52.
Die Kapazität 52 ist über den
Schalter 50 mit dem Anschluß 53, an dem die Versorgungsspannung
VSS anliegt und über den Schalter 51 mit
dem Anschluß 5 des
internen regelbaren Bezugspotentials VSS(reg) verbunden.
Der Pumpvorgang setzt sich aus zwei Pumpzyklen zusammen. Während des
ersten Zyklus wird der Schalter 51 durch das Steuersignal
SS2 geöffnet.
Der Schalter 50 wird durch das Steuersignal SS1 geschlossen
und verbindet die Versorgungsspannung VSS mit
der Ladekapazität 52,
auf der eine negative Ladung gespeichert wird. Während des zweiten Zyklus wird
der Schalter 50 geöffnet
und der Schalter 51 über
das Steuersignal SS2 geschlossen. Die Kapazität 52 ist dadurch mit
dem Anschluß 5 des internen
regelbaren Bezugspotentials VSS(reg) verbunden.
Die auf der Kapazität 52 gespeicherte
Ladung fließt über den
Schalter 51 zum Anschluß 5 ab und erniedrigt
das Potential VSS(reg).
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- 1
- Anschluß für Vin
- 2
- Anschluß für Vref
- 3
- Anschluß für Versorgungspotential
VDD
- 4
- Anschluß für Versorgungspotential
VSS
- 5
- Anschluß für VSS/VSS(reg)
- 10
- Stromquelle
- 11
- Transistor
- 12
- erster
Anschluß des
Transistors 11
- 13
- zweiter
Anschluß des
Transistors 11
- 14
- dritter
Anschluß des
Transistors 11
- 15
- Transistor
- 16
- erster
Anschluß des
Transistors 15
- 17
- zweiter
Anschluß des
Transistors 15
- 18
- dritter
Anschluß des
Transistors 15
- 19
- Widerstand
- 20
- Regelschaltung
(Variante a, b)
- 21
- Steuerspannungsquelle
(Variante a, b)
- 22
- Regelverstärker (Variante
a, b)
- 23
- erster
Eingang von 22 (Variante a, b)
- 24
- zweiter
Eingang von 22 (Variante a, b)
- 25
- Ausgang
von 22 (Variante a, b)
- 26
- Stellglied
(Variante a)
- 27
- Anschluß für das Versorgungspotential
VSS (Variante b)
- 28b
- Ladungspumpe
- 30
- Ausgangspfad
der Stromquelle 10
- 40
- Eingangspfad
der Stromquelle 10
- 50
- Schalter
- 51
- Schalter
- 52
- Ladekapazität
- 53
- Anschluß für Versorgungspotential
VSS
- 60
- erster
Eingangstransistor
- 61
- erster
Anschluß des
Eingangstransistors 60
- 62
- zweiter
Anschluß des
Eingangstransistors 60
- 63
- dritter
Anschluß des
Eingangstransistors 60
- 70
- zweiter
Eingangstransistor
- 71
- erster
Anschluß des
Eingangstransistors 70
- 72
- zweiter
Anschluß des
Eingangstransistors 70
- 73
- dritter
Anschluß des
Eingangstransistors 70
- 80
- Lastelement
- 81
- erster
Transistor des Lastelementes 80
- 82
- zweiter
Transistor des Lastelementes 80
- 83
- erster
Anschluß des
Transistors 81
- 84
- zweiter
Anschluß des
Transistors 81
- 85
- dritter
Anschluß des
Transistors 81
- 86
- erster
Anschluß des
Transistors 82
- 87
- zweiter
Anschluß des
Transistors 82
- 88
- dritter
Anschluß des
Transistors 82
- VDD
- hohes
Versorgungspotential
- VSS
- niedriges
Versorgungspotential
- Vin
- Eingangsspannung
- Vref
- Referenzspannung
- Vout
- Ausgangsspannung
- Vcom
- Potential
am Knoten 63/73
- Vcntr
- Steuerspannung
- VSS(reg)
- regelbares
Bezugspotential
- IBIAS
- Strom
im Eingangspfad der Stromquelle 10