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"Anpassungsschaltung zum Übergang von Feldeffekt-Transistorschaltkreisen
zu bipolaren Digitalschaltkreisen" Die Erfindung betrifft eine Anpassungsschaltung
zum Übergang von Feldeffekt-Transistorschaltkreisen zu bipolaren Digitalschaltkreisen.
Die Feldeffekt-Transistorschaltkreise sind dabei in der p-Kanal-MOS-Technologie
mit einer Schwellenspannung von etwa 3V ausgebildet, die bipolaren Schaltkreise
vorzugsweise in der TTL (Transistor-Transistor-Logik)
Bekannt ist
eine ganze Anzahl von Anpassungsschaltungen der vorgenannten Art, die in der Literatur
und in Firmendruckschriften vertzeichnet sind. In all diesen Schaltungen werden
zusätzliche äußere Schaltelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden oder Transistoren
zur Anpassung des großen Spannungshubes der MOS-Schaltkreise von über 10V an den
5V Hub der TTL-Schaltkreistechnik benötigt.
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So ist z. B. aus dem Prospekt der Firma Electronic Arrays vom 15.
Mai 1970, EA 3100, bekannt, den MOS-Schaltkreis mit dem TTL-Schaltkreis über einen
ohmischen Spannungsteiler mit Schutzdiode zu verbinden. Diese Schaltung hat jedoch
den Nachteil, daß die Endstufentransistoren des MOS-Schaltkreises einen verhältnismaßig
hohen Strom ziehen müssen, um eine kurze Schaltzeit zu erreichen. Für normale TTL-Schaltkreise
sind Ströme von mehr als 5 mA in der MOS-Schaltung erforderlich, für Low-Power-Schaltkreise
immerhin noch 1,6 mA. Ein W/L-Verhältnis (W = Gate-Weite, L = Gate-Länge) der MOS-Endstufentransistoren
von 100 - 200 ist üblich. Diese Transistoren benötigen viel Platz. Das hat zur Folge,
daß für übrige Schaltkreise in der eingentlichen Schaltung weniger Platz zur Verfügung
steht.
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ur Verminderung des Stromverbrauches im MOS-Schaltkreis wird z. B.
im Prospekt von Intersil, IM 7604, von November 1970, vorgeschlagen, den ohmischen
Spannungsteiler zwsichen MOS-Schaltkreis und TTL-Schaltkreis mit dem einen Ende
nicht auf O-Potential, sondern auf eln verhältnismäßig hohes negatives Potential
zu legen. Der hochohmigere Spannungsteiler hat jedoch in Verbindung mit der Eingangskapazität
der TTL-Schaltung zur Folge, daß sich Schaltzeiten in der Größenordnung von 200
bis 400 nsec ergeben.
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Aus dem Applikationssbericht "Application Note 25" der AMS (American
Micro Systems) vom 6.9.1970 ist bekannt, zur Herabsetzung des Stromes in den MOS-Endstufentransistoren
und zur Verkürzung der Schaltzeit einen Transistor, eine Gegenkopplungsdiode in
Germanium- oder SchottkyTechnologie und einen Sperrwiderstand zur Anpassung vorzusehen.
Diese Schaltung kann für einen geringen Stromverbrauch und für eine relativ hohe
Schalt geschwindigkeit ausgelegt werden. Ihr Nachteil ist, ein zusätzlicher Aufwand
von drei Bauelementen und deren Platzbedarf in unmittelbarer Nachbarschaft der DIOS-Schaltung.
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Ferner sind MOS-Schaltkreise mit einer Betriebsspann'ing von 5V bekannt,
die direkt an TTL-Schaltkreise anschließbar sind. Diese sind jedoch in einer aufwendigen
und daher kostspieligen Technologie gefertigt (Ionen-Implantation).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftliche Schaltungsanordnung
der oben genannten Art anzugeben, die eine kurze Schaltzeit besitzt, einen geringen
Leistungsverbrauch hat und ohne zusätzliche äußere Schaltelemente auskcnmt.
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Die rufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch die Erfindung werden die Schaltzeiten um den Faktor 2 bis 10
gegenüber denjenigen, die mit Schaltkreisen nach dem Stand der Technik erreicht
werden, verkürzt. Die Endstufen-und Schalttransistoren im MOS-Schaltkreis können
mit kleinen Abmessungen hergestellt werden. Der Mehraufwand ist gering, ebenso der
Platzbedarf. Der Leistungsverbrauch ist erheblich reduziert.
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Durch die im Anspruch 2 genannte Maßnahme wird die Schaltzeit des
Schalttransistors verbessert. Wird die Source-Elektrode des Schalttransistors gemäß
den Ansprüchen 3 und 4 isoliert aus dem MOS-Schaltkreis herausgefünrt, kann man
über das Potential dieses Punktes freizügiger verfügen, was in manchen Schaltungen
von besonderem Vorteil sein kann.
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Um die Schaltzeiten extrem zu verbessern, geben die Ansprüche 5 bis
7 weitere vorteilhafte Lösungen an.
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Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen: Figur 1 eine Anpassungsschaltung gemäß der Erfindung Figur 2 Schalttransistor
mit isolierter Source-Elektrode Figur 3 Schalttransistor mit RC-Glied und isolierter
Source-Elektrode.
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In Figur 1 sind die Transistoren 12 und 13 die üblicherweise in MOS-Schaltkreisen
verwendeten Gegentakt-Ausgangstransistoren. Sie liegen mittels der Anschlußleitungen
15 und 18 an dem negativen bzw, positiven Pol der 3etriebsspannungsquelle. Die Anschlußleitung
15 liegt beispielsweise an -12V, die Anschlußleitung 18 an + 12V. Das O V-Potential
der Spannungs quelle wird über die Zuleitung 16
dem MOS-Schaltkreis
zugeführt. Gemäß der Erfindung wird der Verbindungspunkt der beiden Endstufentransistoren
12 und 13 nicht zum Schalten des TTL-Schaltkreises 2 benutzt, sondern dieser Verbindungspunkt
ist mit der Gate-Elektrode eines Schalttransistors 14 verbunden, dessen Source-Elektrode
über die Leitung 16 auf O-Potential liegt. Die Drain-Elektrode des Schalttransistors
14 ist über der Leitung 17 an den Eingangstransistor des nachfolgenden TTI-Schaltkreises
ohne weitere Bauelemente angeschlossen und der negative Pol der Betriebsspannungsquelle
für die TTL-Schaltung ist mit der O-Potential führenden Leitung 16 des MOS-Schaltkreises
verbunden.
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Ist der Transistor 13 des MOS-Schaltkreises leitend, so ist der Schalttransistor
14 gesperrt und in die TTL-Schaltung fließt kein den Schaltzustand "O" kennzeichnender
Eingangsstrom. Wird dagegen der Transistor 13 gesperrt, so wird der Schalttransistor
14 leitend und der TTL-Schaltkreis wird in den Zustand "0" gesteuert.
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Der T2L-Schaltkreis 2 ist in Figur 1 nur angedeutet. Wichtigste Kenngröße
für die äußere Beschaltung des TTL-Schaltkreises
ist der Wert des
Widerstandes 21, der in der Basiszuleitung des Eingangstransistors 20 des TTL-Schaltkreises
liegt.
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Beträgt dieser Widerstandswert etwa 4 k#, so handelt es sich um ein
normales 2 Gatter, das am Eingang (Leitung 17) für den Zustand "0" einen Strom von
etwa 1,6 mA erfordert.
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Hat der Widerstand 21 einen Wert von 40 kA, so handelt es sich um
ein sogenanntes Tow-Power-Gate, bei den der benötigte Eingangsstrom für den Schaltzustand
llott in der Größenordnung von 180 µA liegt.
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Um eine genügend hohe sperrende Gate-Spannung für den Schalttransistor
14 zu erhalten, ist ein Spannungsteiler im MOS-Schaltkreis' bestehend aus den Transistoren
11, 12 und 13, in an sich bekannter Technik aufgebaut. Hierdurch wird die Ein- und
Abschaltgeschwindigkeit des Schalttransistors 14 an seinem Eingang in vorteilhafter
Weise beschleunigt.
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Der Schalttransistor 14 dient direkt als Ableitschalter für das TTI-Gate.
Er muß zur Anpassung an eine TTL-Schaltung vom Low-Power-Gate-Typ, bei dem der Basisableitwiderstand
21 des TTL-Gatters 40 k beträgt, für einen Strom von etwa 200 µA und bei einem normalen
TTL-Gatter (Basisableitwiderstand
21 nur 4 k#) ) für einen Strom
von etwa 1,6 mA ausgelegt sein.
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Die Schaltungsanordnung eignet sich besonders gut für die Low-Power-TTI-Schaltkreise,
weil sie hier trotz eines niedrigen Stromverbrauches eine kaum spürbare Signaldurchlaufzeitvergrößerung
verursacht. Hat beispielsweise das TTL-Gatter eine Signaldurchlaufzeit von 25 nsec,
so wird durch das Anschalten des IfOS-Schaltkreises 1 mit der erfindungsgemäßen
Anordnung die Signaldurchlaufzeit höchstens um 10 bis 15 nsec vergrößert. Das bedeutet
eine Reduzierung der Schaltverzögerung um den Faktor 2 bis 5, in einigen Fällen
sogar um den Faktor 10 gegenüber den Schaltkreisen nach dem Stande der Technik.
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Die Ursache für die kurze Schaltzeit ist die durch die Erfindung erreichte
nahezu optimale Umladung der Schaltkapazitäten. Solange der Emitter des TTL-Gatters
über die Leitung 17 einen Strom führt, ist die Spannung dieses Enitters gegen Leitung
16 beispielsweise 1,35 V und etwa gleich der des Kollektors des TTL-Eingangstransistors
20. In dem Moment, in dem durch die Anschlußleitung 17 ein Strom abgezogen wird
und
der TTL-Schaltkreis in den "O"-Zustand geschaltet wird, fällt die genannte Emitterspannung
nur unwesentlich, nämlich auf etwa 1,18 V. Der Spannungshub beträgt also nur etwa
0,17 V.
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Dadurch brauchen unvermeidliche Schaltkapazitäten nur wenig umgeladen
zu werden.
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Bein Abschalter des Stromes durch den Schalttransistor 14 steigt die
Spannung am genannten Emitter von etwa 0,7 V auf 1,4 V, bevor das UTI-Gatter umschaltet.
Auch die dazu benötigte Zeit ist verhältnismäßig kurz, so daß Signaldurchlaufzeiten
von 10 bis 20 nsec an dieser Stelle auftreten.
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Weitere Emitter des TTI-Schaltkreises können mit MOS-Schaltkreisen
gemäß der Erfindung, in der Ausführung gemäß dem Stand der Technik und/od-er mit
normalen TTL-Schaltkreisen geschaltet werden.
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Die geometrische Größe des Schalttransistors 14 kann gering gehalten
werden, ebenso der Beistungsverbrauch in diesem Dransistor, insbesondere, wenn Low-Power-TTL-Schaltungen
verwendet werden. Man kann errechnen, daß der Widerstand des Schalttransistors 14
zwischen Drain und Source bei der Drain-Source-Spannung O V etwas kleiner als 3,5
k# sein nuß,
so daß ein W/EVerhältnis von 10 bis 20 zulässig ist,
im Gegensatz zu normalen TTL-Schaltungen, wo dieses Verhältnis in der Gegend von
100 liegen muß. Für ein Low-Power-TTI-Gatter werden von der MOS-Endstufe einschließlich
des Schalttransistors 14 nur noch 1,4 mW pro Ausgang verbraucht.
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Die Anpassungsschaltung kann auch gemäß Figur 2 bei 2-polig an die
Betriebs spannung anzuschließenden MOS-Schaltkreisen angewendet werden. In diesem
Fall hat der MOS-Schaltkreis keine auf potential liegende Leitung und die Leitung
16 des MOS-Schaltkreises, die gleichzeitig zum negativen Pol der Betriebsspannung
für den TTL-Schaltkreis führt, ist an einem Spannungsteiler der Betriebsspannung
für den MOS-Schaltkreis anzuschließen.
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In hochintegrierten MOS-Schaltkreisen werden häufig viele gleichartige
Endstufen eingebaut, die an verschiedene Emitter
des oder der TTL-Gatter
anzuschließen sind. Hierbei stellt es eine Schaltungsvereinfachung dar, wenn die
einzelnen Schalttransistoren 14 mit einer Elektrode, außer der Gate-Elektrode, vorzugsweise
jedoch der Source-Elektrode, an eine gemeinsame Leitung, beispielsweise Bettung
16 angeschlossen sind, die an dem negativen Pol der Betriebsspannung des, bzw. der
TTL-Schaltkreise liegt. Diese Leitung 16 braucht keine direkte Verbindung mit dem
MOS-Schaltkreis zu haben.
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Da der benötigte Eingangs strom der TTL-Gatter um mehr als den Faktor
2 gegenüber dem im Datenblatt angegebenen Maximalwert streuen kann, ist es in Fällen,
wo es auf höchste Schaltgeschwindigkeit ankommt, vorteilhaft, einen individuellen
gemäß Figur Abgleich durch jeweils ausgesuchte Widerstände 30 / zwischen dem Schalttransistor
14 und dem T ingang zu schalten.
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Dieser Widerstand ist so zu wählen, daß beim Einschalten des Schalttransistors
14 der Eingangs strom für die TTL-Schaltung noch mit Sicherheit über den minimal
erforderlichen Wert liegt.
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Wird der soeben beschriebene Widerstand 30 durch einen Kondensator
kleiner Kapazität der nach den bekannten Regeln der Impulstechnik bemessen ist,
überbrückt, läßt sich die Schaltgecchwindigkeit auf ihren optimalen Wert bringen.