DE2301855A1 - Pegelumsetzer - Google Patents

Description

Böblingen, 9. Januar 1973 raoe-fr

Anmelderin: International* Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Aintl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: PI 971 087

Pegelumsetzer

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Pegelanpassung an der Nahtstelle von mit bipolaren und unipolaren, d.h. Feldeffekttransistoren aufgebauten und vorzugsweise digital betriebenen Transistorschaltkreisen.

Beim Aufbau von umfangreichen elektrischen Schaltungen ist es weitgehend üblich geworden, sowohl Schaltkreiskomplexe mit bipolaren Transistoren als auch solche mit unipolaren, d.h. Feldeffekttransistoren im Rahmen einer Gesamtschaltung miteinander einzusetzen. Dabei ist es nötig, daß die Signale beim überqueren dieser Nahtstellen jeweils in das zugehörige andere Pegelschema umgesetzt werden. Transistorschaltkreise mit bipolaren Transistoren erfordern bekanntlich zur Umschaltung andere, und zwar in der Regel geringere Signalspannunghübe zur Umschaltung als es bei mit Feldeffekttransistoren aufgebauten Schaltungen wegen der dort zu berücksichtigenden höheren Schwellenspannung erforderlich ist. Bisher wurde es für unvermeidbar gehalten, daß solche Pegelumsetzer- bzw. Pegelanpassungsschaltungen zwischen bipolaren und unipolaren Transistorschaltkreisen mit bipolaren Transistoren aufgebaut werden mußten. Obwohl man bereits erkannt hat, daß bei einer Auslegung dieser Pegelanpassungsstufen in Feldeffekttransistor-Technologie diese

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in bezüglich der Kosten und Packungsdichte günstiger Weise auf demselben Halbleiterplättchen mit anderen Feldeffekttransistorschaltkreisen ausgebildet werden könnten, sind solche Pegelanpassungsschaltungen mit Feldeffekttransistoren bis heute noch nicht vorhanden. Wegen der Tatsache, daß bei Feldeffekttransistorschaltkreisen besondere Probleme bezüglich der Schwellenspannungen und deren Veränderungen auftreten und auf der anderen Seite bipolare Transistorschaltkreise mit einem demgegenüber sehr geringen Signalhub betrieben werden, konnten bisher solche Pegelanpassungsschaltungen nicht in Feldeffekttransistor-Technologie aufgebaut werden. Beispielsweise ist es bei Feldeffekttransistorschaltkreisen üblich, daß die Schwellenspannungen zwischen 0,2 und 1 Volt variieren, während bipolare Schaltkreise mit Signalhüben von demgegenüber 0,7 V auskommen. Angesichts der Tatsache, daß der Signalhub solcher bipolaren Schaltkreise demnach geringer ist als die Differenz der möglichen Schwellenspannungsveränderungen, wird die oben beschriebene Situation verständlich.

Zwar sind bereits Schaltungsanordnungen mit Feldeffekttransistoren bekanntgeworden, die mittels vorgesehener Rückkopplungspfade eine möglichst konstante Schwellenspannung bei Feldeffekttransistoren möglich erscheinen lassen, vgl. z.B. die US-Patentschriften 3 604 952 und 3 609 414. Dazu wird z.B. die aus der Schwellenspannungsveränderung resultierende Stromveränderung abgefühlt und in eine Veränderung der Substratvorspannung umgesetzt, die ihrerseits wiederum einen direkten Einfluß auf die Höhe der Schwellenspannung des Feldeffekttransistors aufweist.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Schaltung zur Pegelanpassung an der Nahtstelle von mit bipolaren und mit unipolaren, d.h. Feldeffekttransistoren arbeitenden Schaltkreisen anzugeben, die ihrerseits ausschließlich mit Feldeffekttransistoren bzw. in Feldeffekttransistor-Technologie aufbaubar ist. Dabei soll insbesondere der nachteilige Einfluß der bei Feldeffekttransistoren auftretenden relativ hohen und sich ändernden Schwellenspannung ausgeschaltet werden, die normalerweise

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größer ist als die von bipolaren Schaltkreisen gelieferten Signalspannung shübe.

Gemäß der Erfindung ist zur Lösung dieser Aufgabe eine an sich bekannte Inverterschaltung aus der Reihenschaltung eines Signal-Feldeffekttransistors und eines Last-Feldeffekttransistors vorgesehen, bei der der gemeinsame Verbindungspunkt den Schaltungsausgang bildet und die Gate-Elektrode des Signal-Feldeffekttransistors auf den Schaltungseingang zur Aufnahme der im Pegelschema für bipolare Transistoren vorliegenden Eingangssignale gekoppelt ist, und der Signal-Feldeffekttransistor weist einen vorzugsweise einen weiteren Feldeffekttransistor enthaltenden Rückkopplungspfad von seinem Ausgang auf den Eingang auf, über den er derart in der Nähe des Wertes seiner Schwellenspannung vorgespannt ist, daß er bereits beim Auftreten eines Eingangssignalspannungshubes kleiner als seiner Schwellenspannung umschaltbar ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, daß bei einer Ausbildung der Feldeffekttransistorschaltkreise in integrierter Halbleitertechnik auch die zur Übernahme der bipolaren Transistorpegel erforderlichen Pegelanpassungsschaltkreise auf demselben Halbleiterplättchen vorgesehen werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das elektrische Schaltbild eines bevorzugten

Ausführungsbeispiels nach der Erfindung;

Fign. 2 u. 3 Spannungsdiagramrae zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 und

Fig. 4 einen Strom-/Spannungsverlauf zur Erläuterung ^{FI 971 O87} 309833/1019

der Arbeitsweise des Transistors Q3 der Schaltung von Fig. 1.

Die in Fig. 1 als vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Schaltung erhält am Eingang A ihr Eingangssignal und liefert am Ausgang B ein Ausgangssignal. Zwischen den Eingang A und den Verbindungspunkt C der Gate-Elektrode von Ql und der Source-Elektrode von Q3 ist ein Kondensator Cl eingeschaltet. Der Feldeffekttransistor Ql liegt mit seiner Source-Elektrode an Masse, während seine Drain-Elektrode an einen gemeinsamen Verbindungspunkt D zwischen Q2 und Q3 angeschlossen ist. Dieser gemeinsame Verbindungspunkt D ist elektrisch mit dem Ausgang B identisch. Der Rückkopplungs-Feldeffekttransistor Q3 ist bezüglich seiner Drain- und Gate-Elektrode zu einer Diodenkonfiguration verbunden und wirkt im wesentlichen als Diode. Der Lastfeldeffekttransistor Q2 ist ebenfalls bezüglich seiner Gate- und Drain-Elektroden nach Art einer Diode verbunden und arbeitet als veränderlicher Lastwiderstand. Die Gate-/Drain-Verbindung des Lastfeldeffekttransistors Q2 ist mit einer positiven Betriebsspannungsquelle +V verbunden. Der Ausgang B wird in der Regel mit der Gate-Elektrode eines nachfolgenden Feldeffekttransistors gekoppelt, der seinerseits wieder eine Eingangskapazität aufweist, wie in Fig. 1 in unterbrochenen Linien angedeutet ist.

Um die Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltung von Fig. 1 zu vereinfachen, werden im folgenden einige spezielle Bauelementwerte sowie Spannungs- und Strampegel betrachtet. Diese Schaltungswerte sind jedoch nur als Beispielswerte und nicht als Beschränkung der Erfindung anzusehen. Es wird demzufolge angenommen, daß das Eingangssignal am Eingang A zwei stabile Spannungspegelwerte aufweist, deren Differenz mindestens 700 mV beträgt. Weiterhin wird angenommen, daß keiner dieser stabilen Spannungspegelwerte dem Massepotential entspricht. Um den Einfluß eines Gleichanteils am Eingang A zu unterdrücken und um lediglich den tatsächlichen Spannungshub zum Knotenpunkt C zu übertragen, ist

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der Kondensator Cl vorgesehen. Der Kapazitätswert des Kondensators Cl hängt von der dem Feldeffekttransistorschaltkreis innewohnenden Kapazität am Knotenpunkt C ab.

Es wurde experimentell gefunden, daß für die in der vorliegenden Beschreibung benutzten Werte ein Spannungshub von 500 mV am Knotenpunkt C anzustreben ist. Ein Kapazitätswert von 1,5 pF erscheint dazu ausreichend. Der Verbindungspunkt am Knoten C wird normal auf etwa 500 mV oberhalb der Schwellenspannung Von Ql vorgespannt. Der resultierende Spannungspegel am Verbindungspunkt D und damit am Ausgang B ergibt sich als Summe der Schwellenspannungen von Ql und Q3 sowie der Vorspannung am Knoten C. Die tatsächliche Spannung am Verbindungspunkt D ist nicht nur abhängig von diesen Schwellenspannungen, sondern ebenfalls von dem tatsächlichen Wert der Betriebsspannungsquelle +V und der relativen Größe und Struktur von Ql, Q2 und Q3. Im vorliegenden Beispiel ist Q3 flächenmäßig möglichst klein ausgelegt, d.h. Q3 bedeckt nur gerade so wenig Platz auf dem Halbleiterplättchen wie es die Technologie für einen betriebsbereiten Feldeffekttransistor oder eine entsprechende Diode zuläßt. Die relative Größe von Ql und Q2 wird durch die vorausgesetzten Eingangspegel, die gewünschten Ausgangspegel, den Wert der Betriebsspannung +V sowie weiteren Faktoren bestimmt. In typischen Fällen wird Q2 mit einem höheren Widerstandswert als Ql ausgelegt, so daß sich aus der Abstimmung dieser beiden Bauelemente der gewünschte Vorspannungspegel am Knotenpunkt C ergibt.

Im vorliegenden Beispiel beträgt der Spannungswert für die positive Betriebsspannung +V etwa 10 V ±1O %. Aus diesen Annahmen resultieren die Spannungsverläufe nach den Fign. 2 und 3. Fig. 2 stellt den Zustand dar, in dem der Eingang A sich auf dem unteren Pegel, z.B. 250 mV befindet. Der Ausgangsknotenpunkt D befindet sich dann etwa zwischen 1,8 V und 2,7 V und zwar in Abhängigkeit von den Schwellenwerten der verschiedenen Komponenten. Der Knotenpunkt C befindet sich auf einem Potential von etwa 5OO mV oberhalb der Schwellenspannung von Ql. Wenn das Eingangs-

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potential am Punkte A um 700 mV auf 0,45 V ansteigt/ steigt das Potential am Knotenpunkt C auf den Wert von etwa 1 V oberhalb der Schwellspannung von Ql, wie oben beschrieben wurde. Dies reicht aus, um Ql voll einzuschalten, so daß der gemeinsame Verbindungspunkt D und damit der Ausgang B auf etwa Massepotential zu liegen kommen. Die Schwellenspannungen der Anordnung lagen bei diesem Beispiel zwischen 0,2 bis 1,0 V, und zwar in Abhängigkeit vom besten und schlechtesten Fall. Die in der Kurvendarstellung gezeigte Zeitverzögerung entspricht im wesentlichen der Zeit, die zum Entladen der Ausgangskapazität über Ql nach Masse erforderlich ist.

In Fig. 3 ist der Fall dargestellt, daß der Eingang A wieder auf seinen normalen unteren Pegel zurückgeht. Dadurch wird der gemeinsame Verbindungspunkt am Knoten C wieder auf 5OO mV oberhalb der Schwellenspannung von Ql zurückgesetzt, wodurch Ql auf einen viel tieferen Strompegel umgeschaltet wird. Dies erlaubt der (in unterbrochenen Linien dargeöteilten) Ausgangskapazität, sich erneut über Q2 auf den oberen Pegel aufzuladen. Wie bereits gesagt, ist der Widerstand von Q2 erheblich größer als der von Ql, woraus sich die längere Verzögerung in Fig. 3 ergibt.

Die Darstellung von Fig. 4 erläutert die Arbeitsweise des Feldeffekttransistors Q3. In dem Strom-/Spannungsdiagramm ist der Arbeitsbereich um die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors Q3 herum dargestellt. Beim erstmaligen Einschalten der Betriebsspannung +V von 0 auf 10 V wird über den durch Q3 dargestellten Rückkopplungspfad der gemeinsame Verbindungspunkt am Knoten C auf den gewünschten Pegel von 500 mV vorgespannt, was durch die Auslegung von Ql und Q2 bestimmt ist. Im Ruhezustand ist der durch Q2 fließende Strom gleich dem durch Ql fließenden Strom, so daß durch Q3 kein Strom mehr fließt.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Eigenschaft dieses Schaltkreises, unkontrollierbare Prozeß- und Dimensionierungstoleranzen, die unerwünschte Schwellenspannungs-

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Veränderungen verursachen, auszuschalten. In gleichem Maße wie die Verfahrenstechniken verbessert werden, verbessern sich auch die Eigenschaften des vorliegenden Schaltkreises. Bei dem genannten Beispiel wurde gefunden, daß die Schwellenspannungen zwischen 200 mV und 1 V schwanken können. Ein Auslegungskriterium zum Erhalt eines aussagefähigen Ausgangssignales am Ausgang B besteht darin, daß der Strom durch Ql je nach dem Ein- bzw. Aus-Zustand mindestens ein Verhältnis von 4:1 aufweisen sollte. Der durch Ql fließende Strom wird durch die Gleichung I=K (V„ -V_)² erhalten. K ist eine durch den Prozeß und die Dimensionierung der Bauelemente bestimmte Konstante. V_Q ist das Potential am Gate von Ql, während V_T die Schwellenspannung von Ql ist. Wenn angenommen wird, daß die Schwellenspannung V_T im Ein- und Aus-Zustand konstant bleibt, ist ersichtlich, daß mit einem von 0,5 auf 1,0 V zunehmenden V„ das geforderte Stromverhältnis von 4:1 erhalten wird. Eine Verminderung der Vorspannung würde in einer Erhöhung des Stromverhältnisses aber gleichzeitig auch in einer Verminderung der Störtoleranz des Schaltkreises resultieren. Weiterhin ist es aber klar, daß ein größerer Eingangssignalhub die Arbeitsweise des Schaltkreises weiter verbessern wird. Bei der Auslegung muß auf jeden Fall beachtet werden, daß die Ausgangsspannung am Punkt B einen ausreichend hohen Spannungshub aufweisen muß, um die daran angeschlossenen weiteren Schaltkreise zuverlässig treiben zu können. Da in typischen Fällen das Ausgangssignal am Punkt B an die Gate-Elektrode eines weiteren Feldeffekttransistors gelegt wird, bedeutet dies, daß bei dem unteren Spannungspegel am Eingang A das Potential am Ausgang B größer sein muß als die Schwellenspannung des nachfolgenden Feldeffekttransistors. Umgekehrt muß das Potential am Ausgang B bei Anliegen des oberen Spannungspegels am Eingang A kleiner sein als die Schwellenspannung des nachfolgenden Feldeffekttransistors. Es wird angenommen, daß die Schwellenspannung des an den Ausgang B angeschlossenen Bauelements ähnlich der Schwellenspannung der Feldeffekttransistoren Ql, Q2 und.Q3 ist. Dadurch wird die Wirkungsweise des vorliegenden Schaltkreises weiter verbessert»

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— ο —

Es ist weiterhin bekannt, daß Schwellenspannungsveränderungen nicht nur von Prozeß- und Dimensionierungsveränderungen, sondern auch von der Vorspannung Source gegenüber dem Substrat abhängen. So wird das Substrat z.B. auf etwa -3 V gegenüber Massepotential an der Source-Elektrode von Ql vorgespannt. Da der Knotenpunkt C auf ein Potential größer als Massepotential vorgespannt ist, folgt daraus, daß die Source-Elektrode von Q3 gegenüber Substrat auf einen anderen Pegelwert als dem der Source-Elektrode von Ql vorgespannt ist. Dieser Unterschied in der Source/Substratvorspannung bewirkt, daß Q3 stets einen höheren Schwellenwert als Ql aufweist, woraus sich die in den Fign. 2 und 3 angegebenen typischen Werte ergeben.

Abschließend ist festzustellen, daß eine Schaltung beschrieben worden ist, in der der Feldeffekttransistor Q3 den eigentlichen Signal-Feldeffekttransistor Ql in der Nähe seiner Schwellenspannung vorspannt (ungeachtet der Tatsache, wie groß diese Schwellenspannung sein mag), wodurch der Feldeffekttransistor Ql in die Lage versetzt wird, aufgrund kleinerer Eingangsspannungen als den möglichen Schwellenwertschwankungen entsprechend geschaltet zu werden.

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Claims (3)

1. PRtI C Η.E

   Schaltungsanordnung zur Pegelanpassung an der Nahtstelle von mit bipolaren und unipolaren, d.h. Feldeffekttransistoren aufgebauten und vorzugsweise digital betriebenen Transistorschaltkreisen/ dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Inverterschaltung aus der Reihenschaltung eines Signal-Feldeffekttransistors (Ql) und eines fcast-Feldeffekttransistors (Q2) vorgesehen ist, bei der der gemeinsame Verbindungspunkt (Dr B) den Schaltungsausgang bildet und die Gate-Elektrode des Signal-Feldeffekttransistors (Qi) auf den Schaltungseingang (A) zur Aufnahme der im Pegelschema für bipolare Transistoren vorliegenden Eingangssignale gekoppelt ist, und daß der Signal-Feldeffekttransistor (Ql) einen vorzugsweise einen weiteren Feldeffekttransistor (Q3) enthaltenden Rückkopplungspfad (D-C) von seinem Ausgang auf den Eingang aufweist, über den er derart in der Nähe des Wertes seiner Schwel !entspannung vorgespannt ist, daß er bereits beim Auftreten eines Eingangssignalspannungshubes kleiner als seiner Schwellenspannung umschaltbar ist,
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schaltungseingang (A) und den Verbindungspunkt (C) der Gate-Elektrode des Signal-Feldeffekttransistors (Ql) mit dem Rückkopplungspfad ein Kondensator (Cl) eingeschaltet ist, dessen Kapazitätswert größer al» die Eingangekapazität des Signal-Feldeffekttransistor* (Ql) ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Φίχ Rückkopplungspfad (S)K?) aus einem als Diode geschalteten Feldeffekttransistor (Q3) besteht, dessen Source-Elektrode mit der Gate-Elektrode des Signal-Feldeffekttraneiztor· (Qi) und dessen G«t»-/Drain-~v«rbin- mit dem Sohaltungsauegang (0, B) verbunden ist·

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   - ίο -

   Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in Reihe mit dem Signal-Feldeffekttransistor (Ql) geschaltete Last-Feldeffekttransistor (Q2) bezüglich seiner Drain- und Gate-Elektrode eine elektrische Verbindung aufweist.

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