DE3006176A1

DE3006176A1 - Einrichtung zur signalpegelverschiebung

Info

Publication number: DE3006176A1
Application number: DE19803006176
Authority: DE
Inventors: Günther 8000 München Berbalk; Wilhelm Dr.-Ing. Wilhelm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-02-19
Filing date: 1980-02-19
Publication date: 1981-09-24
Also published as: DE3006176C2

Description

Einrichtung zur Signalpegelverschiebung
Die Erfindung bezieht sich auf eine integriert aufgebaute Einrichtung zur Signalpegelverschiebung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Einrichtungen zur Signalpegelverschiebung, im folgenden kurz als Pegelshifter bezeichnet, sind gewöhnlich Teile von umfangreicheren integrierten Schaltungsanordnungen. Sie dienen beispielsweise zur Pegelverschiebung von Eingangssignalen in Schaltungsanordnungen der ECL-Technik, zur Signalpegelanpassung beim Übergang von Schaltungsanordnungen der ECL-Technik in solche der TTL-Technik und kommen in vielen linearen Schaltungsanordnungen vor. Pegelshifter haben die Aufgabe, ein Signal mit einem bestimmten Signalhub möglichst ohne Veränderung des Signalhubes um eine vorgegebene Spannung UO zu verschieben.
Drei typische Einrichtungen zur Signalpegelverschiebung sind in FIG 1a bis 1c zusammengestellt (vergl. "Der Fernmelde-Ingenieur" Heft 7, Juli 1973, Seite 19 und 20; DE-PS 19 29 144; DE-PS 19 35 356). Die dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich nur durch die Mittel zur Erzeugung des wählbaren Teils der Verschiebespannung UO. Die übrigen Schaltungselemente sind gleich.
Der Eingang E für das zu verschiebende Signal ist mit der Basis eines Eingangstransistors T1 in Emitterfolgerschaltung verbunden. Das hinsichtlich seines mittleren Pegels verschobene Signal ist am Ausgang A ab- greifbar. Alle Ausführungsbeispiele besitzen eine Konstantstromquelle, die aus dem Transistor T2 und seinem Emitterwiderstand RI besteht. Die Basis des Transistors T2 liegt an einem festen Potential VB. Die Anschlußpunkte VCC und VEE dienen zum Anschluß der Betriebsspannung. Es ist bekannt, bei geringeren Anforderungen an die Stromkonstanz, insbesondere bei kleinen Signalhübenund Verschiebespannungen, anstelle der in den Ausführungsbeispielen nach FIG 1 benutzten Stromquellenschaltung nur einen Widerstand vorzusehen.
Bei allen Pegelshiftern nach FIG 1 existiert ein fester Anteil an der Verschiebespannung UO, der durch die Basis-Emitter-Spannung UBE des Eingangstransistors T1 gegeben ist. Damit ergibt sich für das Ausführungsbeispiel nach FIG 1a eine Verschiebespannung U01 = (n + 1) ~ UBE, wobei der veränderbare Anteil von der Anzahl n der zwischen dem Emitter des Eingangstransistors T1 und dem Ausgang A in Serie geschalteten Dioden D1 bis Dn abhängt, an denen ein Spannungsabfall n ~ UBE entsteht.
Die Schaltungsanordnung nach FIG Ib erzeugt eine Verschiebespannung Uo2 =UBE + R ~ I, wobei der wählbare Anteil durch den Widerstand R und durch den von der Stromquelle gelieferten Strom I gegeben ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 1 c liegen zwischen dem Emitter des Eingangsteansistors T1 und dem Ausgang A die Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors T3 und ein Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2. Die Basis des Transistors T3 ist mit dem Abgriff des Spannungsteilers verbunden.
Damit ergibt sich eine Verschiebespannung Uo3 =UBE R1 (2 + - ). Zu den in integrierten Schaltungsanordnun- gen, die Pegelshifter beinhalten, auftreTenden Signallaufzeiten tragen eben diese Pegelshifter nicht unwesentlich bei. Hauptursache ist die Kapazität der Mittel für die Erzeugung des wählbaren Anteils an der Verschiebespannung, besonders die (verteilte) Kapazität der beteiligten Widerstände, gegen das auf einem festen Potential gehaltenen Substrat bzw. gegen die zur Isolierung vom Substrat vorgesehene, ebenfalls festgehaltene vergrabene Schicht. Da sowohl Widerstände als auch Kapazitäten mit wachsender Verschiebespannung UO zunehmen, steigt die Laufzeit etwa quadratisch an.
Wegen der kleinen dynamischen Widerstände der Dioden D1 bis Dn im Pegelshifter nach FIG 1a ist im allgemeinen auch das dynamische Verhalten dieser Ausführungsform am besten. Nachteilig daran ist jedoch, daß die Verschiebespannung nur um ganzzahlige Vielfache von Spannungswerten UBE verändert werden kann. Dagegen sind bei den anderen Pegelshiftern beliebige Werte für die Verschiebespannungen Uo2 )> UBE bzw. Und 7 2UBE möglich.
Bekanntlich ist eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens durch eine Verringerung der Widerstandswerte bei gleichzeitiger Stromerhöhung oder durch eine Verkleinerung der Bauelemente zu erreichen. Im ersten Fall wird die Verlustleistung erhöht, im zweiten Fall verhindern fertigungstechnische Gründe und Toleranzen der Bauelemente deren beliebige Verkleinening.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der dargelegten Schwierigkeiten eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von integrierten Pegelshiftern, bei denen die Mittel zur Erzeugung der Verschiebespannung ohmsche Widerstän- de enthalten, vorzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal im Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt darin: FIG 2 ein Ersatzschaltbild des Pegelshifters nach FIG 1b in konventioneller Ausführung, FIG 3 den integrierten Aufbau des Widerstands zur Erzeugung des wählbaren Anteils der Verschiebespannung gemäß der Erfindung, FIG 4 ein aus der Anordnung nach FIG 3 resultierendes Ersatzschaltbild des Pegelshifters nach FIG Ib, FIG 5 ein Ersatzschaltbild des Pegelshifters n#ach FIG Ib gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, FIG 6 den integrierten Aufbau der Anordnung zur Erzeugung des wählbaren Anteils der Verschiebespannung bei einem Pegelshifter nach FIG 1c, FIG 7 ein der Anordnung nach FIG 6 entsprechendes Ersatzschaltbild.
In integrierte Schaltungsanordnungen werden als ohmsche Widerstände die Bahnwiderstände von epitaxialen Schichten ausgenützt, die nach Lage und Dotierung gewöhnlich den Basis- oder Basiskontaktschichten von Transistoren entsprechen.
Es handelt sich hierbei somit um p-leitende Schichten mit mittlerer oder hoher Dotierung, wobei die gewünschte Leitfähigkeit eine Rolle spielt. Zur Isolierung der an beiden Enden kontaktierten Widestandsschichten von dem schwach p-leitenden Substrat sind stark dotierte "vergrabene" n-leitende Schichten vorgesehen, die durch Diffusion oder Implantation in dem Halbleiterplättchen erzeugt wurden und im fertigen Baustein mit dem kollektorseitigen Versorgungspotential VCC verbunden sind.
Man bezeichnet einen solchen Aufbau häufig als Widerstandswanne. Zwischen der Widerstandsschicht und der vergrabenen Schicht bildet sich eine isolierende Sperrschicht aus, deren Kapazität bei einer Signaländerung umgeladen werden muß.
In dem dynamischen Ersatzschaltbild FIG 2 für den Pegelshifter nach FIG Ib ist die verteilte Kapazität des Widerstands R gegen die vergrabene Schicht 2 durch zwei Kapazitäten C1 und C2 ersetzt. Das Symbol K bezeichnet hier die Stromquelle aus dem Transistor T2 und dem Widerstand RI. Die Kapazität C1 beeinflußt das dynamische Verhalten des Pegelshifters nur wenig, da der Emitter eines Transistqrs in Emitterfolgerschaltung bekanntlich eine niederohmige Signalquelle darstellt. Eine erhebliche Signalverzögerung verursacht dagegen die Kapazität C2, die bei jeder Signaländerung über den Widerstand R umgeladen werden muß.
Damit folgt der Ausgang A einer Signaländerung am Emitter des Transistors T1 mit der Zeitkonstante R . C2.
Die FIG 3 zeigt den integrierten Aufbau des Widerstands R und der zugehörigen Elemente gemäß der Erfindung.
In einem Bereich eines p-leitenden Substrats 1 ist durch Diffusion oder Implantation eine n-leitende Schicht 2 mit hoher Störstellenkonzentration erzeugt.
Darüber folgt eine n-leitende Epitaxischicht 3 mittlerer Dotierung. ttberdieser Schicht befindet sich eine p-leitende Schicht 4, deren Grundriß zumeist die Form eines schmalen Rechtecks hat. Die p-leitende Schicht 4 ist an beiden Enden kontaktiert und bildet den Widerstand R zwischen den Anschlußpunkten A und B. (Der Anschlußpunkt A ist mit dem Ausgang A des>Pegelshifters identisch). Die vergrabene Schicht 2 ist mit Hilfe eines hochdotierten n-leitenden Höckers 2a an die Halbleiteroberfiäche herangeführt und über eine metallische Verbindung an den Punkt B angeschlossen.
Der Anschlußpunkt B ist mit dem Emitter des Eingangstransistors T1 verbunden. Die Widerstandswanne wird also mit dem Signal, dessen Pegel verschoben werden soll, mitgeführt.
Die Folgen der anhand der FIG 3 beschriebenen Maßnahmen sind am besten aus dem Ersatzschaltbild FIG 4 ersichtlich. Die Kapazität C1 ist kurzgeschlossen und daher völig wirkungslos, die Kapazität C2 überbrückt den Widerstand. R und verursacht somit mindestens keine Verlangsamung von Signaländerungen. Vielmehr erzeugt die Kapazität C2 eine Versteilerung der Signalflanken, vor allem dann, wenn die am Ausgang A des Pegelshifters angeschlossenen Schaltungsanordnungen eine kapazitive Belastungskomponente aufweisen.
Zu berücksichtigen ist aber nun die Kapazität CBS zwischen der vergrabenen Schicht 2 und dem Substrat 1.
Für diese Kapazität 0BS gilt jedoch wieder, daß ihre Umladung aus einer sehr niederohmigen Quelle erfolgt und daher keinen wesentlichen Einfluß auf das dynamische Verhalten hat. Eine weitere Verbesserung des dynamischen Verhaltens eines Pegelshifters nach FIG 1b gelingt durch die Verlegung des Emitterwiderstands al für den Stromquellentransistor T2 in die Widerstandswanne für den Widerstand R. Das daraus resultierende Ersatzschaltbild ist in FIG 5 dargestellt. Zwar kommt zu der vom Emitterfolger Tl umzuladenden Kapazität CBS noch die Kapazität C11 hinzu, gleichzeitig wird aber bei jeder Änderung des vom Emitterfolger T1 gelieferten Signals über die Kapazität C12 ein Impuls auf den Emitter des Stromquellentransistors T2 übertragen und durch den Stromquellentransistor T2 verstärkt. Dies ergibt nochmals eine erhebliche Flankenversteilerung.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Ma#3nahmen auf den Pegelshifter nach FIG 1c führt beispielsweise zu einer integrierten Anordndng nach FIG. 6, die der Anordnung nach FIG 3 weitgehend gleicht. Der Bahnwiderstand der p-leitenden Schicht 4 entspricht in dem Aufbau nach FIG 6 im wesentlichen der Summe der Widerstände R1 und R2. An einer Stelle, die durch das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 gegeben ist, befindet sich nun ein kleiner Bereich 5 geringer Tiefe aus n-leitendem Material mit hoher Dotierung. Dieser Bereich 5 bildet den Emitter des Transistors T3. Er ist kontaktiert und über eine Metallisierung mit dem Anschlußpunkt A verbunden. Durch die Einfügung des den Emitter des Transistors T3 bildenden Bereichs 5 in den Verlauf der p-leitenden Schicht 4 wird diese in drei Abschnitte unterteilt, die in FIG 6 schematisch angedeutet und mit Rl, T3 und R2 bezeichnet sind.
Das Ersatzschaltbild des Pegelshifters nach FIG 1c unter Zugrundelegung des in FIG 6 gezeigten integrierten Aufbaues ist in FI 7 dargestellt. Das Ersatzschaltbild ist anhand der vorausgehenden Ausführungen verständlich. Besondere Beachtung verdient Jedoch die Teilkapazität C2', die bei Signaländerungen kurzzeitige Anderungen der Leitfähigkeit des Transistors T3 hervorruft und damit zur Versteilerung der Signalflanken beiträgt. Die in Verbindung mit FIG 5 beschriebenen Maßnahmen können auch hier vorgenommen werden.
7 Figuren 3 Patentansprüche Liste der Bezugszeichen VCC, VEE Anschlußpunkte für Betriebsspannung E Eingang A Ausgang VB Referenzpotential U01-U03 Verschiebespannung T1-T3 Transistor Dl-Dn Diode R, RI, R1, R2 Widerstand C1, C2, CBS, CI1,CI2,C2 Kapazität K Konstantstromquelle I Konstantstrom 1 Substrat 2, 2a vergrabene Schicht 3-5 Epitaxieschicht

Claims

Patentansprüche Integriert aufgebaute Einrichtung zur Signalpegelverschiebung mit einem Eingangstransistor in Emitterfolgerschaltung, mit einer einseitig am emitterseitigen Versorgungspotential angeschlossenen Stromquelle, an deren anderem Anschluß das pegelverschobene Signal abgreifbar ist,und mit einer zwischen dem Emitter des Eingangstransistors und der Stromquelle eingefügten Anordnung zur Erzeugung eines wenigstens annähernd konstanten Spannungsabfalls, bestehend mindestens aus einem Widerstand, der durch den Bahnwiderstand einer p-leitenden Schicht mittlerer oder hoher Dotierung gebildet ist, wobei die p-leitende Schicht mindestens durch eine n-leitende Schicht hoher Dotierung von dem p-leitenden Substrat schwacher Dotierung getrennt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die n-leitende Schicht (2) hoher Dotierung mit dem Emitter des Eingangstransistors (T1) leitend verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Anordnung zur Erzeugung eines wenigstens annähernd konstanten Spannungsabfalls aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors besteht, dessen Basis mit dem Abgriff eines aus zwei Widerständen gebildeten Spannungsteilers zwischen dem Kollektor und dem Emitter des weiteren Transistors verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an einer durch das vorgegebene Verhältnis der Werte der Widerstände (R1,R2) des Spannungsteilers bestimmten Stelle der p-leitenden Schicht (4) eine inselförmige n-leitende Schicht (5) hoher Dotierung mit geringer Ausdehnung und Tiefe vorhanden ist, die mit dem emitterseitigen Anschluß (B) des Spannungsteilers leitend verbunden ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Stromquelle aus einem Transistor mit Emitterwiderstand und mit auf einem festen Referenzpotential liegender Basis besteht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die die p-leitende Schicht zur Bildung des Emitterwiderstands (RI) von dem p-leitenden Substrat (1) trennende n-leitende Schicht (2) hoher Dotierung ebenfalls mit dem Emitter des Eingangstransistors (T1) verbunden ist, bzw. mit der der Anordnung zur Erzeugung eines konstanten Spannungs abfalls zugeordneten n-leitenden Schicht (2) hoher Dotierung eine Einheit bildet.