DE3614421C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer herkömmlichen Verstärkungssignalgeneratorschaltung, in der die Bezugszeichen 1 und 2 jeweils einen Lastkondensator angeben, dessen Wert C₁ ist und einen Verstärkungskondensator, dessen Wert C₂ beträgt. Das Symbol Φ_A gibt ein Signal, das verstärkt werden soll, an, und das Symbol Φ_B gibt ein Verstärkungssignal an. Fig. 2 zeigt Wellenformen der jeweiligen Signale Φ_A und Φ_B, wenn die Schaltung der Fig. 1 in Betrieb ist.

Wenn die Schaltung in Betrieb ist, dann beginnt das zu verstärkende Signal Φ_A den Lastkondensator 1 und den Verstärkungskondensator 2 zu einem Zeitpunkt t₁ zu laden. Zu einem Zeitpunkt t₂ erreicht das Potential des Signales Φ_A einen Wert, der der Ursprungsspannung V oder einem Wert entspricht, der etwas niedriger als die Ursprungsspannung V ist. Das Verstärkungssignal Φ_B beginnt zu einem Zeitpunkt t₂ anzusteigen, und das Signal Φ_A beginnt während des Zeitabschnittes t₂ bis t₃ infolge der Wirkungen des Verstärkungssignals Φ_B und des Verstärkungskondensators 2 auf einen Wert anzusteigen, der höher ist als die Ursprungsspannung V. Die maximale verstärkte Spannung des Signals Φ_A entspricht der Gleichung

Zur Erreichung einer höher verstärkten Spannung sollte die Kapazität C₂ vergrößert werden. Wird die Kapazität C₂ vergrößert, dann wird eine größere Energie zum Aufladen des Kondensators verbraucht und die Zeitspanne t₁ bis t₂ wird verlängert.

Das oben Gesagte wird ausführlicher anhand von Fig. 3 beschrieben, die eine Verstärkungssignalgeneratorschaltung zeigt, die das verstärkte Signal Φ_A an die Wortleitung 5 einer Halbleiterspeichervorrichtung, beispielsweise eines DRAM, liefert. Ein MOS-Transistor 3, der zwischen der Spannungsquelle V und einer Elektrode des Verstärkungskondensators 2 angeschlossen ist, befindet sich vor einem Zeitpunkt t₁ in einem nicht-leitenden Zustand und wird durch ein Signal angeschaltet, das an sein Gate nach der Zeit t₁ geleitet wird. Ein MOS-Transistor 4, der zwischen der Spannungsquelle V und der anderen Elektrode des Kondensators 2 angeschlossen ist, befindet sich zu einem Zeitpunkt t₂ in einem nichtleitenden Zustand und wird durch ein Signal angeschaltet, das an sein Gate nach der Zeit t₂ geliefert wird.

In dieser Schaltung kann die Ladezeit T, die für das verstärkte Signal Φ_A benötigt wird, um den maximalen Wert der Gleichung

nämlich die Zeit von t₁ bis t₃ zu erreichen, durch die Gleichung ausgedrückt werden:

T = T₁ + T₂

wobei T₁ = t₂ - t₁ und T₂ = t₃ - t₂ ist.

Da nur der MOS-Transistor 3 sich in einem leitenden Zustand vor der Zeit t₂ befindet, ist

T₁ = r₁ (C₁ + C₂),

wobei r₁ der äquivalente Widerstnd des MOS-Transistors 3 im leitenden Zustand ist.

Da der MOS-Transistor 4 zur Zeit t₂ angeschaltet wird, beträgt

wobei r₂ der äquivalente Widerstand des MOS-Transistors 4 im leitenden Zustand ist.

Wenn die Widerstände r₁ und r₂ im wesentlichen den gleichen Wert haben und die Kapazität C₂ des Verstärkungskondensators 2 mit der Kapazität des Belastungskondensators 1 übereinstimmt (die die Streukapazität der Wortleitung 5 sein kann), dann beträgt

wobei t₁=r₁ · C₁ ist.

In einer typischen Anwendung, leider die Wortleitung 5 verstärkt wird, beträgt t₁ ungefähr 10 bis 20 ns, dadurch beträgt die erforderliche Ladezeit ungefähr 25 bis 50 ns.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung zu schaffen, die ein verstärktes Signal innerhalb einer verkürzten Zeitspanne bei niedrigem Energieverbrauch liefern kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand von Fig. 4 bis 7 der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Schaltplan einer bekannten Verstärkungssignalgeneratorschaltung;

Fig. 2 die Wellenformen von Signalen in der Schaltung der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schaltplan einer bekannten Verstärkungssignalgeneratorschaltung zur Zuleitung eines verstärkten Signals an eine Wortleitung eines Halbleiterspeichers, beispielsweise eines DRAM;

Fig. 4 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung;

Fig. 5 Wellenformen von Signalen in der Schaltung gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein Schaltbild einer Ladevorrichtung, wie sie in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 verwendet wird und

Fig. 7 ein Schaltbild eines Verstärkungsspannungsgenerators, wie er in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 verwendet wird.

In Fig. 4 ist ein Halbleiterverstärkungssignalgenerator gezeigt, der folgende Bauteile enthält: Einen Lastkondensator 1, erste, zweite, dritte, vierte und fünfte MOS-Transistoren 11, 12, 13, 14 und 15, einen Bootstrap-Kondensator 16, eine Ladevorrichtung 17 für den Bootstrap-Kondensator 16 und einen Verstärkungsspannungsgenerator 18, dessen Ausgangsspannung V_p größer ist als die Ursprungsspannung V. Der Verstärkungssignalgenerator enthält ferner Leitungen 19, die die Quelle des dritten MOS-Transistors 13, die Senke des vierten MOS-Transistors 14 und das Gate des zweiten MOS-Transistors 12 miteinander verbinden. Ferner sind Leitungen 20 vorgesehen, die die Quelle des ersten MOS-Transistors 11, die Senke des zweiten MOS-Transistors 12 und eine der Elektroden des Bootstrap-Kondensators 16 miteinander verbinden. Ferner sind Leitungen 21 vorgesehen, die das Gate des ersten MOS-Transistors 11, das Gate des fünften MOS-Transistors 15 und die andere Elektrode des Bootstrap-Kondensators 16 miteinander verbinden. Die Senken der ersten und dritten MOS-Transistoren 11 und 13 sind an eine Versorgungsspannung V angeschlossen, und die Quellen der zweiten und vierten MOS-Transistoren 12 und 14 sind geerdet. Der fünfte MOS-Transistor 15 hat eine Senke, die an die Verstärkungspotentialgeneratorvorrichtung 18 angeschlossen ist, und eine Quelle, die an eine der Elektroden des Belastungskondensators 1 und an das Gate des MOS-Transistors 14 angeschlossen ist. Ein Vorladungssignal Φ₀ wird dem Gate des MOS-Transistors 13 zugeleitet.

Die ersten und zweiten MOS-Transistoren 11 und 12, der Bootstrap-Kondensator 16 und die Ladungsvorrichtung 17 bilden einen Bootstrap-Schaltkreis I, in dem das Gate des zweiten MOS-Transistors 12 und der Ausgang der Ladevorrichtung 17 jeweils einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten entsprechen. Wenn der Lastkondensator 1 durch die Ladungsvorrichtung 17 aufgeladen wird, dann wird eine Spannung, die im wesentlichen mit der Ladespannung V übereinstimmt, an den Ausgangsknoten angelegt. Wenn eine Spannung, dessen Höhe ausreichend ist, um den zweiten MOS-Transistor 12 abzuschalten, an das Gate des zweiten MOS-Transistors 12 angelegt wird, dann wird die Spannung des Ausgangsknotens höher als die Ausgangsspannung der Ladungsvorrichtung 17.

Die dritten und vierten MOS-Transistoren 13 und 14 bilden einen dynamischen Inverter II, der als eine Bootstrap-Kontrolle wirkt. Im dynamischen Inverter II dient der dritte MOS-Transistor 13 als ein Ladeelement, und das Gate des vierten MOS-Transistors 14 und die Verbindung zwischen dem dritten und vierten MOS-Transistor entsprechen jeweils einem Eingangs- und Ausgangsknoten. Die dritten und vierten MOS-Transistoren befinden sich jeweils in leitendem und in nicht-leitenden Zustand während der Vorladungsperiode, um so die Spannung des Ausgangsknotens auf ein erstes Niveau zu bringen, das im wesentlichen mit der Ursprungsspannung V übereinstimmt. Wenn das verstärkte Signal an den Lastkondensator 1 angelegt wird, dann wird der fünfte MOS-Transistor 15 eingeschaltet, und wenn dessen Eingangsniveau höher als ein vorbestimmter Wert wird, d. h. als der Wert der Schwellenspannung des vierten MOS-Transistors 14, dann wird der vierte MOS-Transistor 14 eingeschaltet. Da zu diesem Zeitpunkt der dritte MOS-Transistor 13 sich in einem nicht-leitenden Zustand befindet, wird der Ausgangsknoten auf ein zweites Niveau eingestellt, d. h. dem Erdungsniveau.

Fig. 5 zeigt Signalwellenformen an wichtigen Punkten in der Schaltung gemäß Fig. 4, wenn diese in Betrieb ist.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel der Ladungsvorrichtung 17 von Fig. 4, in der das Gate eines MOS-Transistors 22 an die Ursprungsspannung V angeschlossen ist. Der MOS-Transistor 22 hat eine Senke, von dem ein Signal Φ_x vorgesehen ist und eine Quelle aufweist, die an die in der Fig. 4 gezeigten Leitung 21 angeschlossen ist.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Verstärkungsspannungsgenerators 18 von Fig. 4, der folgende Teile enthält: Einen Ringoszillator 23, einen Ladungspumpkondensator 24, MOS-Transistoren 25 und 26 und einen Spannungsspeicherkondensator 27. Eine der Elektroden des Ladungspumpkondensators 24 ist an den Ausgang des Ringoszillators 23 angeschlossen, und die andere Elektrode ist an die Quelle des Transistors 25 und die Senke und das Gate des Transistors 26 angeschlossen. Die Senke und das Gate des Transistors 25 sind an die Ladespannung V angeschlossen. Der Ladungsspeicherkondensator 27 hat eine Elektrode, die an die Quelle des Transistors 26 angeschlossen ist und die andere Elektrode ist geerdet.

Da die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Schaltungen an sich bekannt sind, wird ihre Wirkungsweise nicht näher beschrieben.

Die Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 4 wird anhand von Fig. 5 beschrieben. In Fig. 5 wird angenommen, daß die Leitung 19 vor einem Zeitpunkt T₁ vorgeladen wurde.

Zum Zeitpunkt T₂ wird das Potential der Leitung 21 durch einen Ladestrom, der von der Ladungsvorrichtung 17 zugeführt wird, angehoben. Dadurch wird der fünfte MOS-Transistor 15 angeschaltet, und dadurch steigt das Potential des Signales Φ_A. Zum Zeitpunkt T₃ überschreitet das Potential des Signals Φ_A die 14 angeschaltet wird. Dadurch fängt die Leitung 19 an, entladen zu werden.

Zum Zeitpunkt T₄ wird die Bootstrap-Schaltung I, die die MOS-Transistoren 11 und 12 enthält, betätigt. Das heißt, die ersten und zweiten MOS-Transistoren 11 und 12 werden jeweils an- bzw. abgeschaltet, wodurch das Potential der Leitung 21 veranlaßt wird, auf einen Wert V′ anzusteigen, der höher als die Ursprungsspannung V ist, wodurch der ON-Widerstand des MOS-Transistors 15 durch die Wirkung des Kondensators 16 im wesentlichen gesenkt wird. Wenn das Potential V′ der Leitung 21 zum Zeitpunkt T₅ den Wert V′ < V_p + V_TH hat, dann stimmt das Potential des Signales Φ_A mit der Ausgangsspannung V_p des Verstärkungspotentialgenerators 18 überein, und wenn das Potential V′ V_p + V_TH wird, dann erreicht das Potential des Signales Φ_A den Wert V′-V_TH.

Dadurch ist es möglich, ein verstärktes Signal Φ_A dem Lastkondensator 1 zuzuführen, das ein Potential aufweist, das höher als die Ursprungsspannung V ist. Ferner ist es möglich, die Ladezeit T₀ (T₅-T₂ in Fig. 5), bei der eine maximale Aufladung erreicht wird, wie folgt zu erreichen:

T₀ ≧ r₁ · C₁ = t₁.

Wenn die Verstärkungssignalgeneratorschaltung verwendet wird, um das verstärkte Signal Φ_A an die Wortleitung der Halbleiterspeichervorrichtung, beispielsweise eines DRAM, zu leiten, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist, dann wird die Ladezeit T₀ im wesentlichen mit t₁ übereinstimmen, d. h. die Ladezeit wird 10-20 ns betragen, d. h. die Ladezeit ist ungefähr 60% geringer als die Ladezeit im herkömmlichen Fall, wie dies in bezug auf Fig. 3 erörtert wurde.

Da, wie oben beschrieben wurde, der Ausgang des Verstärkungspotentialgenerators vergrößert wurde, indem der Widerstand des fünften Transistors im "ON"-Zustand infolge des Anlegens des Ausganges der Bootstrap-Schaltung an das Gate des zuletzt genannten Transistors verringert wurde, kann die Erzeugung des verstärkten Signals innerhalb einer wesentlich verringerten Zeit und sogar mit einem Minimum an Energieverbrauch erreicht werden.

Claims (3)

1. Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung mit

• - einer Schaltung (18) zur Erzeugung einer Verstärkungsspannung (V_p), die höher ist als eine Versorgungsspannung (V),
• - einer Bootstrap-Schaltung (I) mit einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten (21),
• - einer Steuerschaltung (II) mit mindestens einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten (19), der mit dem Eingangsknoten der Bootstrap-Schaltung (I) verbunden ist,
• - einem MOS-Transistor (15), dessen Gate-Elektrode mit dem Ausgangsknoten (21) der Bootstrap-Schaltung (I) verbunden ist, dessen erste Hauptelektrode mit dem Ausgang der Schaltung (18) zur Erzeugung der Verstärkungsspannung (V_p) verbunden ist und dessen zweite Hauptelektrode mit dem Eingang der Steuerschaltung (II) einerseits und einer Kapazität (1) am Ausgang der Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung andererseits verbunden ist,
• - so daß, wenn das Potential an der zweiten Hauptelektrode des MOS-Transistors (15) über eine für die Steuerschaltung (II) maßgebliche Schwellspannung (V_TH) ansteigt, das Potential des Ausgangsknotens (19) der Steuerschaltung (II) sich von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ändert, wodurch beim Erreichen des zweiten Wertes das Potential (Φ_A) am Ausgang der Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung verstärkt über das Potential der Versorgungsspannung (V) angehoben wird, indem das Signalpotential am Ausgangsknoten (21) der Bootstrap-Schaltung (I) über die Versorgungsspannung (V) angehoben wird.

2. Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung nach Anspruch 1, worin die Bootstrap-Schaltung (I) folgende Bauteile aufweist:

• - einen ersten MOS-Transistor (11), enthaltend eine Senke, die an die Versorgungsspannung (V) angeschlossen ist, und ein Gate und eine Quelle, die miteinander durch einen Kondensator (16) verbunden sind, der eine Kapazität aufweist, die wesentlich größer als eine Gate-Kapazität ist,
• - einen zweiten MOS-Transistor (12), enthaltend eine Senke, die an die Quelle des ersten MOS-Transistors (11) angeschlossen ist, und eine geerdete Quelle, und
• - eine Ladevorrichtung (17) zum Laden des Gate des ersten MOS-Transistors (11),
• - wobei das Gate des zweiten MOS-Transistors (12) den Eingangsknoten und das Gate des ersten MOS-Transistors (11) den Ausgangsknoten (21) bilden.

3. Halbleiterverstärkungssignalgeneratorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Steuerschaltung (II) durch eine dynamische Inverterschaltung gebildet ist, bestehend aus dritten und vierten MOS-Transistoren (13, 14), die zwischen der Versorgungsspannung (V) und Erde in Reihe geschaltet sind, wobei das Gate des dritten MOS-Transistors (13) mit einem Vorladungssignal (Φ₀) versorgt wird, der Verbindungspunkt zwischen beiden MOS-Transistoren (13, 14) den Ausgangsknoten (19) bildet und das Gate des vierten MOS-Transistors (14) den Eingangsknoten bildet.