DE3704609C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Bezugsgleichspannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 (US-PS 38 23 332).

In neuerer Zeit sind Bezugsgleichspannungsgeneratoren für die Verwendung bei integrierten Halbleiter-Schaltungsanordnungen, um darin stabilisierte Bezugsgleichspannungen zu erzeugen, entwickelt worden. Derartige Bezugsspannungsgeneratoren bestehen normalerweise aus Halbleiter-Transistorkreisen, die auf Halbleitersubstraten integrierter Schaltungs- bzw. IC-Anordnungen angebracht sind. Derartige Spannungsgeneratoren nehmen eine externe Speisespannung Vcc für die Erzeugung einer Gleichspannung ab. Ein Problem bei solchen Vorrichtungen besteht darin, daß sich der Gleichspannungspotential-Ausgangspegel eines Bezugsspannungsgenerators mit Schwankungen der Speisespannung ändert. Bei einer Änderung des Bezugsspannungspegels weicht ein Schwellenwertpegel zur Bestimmung der logischen Pegel "H" (hoch) und "L" (niedrig) ab, wodurch die inneren logischen Schaltungsoperationen der IC-Anordnungen beeinträchtigt werden.

Es ist bekannt, einen Potentialteilerkreis als Bezugsgleichspannungsgenerator zu verwenden. Ein solcher Kreis besteht typischerweise aus einer Reihenschaltung aus Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (IG-FETs), die als Widerstandselemente bzw. ohmsche Elemente dienen. Der Kreis wird an seiner einen Klemme mit einer Speisegleichspannung bzw. Batteriespannung Vcc gespeist, um einen gegebenen Bruchteil der Spannung Vcc an einer Ausgangsklemme zu liefern, welche mit einer Verzweigung zwischen den FETs verbunden ist. Die Ausgangsspannung kann einer IC-Anordnung als Bezugsspannung zugeführt werden. Die Potentialteilung an der Ausgangsklemme hängt von der Größe der Widerstände im Potentialteiler ab.

Von einer solchen Schaltungsanordnung kann jedoch keine genaue Stabilisierung der Bezugsspannung erwartet werden, weil die Genauigkeit der Stabilisierung des Bezugsspannungspegels von der Speisung des Potentialteilers mit einer stabilisierten Speisegleichspannung abhängt. Wenn der Potentialpegel der extern angelegten Spannung schwankt, kann keine genaue Bezugsgleichspannung erhalten werden. Infolgedessen kann auch die Stabilisierung des Bezugsspannungs-Ausgangspegels nicht einwandfrei erfolgen.

Außerdem besitzen beim genannten Spannungsgenerator die spannungsregelnden FETs Abweichungen in ihren Grundeigenschaften infolge von Änderungen (Toleranzen) in den Verfahrensparametern, wie Gate-Oxidschichtdicke, Ladungsträgermobilität, Fertigungsgröße usw., beim Fertigungsvorgang. Die Regelleistung von FETs kann unter IC-Anordnungen desselben Fertigungsloses nicht gleichmäßig eingehalten werden, so daß die Genauigkeit der Stabilisierung des Bezugsspannungs-Ausgangspegels zwischen den verschiedenen Halbleiter-IC-Anordnungen Abweichungen zeigt und damit eine Stabilisierung einer Bezugsspannung in jeder IC-Anordnung unmöglich wird.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 38 23 332 bekannt. Diese Vorrichtung umfaßt als eine Konstantstromquelle und einem Widerstand erste und zweite Feldeffekttransistoren, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Eine Bezugsspannungs-Stabilisiereinheit ist zum ersten Feldeffekttransistor parallelgeschaltet und regelt den im ersten Feldeffekttransistor fließenden Strom so, daß er unabhängig von Änderungen in einer Speisespannung konstant bleibt. Damit kann eine Bezugsspannung auch bei Änderung der Speisespannung stabilisiert sein.

Weiterhin ist in der GB-A-20 81 940 eine MOS-Transistorschaltung beschrieben, bei welcher ein erster und ein zweiter sowie ein dritter und ein vierter Feldeffekttransistor jeweils in Reihe geschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem ersten und zweiten Feldeffekttransistor mit der Gate-Elektrode des vierten Feldeffekttransistors verbunden ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Bezugsspannung nicht nur unabhängig von Schwankungen der Speisespannung, sondern auch unabhängig von Änderungen von Verfahrensparametern bei deren Fertigung zu schaffen vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Bezugsspannungsgenerators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer experimentell ermittelten Kennlinie für die Bezugsspannung (Vr) in Abhängigkeit von der Speisespannung (Vcc) beim Bezugsspannungsgenerator gemäß Fig. 1.

Fig. 1 veranschaulicht einen chipmontierten Bezugsspannungsgenerator zur Verwendung bei einer integrierten Schaltungs- oder IC-Anordnung mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, wie Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (im folgenden als MOSFETs bezeichnet). Der Bezugsspannungsgenerator nimmt eine externe angelegte Speisespannung Vcc ab, um eine Bezugsgleichspannung Vr zu erzeugen. Der Bezugsspannungsgenerator besteht dabei aus MOSFETs des gleichen Kanaltyps. Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt er p-Kanal- MOSFETs Q1-Q5.

Diese p-Kanal-MOSFETs Q1-Q5 sind jeweils in hochdotierten Halbleiter-Wannenzonen des n-Leitfähigkeitstyps ausgebildet, die getrennt in einem nicht dargestellten Halbleiter-Chipsubstrat aus p-Typ-Silizium erzeugt sind. Eine solche Anordnung kann nach an sich bekannter Halbleiterfertigungstechnik hergestellt werden. Die strukturelle Trennung der MOSFETs Q1-Q5 im Substrat kann zu einer Verbesserung der betrieblichen Trennung zwischen ihnen führen, weil Abweichungen in ihren Schwellenwertpegeln aufgrund des Substrat-Vorspanneffektes minimiert werden können.

Die MOSFETs Q1 und Q2 sind in Reihe zwischen eine erste und eine zweite Spannungsklemme 10 bzw. 12 geschaltet. Eine an die erste Klemme 10 angelegte Spannung ist höher als die an der zweiten Klemme 12 anliegende Spannung. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt an der ersten Klemme 10 eine Speisespannung Vcc einer positiven Polarität an, während die zweite Klemme 12 an Masse (Vss) liegt. Der MOSFET Q1 ist an der Sourceelektrode mit der ersten Klemme verbunden; dies bedeutet, daß die Spannungsklemme 10 als Hochimpedanz- Stromquelle dient. Der MOSFET Q2 ist an seiner Drainelektrode mit der zweiten Klemme bzw. der Masseklemme 12 verbunden und wirkt somit als Widerstandselement. Die Drainelektrode des MOSFETs Q1 und die Sourceelektrode des MOSFETs Q2 sind an einer dritten Klemme 14 zusammengeschaltet, die als Bezugsspannungs-Ausgangsklemme (Vr) dient. Die Gateelektrode des MOSFETs Q2 ist an seine Drainelektrode angeschlossen und damit an Masse gelegt (vgl. Fig. 1).

Eine Reihenschaltung aus MOSFETs Q3, Q4 und Q5 ist parallel zur Reihenschaltung aus den MOSFETs Q1 und Q2 angeordnet. Dabei ist die Reihenschaltung aus den MOSFETs Q3 und Q4, genauer gesagt, zwischen Source- und Gateelektrode des MOSFETs Q1 geschaltet, und sie dient als Hochimpedanz-Stromquelle für die Lieferung eines konstanten Gleichstroms zum MOSFET Q2. Die Sourceelektrode des MOSFETs Q3 ist an die Sourceelektrode des MOSFETs Q1 angeschlossen. Die Drainelektroden des MOSFETs Q3 und Q4 sind an deren jeweilige Gateelektroden angeschaltet. Die Drainelektrode des MOSFETs Q4 ist mit der Gateelektrode des MOSFETs Q1 verbunden und (außerdem) an eine vierte Klemme 16, die ebenfalls als Masseklemme Vss dient, über den als Hochimpedanzwiderstand wirkenden MOSFET Q5 angeschlossen. Die Drainelektrode des MOSFETs Q5 ist mit dessen Gateelektrode verbunden. Wie durch die Linien 18a bis 18e in Fig. 1 angedeutet, sind die Sourceelektroden der MOSFETs Q1 bis Q5 elektrisch mit den betreffenden n-Typ-Wannenzonen verbunden.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des beschriebenen Bezugsspannungsgenerators erläutert. Da der MOSFET Q1 und die Reihenschaltung aus den MOSFETs Q3 und Q4 als Hochimpedanz- Konstantstromquelle für den als Widerstand wirkenden MOSFET Q2 dienen, wird dem MOSFET Q2 ein Gleichstrom eingespeist. Unter diesen Bedingungen läßt sich ein Potentialabfall an der Reihenschaltung aus den MOSFETs Q3 ud Q4 durch 2 |Vth | ausdrücken, wobei Vth einen Schwellenwertspannungspegel einer negativen Größe für jedes MOSFET angibt. Der Potentialabfall tritt zwischen Gate- und Sourceelektrode des MOSFETs Q1 auf, um dessen Gate-Source-Spannung zu definieren. Der MOSFET Q1 ist daher so vorgespannt, daß er in einem bestimmten Arbeitsbereich der Strom-Spannungscharakteristik von Pentoden arbeitet, in welchem die Gate-Source-Spannung unabhängig von einer Potentialgröße der Speisespannung Vcc konstant gehalten wird.

Infolgedessen fließt im MOSFET Q2 ein konstanter Strom I1, während am MOSFET Q2 ein Potentialabfall erzeugt wird. Dieser Potentialabfall bestimmt einen Bezugsgleichspannungspegel Vr einer positiven Polarität. Mit anderen Worten: die Bezugsspannung Vr übersteigt das Massepotential Vss um eine Spannung entsprechend dem Potentialabfall am MOSFET Q2. Wenn die Speisespannung Vcc schwankt, sind Ladungsträger aufgrund dieser Arbeitsweise bestrebt, sich in der Gateelektrode des MOSFETs Q1 anzusammeln. Die Gate-Ladungsträger können durch den als Hochimpedanzwiderstand wirkenden MOSFET Q5 entladen werden.

Da beim beschriebenen Bezugsspannungsgenerator die Gate- Source-Spannung des MOSFETs Q1 aufgrund der Parallelschaltung der Reihenschaltung aus den MOSFETs Q3 und Q4 auch dann konstant gehalten werden kann, wenn die Speisespannung Vcc variiert, fließt stets ein konstanter Gleichstrom I1 über den als Widerstandselement oder ohmsches Element wirkenden MOSFET Q2. Infolgedessen ist es unabhängig von Schwankungen in der Speisespannung Vcc möglich, unveränderlich eine Bezugsgleichspannung Vr eines konstanten Pegels an der mit der Sourceelektrode des MOSFETs Q2 verbundenen Spannungsausgangsklemme 14 zu erhalten.

Weiterhin sind die Isolierschicht-Transistoren des Bezugsspannungsgenerators, d. h. die MOSFETs Q1 bis Q5, wie im Äquivalentschaltbild von Fig. 1 gezeigt, in den Halbleiter-Wannenzonen ausgebildet, die sich am Oberflächenabschnitt des Halbleiter- Chipsubstrats befinden und einen dem letzteren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp besitzen, so daß eine Schwankung des Schwellenwertspannungspegels der betreffenden Transistoren aufgrund der Substrat-Vorspannungswirkung verhindert wird. Auf diese Weise kann die Betriebszuverlässigkeit des Bezugsspannungsgenerators verbessert werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform besitzen die MOSFETs Q1 bis Q5 des Bezugsspannungsgenerators jeweils denselben Kanal-Leitfähigkeitstyp. Auch wenn bei diesen Feldeffekttransistoren des Bezugsspannungsgenerators die Grundcharakteristika oder -eigenschaften aufgrund von Änderungen in den Verfahrensparametern, wie sie normalerweise im Fertigungsverfahren für die Ausbildung eines Bezugsspannungsgenerators auf dem Halbleiter-Chipsubstrat auftreten, voneinander abweichen, kann der Einfluß dieser Abweichungen auf den Bezugsspannungserzeugungsvorgang weitgehend herabgesetzt werden; der Grund hierfür ist nachstehend angegeben.

Die strukturelle Konstante des jeweiligen MOSFETs bestimmt sich durch folgende Gleichung:

β = (Wεμ)/(Lt) (1)

In obiger Gleichung bedeuten:
W = Transistor-Kanalbreite
ε = Dielektrizitätskonstante der Gateoxidschicht
μ = Mobilität der Ladungsträger
L = Kanallänge
t = Dicke der Gateoxidschicht.

Die strukturellen Konstanten der MOSFETs Q1 bis Q5 im Bezugsspannungsgenerator sind jeweils mit β1, β2, β3, β4 bzw. β5 angegeben, unter der Voraussetzung, daß zur Vereinfachung der Erläuterung β3=β4 für die MOSFETs Q3 und Q4 mit gleichem W/L-Verhältnis gilt.

Wenn die MOSFETs Q1 bis Q5 im Oberflächenabschnitt des Halbleiter-Chipsubstrats mit jeweils gleicher Kanaldotierung ausgebildet sind, sind die Schwellenwertspannungen Vth der MOSFETs jeweils grundsätzlich gleich. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, bei welcher I1 neben dem in die Stromspeiseklemme 10 einfließenden Speisestrom eine durch die MOSFETs Q1 und Q2 fließende Stromkomponente, I2 eine über die MOSFETs Q3, Q4 und Q5 fließende Stromkomponente und Vg ein Gate- Potential des MOSFETs Q1 bedeuten, bestimmt sich die Stromkomponente I2 wie folgt:

I2 = (β3/2) · {(Vcc - Cg)/2 + Vth}²
= (β5/2)/(Vg + Vth)2 (2)

Das Gate-Potential Vg des MOSFETs Q1 läßt sich somit wie folgt ausdrücken:

Vg = {Vcc - 2(ν1 - 1)Vth}/(2ν1 + 1) (3)

Dabei gilt:

Der über die MOSFETs Q1 und Q2 fließende Strom I1 bestimmt sich zu:

I1 = (β1/2) · (Vcc - Vg + Vth)²
= (β2/2) · (Vr + Vth)² (5)

Die Bezugsspannung Vr an der Ausgangsklemme 14 entspricht daher:

Vr = ν2(Vcc - Vg) - (1 - ν2) Vth (6)

In Gleichung (6) besitzt die Konstante ν2 die folgende Größe:

Anhand von Gleichungen (3) und (6) ergibt sich die bei der Schaltung gemäß dieser Ausführungsform erhaltene Bezugsgleichspannung zu:

Vr = ν2{1 - 1/(2ν1 + 1)}Vcc - [1 - {3 - 4/(2ν1 + 1)}ν2]Vth (8)

Wie sich aus den Gleichungen (4) und (7) ergibt, enthalten die Konstanten ν1 und ν2 nicht als Verfahrensparameter die Dielektrizitätskonstante ε, die Ladungsträgermobilität M und die Gate-Oxidschichtdicke t. Kanallänge L und Kanalbreite W üben in keinem Fall einen Einfluß auf die Bezugsspannung Vr aus, auch wenn eine Differenz zwischen einer theoretischen Entwurfsgröße und einer tatsächlich erzielten Größe bezüglich der Kanallänge L und der Kanalbreite W vorliegt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß - wie aus Gleichungen (4) und (7) hervorgeht - nur das Verhältnis zwischen Kanallänge L und Kanalbreite W herangezogen wird, wobei sich in diesem Fall etwaige Differenzen zwischen der theoretischen Größe und der tatsächlichen Größe der Kanallänge L sowie zwischen der theoretischen Größe und der tatsächlichen Größe der Kanalbreite W am Nenner und Zähler dieses Verhältnisses einzeln gegenseitig aufheben. Im Entwurfsstadium der IC-Mustermaske für den Bezugsspannungsgenerator können daher die genannten Konstanten ν1 und ν2 auf beliebige Größen eingestellt werden, indem lediglich das Maskenmuster so festgelegt wird, daß es eine gewünschte Dimension aufweist. Unter Berücksichtigung dieser Voraussetzungen läßt sich Gleichung (8) reduzieren zu:

Vr = aVcc - bVth (9)

Obiges gilt unter der Voraussetzung, daß die neuen Konstanten a und b freie Konstanten sind, die durch willkürliche Einstellung der Konstanten ν1 und ν2 erhalten werden.

Gleichung (9) zeigt, daß es dann, wenn nur eine Änderung im Schwellenwert der betreffenden MOSFETs beim Bezugsspannungsgenerator der beschriebenen Ausführungsform unterdrückt wird, möglich ist, die genaue entwurfsmäßige Kennlinie der Speisespannung Vcc in Abhängigkeit von der Bezugsspannung Vr zu erzielen. Da im allgemeinen die Unterdrückung der Änderung im Schwellenwert des MOSFETs auch beim derzeit angewandten Halbleiter-Fertigungsverfahren vergleichsweise einfach kontrolliert werden kann, ist es möglich, ohne weiteres und mit hoher Genauigkeit eine gewünschte Kennlinie für Speisespannung/Bezugsspannung Vr zu erzielen. Wenn weiterhin die Auslegung so getroffen wird, daß W3/L3»W5/L5 oder die Impedanz des MOSFETs Q5 ausreichend höher eingestellt ist als diejenige der MOSFETs Q3 und Q4, können die Konstanten ν1 und a in Gleichung (9) nahezu Null betragen. In diesem Fall kann eine ideale Bezugsspannungserzeugungscharakteristik erzielt werden, die nicht von der Speisespannung Vcc abhängig ist.

Fig. 2 veranschaulicht in graphischer Darstellung eine für den Bezugsspannungsgenerator gemäß Fig. 1 experimentell ermittelte Kennlinie der Speisespannung Vcc in Abhängigkeit von der Bezugsspannung Vr. Bei diesem Versuchsbeispiel wurden der Schwellenwert Vth des jeweiligen MOSFETs auf -0,7 V und die Konstanten a und b gemäß Gleichung (9) auf 0,1 bzw. 3,6 eingestellt, wobei zu beachten ist, daß ν1 ² und ν2 ² auf 3,0 × 10^-4 bzw. 9,0 gesetzt wurden. Mittels der Kennlinie gemäß Fig. 2 konnte belegt werden, daß bei einer Speisespannung Vcc von über 3 V die Bezugsgleichspannung Vr konstant bleibt, und zwar unabhängig von der Größe der Speisespannung Vcc, d. h. unabhängig von Änderungen in der Speisespannung Vcc.

Beispielsweise werden bei der beschriebenen Ausführungsform zwei MOSFETs Q3 und Q4 zur Bildung der Konstantstromversorgung benutzt, welche den MOSFET Q1 so vorspannt, daß seine Gate-Source-Spannung konstant bleibt.

Es können jedoch auch drei oder mehr in Reihe geschaltete MOSFETs angewandt werden, sofern sie denselben Kanaltyp wie die restlichen MOSFETs bei diesem Bezugsspannungsgenerator besitzen. Weiterhin kann anstelle des MOSFETs Q5 zum Entladen der in der Gateelektrode des MOSFETs Q1 angesammelten Ladungsträger ein Hochimpedanz- Widerstand unter Verwendung einer polykristallinen Siliziumschicht oder einer Diffusionsschicht vorgesehen werden.

Während bei der beschriebenen Ausführungsform MOSFETs des p-Kanaltyps vorgesehen sind, können als Transistoren Q1 bis Q5 auch MOSFETs des n-Kanaltyps verwendet werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer Bezugsgleichspannung mit

• - einer Reihenschaltung eines ersten und zweiten MOSFETs (Q1, Q2) zwischen einer ersten bzw. zweiten Spannungsklemme (10, 12), wobei die Sourceelektrode des ersten MOSFETs (Q1) mit der ersten Spannungsklemme (10) und die Drainelektrode des zweiten MOSFETs (Q2) mit der zweiten Spannungsklemme (12) verbunden sind und die Bezugsgleichspannung an der Drainelektrode des ersten MOSFETs (Q1) abgegriffen wird, wobei:
• - eine Bezugsspannungs-Stabilisiereinheit aus einer Reihenschaltung eines dritten und eines vierten MOSFETs (Q3, Q4), die dem ersten MOSFET (Q1) zugeordnet sind, besteht, wobei die Sourceelektrode des dritten MOSFETs (Q3) mit der ersten Spannungsklemme (10) verbunden ist, die Drainelektrode des vierten MOSFETs (Q4) an die Gateelektrode des ersten MOSFETs und über einen Widerstand an die zweite Spannungsklemme (12) angeschlossen ist und beim zweiten bis vierten MOSFET jeweils die Gateelektrode mit der Drainelektrode verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Sourceelektroden aller MOSFETs (Q1 bis Q4) elektrisch mit ihren betreffenden Wannenzonen des zum Leitungstyp der ersten bis vierten MOSFETs (Q1 bis Q4) entgegengesetzten Leitungstyps verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungs-Stabilisiereinheit (Q3, Q4) das Potential zwischen Gate- und Sourceelektrode des ersten MOSFET (Q1) konstant hält, so daß der im ersten MOSFET fließende Gleichstrom auch bei Änderung der Speisespannung (Vcc) konstant bleibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungs-Stabilisiereinheit zwischen Gateelektrode und Sourceelektrode des ersten MOSFET (Q1) eingeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß erster bis vierter MOSFET (Q1, Q2, Q3, Q4) jeweils von einem ersten Leitfähigkeitstyp sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den ersten MOSFET (Q1) der Wiederstand zum Entladen von in der Gateelektrode des ersten MOSFETs (Q1) angesammelten Ladungsträgern angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand einen fünften MOSFET (Q5) des ersten Leitfähigkeitstyps umfaßt, dessen Sourceelektrode mit der Gateelektrode des ersten MOSFETs (Q1) verbunden und dessen Drainelektrode an seine Gateelektrode angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das fünfte MOSFET (Q5) in einer Wannenzone des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist.