DE3705140A1 - In mos-technologie ausgefuehrte einschalt-rueckstellschaltung fuer logische schaltungsanordnungen, insbesondere fuer peripherien von mikroprozessoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einschalt-Rückstell­ schaltung oder sogenannte "Power-On-Reset"-schaltung für logische Schaltungsanordnungen, insbesondere für Mikro­ prozessoren od. dergl. zugeordnete logische Schaltungen, bei denen es erforderlich ist, daß die Ausgänge und andere interne Schaltungsteile unmittelbar bei Inbetriebnahme der Schaltung auf vorbestimmte logische Zustände zurückgestellt werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine derartige Schaltung, welche in integrierter MOS-Technologie ausgeführt ist.

Bei logischen Schaltungen, insbesondere beispielsweise bei unter Steuerung durch Mikroprozessoren arbeitenden Peri­ pherien oder auch bei Mikroprozessoren selbst, ist es häufig erforderlich, daß jedweder mit der sofortigen Betriebs­ bereitschaft von Schnittstellen nicht kompatible interne logische Zustand unmittelbar beim Einschalten beseitigt wird.

In diesen Fällen ist es notwendig, daß eine Rückstellung der Schaltung vorgesehen und ausgeführt wird, bevor eine an die logische Schaltung gelegte Speisespannung einen Wert erreicht, bei welchem die Tätigkeit der Schaltung einsetzen kann und sich damit nach außen bemerkbar macht. Zu diesem Zweck ist es bekannt, eine solche Schaltung (im typischen Falle eine integrierte Schaltung) mit einem Rückstellein­ gang zu versehen, an welche von einer externen Schaltungs­ anordnung ein Rückstellsignal gelegt werden kann (üblicher­ weise ein positiver Spannungsimpuls, welcher infolge seiner spezifischen Funktion auf ein niedriges Niveau abfällt, so daß eben diese Funktion damit endet).

Der vorliegenden Erfindung ist es hauptsächliches Ziel die Schaffung einer Einschalt-Rückstellschaltung oder "Power-On Rest"-schaltung gesetzt, welche zur Ausübung der vorge­ nannten Rückstellfunktion unmittelbar in die logische Schaltungsanordnung integriert werden kann, so daß die nach dem Stand der Technik erforderliche aufwendige externe Schaltungsanordnung sowie der dementsprechend an der integrierten Schaltung notwendige Rückstelleingang ent­ fallen können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine solche Schaltung derart auszubilden, daß sie unmittelbar beim Einschaltvorgang automatisch in Wirkung tritt, sobald die Speisespannung einen vorbestimmten Schwellenwert über­ schreitet.

Diese und andere aus der folgenden Beschreibung hervorge­ hende Ziele und Vorteile sind gemäß der Erfindung erreicht mit einer in MOS-Technologie ausgeführte Einschalt-Rück­ stellschaltung für logische Schaltungsanordnungen für die automatische Lieferung eines Rückstellimpulses bei Anlegen einer Speisespannung, insbesondere für Peripherien von Mikroprozessoren und dergl., gekennzeichnet durch

• a) einen Spannungsteiler für die Lieferung einer Bezugs­ spannung, mit einem ersten und einem zweiten Transistor des im Normalzustand leitenden Typs, welche in Reihe mit einem Anschluß an Masse und dem entgegengesetzten Anschluß an der Speisespannungsquelle liegen,
• b) ein bistabiles Schaltungsglied aus einem dritten und einem vierten Transistor des im Normalzustand nicht leiten­ den Typs, welche über ihre jeweiligen Gates und Drains überkreuz miteinander verbunden sind, wobei der Drain des dritten Transistors über eine Entkoppelungseinrichtung mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren des Spannungsteilers und der Drain des vierten Transistors einerseits über einen im Normalzustand als Diode geschal­ teten fünften Transistor mit der Speisespannungsquelle und andererseits über eine Widerstandsanordnung mit Masse ver­ bunden ist, und
• c) eine Endstufe mit einem im Normalzustand sperrenden sechsten Transistor, dessen Source an Masse liegt und dessen Gate mit dem Drain des vierten Transistors verbunden ist, sowie mit einem siebten Transistor, dessen Source mit dem Drain des sechsten Transistors und dessen Drain mit der Speisespannungsquelle verbunden ist, während das Gate mit dem Drain des dritten Transistors verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem sechsten und dem siebten Transistor den Ausgang für die Lieferung des Rückstell- Spannungsimpulses darstellt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 2 eine qualitative grafische Darstellung des zeit­ lichen Verlaufs einiger kritischer Spannungen in der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 4 eine qualitative grafische Darstellung des Verlaufs einiger kritischer Spannungen in der Schaltung nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine beispielshafte grafische Darstellung des zeit­ lichen Verlaufs zweier in einer praktischen Aus­ führung der Schaltung nach Fig. 3 erzeugter Rück­ stellspannungen.

In den dargestellten Schaltungsanordnungen, für welche ein Substrat des Typs P (Transistoren im N-Kanal) angenommen sei, sind mit fetten Linien implantierte (oder "Depletion-") Transistoren und mit dünnen Linien nicht implantierte (oder "Enhancement-") Transistoren dargestellt. Masse ist jeweils durch Dreiecke bezeichnet, wobei die in den dar­ gestellten Beispielen mit dem Wert Null angenommene Masse­ spannung auch eine andere gegenüber der Speisespannung V _cc negative Spannung sein kann. Im Falle schließlich einer im P-Kanal arbeitenden Ausführung sind für die verschie­ denen Polaritäten der jeweiligen Kehrwerte bzw. für die Transistoren die jeweils komplementäre Ausbildung einzu­ setzen.

Eine in Fig. 1 gezeigte erste bevorzugte Ausführungsform stellt eine in integrierter MOS-Technologie ausgeführte Einschalt-Rückstellschaltung dar. Zu dieser Schaltung gehört ein Schaltkreis zum Erzeugen einer Bezugsspannung mit zwei im Normalzustand leitenden implantierten ("Depletion-") Transistoren M 01, M 02, welche in Reihe miteinander verbun­ den sind, wobei die Source des Transistors M 02 an Masse liegt und der Drain des Transistors M 01 mit einer positiven Speisespannung V _cc von beispielsweise +5 V gespeist ist. Die Gates der beiden Transistoren M 01 und M 02 liegen ebenfalls an Masse. Die beiden Transistoren M 01 und M 02 bilden somit das Äquivalent eines einen äußerst geringen Verbrauch auf­ weisenden Spannungsteilers, dessen Ausgang durch den gemeinsamen Verbindungspunkt 40 gebildet ist.

In der ersten Ausführungsform der Schaltung sind ferner zwei im Normalzustand sperrende, nicht implantierte ("Enhancement-") Transistoren M 05, M 06 vorgesehen, welche mit ihren Sources an Masse liegen und mit ihren Drains und Gates überkreuz miteinander verbunden sind, so daß sie ein passives bistabiles Schaltglied bilden, in welchem der leitende Zustand des einen Transistors den Sperrzustand des jeweils Anderen bedingt, wie im folgenden näher er­ läutert.

Der Drain 42 des Transistors M 05 ist über ein durch einen implantierten ("Depletion-") Transistor M 03 gebildetes Entkopplungsgleid mit dem Ausgang 40 des Spannungsteilers M 01, M 02 verbunden. Bei dem Transistor M 03 sind die Source und das Gate miteinander verbunden, so daß der Transistor im Normalzustand leitend ist. Der Drain des Transistors M 05 ist vorzugsweise über eine implantierte Kapazität C 04 mit Masse verbunden.

Der Drain 41 des Transistors M 06 ist über einen (Depeltion-) Transistor M 07, dessen Gate und Source miteinander verbun­ den sind und welcher deshalb im Normalzustand leitend ist, mit der Speisespannung V _cc gespeist. Außerdem ist der Drain 41 über einen "Deleption-" Transistor M 09, dessen Gate an Masse liegt und welcher daher im Normalzustand leitend ist, mit Masse verbunden. Vorzugsweise ist zum Transistor M 09 eine implantierte Kapazität C 08 parallel­ geschaltet.

Schließlich gehört zu der ersten bevorzugten Ausführungs­ form der Einschalt- Rückstellschaltung ein Ausgangskreis mit einem "Depletion-" Transistor M 10 und einem "Enhance­ ment-"Transistor M 11, welche in Reihe zwischen der Speise­ spannung V _cc und Masse liegen. Das Gate des Transistors M 11 ist mit dem Drain 41 des Transistors M 06 verbunden, während das Gate des Transistors M 10 mit dem Drain 42 des Transistors M 05 verbunden ist. Der Verbindungspunkt 44 zwischen den beiden Transistoren M 10 und M 11 stellt den Ausgang der Einschalt-Rückstellschaltung nach Fig. 1 dar.

Im folgenden sind die Anschlußpunkte 42 und 41, d. h. die Drains der beiden Transistoren M 09 und M 08 des bistabilen Schaltungsglieds, als positiver bzw. negativer Ausgang des bistabilen Schaltungsgleid bezeichnet. Das bistabile Schaltungsglied ist wie ein gewöhnliches Flip-Flop in der Lage, seinen Zustand beizubehalten, da es für alle eine "Enhancement-" Schwellenspannung V _Tenh von ca. 1 V über­ steigenden Spannungen einen hohen Ringverstärkungsfaktor aufweist.

Beim Einschaltvorgang, d. h. wenn die Speisespannung V _cc von Null ansteigt, nimmt das bistabile Schaltglied immer einen Zustand an, in welchem der Anschlußpunkt 42 eine höhere Spannung führt als der Anschlußpunkt 41. Dabei bleibt der Ausgang des anfänglich nicht leitenden Transistors M 07 auf einem niedrigen Wert, welcher niedriger als (oder höchstens gleich dem) zu diesem Zeitpunkt niedrigen Pegel von V _cc ist und welcher außerdem durch den (wenn auch geringen) Absorp­ tionseffekt der Impedanz von M 09 herabgesetzt wird. Die am Anschlußpunkt 41 erscheinende niedrige Spannung steuert dann das Gate des Transistors M 05, um diesen gesperrt zu halten, mit der weiteren Folge, daß die Spannung am Anschlußpunkt 42 ansteigen kann, da sie nicht über eine niedrige Impedanz zur Masse abgeleitet wird.

Betrachtet man nun unter Einbeziehung der in Fig. 1 gezeigten grafischen Darstellung, was geschieht, wenn die Anstiegsflanke der Speisespannung V _cc an den Spannungs­ teiler M 01, M 02 gelegt wird, dann ist zu bemerken, daß die Spannung am Verbindungspunkt 40 bis zu einem Wert nahe unterhalb der Depletion- Schwellenspannung V _Tdepl ansteigt, und daß die Spannung am Anschlußpunkt 42 diesem Anstieg zunächst folgt. Dadurch entsteht zusätzlich ein ausreichend starker Strom, welcher den Transistor M 06 leitend hält, so daß der Verbindungspunkt 41 wenigstens bis zum Erreichen der Schwellenspannung an Masse gelegt ist.

Da außerdem der Transistor M 11 nicht leitend ist (da sein Gate mit dem eine niedrige Spannung führenden Anschluß­ punkt 41 verbunden ist), während die Spannung am Transistor M 10 dem Spannungsanstieg am Anschlußpunkt 42 folgt, folgt auch die an dem den Ausgang der Einschalt-Rückstellschal­ tung darstellenden Verbindungspunkt 44 erscheinende Spannung dem Spannungsanstieg am Anschlußpunkt 42 und liefert so die positive Anfangsphase des Rückstellimpulses.

Beim weiteren Anstieg der Speisespannung V _cc erreicht diese einen über der am Verbindungspunkt 40 erscheinenden Span­ nung (welche, wie vorstehend erläutert, einen nahe unter der Depletion-Schwellenspannung liegenden Wert erreicht) liegenden Wert, so daß der durch die Spannung V _cc über den Transistor M 07 bewirkte Stromfluß über den Anschlußpunkt 41 das bistabile Schaltglied in den anderen Zustand umschaltet. Da dieser Umschaltvorgang regenerativ ist, wird die am Verbindungspunkt 44 liegende Spannung zur Masse abgeleitet, da der Anschlußpunkt 42 über den durch die Wirkung des Transistors M 03 vom Verbindungspunkt 40 entkoppelten Transistor M 05 nun ebenfalls an Masse liegt, während die Spannung am Anschlußpunkt 41 ansteigt, da sie nicht mehr über den Transistor M 06 und nur in geringem Maße über den Transistor M 09 abfließen kann. Der Transistor M 09 spielt dabei die Rolle eines schwachen Stromableiters oder Drains.

Die beschriebene Schaltung ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die Umschalt-Schwellenspannung etwa bei 3,4 V, in jedem Falle jedoch unterhalb 4 V liegt, wie bei der Auslegung von Schaltungen nach der MOS-Technologie allgemein üblich.

Die Kondensatoren C 04 und C 08 sollen gegebenfalls auf­ tretende Störungen aus gleichem welche sonst die vorstehend beschriebenen Funktionen beeinträchtigen könnten.

Fig. 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für die Verwendung insbesondere in solchen Fällen, in denen eine größere Anzahl von beispielsweise mehr als zehn Schaltungsanordnungen zurückzustellen ist, wofür die in Fig. 1 dargestellte Schaltung nicht ausreichen würde. In der zweiten Ausführungsform umfaßt die dargestellte Schaltung zunächst im wesentlichen die gleiche Schaltung, wie sie in Fig. 1 dargestellt und in Fig. 3 als geschlos­ sener Block mit B bezeichnet ist. Eine dem Schaltungs­ block B zugeordnete NICHT-ODER-Torschaltung ist aus zwei "Enhancement-"Transistoren M 12, M 13 gebildet, welche mit ihren Sources an Masse liegen und deren Drains einen gemeinsamen Verbindungspunkt 43 haben, an welchem außerdem die Source eines "Depletion-"Transitors M 14 liegt, welcher als Last (oder Stromgenerator) mit der Speisespannungs­ quelle V _cc verbunden ist. Die Gate der Transistoren M 12 und M 13 sind mit dem Ausgang 44 bzw. dem Anschlußpunkt 42 des Blocks B verbunden. Der Verbindungspunkt 43 ist vor­ zugsweise außerdem über eine Kapazität C 18 mit Masse ver­ bunden, diesmal jedoch nicht allein zu dem anhand von Fig. 1 erläuterten Zweck, sondern auch zur Bildung einer Zeitkonstante mit dem Transistor M 14, wie im folgenden bei Betrachtung der Aufladung von C 18 über den Transistor M 14 deutlich wird.

Am Verbindungspunkt 43 liegt außerdem das Gate eines "Enhancement-"Transistors M 15, dessen Source an Masse liegt und dessen Drain 46 mit den Source zweier "Depletion-" Transistoren M 16 und M 17 verbunden ist, deren Gates wieder­ um mit dem Ausgang 44 bzw. mit dem Anschlußpunkt 42 des Blocks B (Fig. 1) verbunden sind. Die Transistoren M 15, M 16 und M 17 bilden zusammen eine Gegentakt-Endstufe, deren das Rückstellsignal darstellendes Ausgangssignal am gemeinsamen Verbindungspunkt 46 erscheint.

Die aus den Transistoren M 12, M 13 und M 14 gebildete NICHT ODER-Torschaltung ist über den außerdem den Transistor M 10 steuernden Anschlußpunkt 42 sowie durch den Ausgang 44 der Schaltung B nach Fig. 1 gesteuert. Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erscheint daher am Verbindungspunkt 43 in invertierter Form und steigt dabei nicht eher an, als bis die am Ausgang 44 liegende Spannung zur Masse abgeflossen ist, d. h. nicht vor dem Ende des ursprünglichen Rückstellimpulses. Diese Verzögerung ist bestimmt durch die zur Aufladung der Kapazität C 18 über den Transistor M 14 bis auf einen wenigstens der Schwellen­ spannung des "Enhancement-"Transistors M 15 entsprechenden Wert notwendige Zeit. Im Unterschied zu dem am Ausgang 44 erscheinenden Signal kann das am Ausgang 46 erscheinende Ausgangssignal daher über eine ausreichend lange Zeit auf einem hohen Pegel erhalten bleiben, d. h. bis die Spannung am Verbindungspunkt 43 den "Enhancement-"Schwellenwert erreicht. Der qualitative zeitliche Verlauf der Spannung am Ausgang 46 der Schaltung nach Fig. 3 ist unter Vernach­ lässigung der Kapazität in Fig. 4 dargestellt, und mit weiteren Einzelheiten auch in Fig. 5, in welcher der Verlängerung- oder Verzögerungseffekt in bezug auf den am Ausgang 44 erscheinenden Impuls für einen bestimmten Fall aufgezeigt ist.

Die der in Fig. 1 dargestellten Schaltung in der Ausfüh­ rung nach Fig. 3 hinzugefügten Schaltungskomponenten wirken zusammen als Puffer mit der doppelten Aufgabe, das am Aus­ gang 46 erscheinende Signal zu verstärken (und seine Ent­ koppelung zu verbessern), und falls erwünscht, das Rückstellsignal (oder den Rüclstellimpuls) durch geeignete Dimensionierung der vorstehend genannten Zeitkonstante gegenüber dem allen von der in Fig. 1 gezeigten Schaltung erzeugten Signal zu verlängern. Wenn eine solche Verlän­ gerung nicht erforderlich ist, kann die Kapazität C 18 auch entfallen.

Fig. 5 zeigt eine reale grafische Darstellung des Span­ nungsverlaufs an den Ausgängen 44 und 46 in einer speziellen Ausführung der Schaltung nach Fig. 3 bei Anlegen einer Speisespannung V _cc in Form eines Impulses mit einer Dauer von einigen Mikrosekunden (d. h. also in Form eines ungewöhnlich kurzen Impulses).

Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind im Rahmen derselben sowie im Rahmen der offenbarten Lehre in verschiedener Weise abwandelbar.

Claims (11)

1. Einschalt-Rückstellschaltung für logische Schal­ tungsanordnungen in MOS-Technologie zur automatischen Erzeugung eines Rückstell-Spannungsimpulses bei Anlegen einer Speisespannung, insbesondere für Peripherien von Mikroprozessoren od. dergl., gekennzeichnet

• a) durch einen Spannungsteiler zum Erzeugen einer Bezugs­ spannung, mit einem ersten und einem zweiten Transistor (MO 1, MO 2) des im Normalzustand leitenden Typs, welche in Reihe zwischen Masse und der Speisespannung (V _cc ) liegen,
• b) durch ein bistabiles Schaltglied mit einem dritten und einem vierten Transistor (MO 5, MO 6) des im Normalzustand nicht leitenden Typs, deren Gates und Drains überkreuz miteinander verbunden sind, wobei der Drain des dritten Transistors über eine Entkoppelungseinrichtung (MO 3) mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren des Spannungsteilers und der Drain des vierten Transistors einerseits über einen im Normalzustand als Diode geschal­ teten fünften Transistor mit der Speisespannungsquelle und andererseits über eine Widerstandseinrichtung (CO 8) mit Masse verbunden ist, und
• c) durch eine Endstufe mit einem im Normalzustand sperrenden sechsten Transistor (M 11), dessen Source an Masse liegt und dessen gate mit dem Drain des vierten Transistors verbunden ist, sowie mit einem siebten Transistor (M 10) dessen Source mit dem Drain des sechsten Transistors und dessen Drain mit der Speisespannungsquelle verbunden ist, während sein Gate mit dem Drain des dritten Transistors verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt (44) zwischen dem sechsten und dem siebten Transistor den den Rückstellimpuls lie­ fernden Ausgang der Schaltung darstellt.

2. Einschalt-Rückstellschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkoppelungs­ einrichtung einen im Normalzustand leitenden Transistor (MO 3) aufweist, dessen Gate und Drain miteinander verbun­ den sind.

3. Einschalt-Rückstellschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweiten Transistor (MO 1, MO 2) vom Typ des "Depletions- Transistors" sind.

4. Einschalt-Rückstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor (MO 5, MO 6) vom Typ des "Enhancement-Transistors" sind.

5. Einschalt-Rückstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sechste Transistor (M 11 ) vom Typ des "Enhancement- Transistors" ist.

6. Einschalt-Rückstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der siebte Transistor (M 10) vom Typ des "Depletion Transistors" ist.

7. Einschalt-Rückstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Masse und den Drains des dritten und des vierten Transistors (MO 5, MO 6) jeweils eine Kapazität (CO 4, CO 8) geschaltet ist.

8. Einschalt-Rückstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner gekennzeichnet

• a) durch eine NICHT-ODER-Torschaltung (M 12, M 13, M 14) mit zwei Eingängen, die mit dem Ausgang (44) der Endstufe (M 10, M 11) bzw. mitt dem Drain (42) des dritten Transistors (M 05) verbunden sind, und
• b) durch eine mit dem Ausgang der NICHT-ODER-Torschaltung verbundene Gegentaktstufe (M 15, M 16, M 17).

9. Einschalt- Rückstellschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die NICHT-ODER- Torschaltung zwei im Normalzustand nicht leitende Transi­ storen (M 12, M 13), welche mit ihren Drains an Masse liegen und deren Gates die Eingänge der NICHT-ODER-Torschaltung darstellen, sowie einen im Normalzustand leitenden Transi­ stor (M 14) aufweist, welcher zwischen der Speisespannung (V _cc ) und den Drains der beiden anderen Transistoren geschaltet ist und dessen Gate ebenfalls mit den genannten Drains verbunden ist.

10. Einschalt-Rückstellschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Drains der beiden im Normalzustand nicht leitenden Transi­ storen (M 12, M 13) der NICHT-ODER-Torschaltung und Masse eine Kapazität (C 18) geschaltet ist, welche der Bildung einer Zeitkonstante zum Verlängern des Rückstellimpulses dient.

11. Einschalt-Rückstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie in eine integrierte Schaltung einbezogen ist.