DE3705140C2 - In MOS-Technologie ausgeführte Einschalt-Rückstellschaltung für logische Schaltungsanordnungen, insbesondere für 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 üblich, 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).

Beispielsweise ist aus Tietze; Schenk; Halbleiterschaltungstechnik, 6. Auflage, Springer-Verlag 1983, Seiten 637-638, eine einfache "Power-On-Reset"- Schaltung bekannt, eine Reset-Schaltung für einen Mikrocomputer vorzusehen, die bewirkt, daß der Reset-Puls verzögert in den Mikrocomputer weitergeleitet wird, damit gewährleistet ist, daß am Mikrocomputer bereits eine ausreichende Betriebsspannung anliegt, wenn ein Puls am Reset-Eingang empfangen wird. Schaltungstechnisch wird die Verzögerung durch einen Ladekondensator mit nachgeschalteten TTL-Gattern erreicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Einschalt-Rückstellschaltung oder "Power-On- Reset"-Schaltung anzugeben, 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.

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., mit

• a) einem 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) einem bistabilen 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 beispielhafte 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 M01, M02, welche in Reihe miteinander verbun­ den sind, wobei die Source des Transistors M02 an Masse liegt und der Drain des Transistors M01 mit einer positiven Speisespannung V_cc von beispielsweise +5 V gespeist ist. Die Gates der beiden Transistoren M01 und M02 liegen ebenfalls an Masse. Die beiden Transistoren M01 und M02 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 M05, M06 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 M05 ist über ein durch einen implantierten ("Depletion-") Transistor M03 gebildetes Entkopplungsgleid mit dem Ausgang 40 des Spannungsteilers M01, M02 verbunden. Bei dem Transistor M03 sind die Source und das Gate miteinander verbunden, so daß der Transistor im Normalzustand leitend ist. Der Drain des Transistors M05 ist vorzugsweise über eine implantierte Kapazität C04 mit Masse verbunden.

Der Drain 41 des Transistors M06 ist über einen (Depeltion-) Transistor M07, 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 M09, dessen Gate an Masse liegt und welcher daher im Normalzustand leitend ist, mit Masse verbunden. Vorzugsweise ist zum Transistor M09 eine implantierte Kapazität C08 parallel­ geschaltet.

Schließlich gehört zu der ersten bevorzugten Ausführungs­ form der Einschalt- Rückstellschaltung ein Ausgangskreis mit einem "Depletion-" Transistor M10 und einem "Enhance­ ment-"Transistor M11, welche in Reihe zwischen der Speise­ spannung V_cc und Masse liegen. Das Gate des Transistors M11 ist mit dem Drain 41 des Transistors M06 verbunden, während das Gate des Transistors M10 mit dem Drain 42 des Transistors M05 verbunden ist. Der Verbindungspunkt 44 zwischen den beiden Transistoren M10 und M11 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 M09 und M08 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 M07 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 M09 herabgesetzt wird. Die am Anschlußpunkt 41 erscheinende niedrige Spannung steuert dann das Gate des Transistors M05, 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 M01, M02 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 M06 leitend hält, so daß der Verbindungspunkt 41 wenigstens bis zum Erreichen der Schwellenspannung an Masse gelegt ist.

Da außerdem der Transistor M11 nicht leitend ist (da sein Gate mit dem eine niedrige Spannung führenden Anschluß­ punkt 41 verbunden ist), während die Spannung am Transistor M10 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 M07 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 M03 vom Verbindungspunkt 40 entkoppelten Transistor M05 nun ebenfalls an Masse liegt, während die Spannung am Anschlußpunkt 41 ansteigt, da sie nicht mehr über den Transistor M06 und nur in geringem Maße über den Transistor M09 abfließen kann. Der Transistor M09 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 C04 und C08 sollen gegebenfalls auf­ tretende Störungen ausgleichen, 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 M12, M13 gebildet, welche mit ihren Sources an Masse liegen und deren Drains einen gemeinsamen Verbindungspunkt 43 haben, an welchem außerdem die Source eines "Depletion-"Transitors M14 liegt, welcher als Last (oder Stromgenerator) mit der Speisespannungs­ quelle V_cc verbunden ist. Die Gate der Transistoren M12 und M13 sind mit dem Ausgang 44 bzw. dem Anschlußpunkt 42 des Blocks B verbunden. Der Verbindungspunkt 43 ist vor­ zugsweise außerdem über eine Kapazität C18 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 M14, wie im folgenden bei Betrachtung der Aufladung von C18 über den Transistor M14 deutlich wird.

Am Verbindungspunkt 43 liegt außerdem das Gate eines "Enhancement-"Transistors M15, dessen Source an Masse liegt und dessen Drain 46 mit den Source zweier "Depletion-" Transistoren M16 und M17 verbunden ist, deren Gates wieder­ um mit dem Ausgang 44 bzw. mit dem Anschlußpunkt 42 des Blocks B (Fig. 1) verbunden sind. Die Transistoren M15, M16 und M17 bilden zusammen eine Gegentakt-Endstufe, deren das Rückstellsignal darstellendes Ausgangssignal am gemeinsamen Verbindungspunkt 46 erscheint.

Die aus den Transistoren M12, M13 und M14 gebildete NICHT- ODER-Torschaltung ist über den außerdem den Transistor M10 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 C18 über den Transistor M14 bis auf einen wenigstens der Schwellen­ spannung des "Enhancement-"Transistors M15 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 Verlängerungs- 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 Rückstellimpuls) durch geeignete Dimensionierung der vorstehend genannten Zeitkonstante gegenüber dem allein 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).

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 mit:

• a) einem Spannungsteiler zum Erzeugen einer Bezugs­ spannung, mit einem ersten und einem zweiten Transistor (M01, M02) des im Normalzustand leitenden Typs, welche in Reihe zwischen Masse und der Speisespannung (V_cc) liegen,
• b) einem bistabilen Schaltglied mit einem dritten und einem vierten Transistor (M05, M06) des im Normalzustand nicht leitenden Typs, deren Gates und Drains überkreuz miteinander verbunden sind, wobei der Drain des dritten Transistors über eine Entkoppelungseinrichtung (M03) 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 (C08) mit Masse verbunden ist, und
• c) einer Endstufe mit einem im Normalzustand sperrenden sechsten Transistor (M11), dessen Source an Masse liegt und dessen Gate mit dem Drain des vierten Transistors verbunden ist, sowie mit einem siebten Transistor (M10) 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 (M03) 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 (M01, M02) 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 (M05, M06) vom Typ des "Enhancement-Transistors" sind.

5. Einschalt-Rückstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sechste Transistor (M11) vom Typ des "Enhancement- Transistors" ist.

6. Einschalt-Rückstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der siebte Transistor (M10) 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 (M05, M06) jeweils eine Kapazität (C04, C08) geschaltet ist.

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

• a) durch eine NICHT-ODER-Torschaltung (M12, M13, M14) mit zwei Eingängen, die mit dem Ausgang (44) der Endstufe (M10, M11) bzw. mit dem Drain (42) des dritten Transistors (M05) verbunden sind, und
• b) durch eine mit dem Ausgang der NICHT-ODER-Torschaltung verbundene Gegentaktstufe (M15, M16, M17).

9. Einschalt-Rückstellschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die NICHT-ODER- Torschaltung zwei im Normalzustand nicht leitende Transi­ storen (M12, M13), welche mit ihren Drains an Masse liegen und deren Gates die Eingänge der NICHT-ODER-Torschaltung darstellen, sowie einen im Normalzustand leitenden Transi­ stor (M14) 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 (M12, M13) der NICHT-ODER-Torschaltung und Masse eine Kapazität (C18) 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.