DE3717758C2 - Sourcevorspannungsgenerator für Transistoren mit geringer Schwellwertspannung in digitalen integrierten MOS-Schaltungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Vorspannungsgenerator für den Source-Anschluß von Transistoren, die Teil von digitalen integrierten MOS-Schaltungen sind, die es erlaubt, die genannten Transistoren durch einfaches Erden ihres Gate auszuschalten. Speziell ist die Erfindung darauf gerichtet, eine möglichst vorteilhafte Anwendung bei der Leitungsdekodierung in EPROM-Speichern und dergleichen zu finden.

In Adreßdekodern von EPROM-Speichern, die MOS- Transistoren mit einer geringen Schwellwertspannung verwenden, ist es nicht ausreichend, nur ihre Gate-Anschlüsse zu erden, um sie zu sperren, da die Ausschaltschwelle bei etwa -100 mV liegt. Es ist daher notwendig, den Source-Anschluß auf eine positive Spannung vorzuspannen, die größer als die Ausschaltschwelle ist, und dies wird gewöhnlich mittels eines Widerstands erreicht, der in Serie mit dem Source-Anschluß geschaltet ist.

Herstellungsverfahren für MOS-Transistoren und für Widerstände sind jedoch heterogen. Die Herstellungsschwankungen, die diese Lösung nach sich zieht, führen zu Unterschieden, die im schlimmsten Fall zur Folge haben, daß die integrierten Schaltungen ihre Betriebsspezifikationen nicht erfüllen. Jedenfalls schwankt die Gleichförmigkeit ihrer Eigenschaften von Chip zu Chip. Temperatur- und Stromversorgungsschwankungen haben ebenfalls unterschiedliche Auswirkungen in den zwei genannten Fällen und haben zur Folge, daß die Gesamtschaltung solche Schwankungen weniger gut toleriert.

Aus der US-PS 44 46 383 ist ein Bezugsspannungsgenerator bekannt mit einem Depletion-Transistor, welcher so zwischen eine Versor­ gungsspannung und eine Ausgangsklemme geschaltet ist, daß er als Konstantspannungsquelle wirkt. Weiter umfaßt diese bekannte Schaltung drei seriell miteinander verbundene FET-Transistoren vom Enhancement-Typ, die zwischen der Ausgangsklemme und einem Massepotential verbunden sind. Der erste Transistor ist wie eine Diode geschaltet, um den Offset für die Enhancement-Schwellspannung bereitzustellen. Die Gate-Elektrode des zweiten Transistors ist mit der Spannungsversorgung verbunden, um Schwankungen in der Versorgungsspannung auszugleichen, und die Gate-Elektrode des dritten Transistors ist mit einer Source-Folger-Schaltung ver­ bunden. Die Source-Folger-Schaltung besitzt eine Verbindung zur Ausgangsklemme und stellt ein Rückkopplungssignal für die Gate- Elektrode des dritten Transistors bereit, so daß eine konstante Spannung mit einem gewünschten Betrag an der Ausgangsklemme er­ halten wird.

Aus der DE-AS 27 08 022 ist eine Schaltungsanordnung in inte­ grierter CMOS-Technik bekannt zur Abgabe einer, von Speisespannungsschwankungen im wesentlichen unabhängigen Konstantspannung. Die Schaltung umfaßt mehrere Stabilisierungsstufen mit MOS-Feldeffekttransistoren, die zueinander komplementär sind, d. h. ein Transistor ist ein N- Kanal-Transistor und der andere Transistor ist ein P-Kanal- Transistor. Die stabilisierte Stufenausgangsspannung wird als Steuerspannung der jeweils weiteren Stabilisierungsstufe zugeführt. Jede Stabilisierungsstufe umfaßt weiterhin einen Vorwiderstand, der aus der Reihenschaltung eines MOS- Feldeffekttransistors und einem ohmschen Widerstand gebildet ist.

Aus der US-PS 44 50 367 ist eine Ruhestromschaltung bekannt, die eine erste bipolare Einrichtung aufweist, die in Serie mit einer MOS-Einrichtung verbunden ist, um eine Bezugsspannung zu entwickeln, welche proportional zu einem Ruhestrom ist. Die Bezugsspannung wird von einer MOS-Einrichtung verwendet, die seriell mit einem Widerstand geschaltet ist, der wiederum seriell mit einer zweiten bipolaren Einrichtung verbunden ist, um einen Bezugsstrom bereitzustellen, der proportional zur Differenz der Basisemitterspannungen der zwei bipolaren Einrichtungen ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Vorspannungsgenerator für MOS- Transistoren mit geringer Schwellenspannung anzugeben, der unabhängig von Herstellungs-, Temperatur- und Stromversorgungsschwankungen zuverlässig und genau arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst.

So ist insbesondere vorgesehen, daß der Vorspannungsgenerator eine Einstellstufe enthält, die von der Ausgangsvorspannung betrieben wird, um einer Zwischenstufe einen zusätzlichen Strom in Gegenkopplung zuzuführen, wenn die Ausgangsvorspannung abfällt, um diese auf den gewünschten Wert zurückzubringen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung charakteristischer Kurven dreier Transistorarten, die in der Schaltung nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden;

Fig. 2 eine Schaltung eines Teils eines Zeilendekoders für einen EPROM-Speicher, bei der die Erfindung anwendbar ist, und

Fig. 3 eine Schaltung des Vorspannungsgenerators für integrierte Schaltungen gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In der Schaltung sind die Transistoren, deren Kanal in fetten Linien dargestellt ist, Depletiontransistoren, während die Transistoren, deren Kanal in dünnen Linien dargestellt ist, Enhancementtransistoren sind. Die mit einem kleinen Kreis am Gate gekennzeichneten Transistoren sind MOS- Transistoren mit einer geringen Schwellwertspannung. Das Diagramm nach Fig. 1 zeigt die charakteristischen Kurven, die für die drei Transistorarten typisch sind. Die Spannung V zwischen dem Gate und dem Source ist in Volt auf der Ordinate aufgetragen, während der Strom I, der durch den Kanal fließt, in Milliampere auf der Abszisse aufgetragen ist. Der Knick in jeder Kurve stellt die Ausschaltschwellenspannung V_T des zugehörigen Transistors dar.

Es wird vorausgesetzt, daß die bevorzugte Ausführungsform in NMOS-Technik ausgeführt ist, daher ist die Versorgungsspannung V_cc positiv.

Fig. 2 ist eine Teildarstellung der Schaltung eines Zeilendekoders eines EPROM-Speichers. Die Transistoren M1, M2 sind die Durchlaßtransistoren der zwei Wortleitungen WL1 und WL2, wobei die Enhancement­ transistoren M3 und M4 zwischen ihre Sources und einen Vorspannungsgenerator G geschaltet sind. Die Gates der Transistoren M1 und M2 und die Gates der Transistoren M3 und M4 werden von Dekodersignalen DEC bzw. angesteuert, während P1 und P2 die Signale sind, die den jeweiligen Wortleitungen zuzuführen sind.

Damit die Leitung WL1 hohen Pegel erhält, muß DEC hohen Pegel haben, so daß automatisch niedrigen Pegel hat und P1 ebenfalls hoch ist, während P2 geerdet sein muß. Um den Platzbedarf auf dem Chip zu optimieren, liegen die Signale P jedoch gemeinsam an mehreren Durchlaßtransistoren, so daß es notwendig ist, sicherzustellen, daß, wenn DEC geerdet ist (und daher hoch ist), der Transistor M2 ausgeschaltet ist. Da M2 einen (geringen) negativen Schwellenwert hat, würde M2 statt dessen eingeschaltet sein, wenn der Verbindungspunkt C geerdet wäre, so daß es notwendig ist, eine Vorspannung G vorzusehen, die den Verbindungspunkt C auf einem positiven Spannungspegel hält, der höher ist, als die Amplitude der Schwellenspannung von M2.

Aus diesem Grunde ist es, wie oben erwähnt, üblich, einen Widerstand in Serie zu schalten, um den gewünschten Spannungsabfall zu erzeugen. Die Herstellungsschwankungen würden in diesem Falle jedoch für die verschiedenen Komponenten der Schaltung heterogen werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher als Vorspannungsgenerator G eine Schaltung verwendet, die als bevorzugtes Ausführungsbeispiel in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Schaltung enthält einen Bezugsspannungsgenerator, bestehend aus einem Transistor M5 mit niedriger Schwellwertspannung und einem Depletiontransistor M6, die in Serie zwischen die Versorungsspannung V_cc und Masse geschaltet sind und deren Gates mit Masse verbunden sind. Von diesen Transistoren hat der Transistor M6 eine große Kanallänge, während der Transistor M5 eine große Kanalbreite hat, so daß der Kanalstrom I sehr klein ist. Auf diese Weise gilt die folgende Beziehung:

woraus folgt, daß

V_A ≅ -V_TMOS (1)

Die Bezugsspannung V_A wird dem Eingang einer zweiten Schaltungsstufe zugeführt, der aus dem Gate eines Transistors M8 besteht, dessen Source über einen Verstärkungstransistor M9 mit Masse verbunden ist, der so ausgeführt ist, daß er sehr leitfähig ist, und das Drain des Transistors M8 ist über einen Depletiontransistor M7, der einen hohen Widerstand darstellt, mit der Versorgungsspannung V_cc verbunden, während sein Source mit dem Gate verbunden ist, um eine Ohmsche Last zu simulieren. Das Drain des Transistors M8 ist weiterhin mit dem Gate eines Transistors M9 verbunden, um eine Gegenkopplung zu erzeugen. Auf diese Weise arbeitet der Transistor M8 am Knickpunkt seiner charakteristischen Kurve. Es gilt daher die Einschränkung:

V_A - V_B = V_TMOS

woraus man unter Berücksichtigung der Gleichung (1) erhält:

V_B = -2 V_TMOS

Die erhaltene Spannung V_B wird wiederum zusätzlich zur Benutzerschaltung auch einer dritten Einstellstufe zugeführt, die aus einem Depletiontransistor M10, einem Transistor M11 und einem Enhancementtransistor M12 besteht. Der Transistor M12 ist als Diode geschaltet, um als Last für den Transistor M11 zu arbeiten, und letzterer wird an seinem Gate durch das Signal V_B angesteuert. Das Drain des Transistors M11 ist mit dem Gate des Transistors M10 verbunden, um diesen anzusteuern.

Normalerweise (wenn V_B die Größe -2 V_TMOS hat) sind M11 und M12 eingeschaltet, während M10 ausgeschaltet ist. Wenn jedoch V_B abfällt, dann wird M10 aktiviert, um M9 mit einem Teil eines Wiedergewinnungsstromes zu versorgen, um den gewünschten Wert von V_B wieder herzustellen.

Claims (1)

1. Vorspannungsgenerator für MOS-Transistoren, insbesondere für digitale integrierte Schaltungen, wie beispielsweise EPROM- Speicher, zur Erzeugung einer Ausgangsvorspannung (V_B) mit einem Betrag, der in etwa der doppelten Schwellwertspannung eines MOS-Transistors entspricht, wobei der Vorspannungsgenerator umfaßt:
   einen Bezugsspannungsgenerator mit einem ersten MOS-Transistor (M5) mit geringer Schwellwertspannung und einem ersten Depletion- Transistor (M6), wobei die Gates der beiden MOS-Transistoren (M5, M6) mit dem Massepotential verbunden sind und eine Bezugs­ spannung (V_A) an einem Verbindungspunkt zwischen den seriell geschalteten zwei MOS-Transistoren abgenommen wird, und die Transistoren (M5, M6) zwischen einer Versorgungsspannung (V_cc) und dem Massepotential angeschlossen sind zur Erzeugung der Bezugsspannung (V_A) mit einem Betrag, der in etwa mit dem Betrag der Schwellwertspannung übereinstimmt,
   eine Zwischenstufe mit einem zweiten MOS-Transistor (M8) mit geringer Schwellwertspannung, der seriell zwischen einem als Diode geschalteten zweiten Depletion-Transistor (M7) und einem Enhancement-Transistor (M9) verbunden ist, wobei die Drain­ spannung des zweiten MOS-Transistors (M8) auf das Gate des Enhancement-Transistors (M9) gegengekoppelt ist und der zweite MOS-Transistor (M8) an seinem Gate die Bezugsspannung (V_A) empfängt zur Erzeugung der Ausgangsvorspannung (V_B) an seiner Source mit einem Betrag, der in etwa mit dem doppelten Betrag der Schwellwertspannung übereinstimmt,
   eine Einstellstufe mit einem dritten MOS-Transistor (M11) mit geringer Schwellwertspannung, der an seinem Gate die Ausgangs­ vorspannung (V_B empfängt, dessen Source mit dem Massepotential verbunden ist und dessen Drain mit den Gates eines weiteren Depletion-Transistors (M10) und eines weiteren Enhancement- Transistors (M12) gekoppelt ist, deren Drainanschlüsse mit der Versorgungsspannung (V_cc) verbunden sind und wobei der Source- Anschluß des weiteren Enhancement-Transistors (M12) mit dem Gateanschluß des dritten MOS-Transistors (M11) verbunden ist, wobei die Ein­ stellstufe die Spannung am Gateanschluß des dritten MOS-Transistors (M11) so einstellt, daß sie einen Betrag besitzt, der in etwa dem Betrag der doppelten Schwellwertspannung entspricht und als geregelte Ausgangsvorspannung verwendbar ist.