DE3740571A1

DE3740571A1 - Schaltungsanordnung fuer betrieb- ruecksetzen von integrierten logischen schaltungen in mos-technik

Info

Publication number: DE3740571A1
Application number: DE19873740571
Authority: DE
Inventors: Giovanni Campardo; David Novosel
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1987-11-30
Publication date: 1989-06-08
Anticipated expiration: 2007-12-01
Also published as: DE3740571C2; US4874965A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Betrieb- Rücksetzen von integrierten logischen Schaltungen, in MOS- Technik, d. h. eine Schaltung, die ihren eigenen Ausgangszu stand ändern kann und einen Rücksetzimpuls vorsieht in Ab hängigkeit von einem einfachen Anstieg der Versorgungsspan nung von einem Wert Null auf einen Wert, der höher ist als ein bestimmter Schwellenwert, insbesondere über 3,5 bis 4 Volt für eine 5 Volt-Versorgungsspannung.

Das Problem des Rücksetzens integrierter Schaltungen auf einen vorbestimmten Anfangszustand im Zeitpunkt des Anlegens der Anfangsversorgungsspannung ist bislang dadurch gelöst worden, daß am integrierten Schaltkreis ein Rücksetzstift vorgesehen wurde, an welchem ein äußerer Schaltkreis einen kurzen Rücksetzimpuls lieferte, sobald die Versorgungsspannung über einen vorbestimmten Schwellenwert anstieg.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für ein Betrieb-Rücksetzen zu schaffen, welche in der Einrichtung, bei welcher sie zur Anwendung kommt, integriert werden kann, so daß sowohl ein äußerer Rücksetzschaltkreis und ein angepaßter Rücksetzstift an der integrierten Schaltung, wie es normalerweise beim Stand der Technik der Fall ist, über flüssig werden.

Ferner soll eine Betriebs-Rücksetzschaltung geschaffen wer den, die geringe Abmessungen aufweist und eine gute Rück weisung von Änderungen beim Herstellungsvorgang in integrier ter MOS-Technologie aufweist.

Zur Erzielung dieser Aufgabe und dieses Vorteils wird durch die Erfindung eine Schaltungsanordnung für ein Betrieb- Rücksetzen von integrierten logischen Schaltungen, insbe sondere in NMOS-Technologie geschaffen, die geeignet ist, einen Rücksetzimpuls vorzusehen, wenn die Versorgungsspan nung über einen bestimmten Schwellenwert ansteigt, und welche gekennzeichnet ist durch:

a) einen Bezugsspannungsgenerator, der zwischen eine Versor gungsspannungsquelle und Masse geschaltet ist, und welcher ein Bezugssignal liefert, das einen konstanten vorbestimmten Wert aufweist, wenn die Versorgungsspannung höher ist als ein vorbestimmter Schwellenwert;
b) einen Spannungsfolger, der ein Eingangssignal vorsieht, welches das Verhalten der Versorgungsspannung mit einem voreingestellten Reduktionsfaktor kopiert; und
c) einen bistabilen Vergleicher mit einem ersten Eingang, der durch das Bezugssignal angesteuert ist und einem zweiten Eingang, der durch das Eingangssignal angesteuert ist, und welcher von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand schaltet, wenn das Eingangssignal das Bezugssignal über steigt.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird ein Aus führungsbeispiel der Betrieb-Rücksetzschaltung nach der Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisch Darstellung typischer Kenn linien von drei Transistortypen, welche bei der Schaltung nach der Erfindung zum Einsatz kommen,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Betrieb- Rücksetzschaltung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist und

Fig. 3 in schematischer Darstellung das zeitliche Ver halten einiger Spannungen, welche beim Betrieb der in Fig. 2 dargestellten Schaltung auftreten.

In der schematischen Schaltungsdarstellung sind die Transistoren, welche mit ihren Kanälen in dick ausgezo genen Linien dargestellt sind, Transistoren vom Verarmungs typ. Die Transistoren, welche mit ihren Kanälen in dünnen Linien dargestellt sind, sind Transistoren vom An reicherungstyp. Bei den Transistoren, welche einen kleinen Kreis am Gate aufweisen, handelt es sich um natürliche Transistoren. Die schematische Darstellung der Fig. 1 ver deutlicht die typische Kennlinien der drei Transistor typen. Die Spannung zwischen Gate und Source ist in Volt auf der Ordinate aufgetragen. Der Strom, welcher durch den Kanal fließt, ist in Milliampere auf der Abzisse aufgetra gen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in NMOS-Technologie ausgeführt und wird daher mit einer positiven Versorgungs spannung V _cc versorgt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 enthält ein bevorzugtes Aus führungsbeispiel einer Betrieb-Rücksetzschaltung nach der Erfindung einen Bezugsspannungsgenerator, der durch zwei Transistoren M 1, M 2 vom Verarmungstyp gebildet wird. Dieser Bezugsspannungsgenerator ist in Reihe geschaltet zwischen die Versorgungsspannung V _cc und Masse. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren sind an Masse gelegt und werden daher norma lerweise im Sättigungsbereich betrieben. Ein Bezugsspan nungssignal V _ref wird vom Knotenpunkt zwischen der Source des Transistors M 1 und der Drain des Transistors M 2 gelie fert.

Ferner enthält die Rücksetzschaltung einen Spannungsfolger, welcher durch einen Transistor M 4 vom Verarmungstyp gebil det wird, dessen Gate ebenfalls geerdet ist und der eine Last (verbunden mit der Spannungsquelle V _cc) aufweist, die von zwei natürlichen Transistoren M 3 und M 5 gebildet wird, welche in Reihe geschaltet sind und mit ihren Gates Dioden- Strecken bilden. Der Transistor M 4 wirkt daher wie ein Stromgenerator und die Transistoren M 3 und M 5 entsprechen einer Ohmschen Belastung. Der so gebildete Spannungsfolger M 3, M 4, M 5 liefert von der Drain des Transistors M 4 ein Span nungssignal, welches im folgenden als Eingangssignal V _in bezeichnet wird. Die Verwendung von natürlichen Transistoren für die Last verhindert, daß die Last abgeschaltet wird, wenn die Versorgungsspannung V _cc abfällt.

Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, enthält die dargestellte Betrieb-Rücksetzschaltung ferner einen bistabilen Kompa rator bzw. eine "Sperre", welcher bzw. welche von vier natürlichen Transistoren M 6, M 7, M 8 und M 9 gebildet wird. Die beiden Transistoren M 8 und M 9 sind mit ihren Sources mit Masse verbunden und ihre Gates sind mit den Drains des je weils anderen Transistors verbunden und bilden einen bi stabilen Schaltkreis. Ferner erreichen die Drains der Transistoren M 8 und M 9 die Versorgungsspannung V _cc über die entsprechenden Transistoren M 6 und M 7, an deren Gates die Signale V _ref und V _in angelegt sind.

Schließlich sind die Drains der Transistoren M 8 und M 9 mit den Gates der beiden Transistoren M 10 und M 11 verbunden, welche in Reihe zwischen die Versorgungsspannung V _cc und Masse geschaltet sind. Der Transistor M 11 ist vom An reicherungstyp und der Transistor M 10 vom Verarmungstyp. Die Komplementärwirkung der beiden Transistoren M 10 und M 11 verbessert die Schaltgeschwindigkeit des bistabilen Kompara tors, der an seinem Knotenpunkt ein Ausgangssignal POR vor sieht, das das gewünschte Rücksetzsignal ist.

Zur Erläuterung des Betriebs der oben beschriebenen Schal tung ist zunächst zu beachten, daß angenommen wird, daß während des Anfangsanstiegs der Versorgungsspannung der bistabilen Komparator einen Betriebszustand aufweist, bei welchem der Transistor M 8 ausgeschaltet und der Transistor M 9 eingeschaltet ist und somit V 8 einen hohen Wert und V 9 einen niedrigen Wert aufweist. Tatsächlich leiten die Transistoren M 3 und M 5 anfangs nicht und halten daher den Transistor M 7 ausgeschaltet. Der Transistor M 1 hinwiederum ist sofort eingeschaltet und V 8 wird hochgetrieben und auf grund der Rückkopplungswirkung der bistabilen Schaltung bleibt der Transistor M 8 ausgeschaltet und der Transistor M 9 eingeschaltet. Dieser Zustand wird beibehalten, bis V _in größer als V _ref und das Schalten des Komparators bewirkt wird.

Zum besseren Verständnis des Betriebs der Schaltung und zur Erläuterung der Dimensionierung der Bauteile ist zunächst zu beachten, daß die folgende Beziehung gilt, da die beiden Transistoren M 1 und M 2 sich in ihrem Sättigungsbereich be finden:

Hierbei bedeuten W 1, W 2 und L 1, L 2 die Kanalbreiten und Kanal längen für die beiden Transistoren M 1 und M 2, V _Tdep die Verarmungsschwellenspannung und k′ das Produkt aus der Be weglichkeit der Ladungsträger im Kanal und der Kapazität der Oxydschicht. Aus (1) erhält man bei k=W 2/L 2 × L 1/W 1 folgende Beziehung:

V _ref = -V _Tdep · (1 - √K).

Wenn in bevorzugter Weise W 1/L 1=100/4 und W 2/L 2=3/40 verwendet werden, erhält man V _ref=3 Volt. In Abhängigkeit vom Aufbau des Bezugsspannungsgenerators und, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, erreicht V _ref diesen Wert, sobald die Versorgungsspannung dies erlaubt, und dieser Wert wird dann strikt konstant gehalten.

Die Fig. 3 zeigt außerdem, wie die Schaltung wieder ein schaltet, wenn sie unter den gewünschten Schwellenwert ab sinkt. Hierbei bildet V _in eine verringerte Kopie der Ver sorgungsspannung.

Auf diese Weise kann der Komparator in der Nähe einer Ver sorgungsspannungsschwelle von etwa 4 Volt schalten, wie es eingangs erläutert wurde. Dabei sieht der Spannungsfolger ein Eingangssignal von 3 Volt vor, wenn V _cc=4 Volt. Das bedeutet, daß der im wesentlichen Ohmsche Widerstand, welcher von den beiden Transistoren M 3 und M 5 gebildet wird, einen Spannungsabfall von 1 Volt für den vom Transistor M 4 gelie ferten Strom vorsieht. Mit W 4 und L 4 sind die Breite und die Länge des Kanals des Transistors M 4 bezeichnet. Der Strom I _dep im Kanal des Transistors M 4 ist dann:

Wenn mit V _x das Potential des Knotenpunkts zwischen den Transistoren M 3 und M 5 bezeichnet wird, beträgt der Strom in der Last des Transistors M 4, d. h. im Transistor M 3 (mit ersichtlicher Bedeutung für W 3 und L 3)

wobei V _x=(V _cc+V _in)/2 ist, da die Potentialabfälle an den Transistoren M 5 und M 3 etwa gleich sind. Wenn man die Gleichungen (2) und (3) gleichsetzt, erhält man:

V _in = V _cc - 2 · V _Tdep · K,

da

Wenn man W 3/L 3=W 5/L 5=20/3 und W 4/L 4=3/15 wählt, erhält man

V _in = V _cc - 0,6 · y,

Hierbei bedeutet y einen Faktor, der größer als 1 ist, und welcher für den sogenannten "Körpereffekt" eingesetzt ist.

Es ist ersichtlich, daß durch die Verwendung von 4 homogenen (alle natürlich) MOS-Transistoren im bistabilen Komparator die Rückweisung von Änderungen im Herstellungsvorgang ver bessert wird, da alle Transistoren in der gleichen Weise be einflußt werden. Ferner wird die Dimensionierung der Bau teile aufgrund der Entkopplung des Komparators sowohl vom Bezugssignalgenerator als auch vom Spannungsfolger wegen der Anwesenheit der beiden Transistoren M 6 und M 7, die am Gate gesteuert sind, wesentlich erleichtert und das Triggern des Schwellenwertes läßt sich ebenfalls leicht modifizieren.

Beim Analysieren des Verhaltens des Komparators in dem Bereich mit Gegenkopplungsgrad kleiner als 1, kann man fer ner feststellen, daß der Komparator eine differentielle Verstärkung aufweist, welche so hoch wie gewünscht gegeben sein kann, während gleichzeitig die Gleichtaktverstärkung zu ½ tendiert. Hierdurch wird eine Verbesserung der Be triebsdynamik des Komparators bewirkt, wodurch sein Betrieb innerhalb eines breiten Bereichs von Schaltschwellenwerten möglich wird, und ferner die Betriebssicherheit verbessert ist, selbst bei geringen Differenzen zwischen den Eingangs spannungen.

Es wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Natürlich kann die Erfindung auch bei äquivalen ten Ausführungsformen und Abänderungen zur Anwendung kommen.

Claims

1. Schaltungsanordnung für Betrieb-Rücksetzen von inte grierten logischen Schaltungen in MOS-, insbesondere NMOS- Technologie, welche einen Rücksetzimpuls vorsieht, wenn eine Versorgungsspannung über einen bestimmten Schwellenwert an steigt, gekennzeichnet durch

a) einen Bezugsspannungsgenerator (M 1, M 2), der zwischen die Versorgungsspannung V _cc und Masse geschaltet ist und ein Be zugssignal V _ref mit einem konstanten vorbestimmten Wert vor sieht, wenn die Versorgungsspannung V _cc höher ist als der vorbestimmte Schwellenwert;
b) einen Versorgungsspannungsfolger (M 3, M 4, M 5), der ein Ein gangssignal V _in vorsieht, welches das Verhalten der Ver sorgungsspannung V _cc mit einem bestimmten Reduktionsfaktor kopiert; und
c) einen bistabilen Komparator (M 6, M 7, M 8, M 9), welcher einen ersten vom Bezugssignal V _ref angesteuerten Eingang und einen zweiten vom Eingangssignal V _in angesteuerten Eingang auf weist und von einem ersten anfangs angenommenen Zustand in einen zweiten Zustand schaltet, wenn das Eingangssignal V _in das Bezugssignal V _ref übersteigt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Bezugssignalgenerator (M 1, M 2) durch zwei Transistoren (M 1) und (M 2) vom Verarmungstyp gebildet ist, die in Reihe zwischen die Versorgungsspannung V _cc und Masse geschaltet sind und deren Gate jeweils mit Masse verbunden ist, wobei der Knotenpunkt zwischen den beiden Transistoren das Bezugssignal V _ref vorsieht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Versorgungsspannungsfolger (M 3, M 4, M 5) zwei natürliche Transistoren (M 3) und (M 5) aufweist, von de nen jeder zu einer Diode geschaltet ist und die miteinander in Reihe geschaltet sind, so daß sie als Last für einen Transistor (M 4) vom Verarmungstyp mit geerdetem Gate wirken, wobei der Drain-Anschluß des Transistors (M 4) vom Verarmungstyp das Eingangssignal V _in vorsieht.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabile Komparator vier na türliche Transistoren (M 6, M 7, M 8 und M 9) in Reihe zwei zu zwei zwischen der Versorgungsspannung V _cc und Masse aufweist, wo bei die Gate-Anschlüsse der Transistoren (M 6 und M 7), die mit der Versorgungsspannung V _cc verbunden sind, durch das Bezugssignale V _ref und das Eingangssignal V _in angesteuert sind und die Gate-Anschlüsse der beiden Transistoren (M 8 und M 9), deren Sources geerdet sind, mit dem Drain-Anschluß des jeweils anderen Transistors (M 9 bzw. M 8) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Hilfsstufe (M 10, M 11) vorgesehen ist, welche vom bistabilen Komparator (M 6, M 7, M 8, M 9) angesteuert ist und die Schaltgeschwindigkeit des bistabilen Komparators verbessert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstufe (M 10, M 11) zwei Transistoren aufweist, von denen der eine Transistor vom Verarmungstyp und der andere Transistor vom Anreicherungstyp ist und die in Reihe zwischen die Versorgungsspannung V _cc und Masse geschaltet sind, wobei die Gate-Anschlüsse der Transistoren an ent sprechende Ausgänge des bistabilen Komparators (M 6, M 7, M 8, M 9) angeschlossen sind.