DE3740571C2

DE3740571C2 - Schaltungsanordnung zum Einschalt-Rücksetzen von integrierten logischen Schaltungen in MOS-Technik

Info

Publication number: DE3740571C2
Application number: DE3740571A
Authority: DE
Inventors: Giovanni Campardo; David Novosel
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1987-11-30
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2007-12-01
Also published as: DE3740571A1; US4874965A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Einschalt- 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.

In der DE 37 05 140 A1 ist eine Einschalt-Rückstellschaltung zum automatischen Erzeugen eines positiven Rückstell-Spannungsimpulses beim Anlegen einer positiven Speisespannung bereits vorgeschlagen worden. Die Rückstellschaltung umfaßt ein Paar zwischen Masse und Speiseschaltung liegende Transistoren, die einen Spannungsteiler zum Liefern einer Bezugsspannung bilden, ein bistabiles Schaltglied, welches über ein Entkopplungsglied mit einem Verbindungspunkt des Spannungsteilers verbunden ist sowie eine Endstufe mit zwei Transistoren, wobei der Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren den Rückstellimpuls liefernden Ausgang der Schaltung darstellt.

Aus der US-PS 4,649,291 ist eine integrierte Halbleiterschaltung bekannt, mit einer Vielzahl von aktiven Elementen, die eine bestimmte Schaltungsfunktion ausführen. Die aktiven Elemente sind zwischen einem Knotenpunkt und einem Bezugsspannungsanschluß angeschlossen. Das Potential an diesem Knotenpunkt wird von einer Spannungseinstellschaltung eingestellt und in einem vorgegebenen Bereich gehalten unabhängig von dem Strom, welcher in den aktiven Elementen verbraucht wird. Die Einstellung erfolgt mittels eines von den aktiven Elementen erzeugten Steuersignale, welches die Leitfähigkeit zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und dem Knoten geeignet verändert.

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

Diese Aufgabe wird von einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird ein Aus führungsbeispiel der Einschalt-Rücksetzschaltung nach der Erfindung 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 Abszisse 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 Einschalt-Rücksetzschaltung nach der Erfindung einen Bezugsspannungsgenerator, der durch zwei Transistoren M1, M2 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 M1 und der Drain des Transistors M2 gelie fert.

Ferner enthält die Rücksetzschaltung einen Spannungsfolger, welcher durch einen Transistor M4 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 M3 und M5 gebildet wird, welche in Reihe geschaltet sind und mit ihren Gates Dioden- Strecken bilden. Der Transistor M4 wirkt daher wie ein Stromgenerator und die Transistoren M3 und M5 entsprechen einer Ohmschen Belastung. Der so gebildete Spannungsfolger M3, M4, M5 liefert von der Drain des Transistors M4 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 Einschalt-Rücksetzschaltung ferner einen bistabilen Kompa rator bzw. eine "Sperre", welcher bzw. welche von vier natürlichen Transistoren M6, M7, M8 und M9 gebildet wird. Die beiden Transistoren M8 und M9 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 M8 und M9 die Versorgungsspannung V_cc über die entsprechenden Transistoren M6 und M7, an deren Gates die Signale V_ref und V_in angelegt sind.

Schließlich sind die Drains der Transistoren M8 und M9 mit den Gates der beiden Transistoren M10 und M11 verbunden, welche in Reihe zwischen die Versorgungsspannung V_cc und Masse geschaltet sind. Der Transistor M11 ist vom An reicherungstyp und der Transistor M10 vom Verarmungstyp. Die Komplementärwirkung der beiden Transistoren M10 und M11 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 bistabile Komparator einen Betriebszustand aufweist, bei welchem der Transistor M8 ausgeschaltet und der Transistor M9 eingeschaltet ist und somit V8 einen hohen Wert und V9 einen niedrigen Wert aufweist. Tatsächlich leiten die Transistoren M3 und M5 anfangs nicht und halten daher den Transistor M7 ausgeschaltet. Der Transistor M1 hinwiederum ist sofort eingeschaltet und V8 wird hochgetrieben und auf grund der Rückkopplungswirkung der bistabilen Schaltung bleibt der Transistor M8 ausgeschaltet und der Transistor M9 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 M1 und M2 sich in ihrem Sättigungsbereich be finden:

Hierbei bedeuten W1, W2 und L1, L2 die Kanalbreiten und Kanal längen für die beiden Transistoren M1 und M2, 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=W2/L2 × L1/W1 folgende Beziehung:

V_ref = -V_Tdep · (1 - √K).

Wenn in bevorzugter Weise W1/L1=100/4 und W2/L2=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 M3 und M5 gebildet wird, einen Spannungsabfall von 1 Volt für den vom Transistor M4 gelie ferten Strom vorsieht. Mit W4 und L4 sind die Breite und die Länge des Kanals des Transistors M4 bezeichnet. Der Strom I_dep im Kanal des Transistors M4 ist dann:

Wenn mit V_x das Potential des Knotenpunkts zwischen den Transistoren M3 und M5 bezeichnet wird, beträgt der Strom in der Last des Transistors M4, d. h. im Transistor M3 (mit ersichtlicher Bedeutung für W3 und L3)

wobei V_x=(V_cc+V_in)/2 ist, da die Potentialabfälle an den Transistoren M5 und M3 etwa gleich sind. Wenn man die Gleichungen (2) und (3) gleichsetzt, erhält man:

V_in = V_cc - 2 · V_Tdep · K,

da

Wenn man W3/L3=W5/L5=20/3 und W4/L4=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 M6 und M7, 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.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Einschalt-Rücksetzen von inte grierten logischen Schaltungen in MOS-, insbesondere NMOS- Technologie, welche einen Rücksetzimpuls vorsieht, wenn eine Versorgungsspannung über einen bestimmten Schwellenwert an steigt, umfassend:

a) einen Bezugsspannungsgenerator (M1, M2), 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 (M3, M4, M5), 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 (M6, M7, M8, M9), 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 (M1, M2) durch zwei Transistoren (M1) und (M2) 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 (M3, M4, M5) zwei natürliche Transistoren (M3) und (M5) 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 (M4) vom Verarmungstyp mit geerdetem Gate wirken, wobei der Drain-Anschluß des Transistors (M4) 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 (M6, M7, M8 und M9) in Reihe zwei zu zwei zwischen der Versorgungsspannung V_cc und Masse aufweist, wo bei die Gate-Anschlüsse der Transistoren (M6 und M7), 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 (M8 und M9), deren Sources geerdet sind, mit dem Drain-Anschluß des jeweils anderen Transistors (M9 bzw. M8) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Hilfsstufe (M10, M11) vorgesehen ist, welche vom bistabilen Komparator (M6, M7, M8, M9) angesteuert ist und die Schaltgeschwindigkeit des bistabilen Komparators verbessert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstufe (M10, M11) 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 (M6, M7, M8, M9) angeschlossen sind.