DE3904901A1 - Integrierte gegentakt-ausgangsstufe - Google Patents
Integrierte gegentakt-ausgangsstufeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Gegentakt-Ausgangsstufe
zum Erzeugen eines impulsförmigen Ausgangssignals
in Abhängigkeit von einem impulsförmigen Eingangssignal mit
komplementären Ausgangs-Feldeffekttransistoren, die jeweils
aus zwei Gruppen parallel geschalteter Teiltransistoren vom
jeweils gleichen Leitungstyp bestehen.
Bei integrierten Halbleiterschaltungen, die speziell zur Erzielung
hoher Schaltgeschwindigkeiten entwickelt wurden, haben
sich parasitäre Induktivitäten der Zuleitungen zu den aktiven
Schaltungselementen als sehr nachteilig erwiesen, da sie keine
Umsetzung der theoretisch möglichen hohen Schaltgeschwindigkeiten
in der Praxis verhindern. Insbesondere in den Ausgangsstufen
integrierter Schaltungen, in denen relativ hohe Ströme
fließen, werden in den parasitären Leitungsinduktivitäten bei
schnellen Schaltvorgängen, also beispielsweise beim schnellen
Umschalten zwischen einem hohen Spannungspegel und einem niedrigen
Spannungspegel, hohe Spannungsspitzen erzeugt, die zu
einem starken Überschwingen an den von der jeweiligen Ausgangsstufe
abgegebenen Impulsen führen. Dieses Überschwingen
kann zu fehlerhaften Ausgangssignalen führen, da es vor allem
beim niedrigen Signalwert, der im Bereich des Massepotentials
liegt, zu einem unerwünschten Anheben dieses Potentials kommt,
das von nachfolgenden Schaltungsstufen im ungünstigen Fall dazu
führt, daß das von der Ausgangsstufe abgegebene Signal wegen
der Überschwingerscheinungen als Signal mit hohem Wert interpretiert
wird, während es eigentlich ein Signal mit niedrigem
Wert sein sollte. Diese Erscheinung wird im englischen
Sprachgebrauch als "ground bounce" bezeichnet.
Das Überschwingen kann natürlich dadurch reduziert werden, daß
die Schaltflanken der impulsförmigen Signale langsamer gemacht
werden, was allerdings dem Ziel der Erreichung hoher Schaltgeschwindigkeiten
entgegensteht. In dem von der Firma Texas
Instruments herausgegebenen Buch "Advanced CMOS Logic, Designers
Handbook", das 1987 herausgegeben wurde, ist im Kapitel
3.1.5, Seite 3-9, eine Ausgangsstufe beschrieben, in der
Maßnahmen angewendet sind, um das ungünstige Überschwingen zu
reduzieren. In dieser Ausgangsstufe sind die Ausgangstransistoren
jeweils aus mehreren Einzeltransistoren gebildet, die
zueinander parallel geschaltet sind. Die Gate-Zonen dieser
Einzeltransistoren sind in Serie geschaltet und wirken wie eine
widerstandsbehaftete Leitung. Da diese Leitung auch eine
gewisse Kapazität hat, wirkt die Serienschaltung der Gate-Zonen
wie eine Verzögerungsleitung, so daß das Signal vom ersten
Transistor bis zum letzten Transistor der parallelgeschalteten
Einzeltransistoren eine gewisse Laufzeit benötigt. Ohne besondere
Maßnahmen ist diese Verzögerung aber nicht groß genug, um
die Flanken der Schaltimpulse so weit zu verlangsamen, daß unerwünschte
Überschwingungen nicht mehr auftreten. Die besondere
Maßnahme Reduzierung der Überschwingungen umfaßt bei dieser
bekannten Ausgangsstufe die Verwendung eines Stromableittransistors,
der an die Serienschaltung der Gate-Zone der Ausgangstransistoren
einer der beiden Gruppen von Einzeltransistoren
in der Gegentakt-Ausgangsstufe angeschlossen ist und im
eingeschalteten Zustand das Fließen eines Stroms durch die Serienschaltung
der Gate-Zonen nach Masse hervorruft.
Das Fließen des Stroms durch die Serienschaltung der Gate-
Zonen hat zur Folge, daß an den einzelnen Gate-Zonen, die wie
einzelne Widerstände wirken, Spannungsabfälle auftreten, so
daß sich die Gate-Spannungen vom ersten Transistor der Gruppe
bis zum letzten nacheinander verringern. Dieser durch den
Stromableittransistor hervorgerufene zusätzliche Strom durch
die Serienschaltung der Gate-Zonen wirkt aufgrund der an den
einzelnen Gate-Zonen auftretenden Spannungsabfälle dem Entstehen
der Überschwingungen entgegen. Der Stromableittransistor
muß aber nach einer definierten Zeit auch wieder gesperrt werden,
damit nicht ständig durch die Gate-Zonen Strom fließt.
Dieses Sperren wird in Abhängigkeit vom Eingangssignal der
Ausgangsstufe durchgeführt, aus dem mittels einer Verzögerungsschaltung
ein Steuersignal erzeugt wird, das nach der von
der Verzögerungsschaltung erzeugten Verzögerungszeit den
Stromableittransistor wieder sperrt. Im günstigsten Fall, also
dann, wenn die herstellungsbedingten Parameter der Ausgangsstufe
gute Werte haben, muß die Verzögerungsschaltung den
Stromableittransistor lang genug leitend halten, damit der
Strom durch die Serienschaltung der Gate-Zonen lange genug
fließt, um den gewünschten Effekt der Gate-Spannungsreduzierung
für eine genügend lange Zeitdauer aufrechtzuerhalten.
Dieser Stromfluß mit dem damit verbundenen Spannungsabfall an
den Gate-Zonen ist die Vorraussetzung dafür, daß die unerwünschten
Überschwingungen stark reduziert werden. Wenn allerdings
die herstellungsbedingten Parameter der integrierten
Ausgangsstufe ungünstige Werte haben, ist die Laufzeit des Signals
durch die Gate-Zonen von vornherein bereits relativ lang,
so daß der durch den Stromableittransistor zusätzlich hervorgerufene
Strom mit der damit verbundenen weiteren Verlängerung
der Laufzeit zu einer starken Verlangsamung der Flanken des
Ausgangssignals der Ausgangsstufe führt, was höchst unerwünscht
ist, da der Stromableittransistor zwar das Überschwingen reduzieren
soll, nicht aber die Flankensteilheit der Ausgangsimpulse
zu stark verlangsamen darf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Gegentakt-
Ausgangsstufe zu schaffen, bei der das Überschwingen
an den Impulsen des Ausgangssignals wesentlich reduziert wird,
ohne daß die Schaltgeschwindigkeit der Ausgangsstufe merklich
beeinträchtigt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in
die Zuleitung zu jeder Gate-Elektrode jedes der Teiltransistoren
in jeder Gruppe ein Widerstandselement eingefügt ist, daß
jedem Teiltransistor in jeder Gruppe ein Abschalt-Feldeffekttransistor
zugeordnet ist und daß zu jeder Gruppe von Teiltransistoren
ein Feldeffekttransistor vom jeweils entgegengesetzten
Leitungstyp parallel geschaltet ist, der bezüglich des
Eingangssignals und des Ausgangssignals als Source-Folger geschaltet
ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber
erläutert, die ein Schaltbild der integrierten Gegentakt-Ausgangsstufe
nach der Erfindung zeigt.
Die in der Zeichnung dargestellte Ausgangsstufe ist eine
CMOS-Gegentakt-Ausgangsstufe, deren Ausgangstransistoren jeweils
in vier Teiltransistoren, nämlich in die P-Kanal-Transistoren
P 1, P 2, P 3, P 4 und die N-Kanaltransistoren N 1, N 2, N 3,
N 4, unterteilt sind. Wie zu erkennen ist, sind die Teiltransistoren
jeder Gruppe zueinander parallelgeschaltet, wobei jeweils
ein Teiltransistor der einen Gruppe mit einem Teiltransistor
der anderen Gruppe in Serie geschaltet ist, also beispielsweise
der Transistor P 4 mit dem Transistor N 4. Zwischen
den Gate-Elektroden der parallelgeschalteten Teiltransistoren
P 1 bis P 4 und N 1 bis N 4 sind Widerstandselemente TP 1, TP 2, TP 3
und TN 1, TN 2, TN 3 eingefügt. Diese Widerstandselemente sind,
wie dies in der Technologie der integrierten Schaltungen üblich
ist, jeweils aus zwei parallelgeschalteten Einzeltransistoren
gebildet, wobei einer der Transistoren ein N-Kanal-
Transistor und der andere ein P-Kanal-Transistor ist. Das der
Gate-Elektrode des jeweils ersten Teiltransistors P 1, N 1 vorgeschaltete
Widerstandselement besteht jeweils aus einem Feldeffekttransistor
TP 0 bzw. TN 0, jedoch könnte auch dieses Widerstandselement
ebenso wie die Widerstandselemente TP 1 bis
TP 3 bzw. TN 1 bis TN 3 aufgebaut sein. Parallel zu jeder Gruppe
aus Teiltransistoren P 1 bis P 4, N 1 bis N 4 liegt jeweils ein
Transistor MN bzw. MP, der als Source-Folger geschaltet ist,
was bedeutet, daß an seiner Source-Elektrode abgesehen von der
an ihm als Spannungsabfall auftretenden Gate-Source-Spannung
jeweils die seiner Gate-Elektrode zugeführte Spannung abgegeben
wird.
Mit jeder Gate-Elektrode jedes Teiltransistors P 1 bis P 4 und
N 1 bis N 4 ist jeweils ein Abschalttransistor PD 1 bis PD 4 bzw.
ND 1 bis ND 4 verbunden, der in bestimmten Betriebsphasen für
ein sicheres Abschalten der jeweiligen Teiltransistoren sorgt.
Die beschriebene Ausgangsstufe verhält sich wie folgt:
Es wird davon ausgegangen, daß an der Eingangsklemme 10 der
Ausgangsstufe ein Signal mit niedrigem Spannungswert anliegt.
In diesem Zustand ist der Transistor ND gesperrt, während sich
der Transistor PD im leitenden Zustand befindet. Die Transistoren
PD 1 bis PD 4 sind leitend, während die Transistoren ND 1
bis ND 4 gesperrt sind. An der Ausgangsklemme 12 der Ausgangsstufe
liegt ebenfalls ein Signal mit niedrigem Spannungswert
an. Die Transistoren MN und MP sind ebenfalls gesperrt, weil
zwischen ihren Gate- und Source-Elektroden keine Spannungsdifferenz
vorhanden ist, die aber notwendig wäre, um diese Transistoren
in den leitenden Zustand zu versetzen. Die Transistoren
P 1 bis P 4 sind wegen des leitenden Zustandes der Transistoren
PD 1 bis PD 4 gesperrt, während die Transistoren N 1 bis
N 4 im leitenden Zustand gehalten sind.
Es wird nun angenommen, daß die Eingangsspannung an der Eingangsklemme
10 ansteigt, so daß der Transistor ND leitend wird.
Gleichzeitig werden die Transistoren PD 1 bis PD 4 gesperrt. Es
wird hier vorausgesetzt, daß der Spannungsanstieg an der Eingangsklemme
10 mit steiler Flanke erfolgt. Die von Transistoren
gebildeten Widerstandselemente TP 0 bis TP 3 bilden zusammen
mit den Gate-Kapazitäten der Transistoren P 1 bis P 4 ein verteiltes
RC-Netzwerk, das wie eine Laufzeitkette wirkt. Dies
bedeutet, daß mit dem Ansteigen des Spannungswerts des Signals
an der Eingangsklemme 10 und dem Übergang des Transistors ND
in den leitenden Zustand die Transistoren P 1 bis P 4 nicht
gleichzeitig, sondern mit einer gewissen Verzögerung nacheinander
leitend werden, was bedeutet, daß der Spannungssprung
des Eingangssignals nur in verlangsamter Form im Ausgangssignal
reproduziert wird. Da die Transistoren P 1 bis P 4 nacheinander
leitend werden, muß nicht ein großer Strom in sehr kurzer
Zeit zu fließen beginnen, sondern es beginnen nacheinander
kleinere Teilströme zu fließen, was zur Folge hat, daß in den
an die Ausgangsklemme angeschlossenen Leitungen die Stromänderung
pro Zeiteinheit niedriger wird, so daß die in den Leitungsinduktivitäten
induzierten Spannungen herabgesetzt werden.
Da die Widerstandselemente TP 0 bis TP 3 aus Transistoren aufgebaut
sind, unterliegen sie weitgehend denselben Parameterschwankungen
des Herstellungsprozesses wie die als Kapazitäten
wirkenden Transistoren P 1 bis P 4. Werden die Widerstandselemente
TP 0 bis TP 3 infolge einer Prozeßabweichung hochohmiger,
dann werden die unter dem Einfluß der gleichen Prozeßabweichungen
entstehenden Gate-Kapazitäten der Transistoren P 1 bis
P 4 zwangsläufig kleiner, so daß das Produkt aus Widerstand und
Kapazität, daß die RC-Zeitkonstante des erwähnten RC-Netzwerks
annähernd konstant bleibt.
Der zu den Teiltransistoren P 1 bis P 4 parallelgeschaltete
Transistor MN trägt wesentlich dazu bei, daß es beim Umschalten
des Eingangssignals von einem niedrigen Spannungswert auf
einen hohen Spannungswert nicht zu einem starken Überschwingen
kommt. Der Transistor MN empfängt an seiner Gate-Elektrode auf
direktem Wege das Eingangssignal, so daß er in den leitenden
Zustand übergeht, nachdem das Eingangssignal seinen Schwellenspannungswert
überschritten hat. Da die Spannung an der Ausgangsklemme
12 den hohen Spannungswert nur mit Verzögerung
erreicht, liegt zwischen der Gate-Elektrode des Transistors MN
und seiner mit der Ausgangsklemme 12 verbundenen Source-Elektrode
nur während der Anstiegsflanke des Eingangssignals eine
Spannungsdifferenz an, so daß dieser Transistor MN auch nur
Strom leiten kann, solange sich das Eingangssignal ändert.
Liegt dagegen ein konstanter Spannungswert an der Eingangsklemme
10, kann der Transistor MN wegen der Gleichheit der
Spannungen an seiner Gate-Elektrode und an seiner Source-Elektrode
keinen Strom leiten.
Die Verwendung des als Source-Folger geschalteten Transistors
MN bringt einen weiteren Vorteil mit sich. Wenn die Schaltung
prozeßabhängig niederohmigere Parameter hat oder wenn am Ausgang
12 eine kleinere (hochohmigere) Last liegt, ist der Transistor
MN infolge der resultierenden steileren Flanke des Ausgangssignals
für eine kürzere Zeitperiode wirksam als bei
hochohmigeren Schaltungsparametern und größerer (niederohmigerer)
Last. Diese Gegenkopplungswirkung tritt ein, weil der
Transistor MN, wie oben erwähnt, abhängig von der Spannungsdifferenz
zwischen seiner Gate-Elektrode und seiner Drain-
Elektrode wirksam ist.
Da der Transistor MN gemäß der obigen Erläuterung nur während
des Übergangs des Eingangssignals vom niedrigen Spannungswert
auf den hohen Spannungswert wirksam sein kann, beeinflußt dieser
Transistor den Verlauf der Anstiegsflanke des Signals an
der Ausgangsklemme 12. Der als Source-Folger geschaltete Transistor
MN macht die Flanke im Mittelbereich des Anstiegs steiler,
ohne daß jedoch die Gefahr besteht, daß es zu einem Überschwingen
kommt, da er wieder in den gesperrten Zustand übergeht,
sobald sich die Spannung an der Ausgangsklemme 12 um weniger
als den am Transistor MN auftretenden Gate-Source-Spannungsabfall
von der Spannung an der Eingangsklemme 10 unterscheidet.
Im Falle des Überganges des Signals an der Eingangsklemme 10
vom niedrigen Spannungswert zum hohen Spannungswert wirken die
Transistoren ND 1 bis ND 4 für die Transistoren N 1 bis N 4 als
Abschalttransistoren, da sie an die Gate-Elektroden der Transistoren
N 1 bis N 4 mit dem Ansteigen der Eingangsspannung das
Massesignal anlegen, das diese Transistoren zuverlässig sperrt,
so daß nur noch die Transistoren P 1 bis P 4 wirksam werden können.
Die Zusammenschaltung der Transistoren P 1 bis P 4 mit den
Widerstandselementen TP 0 bis TP 3 zur Bildung eines verteilten
RC-Netzwerks mit der Wirkung einer Laufzeitkette ermöglicht
das Arbeiten mit einem steilflankigen Übergang vom niedrigen
Spannungswert auf den hohen Spannungswert an der Eingangsklemme
10, da dieses RC-Netzwerk die Flankensteilheit am Flankenbeginn
und am Flankenende herabsetzt. Der Transistor MN sorgt
dafür, daß dies nicht zu einer wesentlichen Verlangsamung der
Flanke in ihrer Gesamtheit führt, da, wie oben erläutert, dieser
Transistor die Flanke in ihren Mittelbereich steiler macht.
Die bisherige Beschreibung betraf den Übergang der Spannung an
der Eingangsklemme 10 von einem niedrigen Wert zu einem hohen
Wert. Für den Fall des Übergangs von einem hohen Wert zu einem
niedrigen Wert gilt das entsprechende, wobei dann jeweils die
komplementären Transistoren mit ihrem entsprechenden Verhalten
wirksam werden. In diesem Fall wirken dann die Transistoren N 1
bis N 4 mit ihren zugeordneten Widerstandselementen TN 0 bis TN 3
als verteiltes RC-Netzwerk mit der Wirkung einer Laufzeitkette,
und der zu den Transistoren N 1 bis N 4 parallelgeschaltete
Transistor MP übernimmt die oben beschriebene Wirkung des
Transistors MN.
Die beschriebene Schaltung ermöglicht somit die Erzeugung eines
steilflankigen Ausgangssignals, wobei die Flankensteilheit
sowohl bei ansteigenden als auch bei fallenden Flanken erreicht
wird. Trotz der Flankensteilheit wird ein unerwünschtes Überschwingen
vermieden.
Claims (3)
1. Integrierte Gegentakt-Ausgangsstufe zum Erzeugen eines impulsförmigen
Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem impulsförmigen
Eingangssignal mit komplementären Ausgangs-Feldeffekttransistoren,
die jeweils aus zwei Gruppen parallelgeschalteter
Teiltransistoren vom jeweils gleichen Leitungstyp
bestehen, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß in die Zuleitung zu jeder Gate-Elektrode jedes der Teiltransistoren (P 1, P 2, P 3, P 4; N 1, N 2, N 3, N 4) in jeder Gruppe ein Widerstandselement (TP 0, TP 1, TP 2, TP 3; TN 0, TN 1, TN 2, TN 3) eingefügt ist,
- b) daß jedem Teiltransistor (P 1, P 2, P 3, P 4; N 1, N 2, N 3, N 4) in jeder Gruppe ein Abschalt-Feldeffekttransistor (PD 1, PD 2, PD 3, PD 4; ND 1, ND 2, ND 3, ND 4) zugeordnet ist und
- c) daß zu jeder Gruppe von Teiltransistoren (P 1, P 2, P 3, P 4; N 1, N 2, N 3, N 4) ein Feldeffekttransistor (MN, MP) vom jeweils entgegengesetzten Leitungstyp parallelgeschaltet ist, der bezüglich des Eingangssignals und des Ausgangssignals als Source-Folger geschaltet ist.
2. Integrierte Gegentakt-Ausgangsstufe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (TP 1, TP 2,
TP 3; TN 1, TN 2, TN 3), die zwischen den Gate-Elektroden aufeinanderfolgender
Teiltransistoren (P 1, P 2, P 3, P 4; N 1, N 2, N 3,
N 4) eingefügt sind, aus zwei komplementären, parallelgeschalteten
Feldeffekttransistoren gebildet sind.
3. Integrierte Gegentakt-Ausgangsstufe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abschalttransistoren PD 1, PD 2,
PD 3, PD 4; ND 1, ND 2, ND 3, ND 4) vom jeweils gleichen Typ wie die
Teiltransistoren (P 1, P 2, P 3, P 4; N 1, N 2, N 3, N 4) sind, denen
sie zugeordnet sind, und mit der Gate-Elektrode des jeweiligen
Teiltransistors (P 1, P 2, P 3, P 4; N 1, N 2, N 3, N 4) verbunden
sind.
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