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Diese Erfindung bezieht sich auf Ausgangspuffer-Schaltkreise
zum Einsatz in einem integrierten Schaltungschip.
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Die Spannungsstörspitzen, die als Rauschen in Masse- und
Stromversorgungsleitungen integrierter Schaltungsvorrichtungen
auftreten, haben an Wichtigkeit und relativer Größe mit der
Entstehung von kleiner dimensionierten integrierten
Schaltungen zugenommen. Untersuchungen erwiesen, daß der
Widerstand und die Induktion von Verbindungsleitungen des
integrierten Schaltungschips zu Hauptquellen von transienten
Rauschstörungs -Spannungen geworden sind. Schnelle Änderungen
des Stroms zu und von der Spannungsquelle und Erdungsplatten,
tragen bedeutend zum Rauschen solcher jeweiligen
Leitungen im Chip bei. Gleichzeitig hält die Größenreduzierung
der integrierten Schaltungen Konstukteure davon ab, die
Stromversorgungs- und Erdleitungs-Scheinwiderstandpegel durch
breitere Leitungen materiell zu reduzieren. Versuche,
Rauschstörungen zu eliminieren oder zu unterdrücken werden
außerdem durch schnellere Schaltgeschwindigkeiten der
integrierten Schaltungs-Vorrichtungen und der damit verbunden
di/dt Effekte erschwert.
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Auf Widerstands- und di/dt Effekte zurückzuführende
Stromversorgungs- und Erdleitungs-Rauschsignale von
integrierten Schaltungen treten am häufigsten beim Einsatz von
(E/A)Eingangs-/Ausgangs-Puffern zur Schaltung von kapazitiven
Belastungen auf. Es ist zu erwarten, daß die Bedeutung dieser
Rauschstörungen mit der zunehmenden Anwendung von integrierten
CMOS-Schaltungen steigen wird, da integrierte CMOS-Schaltungs-
Belastungen hauptsächlich kapazitiv sind.
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Mit Bezug auf Artikel 54(3) EPC, offenbart Dokument EP-A-0 297
932 einen Sender-Schaltkreis zur Übertragung eines digitalen
Datensignals über einen Bus einschließlich eines MOSFET-
Bustreiber-Transistors mit einer hohen Gate-Drain-
Rückwirkungskapazität, wobei der Bustreiber-Transistor durch
einen Puffer mit Pull-up- und Pull-down-Transistoren betrieben
wird, dessen Stromstärke durch Konstant-Stromquellen
geregelt wird.
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Das Dokument US -A-4 504 779 offenbart einen
Antriebsschaltkreis zur Verstellung eines von einer GS-
Stromversorgung an einen Motor gelieferten Stroms,
einschließlich einem MOSFET-Transistor mit einer Gate-Drain-
Rückwirkungskapazität, an dem ein Außenkondensator parallel
dazu angeschlossen sein kann. Angeschlossen an der
Steuerelektrode des MOSFET-Antriebs sind ein erster bipolarer
Transistor als konstante Stromquelle, ein zweiter bipolarer
Transistor als schaltbare Konstantstromsenke und über eine
Zener-Diode ein dritter bipolarer Transistor. Der Antriebs-
Schaltkreis liefert trapezförmige Spannungs- und
Stromwellenformen und reduziert ungewünschte
elektromagnetische Störungen (EMI).
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Das Dokument US-A-4 622 482 offenbart einen
Antriebs-Schaltkreis einschließlich zwei MOS-Transistoren mit
entgegengesetzten Leitvermögen zum Antrieb der
Ausgangsspannung in Antwort auf ein Kontrollsignal im Druck-
Zug-Betrieb, wobei Kondensatoren zur Begrenzung der
Anstiegsraten dienen. Außerdem ist jeder Transistor selektiv
dynamisch abgestimmt, um eine praktisch lineare Anstiegsrate
zu gewährleisten.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, einen Ausgangspuffer-
Schaltkreis mit einem hohen Betriebs-Wirkungsgrad zu schaffen.
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Daher liefert die vorliegende Erfindung einen
Ausgangspuffer-Schaltkreis für eine integrierte Schaltung,
einschließlich: eines Ausgangsknotens, angetrieben von einem
an der ersten Seite einer Stromversorgung angeschlossenen
ersten Transistors; einer zwischen genanntem Ausgangsknoten
und einer Steuerelektrode des genannten ersten Transistors
angeschlossenen kapazitiven Rückmeldungsvorrichtung; eines
zwischen genannter Steuerelektrode des genannten ersten
Transistors und genannter ersten Seite der genannten
Stromzufuhr angeschlossenen zweiten Transistors, um die
genannte Steuerelektrode des genannten ersten Transistors
relativ schnell auf das Potential der genannten ersten Seite,
der auf den ersten DATENEINGANG-Signalzustand reagierenden
Stromzufuhr anzulegen; eines an der zweiten Seite der
genannten Stromversorgung angeschlossenen Schalters, der die
genannte Steuerelektrode des genannten ersten Transistors
langsam auf eine zweite Seite der genannten, auf einen zweiten
DATENEINGANG-Signalzustand reagierende Stromzufuhr zieht; und
eine auf die Kombination eines Strompegels vom genannten
Ausgangsknoten und genanntem zweiten DATENEINGANG-
Signalzustand reagierende Verknüpfungsvorrichtung zum weiteren
Anlegen dieser Steuerelektrode des genannten ersten
Transistors auf das Potential der genannten zweiten Seite der
genannten Stromzufuhr.
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Ein gemäß der Erfindung offenbarter Ausgangspuffer-Schaltkreis
hat den Vorteil, die Änderungsgeschwindigkeit des
Ausgangspufferstroms bezüglich der Größe der kapazitiven
Belastung zur Begrenzung von schnellen Stromänderungen auf der
Ausgangsplatte zu verstellen, dadurch zugehörende
Stromversorgungs- und Erdleitungs- di/dt -Rauschstörungen zu
begrenzen und ein volles Pull-up der Ausgangsstufe nach der
Umstellung zu bewirken. Die Kombination dieser Vorteile bietet
ein belastungsempfindliches Rückmeldungs-Ansprechvermögen,
reduziert Stromstoß-Rauschen und sichert den endgültigen GS-
Spannungspegel in der jeweiligen Größe.
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Die bevorzugte Ausführung der Erfindung umfaßt eine kapazitive
Rückmeldung zwischen dem Ausgangsknoten und der
Steuerelektrode des Ausgangs-Transistors zur Einstellung der
Schaltrate des Ausgangtransistors in bezug auf die kapazitive
Belastung. Das Einschalten der Stromstörspitzen im
Ausgangstransistor wird außerdem von einem zwischen dem
Ausgangstransistor-Steuerglied und der Schaltquelle des
Steuersignals sitzenden Widerstandselement geregelt. Die
statische Spannung am Ausgangsknoten wird durch einen von
einem Logik-Gate-Ausgangssignal betriebenen Pull-up-Transistor
hergestellt. Der Ausgangszustand eines solchen
Verknüpfungsgliedes beruht auf einer Kombination des
eingehenden Befehlsignals und des Ausgangsknoten-
Spannungspegels in seiner Bewegung zum endgültigen statischen
Pegel.
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Eine bevorzugte Ausführung einer Drei-Zustand-Anordnung mit
Einsatz von Gegentaktausgangstransistoren umfaßt
einen Pull-down-Transistor , der auf das Steuerglied des
Ausgangs-Transistors anspricht. Der Pull-down-Transistor ist
konzipiert, um das Steuerglied des Ausgangstransistors
bedeutend schneller als das Kontrollglied bei dessen
Einschaltung zu schalten. Hierdurch wird eine
Schaltüberlappung in der Art eines Kurzschlusses vermieden,
wenn entsprechende Teile eines Transistors zum Antrieb des
Ausgangs eingesetzt werden. Drei-Zustand-Betrieb wird durch
Mehrfach-Verknüpfungsglieder ermöglicht, die selektiv mit den
Einschalt- und statischen Steuersignalen reagieren.
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Ausführungen der Erfindung werden nachstehend mit Beispielen
und in bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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Abb. 1 ein Schaltkreis mit schematischer Darstellung der
Grundmerkmale der Erfindung ist;
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Abb.2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführung der Erfindung mit CMOS-Feldeffekttransistoren und
Drei-Zustand-Regelung ist; und
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Abb. 3-10 Diagramme zur Darstellung des relativen
Leistungspegels der bevorzugten Ausführung gegenüber dem Stand
der Technik sind.
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Der Puffer-Schaltkreis 1 in Abb. 1 stellt in grundsätzliche
Form die Elemente dar, die zur vorliegenden Erfindung
beitragen. Der Schaltkreis ist vor allem geeignet zum Ansteuern
eines Ausgangkontakt eines integrierten Schaltkreises in
Antwort auf ein im integrierten Schaltkreis erzeugtes Signal.
Die Übersicht in Abb. 1 umfaßt auch den Ausgangkontakt 2
und eine entsprechende Kapazitivkontaktbelastung CL. Im bezug
auf die Übersicht in Abb. 1 ist es das Ziel, DATENEINGANGS-
Signale mit hohen Schaltraten zu empfangen und den
Ausganganschluß 2 entsprechend mit Feldeffekttransistor 3 zu
betreiben, während di/dt Effekte in der Erdleitung auf ein
Mindestmaß beschränkt werden.
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Dieses Ziel wird durch den Beitrag von drei
Schaltkreis-Strukturanordnungen erreicht. Erstens ist ein Anstiegsraten-
Begrenzungs-Rückmeldungskondensator 7 zwischen der
Quellelektrode 4 und der Steuerglied-Elektrode 6 des
Feldeffekttransistors 3 des n-Kanal-Ausgangstreibers
angeschlossen. Zweitens wird der Pull-up von Knoten 9 und
dessen fortschreitende Wirkung auf Steuerelektrode 6 zur
Einschaltung von Antriebstransistor 3 durch die Frequenz der
Ausgangskapazität des Umrichters 12 begrenzt. Entsprechend
wird die Anstiegsrate der steigenden Spannung der
Steuerelektrode 6 zur Einschaltung des Transistors 3 durch die
gemeinsame Wirkung des begrenzten Antriebsuinrichters 12, des
Widerstandes 11, des Widerstandes 13 und des Kondensators 7
bewirkt. Positiv übergehende DATENEINGANG-Signale werden zur
direkten Einschaltung des relativ großen und schnellen
Transistors 8 eingesetzt. Der Transistor 8 zieht den Knoten 9
und die Steuerelektrode 6 von Transistor 3 bedeutend schneller
auf Masse als daß der Knoten 9 in der Lage ist-in die positive
Richtung überzugehen. Der dritte Aspekt der Erfindung entsteht
aus der logischen Kombination von Signalen, die im ODER-Glied 14
eingehen. Das ODER-Glied 14 kombiniert das DATENEINGANG-
Signal und ein Rückmeldungsignal von Kontakt 2 und definiert
aus diesen ein Ausgangssignal zum Antrieb des p-Kanal-
Transistor 16. Bevorzugterweise schaltet das ODER-Glied 14 den
Transistor 16 ein, um den Knoten 9 zur Stromversorgung VDD zu
ziehen, nachdem das EINGANG-Signal niedrig ist und die
Spannung auf Kontakt 2 auf ca. die Hälfte der
Versorgungsspannung gesunken ist. Der dritte Aspekt dieser
Erfindung stellt sicher, daß der End- oder statische Antrieb
von Transistor 3 durch Knoten 9 auf der vollen Spannung der
Stromversorgung VDD beruht.
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Ein Nennwert des Rückmeldungskondensators 7 liegt im Bereich
von zwei Picofarad für einen Ausgangs-Transistor 3, der
konzipiert ist, eine kapazitive Nennbelastung CL von 50
Picofarad zu betreiben und eine GS-Nennstrom-Leitungsfähigkeit
von 24 Milliainpere aufweist. Für diese Leistungen liegen
Widerstände 11 und 13 in einen Nennbereich von 300 bis 400 Ohm,
während der Rückmeldungs-Widerstand 17 einen Nennwert von 250
Ohm aufweist. Die physikalischen Abmessungen und elektrischen
Eigenschaften des Pull-down-Transistors 8 sollten gewählt
werden, um sicherzustellen, daß die Pull-down-Geschwindigkeit
der Steuerelektrode 6 das ca. Vierfache der vom Umrichter 12
geleisteten Pull-up-Geschwindigkeit beträgt.
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Eine bevorzugte und voll eingesetzte Ausführung der Erfindung,
wie zuerst grundsätzlich in Abb. 1 dargestellt, erscheint in
Abb. 2. Der Schaltkreis schließt nun eine Drei-Zustand-
Fähigkeit mit einem wahlweise bedienbaren, auf ein Einschalt-
Signal ansprechenden Einschalt-Modus. Zur Erstellung der vom
Schaltkreis benötigen Drei-Zustand-Fähigkeit wird der
Ausgangkontakt 2 von einem Paar entsprechender Feldeffekt-
Transistoren angetrieben, mit einem p-Kanal-Transistor 18, der
Kontakt 2 zum Stromzufuhrknoten VDD legt und einen n-Kanal-
Transistor 19, der Kontakt 2 auf Erdpotential legt. Die Regel
- oder Steuerelektroden von jedem der Ausgangsanschluß-
Treibertransistoren 18 und 19 sind durch entsprechende
Rückmeldungskondensatoren 21 und 22 an den durch
gebildeten Knoten angeschlossen. Die Steuerelektroden der
Transistoren 18 und 19 werden selber durch entsprechende
elektrische Zugtransistoren 23 und 24 betrieben, die auf
Zwischenknoten 26 und 27 in direkter Antwort auf den
DATAEINGANG-Signalpegel reagieren. Wiederum sind
Zwischenknoten 26 und 27 durch entsprechende Widerstände 28
und 29 von den Regel-Steuerelektroden der Treibertransistoren
18 und 19 getrennt.
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Die begrenzte Stromantriebs-Kapazität des NOR-Gliedes 31, die
weiterhin durch Widerstände 29 und 33 begrenzt wird,und der
Rückmeldungs-Kondensator 22 bilden zusammen die Anfangsrampe
des durch Pull-down-Treibertransistor 19 geleiteten Anschluß-
Erdungsstroms. Die auf den Kondensator 21 durch Widerstände 28
und 34 wirkende Stromkapazität des ODER-Gliedes 32 liefert
einen entsprechenden Effekt an den Pull-up-Treibertransistor
18.
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Im Rahmen des in Abb. 1 eingeführten Konzepts trennen
Widerstände 33 und 34 die entsprechenden Verknüpfungsglieder
31 und 32 von Zwischenknoten 27 und 26 zur Erstellung eines
relativen Unterschieds in der Wechselgeschwindigkeit der
Steuergatter-Spannungen der Treibertransistoren 18 und 19
abhängig davon, ob der Eingangssignal-Übergang hoch-niedrig
oder niedrig-hoch ist. Größere, schnellere und direkter
angeschlossene Transistoren 23 und 24 schalten die
entsprechenden Ausgangstreiber-Transistoren 18 und 19 ca.
viermal schneller ab, als die von den jeweiligen Gattern 37
und 36 bewirkte Einschaltung, uni zufällige und ungewünschte
simultane Einschaltung von beiden Transistoren 18 und 19 zu
vermeiden. Diese vierfache Geschwindigkeit sollte einen
ausreichenen Spielraum zwischen der Ausschaltung eines der
Ausgangs-Treibertransistoren und dem Einschalten des
zugehörenden Transistors bieten, um auf normale Herstellungs-
Verfahrensschwankungen zurückführbare Leistungsunterschiede
auszugleichen.
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Die statischen Signale des Ausgangkontakts 2 sind wiederum
garantiert entsprechend durch die Erkennung des Zustandes der
Ausgangskontaktspannung durch Verknüpfungsglieder. In dieser
Ausführung reagieren ODER-Glied 36 und NOR-Glied 37
entsprechend auf den p-Kanal-Transistor 38 und den n-Kanal-
Transistor 39, um die jeweiligen Zwischenknoten 27 und 26 ganz
auf die jeweiligen Stromversorgungs- und
Massenpotentialspegel zur vollständigen Freigabe der Ausgangs-
Treibertransistoren 19 und 18, zu legen . Auch wird bevorzugt,
daß die Verknüpfungsglieder 36 und 37 auf das, durch
Widerstand 41 von Kontakt 2 bei Erreichen der Anschlußspannung
von ca. der Hälfte der Stromversorgungspannung übermittelte
Rückmeldungssignal ansprechen.
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Ein Hochpegelsignal auf der FREIGABE-Leitung versetzt den
Pufferschaltkreis 42 in Abb. 2 in einen Drei-Zustand-
Betriebsmodus, wonach Anschluß 2 gleichzeitig von der
Stromversorgung und den Erdleitungen getrennt werden muß. Dies
wird durch die gleichzeitige Ausschaltung der Ausgangs-
Treibertransistoren 18 und 19 erreicht. Der FREIGABE-Zustand
wird an die Glieder, die die anfängliche Stromsteigerungsrate
bestimmen, weitergeleitet, d.h. Glieder 31 und 32 sowie an die
Glieder, die die statischen Spannungen an Knoten 27 und 26
herstellen, d.h. Glieder 36 und 37.
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Die Fähigkeit des in Abb. 2 dargestellten Schaltkreises Masse
- und Stromversorgungsleitungs- Rauschspitzen, die auf hohe
Stromwechselgeschwindigkeiten di/dt zurückzuführen sind,
materiell zu reduzieren, wird durch die in Abb. 3-10
dargestellte Reihe von Leistungsdiagrammen bewiesen. Jede
dieser Abbildungen stellt einen Ausgangsanschluß-
Spannungsübergang von ca. 5 Volt und den Rausch-
Spannungspegel der jeweiligen Versorgungsspannung oder
Erdleitungen dar. Abb. 3-6 zeigen Kurvenformen für mit einem
Nennpegel von 20 Picofarad belasteten Kontakt, während Abb. 7-10
Anschlüsse bei einer Nennbelastung von 120 Picofarad
darstellen.
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Die Kurvenformen in Abb. 3 entstanden durch eine Hoch-Tief-
Spannungsumstellung der Anschlußspannung für den in Abb. 2
dargestellten Schaltkreis, während Abb. 4 die entsprechende
Übergangsleistung eines relativ vergleichbaren, dem Stand der
Technik entsprechenden Ausgangskontakt-Treiberschaltkreises
darstellt. Ähnlich stellt Abb. 5 den Übergang in den positiven
Bereich und das jeweilige Störrauschen des Schaltkreises der
vorliegenden Erfindung dar, während Abb. 6 die entsprechende
Leistung zum Stand der Technik darstellt. Die Auswirkung einer
größeren kapazitiven Belastung auf einen Schaltkreis der
vorliegenden Erfindung beim Hoch-Tief-Übergang werden in Abb.
7 dargestellt, während die Auswirkungen der entsprechenden
Bedingungen auf dem Stand der Technik entsprechende
Schaltkreise in Abb. 8 dargestellt werden. Abb. 9 stellt den
Tief-Hoch-Übergang des Schaltkreises der vorliegenden
Erfindung unter hoher kapazitiver Belastung dar, während Abb.
10 die jeweilige Leistung zum Stand der Technik darstellt. Ein
Vergleich der Rauschpegel zeigt deutlich die vom
vorliegenden Schaltkreis gebotene verbesserte Leistung. In
Abb. 3, zum Beispiel, zeigt die vorliegende Erfindung ein
relatives Spitzen-Spitzen-Rauschen von 50 Millivolt, wogegen
der Wert zum Stand der Technik in Abb. 4 mehr als das Doppelte
beträgt.
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Die Belastung von 20 Picofarad, der in Abb. 3-6 dargestellten
Diagrarnine stammen vom Testoszilloskop, wobei der Anschluß 2
anderweitig unbelastet war. Die für das Testresultat
eingesetzen und in Abb. 7-10 abgebildeten Belastungen von 120
Picofarad erforderten den Zusatz von 100 Picofarad passiver
Belastungen an dem Anschluß 2.
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Die Bedeutung der Rückkopplungskondensatoren 21 und 22 im
Schaltkreis von Abb. 2 sollte nicht unterbewertet werden. Die
Kondensatoren tragen nicht nur zur Formung des Kurvenprofils,
während der vorstehend ausführlich beschriebenen drei
Betriebsabschnitte bei, sondern bieten außerdem zur
Begrenzung der Schaltraten für kapazitive Niedrigpegel-
Belastungen auf dem Ausgangskontakt 2 geeignete negative
Rückmeldungen. Während die meisten Entwicklungen zum Stand der
Technik sich bei schweren kapazitiven Belastungsumständen nur
der Begrenzung des Stromflusses durch den Treibertransistor
widmen, erweitert der vorliegende Schaltkreis den
Steuerbereich in die kapazitive Niedrig-Belastungsbereiche mit
hohen di/dt-Effekten. Alle hohen Spannungswechsel-
Geschwindigkeiten des Kontakts werden durch die Kondensatoren 21
oder 22 an die Steuerelektroden der Treibertransistoren
zurückgeführt. Entsprechend bietet der vorliegende
Schaltkreis Ausgleich bei offenen und geschlossenen Kreisen
für Änderungen. der kapazitiven Belastung des Kontakts in einer
Belastungsklasse, die typisch für die derzeitige und
fortschrittliche CMOS-Klasse integrierter Schaltungen ist.