DE2301855B2 - Schaltungsanordnung mit Feldeffekttransistoren zur Pegelanpassung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit Feldeffekttransistoren zur Pegelanpassung an der Nahtstelle von mit bipolaren und unipolaren, d. h. Feldeffekttransistoren aufgebauten und vorzugsweise digital betriebenen Transistorschaltkreisen.

Beim Aufbau von umfangreichen elektrischen Schaltungen ist es weitgehe.id üblich geworden, sowohl Schaltkreiskomplexe mit bipolaren Transistoren als auch solche mit unipolaren, d. h. Feldeffekttransistoren im Rahmen einer Gesamtschaltung miteinander einzusetzen. Dabei ist es nötig, daß die Signale beim Überqueren dieser Nahtstellen jeweils in das zugehörige andere Pegelschema umgesetzt werden. Transistor- schaltkreise mit bipolaren Transistoren erfordern bekanntlich zur Umschaltung andere, und zwar in der Regel geringere Signalspannunghübe zur Umschaltung als es bei mit Feldeffekttransistoren aufgebauten Schaltungen wegen der dort zu berücksichtigenden höheren Schwellenspannung erforderlich ist Bisher wurde es für unvermeidbar gehalten, daß solche Pegelumsetzer- bzw. PegeSanpassungsschaltungen zwischen bipolaren und unipolaren Transistorschaltkreisen mit bipolaren Transistoren aufgebaut werden mußten. Obwohl man bereits erkannt hat, daß bei einer Auslegung dieser Pegelanpassungsstufen in Feldeffekttransistor-Technologie diese in bezüglich der Kosten und Packungsdichte günstiger Weise auf demselben Halbleiterplättchen mit anderen Feldeffekttransistorschaltkreisen ausgebildet werden könnten, sind solche Pegelanpassungsschaltungen mit Feldeffekttransistoren bis heute noch nicht vorhanden. Wegen der Tatsache, daß bei Feldeffekttransistorschaltkreisen besondere Probleme bezüglich der Schwellenspannungen und deren Veränderungen auftreten und auf der anderen Seite bipolare Transistorschaltkreise mit einem demgegenüber sehr geringen Signalhub betrieben werden, konnten bisher solche Pegelanpassungsschaltungen nicht in Feldeffekttransistor-Technologie aufgebaut werden. Beispielsweise ist es bei Feldeffekttransistorschahkreisen üblich, daß die Schwellenspannungen zwischen 0,2 und 1 Volt variieren, während bipolare Schaltkreise mit Signalhüben von demgegenüber 0,7 V auskommen. Angesichts der Tatsache, daß der Signalhub solch-Jr bipolaren Schaltkreise demnach geringer ist als die Differenz der möglichen Schwellenspannungsveränderungen, wird die oben beschriebene Situation verständlich.

Zwar sind bereits Schaltungsanordnungen mit Feldeffekttransistoren bekanntgeworden, die mittels vorgesehener Rückkopplungspfade eine möglichst konstante Schwellenspannung bei Feldeffekttransistoren möglich erscheinen lassen, vgl. z. B. die US-Patentschriften 36 04 952 und 36 09 414. Dazu wird z.B. die aus der Schwellenspannungsveränderung resultierende Stromverändorung abgefühlt und in eine Veränderung der Substratvorspannung umgesetzt, die ihrerseits wiederum einen direkten Einfluß auf die Höhe der Schwellenspannung des Feldeffekttransistors aufweist

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Schaltung zur Pegelanpassung an der Nahtstelle von mit bipolaren und mit unipolaren, d. h. Feldeffekttransistoren arbeitenden Schaltkreisen anzugeben, die ihrerseits ausschließlich mi: Feldeffekttransistoren bzw. in Feldeffekttransistor-Technologie aufbaubar ist. Dabei soll insbesondere der nachteilige Einfluß der bei Feldeffekttransistoren auftretenden relativ hohen und sich ändernden Schwellenspannung ausgeschaltet werden, die normalerweise größer ist als die von bipolaren Schaltkreisen gelieferten Signalspannungshübe.

Gemäß der Erfindung ist zur Lösung dieser Aufgabe eine an sich bekannte Inverterschaltung aus der Reihenschaltung eines Signal-Feldeffekttransistors und eines Last-Feldeffekttransistors vorgesehen, bei der der gemeinsame Verbindungspunkt den Schaltungsausgang bildet und die Gate-Elektrode des Signal-Feldeffekttransistors auf den Schaltungseingang zur Aufnahme der im Pegelschema für bipolare Transistoren vorliegenden Eingangssignale gekoppelt ist, und der Signal-Feldeffekttransistor weist einen vorzugsweise einen weiteren Feldeffekttransistor enthaltenden Rückkopplungspfad von seinem Ausgang auf den Eingang auf, über den er derart in der Nähe des Wertes seiner Schwellenspannung vorgespannt ist, daß er bereits beim

Auftreten eines Eingangssignalspannungshubes kleiner als seiner Schwellenspannung umschaltbar ist Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, daß bei einer Ausbildung der Feldeff skttransistorschaltkreise in integrierter Halbleitertechnik auch die zur Übernahme der bipolaren Transistorpegel erforderlichen Pegelanpassungsschaltkreise auf demselben HaIbleiterplättchen vorgesehen werden können. ι ο

Die Erändung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 das elektrische Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung;

F i g. 2 u. 3 Spannungsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 1 und

Fig.4 einen Strom-/Spannungsverlauf zur Erläuterung der Arbeitsweise des Transistors Q 3 der Schaltung von Fig. 1.

Die in F i g. 1 als vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Schaltung erhält am Eingang A ihr Eingangssignal und liefert am Ausgang B ein AusgangssignaL Zwischen den Eingang A und den Verbindungspunkt C der Gate-Elektrode von Q1 und der Source-Elektrode von Q 3 ist ein Kondensator Cl eingeschaltet Der Feldeffekttransistor Qi liegt mit seiner Source-Elektrode an Masse, währe nd seine Drain-Elektrode an einen gemeinsamen Verbindungspunkt D zwischen Q 2 und Q 3 angeschlossen ist. Dieser gemeinsame Verbindungspunkt D ist elektrisch mi' dem Ausgang B identisch. Der Rückkopplungs-Feldeffekttransistor Q 3 ist bezüglich seiner Drain- und Gate-Elektrode zu einer Diodenkonfiguration verbunden und wirkt im wesentlichen als Diode. Der Lastfeldeffekttransistor Q2 ist ebenfalls bezüglich seiner Gate- und Drain-Elektroden nach Art einer Diode verbunden und arbeitet als veränderlicher Lastwiderstand. Die Gate-/ Drain-Verbindung des Lastfeldeffekttransistors Q 2 ist mit einer positiven Betriebsspannungsquelle + V verbunden. Der Ausgang B wird in der Regel mit der Gate-Elektrode eines nachfolgenden Feldeffekttransistors gekoppelt der seinerseits wieder eine Eingangskapazität aufweist, wie in F i g. 1 in unterbrochenen Linien angedeutet ist

Um die Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltung von F i g. 1 zu vereinfachen, werden im folgenden einige spezielle Bauelementwerte sowie Spannungs- und Strompegel betrachtet Diese Schaltungswerte sind jedoch nur als Beispielswerte und nicht als Beschränkung der Erfindung anzusehen. Es wird demzufolge angenommen, daß das Eingangssignal am Eingang A zwei stabile Spannungspegelwerte aufweist, deren Differenz mindestens 700 mV beträgt. Weiterhin wird angenommen, daß keiner dieser stabilen Spannungspegelwerte dem Massepotential entspricht. Um den Einfluß eines Gleichanteils am Eingang A zu unterdrükken und um lediglich den tatsächlichen Spannungshub zum Knotenpunkt Czu übertragen, ist der Kondensator C1 vorgesehen. Der Kapazitätswert des Kondensators C1 hängt von der dem Feldeffekttransistorschaltkreis innewohnenden Kapazität am Knotenpunkt Cab.

Es wurde experimentell gefunden, daß für die in der vorliegenden Beschreibung benutzten Werte ein Spannungshub von 500 mV am Knotenpunkt C anzustreben ist. Ein Kapazitätswert von 1,5 pF erscheint dazu ausreichend. Der Verbindungspunkt am Knoten C wird normal auf etwa 500 mV oberhalb der SchwellensDannung von Qi vorgespannt Der resultierende Spannungspegel am Verbindungspunkt D und damit am Ausgang B ergibt sich als Summe der Schwellenspannungen von QX und Q 3 sowie der Vorspannung am Kröten C Die tatsächliche Spannung am Verbindungspunkt D ist nicht nur abhängig von diesen Schwellenspannungen, sondern ebenfalls von dem tatsächlichen Wert der Betriebsspannungsquelle + V und der relativen Größe und Struktur von Q1, Q2 und Q3. Im vorliegenden Beispiel ist Q 3 flächenmäßig möglichst klein ausgelegt d.h. Q3 bedeckt nur gerade so wenig Platz auf dem Haibleiterplättchen wie es die Technologie für einen betriebsbereiten Feldeffekttransistor oder eine entsprechende Diode zuläßt Die relative Größe von Qi und Q 2 wird durch die vorausgesetzten Eisgangspegel, die gewünschten Ausgangspegel, den Wert der Betriebsspannung + V sowie weiteren Faktoren bestimmt In typischen Fällen wird Q 2 mit einem höheren Widerstandswert als Qi ausgelegt, so daß sich aus der Abstimmung dieser beiden Bauelemente der gewünschte Vorspannungspegel am Knotenpunkt Cergibt

Im vorliegenden Beispiel beträgt der Spannungswert für die positive Betriebsspannung +V etwa 10 V ±10%. Aus diesen Annahmen resultieren die Spannungsverläufe nach den Fig.2 und 3. Fig.2 stellt den Zustand dar, in dem der Eingang A sich auf dem unteren Pegel, z. B. 250 mV befindet. Der Ausgangsknotenpunkt D befindet sich dann etwa zwischen 1,8 V und 2,7 V und zwar in Abhängigkeit von den Schwellenwerten der verschiedenen Komponenten. Der Knotenpunkt C befindet sich auf einem Potential von etwa 500 mV oberhalb der Schwellenspannung von Qi. Wenn das Eingangspotential am Punkte A um 700 mV auf 0,45 V ansteigt, steigt das Potential am Knotenpunkt Cauf den Wert von etwa 1 V oberhalb der Schwellspannung von Q1, wie oben beschrieben wurde. Dies reicht aus, um Qi voll einzuschalten, so daß der gemeinsame Verbindungspunkt Dund damit der Ausgang J3auf etwa Massepotential zu liegen kommen. Die Schwellenspannungen der Anordnung lagen bei diesem Beispiel zwischen 0,2 bis 1,0 V, und zwar in Abhängigkeit vom besten und schlechtesten Fall. Die in der Kurvendarstellung gezeigte Zeitverzögerung entspricht im wesentlichen der Zeit, die zum Entladen der Ausgangskapbzität über Q1 nach Masse erforderlich ist.

In F i g. 3 ist der Fall dargestellt, daß der Eingang A wieder auf seinen normalen unteren Pegel zurückgeht. Dadurch wird der gemeinsame Verbindungspunkt am Knoten C wieder auf 500 mV oberhalb der Schwellenspannung von Q1 zurückgesetzt, wodurch Q i auf einen viel tieferen Strompegel umgeschaltet wird. Dies erlaubt der (in unterbrochenen Linien dargestellten) Ausgangskapazität, sich erneut über Q 2 auf den oberen Pegel aufzuladen. Wie bereits gesagt, ist der Widerstand von Q2 erheblich größer als der von Q1, woraus sich die längere Verzögerung in F i g. 3 ergibt.

Die Darstellung von F i g. 4 erläutert die Arbeitsweise des Feldeffekttransistors Q3. In dem StronWSpannungsdiagramm ist der Arbeitsbereich um die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors Q 3 herum dargestellt. Beim erstmaligen Einschalten der Betriebsspannung + V von 0 auf 10 V wird über den durch Q3 dargestellten Rückkopplungspfad der gemeinsame Verbindungspunkt am Knoten C auf den gewünschten Pegel von 500 mV vorgespannt, was durch die Auslegung von Qi und Q 2 bestimmt ist. Im Ruhezustand ist der durch Q1 fließende Strom gleich

dem durch Q1 fließenden Strom, so daß durch Q 3 kein Strom mehr fließt

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Eigenschaft dieses Schaltkreises, unkontrollierbare Prozeß- und Dimensionierungstoleranzen, die unerwünschte Schwellenspannungsveränderungen verursachen, auszuschalten. In gleichem Maße wie die Verfahrenstechniken verbessert werden, verbessern sich auch die Eigenschaften des vorliegenden Schaltkreises. Bei dem genannten Beispiel wurde gefunden, daß die Schwellenspannungen zwischen 200 mV und IV schwanken können. Ein Auslegungskriterium zum Erhalt eines aussagefähigen Ausgangssignals am Ausgang B besteht darin, daß der Strom durch Q1 nach dem Ein- bzw. Aus-Zustand mindestens ein Verhältnis von !5 4 :1 aufweisen sollte. Der durch Q1 fließende Strom wird durch die Gleichung / = K (V_G — V₇-)² erhalten. K ist eine durch den Prozeß und die Dimensionierung der Bauelemente bestimmte Konstante. Vc ist das Potential am Gate von Ql, während VV die Schwellenspannung von Qi ist Wenn angenommen wird, daß die Schwellenspannung W im Ein- und Aus-Zustand konstant bleibt, ist ersichtlich, daß mit einem von 0,5 auf 1,0 V zunehmenden Vc das geforderte Stromverhältnis von 4:1 erhalten wird. Eine Verminderung der Vorspannung würde in einer Erhöhung des Stromverhältnisses aber gleichzeitig auch in einer Verminderung der Störtoleranz des Schaltkreises resultieren. Weiterhin ist es aber klar, daß ein größerer Eingangssignalhub die Arbeitsweise des Schaltkreises weiter verbessern wird. Bei der Auslegung muß auf jeden Fall beachtet werden, daß die Ausgangsspannung am Punkt B einen ausreichend hohen Spannungshub aufweisen muß, um die daran angeschlossenen weiteren Schaltkreise zuverlässig treiben zu können. Da in typischen Fällen 3Ί das Ausgangssignal am Punkt B an die Gate-Elektrode eines weiteren Feldeffekttransistors gelegt wird, bedeutet dies, daß bei dem unteren Spannungspegel am Eingang A das Potential am Ausgang ß größer sein muG als die Schwellenspannung des nachfolgenden Feldeffekttransistors. Umgekehrt muß das Potential arr Ausgang B bei Anliegen des oberen Spannungspegel; am Eingang A kleiner sein als die Schwellenspannung des nachfolgenden Feldeffekttransistors. Es wird angenommen, daß die Schwellenspannung des an der Ausgang B angeschlossenen Bauelements ähnlich dei Schwellenspannung der Feldeffekttransistoren Qi, Qi und Q 3 ist. Dadurch wird die Wirkungsweise des vorliegenden Schaltkreises weiter verbessert.

Es ist weiterhin bekannt, daß Schwellenspannungsveränderungen nicht nur von Prozeß- und Dimensionierungsveränderungen, sondern auch von der Vorspannung Source gegenüber dem Substrat abhängen. Sc wird das Substrat z. B. auf etwa —3 V gegenübei Massepotential an der Source-Elektrode von Q1 vorgespannt. Da der Knotenpunkt C auf ein Potential größer als Massepotential vorgespannt ist, folgt daraus daß die Source-Elektrode von Q3 gegenüber Substral auf einen anderen Pegelwert als dem der Source-Elektrode von Q1 vorgespannt ist Dieser Unterschied ir der Source/Substratvorspannung bewirkt, daß Q 3 stets einen höheren Schwellenwert als Q1 aufweist, woraus sich die in den F i g. 2 und 3 angegebenen typischen Werte ergeben.

Abschließend ist festzustellen, daß eine Schaltung beschrieben worden ist, in der der Feldeffekttransistor Q 3 den eigentlichen Signal-Feldeffekttransistor Qt in der Nähe seiner Schwellenspannung vorspannt (ungeachtet der Tatsache, wie groß diese Schwellenspannung sein mag), wodurch der Feldeffekttransistor Q1 in die Lage versetzt wird, aufgrund kleinerer Eingangsspannungen als den möglichen Schwellenwertschwankungen entsprechend geschaltet zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung mit Feldeffekttransistoren zur Pegelanpassung an der Nahtstelle von mit bipolaren und unipolaren, d. h. Feldeffekttransistoren aufgebauten und vorzugsweise digital betriebenen Transistorschaltkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Inverterschaltung aus der Reihenschaltung eines Treiber-Feldeffekttransistors (QX) und eines Last-Feldef- fekttransistors (Q 2) vorgesehen ist, bei der der gemeinsame Verbindungspunkt (D, B) den Schaltungsausgang bildet und die Gate-Elektrode des Treiber-Feldeffekttransistors (QX) auf den Schaltungseingang (A) zur Auf nähme der im Pegelschema 1 s für bipolare Transistoren vorliegenden Eingangssignale gekoppelt ist, und daß dor Treiber-FeJdeffekttransistor (Q X) einen vorzugsweise einen weiteren Feldeffekttransistor (Q 3) enthaltenden Rückkopplungspfad (C-D) von seinem Ausgang auf den Eingang aufweist, über den er derart in der Nähe des Wertes seiner Schwellenspannung vorgespannt ist, daß er bereits beim Auftreten eines Eingangssignalspannungshubes kleiner als seiner Schwellenspannung umschaltbar ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schaltungseingang (A) und den Verbindungspunkt (C) der Gate-Elektrode des Treiber-Feldeffekttransistors (Q X) mit dem RQckkopplungspfad ein Kondensator (CX) eingeschaltet ist, dessen Kapazitätswert größer als die Eingangskapazität des Treiber-Feldeffekttransistors (Q X) ist.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungspfad (D-C) aus einem als Diode geschalteten Feldeffekttransistor (Q 3) besteht, dessen Source-Elektrode mit der Gate-Elektrode des Treiber-Feldeffekttransistors (Q X) und dessen Gate-/Drain-Verbindung mit dem Schaltungsausgang (D, B) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in Reihe mit dem Treiber-Feldeffekttransistor (QX) geschaltete Last-Feldeffekttransistor (Q2) bezüglich seiner Drain- und Gate-Elektrode eine elektrische Verbindung aufweist.