IT7354529A1 - Perfezionamenti in, o relativi a, circuiti logici. - Google Patents

Description

[0001] F oucht 54529A/73 Teletype Corporation 1000768 a Skokie I11i (uSA) Perfezionamenti io, o relativi a.

[0002] circuiti lbgici! La presente invenzione si: riferisce a cir cuiti logici Tali circuiti trovang impiego come invertitori.

[0003] Invertitori a circuiti integrati del tipo "ad effetto ci campo" hanno assunta finora forme svariate, le quali rientrano in sensa lato in due categorie fondamentali, e cioe; invertitori cta ip ainvertitori dinamici AT LENZI Gli invertitori statici sano caratterizzati dal fatto che il segnale di uscita e sampre una 67931 rappresentazione complementare vera :,: a.valid coincidenza di tampo del segnale di ingresso ap- plicato.

[0004] In molte applicazioni di elaborazionedi segnali lagici richiedenti l'impiego di invertitori, azionatori, d dispositivi ad ammissione controlia- ta.e stato prefarito per un certo numero di ragioni il transistore del tipo metallo-ossido-silicio, ad effetto di campc ("mnSFET").

[0005] Pi specificatamente, benche i dispositivi :McSFeT finora non abbiano presentato le velocita di ccmmutaziona ctie possonc cunseguirsi per esem- Fio con transistori bi-pclari, essi tuttavia pre- sentano vantaggiosamente una altissima impedenza di ingresso, del tipo di quella realizzata con un amplificatore a statc solido, ad una caratte ristica di trasferimento (g.) 3imile a.guella pressntata da un tubo a vuotc del tipo pentodo.

[0006] I virta della loro natura strutturale che @ so- stanzialmente bi-dimensionale.

[0007] i dispositivi mtsFel LENZI si prestano altresl ad esscre fabbricati in gr:r c: srie in circuiti .ntegrati o monolitici.

[0008] 793758 Nonostante i molti attributi dei dispositivj moSFeT, quando vengone ut lizzati come dispositi vi attivi nei circuiti ad integrazice a media c a grande scala (mSI o LSI) , le dimensicni di cisscun dispositivo e la potenza da esso svilup- pata diventano fattori Ji progettazione importan- tissimi del circuito per un certo numero di ragio ni assai significative.

[0009] Anzitutto, risulta subito chiaro che quandc si riduconc la dimensioni di un dispositivo mcsFeT, pu essere aumentata la densi- ta di riempimento del dispositivo stesso su un datr Substrato o chip.(truciolo) : Tuttavia, a ugual- mente importante il fatto.che man mano che si ri- ducono le cimensioni del dispositivo meSFeT, dimi- nuiscono la dissipaziune di potenza e gli effet- ti di.

[0010] capacita pdrassita, ed aumentano i rendi- menti del dispositivo.

[0011] La corrente continua attraversante.

[0012] un dispo- sitivo mnSFrT di date dimensioni varia sostanzial- mente in funzione cel quadrato della tensione ci raccclta applicata.

[0013] In aitri termini, per und data configurazlone gecmetrica del Eispositivo e per una data tensione ad ammissisne centrollata, se la tensione di raccolta viene ridotta secondo un fattore due, la potenza dissipata da un dispc- sitivo.McsFET fatto f.nzionare nella regione eser VIA TRE LENZ te da saturazione si riduce approssimativamente CO secondo un fettore 4.

[0014] Diventa ccsi importantissi mo che la tensione di alimentazicne in.

[0015] corrente cuntinua collegata all'elettrcdg di raccoita di un dispositivo mCSFET ci uEcita sia, in Parti- colare, la piu bassa possibile.

[0016] Un altrc fattore determinante la circolazig ne di.corrente ccntinua attraversc il dispositivr McSffl costituito dalle dimensionj larghezza-lun- ghezza (w/l) del canale a mudo di arricchimento (ud impcverimento) , pii specificamente, man mano che si ciminuisce la larghezza (u) del canale, la potenza cuntinua dissipata viere ridotta per date :tensioni applicate di raccolta e di ali mentazione dell elettrodo-porta.

[0017] Cvviamente, e ben noto il fatto cie le minime dimensicni di canale consentite sono determinate in parte tan- to dali'impedenza minima di inyresso quanto dal grado di isilamento ingreso-uscita richiesto per Lna cata apnlicazione circuitalc.

[0018] cli effetti di capacita p rassita tanto sll*intcrno dei dispositivi :0SFET Guanto fra essi varianc anche essi in prsporz.one oiretta cci requisiti di teneisne-corrente.

[0019] Conseguentemen LENZI te, la densita ci ricmpimento dipende in forte C0 misura dai rcqiisiti di potenz: imposti al cispo- 93758 sitivo.

[0020] L'irtrinseca natura ti-dimersionale dei ateruawepuoy lo tsaitiE apuai lsaso.y Iai?!scdstp importanza i fattori termici cipendenti calla potenza nella pr:gcttazicne ci circuiti e siste- mi utilizzarti tali dispcsitivi.

[0021] Fer guantc riguarda il rendimento del prcdotto, si e trovata cre cce..

[0022] uumenta al di- min,ire delle dimensieni ci cn dispositivc iCSfET Cio ? davuto principalmcnte al fatto che al cre- scere delle richieste arac ci ceeido di Eilicio porta, ha luoco ln corriepundenta aumentc della prcbabilita che si verificin punte di spillt 5 e/o picculi crateri o cavita, difetti i quali danno luogo a problemi di perdite o di cortocir- cuiti interni.

[0023] La velocita di .commutazione del circuitc invertitore o, pi precisaments, la velocita di transizione delsegnale di uscita, od i re- quisiti di oscillazione della tensione,di uscita sonc anche essi fattori importanti che determina no parazislmente il livello minimc della tensione : delle tensioni c*alimentazione cte possono es- sere utilizzate con un dato invertitore del tips VI McSFeT : Ci particolarmente vero per quanto C0 riguarda la polarizzazione di comando di porta del dispositivo o dei.dispositivi m0SFET funzio- nanti come carico.

[0024] Come ben noto, la tensicnc di uscita per un dispositivo m0SFET in funzione -Ip l8p eqIcd Tp auolsue7 ellap eAT7e5au ouaw a spositivs stesso per un valore di Soclia della tensiune.

[0025] Jal momento cle mo]ti invertitori di tipc rcSFET impiegano almeno oue stagii ad ac- ccppiamento ci porta, l'uscita proveniente dal- l'ultima static pu essere inferiore per due c pii soglie clla tensione ci alimentazione.

[0026] Pertanto, tali cadute di teneione di soglia multipia hanno sventaggiosamente richiesto una tensione di alimentazione maggiore ci quella desi- derata in molti circuiti invertitori, azicnatori o ad ammissione controllata del tipo a piu stadi.

[0027] Secondo,una soluzione nota di questo.

[0028] proble: ma , partic-larmente con riferimento alla compensa- zione di una caduta di tensione a due soglie in un circuito invertitore moSFET a due stadi, la ten- sione.

[0029] di uscita viene rinviata dall'elettrodo "sorgante" all'elettrodo porta del dispositivo ci uscita o ci carico ,e cid per mezzo di una rea- zione positiva , .di tensione capacitiva : Una taie tecnica a reazions produce una tansione ag- giuntiva che consente vantaggiosamente alla ten- 9375§ sione di porta dsl dispositivo fOSFET di carico di salire.periodicamente in misura notevole al ci sopra della tensione ci alimentaziore deli cicttro do di raccolta del sispositivo : ln tale circuito e descritto nel brevetto statunitense Re 27305 : Tuttavia, in un invsrtitora a surgente di tensio- ne singola a pii stadi, persiste ancora la ntcae- sita di dover utilizzare ur livalln comune ai ten- sione di alimentazione che sia sufficiente a, com- pensare piu di una caduta di tensione di soglia.

[0030] Una tal tensione di alimentazicne relativa mente clevata impone altrcsi necessariamente limi- tazioni alla riduzione delle dimensioni per quan- to riguarda il dispositivo o i dispositivi MnSFET funzionanti come carico nell'ultimo stadio della maggior parte degli invertitšri del tipo in questione.

[0031] Pii specificamente, i dispositivi mnSFfT di carico funzionano sostanzialmante co- me resistori variabili in serie collegati fra la sorgente di tensione e la terra.

[0032] In guanto tale VIA un dispositivo m0SFEI di carico, quando sia po- LENZI r larizzato con una tansione di alimentazione a CO 793758 compensazione, multi-soglia, relativamente alta dave necessariamente essere prugettato in.modo ca presentare dimensioni relativamente grandi, par- ticolarmente per quanto ricuarda la lunghazza del canale, allo scopo di limitare la corrente che circola attraverso esst e, in tal modo mantenere entro limiti accettatili la pctenza quivi dissipata.

[0033] Pertanto si avvertita una necessita urgente di pcter disporre di un circuito inver- titcre di tipo MCSFET multi-stadio il quale riduca al minimo la dissipazicne di pctenza e porti el massimo la velocita ci transizione del segnale di uscita.

[0034] In altri termini, si e avvertita la necessita d: un circuitt irvcrtitc- 8 re azionatore o del tipo porta che presenti.un prodotto minimo velocita x potenza, il quale viene chiamato cifra di merito cel circuito stessc.

[0035] Il ridurre al.

[0036] minimo tanto le dimensio- ni dei dispositivi m0SFFT quanto le tensioni di polarizzazione ad essi applicate, ovviamente, e altresi aseai desiderabile allu scopo di ridur- re le capacita parassite in un dato dispositivo, e fra dispositivi adiacenti, nonche per quantc riguarda un miglioramento sostanziale del rendimen- to di tali dispositivi in virtu delle minori UIA aree silicig porta cssido.

[0037] LEN Secondol'invenzione, un circuitc logico Co 793756 comprende mezzi di commutazione atti a rispcnde- re ad un segnale di ingresso.per stabilire se- lettivamente una condizicne sostanziale di cor- tocircuito ed una condizione essenziale a.vuoto lungo una via situata fra il primo ec il secondo terminale di detti mezzi di commutazicne .

[0038] Il un aitunoj e oteuttsep opuasfa eteutaJa outid segnale di utcita mentre il secondo terminale 2 destinato a ricevere un potenziale di riferi- mento ; e comprende inoltre ur transistore di carico ad effetts di campo, il cui elettrcdo sorgente e accoppiatc al prime terminale, mentre l'elettrodo di assorbimento o raccolta del detto transistore destinato a ricevere una prima tensicne, mezzi di reazione di tensione accoppia- ti fra l'elettrodo sorgente e l'elettrodo porta del detto transistore di carico ad effetto ci campo, allo scopo di rinviare una tensione di uscita all'elettrodo-porta del detto transistore di carico ad effetto dj campo, i mezzi di pcia- rizzazione della tansione per regolare il poten- ziale in ccrrispondenza dell'elettrodo porta del detto transistore di carico ad effetto di campo, V1A LENZ un terminale dei detti mezzi di polarizzazione essendo accoppiato all'elettrodo porta del dettc 793758 transistore di carico ad effetti di campo, men- tre un altro terminale dei detti mezzi di pola- rizzazione e destinato a ricevere una seconda tensione pii elevata della prima tensione pre- detta.

[0039] I detti mezzi di commutazione possono cumprenoere un iransistora ad effetti di campo, il primo ed il secondo terminale predetti es- Sendo rispettivamente l'elettrodu di assorbimen- to e l'elettrudc sorgente del cetto transistore ad effettc oi campo, e l'alettrcdo porta del cet- to transistore ad affetto di campn essendo desti- 10 nato a ricevere il segnale di ingreseo.

[0040] Detti mezzi di palarizzazione di tensione possono comprendere un transistore ad.effettc di campo avente un accoppiamento fra l'elettrodo porta e i elettrodo di assorbimanto del transi store.stesso, la sorgente del detto transistore ad effetto di campo essendo costituita dal primo terminale pradetto, mentra l'accoppiamento pre- detto p costituito dal detto altro terminalej I detti mezzi di reazione di tensione pos- sono comprendere un condensatore accopoiato fra l'slettrodo sorgente e l'elettrodo.

[0041] porta del detto transistore di carico ad affetto di campo.

[0042] Tutti i detti transistori ad sffetto di campo possono essere del .tipo moSFeT : Vantaggiosamente, con reazione capacitiva, non occorre che l'ampiszza della sorgente a bas- sa tensione compsnsi le.

[0043] cadute di tensione pro- dotte dai transistori di commutazione o di cari- ca, ma piuttosto , semplicemente sufficiente che detta ampiezza abbia un livello sufficiente a produrre una tensione di uscita utilizzabi- le (veRA) per la successiva utilizzazione.

[0044] pid Soecificatamente, ε sufficients che la sorgente a bassa tensione, collegata all'elsttrodo di as- sortimento del transistore di carico, fornisca sóltanto un livello di tensione Sufficiente a stesso., quando non sia accoppiata alla terra di salire fino al livello minimo di tensione di uscita richiesto per una data applicazione.

[0045] In quorto tale il circlito invertitora a doppia tensione praduce, come si vede, transizioni di Segnali di uscita molto rapide con minima dis- sipazione di potenza nel circuito o :, in altri termini, da luogo a un bassissimo prodctto velo- cita x potenza, che rappresenta una cifra di V!A marito,desiderata che si cerca di conseguire in LENZ tutti i circuiti invertitori.

[0046] 793758 L'impiego di una gorgente di bassa tensio- ns separatd per i transistori, collegati in se- rie, rispettivamente di carict ed azionatore, renda altresl possibile che le cimensioni di questi transistori ed in particolare i rappor- ti di canale (w/l) di essi, vengano ridotti notevolmante rispetto al valore che zltrimenti sarebbe richiesto se si disponesse soltanto di una sorgente di tensione elcvata.

[0047] Per ragio- ni cescritte ccn maggiari particolari nel seguito, questi fattcri non soltantc consertonc di attuare maggiori densita di riempimentc per i dispositi- vi MnSFET, ma altresi permettono di conseguire un notevcle aumento della resa di tali disposi- tivi.

[0048] In concomitanza, al ricursi cella larghezzs del canale, aumentano l'impadenza di ingresso nonch la caratteristica di isolamento di ingres- so-uscita- In aggiunta, poiche le dimensioni del transistore e del consumo di energia sano diret- tamente correlati fra loro, e conseguentemente si riducono simultaneamente , vengono sostanzial- mente ridotti i fastidiosi effetti di capacita parassita tanto all interno di ciascuna struttura moSFET.

[0049] quanto fra tali dispositivi.(particolar ments nelle applicazioni ad elevata densita di LENZ riempimento).

[0050] Si descrivera ora a titolo esemplificativo l'invenzione, facendo riferimento ai disegni acclusi, nei quali La figura 1 e uno schema circuitala di un circuito invertitcre a doppia tensione, racchiu- dente i principii dell'invenzione, La ficura 2 mostra una serie di forme d'on- da utili per la comprensione del funzionamento del circuito illustrato in figura 1; La figura 3 : una cosi uetta tabella di ve- 13 rita illustrante la logica attuata dal circsito invertitore della figura 1.

[0051] Il circuito invertitors 1G illustrato in -Se17uoO l33SOW !AT7Ts0ds!P 8I7 9pua1dwoo l eIn5TJ segnati rispettivamente dai numeri 12,14 e 15.

[0052] Nel particolare escmpio illustrato, questi dispo- sitfvi m0SFET sono dispositivi a canale-p , con modo di arricchimento, generalmente del tipo de- scritto nei brevatti britannici Ni.

[0053] 1.302.105 0 1.312.502 o nel brevetto statunit@nse Re 27305 Il dispositivo M0SFET 12.funziona cQme un.

[0054] dispositivo di commutazione, e tanto il suQ,elet- VIA .LENZI trado.porta.19 quanto il suo elettrodo di aasorr bimento 21 sono collegati ad una sorgente ad 6793758 come un dispcsitivo a carico resistivo e possiede un elettrodo di assorbimento 23.collegato ad una porta 25 del aispositivo mGSFFT 14 e collegatc ad un elettrodc-sorgente 27 del dospositivo m0SFET 12 attraverso un nodo 28.

[0055] Un efficace condonsatore C, collegato : fra il noco 28 e la terra.

[0056] Questo conuensatore rappresentativo delle varie capacita intrinseche d'elettrsdo stabilite, noncl:e di altre forme di ca- 14 pacita parassite, associate ai tre dispositivi moSffT, come viene descritto ulteriormente nei brevetti sopra menzionati.

[0057] In figura 1 altresl illustrato un conden- piato dal nodo di uscita 31 ed il nodo 38.

[0058] In pratica, il condensatore C, e scelto in modo che la sua capacita sia notevolmente superiore alle capcita totali rappresentate dai condensatore C1 in modo da fornire una reazione positiva efficace e sostanzialmente completa relativamente alla ten- VIA siane di uscita.

[0059] pii specificamente, coi dispositi- LENZ vi mCSFET 14 e 16 di caricc e di azionamento ope- CO.

[0060] ranti nelle loro regioni preferite non sature, la tensione di uscita in corrispondenza dell'elet- trodo-sporgente 33 del dispositivo M0SFeT 14 oscil- la preferibilmente da un valore prossimo alla terra, ovvero sia da un valore logico "o" (ogni qualvolta il dispositivo mnSFET 15 sia in statc di conduzione)alla tensione di polarizzazione "1" (ogni qualvolta il dispositivo MOSFET 16 sia in.posizione di interdizione Per attuare yuesta oscillazione di tensio- ne come verra discusso con maggiori particolari 15 gui di seguito, il condensatore C, rinvia a ritro- so, in un modo di funzionamento preferito, un incre- mento di tensione all'elettrodo-porta del dispositi- vo m0SFET di scarico 14, incremento di tensione zione aumenta vantaggiosamente la tensione statica applicata all'elettrodo-porta da parte della sorgen- mutazione 12.

[0061] piu specificamente, la tensione di porta combinata del dispositivo moSfFT 14 e ugua- di soglia del dispositivo m0SFET 12 ed aumentata LENZI di:v1ow* Co Si vede cosl che le tensioni di porta com- 6793758 binate applicate al dispositivo m0SfET di carico 14 producono una sostanziale differenza di ten- sione da porta-a-sorgente, di super aziona - mento, la quale consente in modo significativo che il dispositivo aumenti la velocita di transi- zione del segnale di uscita ed in particolare la velocita di passaggio all'interdizione (cio la (2s).rispetto alla velocita che si consegue quan- do si dispone soltanto di una singola sorgente high 16 Sotto questo aspetto, e bene rendersi conto, che il tempo di passaggio alla conduzione (cio figure 28), e normalmente considerevolments pii breve del tempo di passaggio.all'interdizione, ed principalmente contrcllato dal dispositivo moSFFT azionatore 16.

[0062] In realta, il tampo di passaggio alla conduzione pu essere generalmente ignorato in confronto al tempo di passaggio all'interdizio- ne nella maggior parts dei circuiti moSfeT.

[0063] fsi- stono due ragicni fondamentali per questa dispa- rita che normalmente si osserva.

[0064] VI4 LENZ Anzitutto, il dispositivo mOSFeT di carico CO 14 presenta necessariamente una resistenza :che tipicamente e dieci volte maggiore di quella del dispositivo MoSFET 16 di azionamento.

[0065] Cosi stando le cose, per un dato valore di capacita parassita, la costante di tempo per il dispositivo mnSFfT di carico 14 i.naturalmente dieci volte, o pii, maggiore di quella del dispositivo m0SFET 16 oi azionamento.

[0066] In secondo luogo, nella maggior parte dei circuiti invertitori, la polarizzazione azionatri- ce da porta-a-sorgente rimane sostanzialmente co- stante sul valcre -v; durante la commutazione, in mentre la tensione di porta applicata al dispositivo MOSFET 14 di carico e effettivamente modulata dalla tensione di uscita (elettrodo-sorgente) in modo tale che normalmente ci da luogo ad una riduzione del guadagno del dispositivo m0SfET di carico in proporzione inversa al crescere dell'oscillazione della tensione di uscita.

[0067] Solo questi due fattori in particolare quelli che hanno portato ai dannosi effetti transitori che.finora si sono osservati nei dispositivi m0SFeT di carico, ed hanno dato luogo al fatto che molti invertitori, azionatcri o ad ammissione controllata di tipo m0SFFT sono stati TRI LENZI limitati al funzionamento a basse frequenze.

[0068] Significativamente, tuttavia,l'utilizza- 93758 zione di una razione di tensione capacitiva nel circuito invertitore, racchiusa nei concetti del- la presente invenzione, produce una differenza di tensione da porta-a-sorgente sostanzialmente piu elevata , efficacs, non mcdulata, di super-azio- namento sul dispositivo M0SFET 14 di carico, ri- spetto alla differenza che altrimenti potrebbe essere conseguita.

[0069] Questo aumento di tensione di porta che produce un tempo di risposta di com- mente aumentato per la commutazione di segnale, 18 compensa almeno parzialmente i tempi di risposta pi lenti del dispositivo mOSFET di carico rispet- to al dispositivo moSFeT azionatore, dovuti alla resistenza tipicamente maggiore presentata dal dispositivo mOSFET oi carico.

[0070] In aggiunta, l'utilizzazione di una sorgen- te di polarizzazione a bassa tensione collegata all'elettrodo-di assorbimento 23 del dispasitivc m0SFET 14 ai: carico riduce il grado di modulazione da porta-a-sorgente indotto nel dispositivo,(at- traverso la rsstrizione dell'oscillazione di ten- VIA LENZI guadagno del dispositivo mOSFFT di carico che varia inversamente all'oscillazione di tensione 93758 di uscita non ê ridctto in modo paragonabile a, quello che avviene nel caso in cui l'oscillazione di tensione di uscita viene resa unicamente dipen- Ovviamente, l'utilizzazione di una tensione dispositivo m0SFET di carico 14 riduce sostanzial- mente la potenza quivi dissipata ed, inoltre eser- cita l'effetto salutare di consentire piu stret- ti distanziamenti fisici da assorbimento-a- sorgen- te tanto per i dispositivi di carico quanto per 19 quelli invertitcri.

[0071] Ci a sua volta riduce le di- mensioni complessive di questi dispositivi per dati rapporti di canale w/l.

[0072] Verra ora descritto il circuito.invertitore che fa parte della presente invenzione, attraverso una breve considerazione dei circuiti di tipo mnSFET da un punto di vista tanto teorico quanto operativo.

[0073] Il modo da approccio teorico si presta in modo particolare ad una migliore comprensione del modo in cui l'impiego di doppie alimentazioni energetiche nel presente circuito invertitore con- sentono di ottenere una sostanziale riduzione tan- to nella dissipazione di potenza del,.singolo di- spositivo quanto nella dissipazione di potenza to- tale del circuito.

[0074] La potenza dissipata dipende 93758 principalmente da .due parametri intercorrelati del dispositivo moSFET, e precisamente dalle dimensio ni del dispositivo , che comprendono il rapporto fra larghezza e lunghezza di canale (w/l) , e la resistenza presentata dal dispositivo dopo che es- so ê stato portato in conduzione ed stato fatto funzionare nella regione non satura.

[0075] Questa resi- mostrarsi che per un funzionamento su una gran parte della regione non satura, funzionamento in 20 corrispondenza del quale la corrente rimane pres- cemente approssimata dalla seguente equazione: ON 2K (v Dal momento che la transconduttanza (g.) oi un dispositivo m0SFET pu essere dimostrata uguale ramente che una tensione di porta relativamente ma di far aumentare la transconduttanza (g.) .Per VIA contro, ma in misura notevolmente inferiore, al LENZI to crescere del rapporto di canale w/l ,il valore Co.

[0076] 6793758 diminuisce.

[0077] Questo consegue dal fatto che il rap- porto di canale w/l uno dei parametri che defini- Scono il valore della costante K.

[0078] Pertanto, in misura limitata, esiste una minimo (parzialmente determinante la potenza dissipata in un dato dispcsitivo m0SFrT), e l'ottenimento di un'elevata transcodduttanza (g.

[0079] , attraverso l'u-) tilizzazione tanto di una tensione di porta massi- mizzata quanto di un rapporto w/l massimizzato : Questo ultimo parametro massimizzato ,tuttavia, non ê neanche lontanamente potente quanto il preceden- te dal punto di vista del controllo,e cosi, i ri- sultati netti voluti, e precisamente.il consegui- massimizzata, dipendono ambedue in larga misura dal,grado in cui la tensione di porta supera la tensione di sorgente del,dispositivo M0SFET fun- zionante da carico nel presente circuito inver- titore.

[0080] E' bene , ovviamente, rendersi conto che riguardo ai circuiti invertitori del tipo illu strato in figura 1 esistono altri fattori o para- metri che anche essi parzialmente detarminano il LENZI grado di potenza totale dissipata dal circuito, CO e le caratteristiche di trasferimento conseguits 93758 all'uscita del circuito.

[0081] Per esempio, due altri fattori significativi si riferiscono (i al rap- porto delle dimensioni di canale di ambedue i dispositivi mOSFET , rispettivamente 14 di cari- co e 16 di inversione , e (2) alle costanti fissa- te dal processo (per esempio spessore dell'ossi- do) tanto per i dispositivi m0SFET di carico quanto per quelli invertitori.

[0082] Il rapporto com- posito dei due rapporti di canali e w/l sopra identificati importante ai fini del garantire 22 che le desiderate cadute di tensione Saranno sta bilite ai capo dai due dispositivi m0SFET 14 e 16 collegati in serie-, tanto per gli stati di com- mutazione 0N (CONDUZI0NE)(ingre8So VERO) quanto per gli stati OFF (IYTERDIZIONE)(Ingresso FALSO) in questo ultimo dispositivo.

[0083] Per quanto riguarda le costanti fissate dal processo, fattcri quali la temperatura e le variabi- li del procasso influiscono in modo similare-tan- to i dispositivi MOSFFT di carico quanto i dispositi vi mOSFET invertitori, e pertanto essi si elidono efficacemente a vicenda per quanto riguarda l'eser- citare un qualsiasi effetto sensibile sulle carat- V1A LENZ teristiche di trasferimento dei circuiti invertito- Co ri compositi interessati.

[0084] Conseguentemente, la progettazione strutturale dei dispositivi m0SFET utilizzati nel presente circuito invertitore pre- senta problemi che riguardano principalmente i requisiti in corrente continua e il tracciamento del circuito (fattori che sono importanti anche riguardo alla minimizzazione della capacita paras sita), piuttosto che il controllo del processo per se stesso.

[0085] Si attira ora l'attenzione su un tipico modo di funzionamento del circuito invertitore, 23 con particolare riferimento alle varie forme d'onda illustrate in figura 2 ed alla cosl detta tabella di verita illustrata in figura 3.

[0086] unica- mente a scopo di riferimento, tutti i livelli di segnale relativi qui considerati si batteranno sulla"logica negativa" normalizzata usata con i dispositivi a canale P, a modo di arricchimento, ove il segnale di ingresso o d'uscita piu nega- tivo e definito come una cifra logica "1".ed il segnale pii positivo (o di terra) una cifra logica "o".

[0087] Sempre come parte di questa.nomencla- tura logica, un segnals di ingresso "FAlsn" viene definito come il segnale piü positivo (o segnale zero), ed un segnale di ingresso "veRo" viene definito ccme il segnale pii negativc.

[0088] 93758 Prendendo le mosse da un istante.

[0089] t,, quando un segnale di dato di ingresso negativo " vFR0" (curva A, figura 2), viene per la prima volta m0SFET 16 di azionamento, tale dispositivo viene pcrtato nello stato di conduzione.

[0090] ri stabilisce una via di scarica a terra per il nodo di uscita 31.

[0091] attraverso il dispositivo m0SfET 16 Cio da luogo al fatto che il segnale di uscita viene invertito nell'attraversare una transizione (stato 24 di passaggio alla conduziona), e precisamente da gioni che verranno spiegate in seguito, ad un livello prossimo allo zero od uguale allo zero (rappresentativo di una cifra logica "zero"), co- me illustrato nella figura 28 .

[0092] Il passaggio del dispositivo mnSrrT 16 di azionamento allo stato di conduzione fornisce ovviamente anche una via di ritorno alla terra in corrente continua per il condensatore di reazione C,' consentendo cosi a nodo 28.

[0093] Durante il periodo di tempo definito LENZ fra gli istanti t, e t2, tutti e tre i disposi- tivi m0SFET, e precisamente il mOSFET 12 di com- 793758 mutazione, il mOSFET di carico 14 ed il M0SFET .16 di azionamentc sono in stato di conduzione (cioe conducono corrente attraverso se stessi): Nell'istante t, un segnale di ingresso "FAlSo" o zero applicato all'elettrodo-porta 37 del dispositivo M0SFET di azionamento 16 porta immediatamente all'interdizione tale dispositivc Duesto fatto efficacemente isola il nodo di uscita 31 dalla terra ( o da qualche altro llvel- lo di riferimento pi positivo) .

[0094] Conseguentemen- te , il nodo di uscita 31 e conseguentemente, il 25 segnale di uscita, rapidanente oscillano in di- fatto che il dispositivo m0SFFT 14 di carico con- tinua a rimanere in stato di conduzione in tutti gli istanti.

[0095] E: bene osservare a questo punto che ε il condensatora di reazione C, quello che rende van- taggiosamente possibile per il segnale di uscita: nell'istante t,, di oscillare non soltanto in mo- modo assai rapido rispetto alla transizione di segnale che ha luogo nell'istante t,, nonostante le sopra menzionate limitazioni di tempo di ri- R sposta , di origine strutturale, associate ai dispositivi M0SFET di carico, considerati come 93758 distinti dai dispositivi azionatori nei circuiti del tipo in questione.

[0096] Considerando le cose piü specificamente, nell'istante t,, il condensatore C, accoppia la un` modo preferito di funzionamento descritto pi esaurientemente nel.

[0097] seguito, a ritroso al nodo 28 , al quale ê applicata una polarlzzazio- della cad_ta di soglia e del dispositivo m0SFFT 14.

[0098] 26 Come risultato di ci, allelettrodo-porta 25 associato al nodo 28, durante l'intervallo di tem tanto una tensione di polarizzazione statica qaun: to una tensione di polarizzazione dinamica, ugua- come indicato in Figura ?C.

[0099] La tensione rinviata a ritroso all'elettro- do(porta 25 del dispcsitivo MOSFFT 14, e cio lo cosi una tensions di polarizzazione esaltatrice, supplementare, o sovrapposta, la quale , unitamante alla tensione statica applicata all'elettrodo-por ta, stabilisce una sostanziale tensione di sovra azionamento da porta-a-sorgente che non sarebbe 93758 possibile se non ci fosse il condensatore di reazione.

[0100] E' questo"calcio"di tensione di reazio- ne supplementare che costituisce la ragione prima- ria del fatto che il presente circuito invertitore attua una rapidissima transizione di segnale nel- Considerando l'importanza del condensatore dire che se esso non fosse utilizzato la tensione di polarizzazione sull'slettrodo-porta 25 del dispo- 27 sitivo m0SFFT di carico 14 non potrebbe mai supera- diminuito della caduta di soglia del dispositivo m0SFET 12.

[0101] Cosl stando tivo, fosse scelto in modo da uguagliare esatta- mente le cadute di tensione di soglia combinate dei dispositivi M0SFET 12 e 14 (il che stabili- nere in stato di conduzicne il dispositivo M0SFFT 14) si.

[0102] vede che la massima differenza di tensione possibile da porta-a-sorgente per il dispositivo mnSFET di carico 14 uguaglierebbe semplicemente la caduta di tensione di soglia di quel disposi- VIA LENZI fosse uguale.

[0103] 793758 Ci che , tuttavia, pi importante che Sarebbe poco pratica dal momento che essa non darsbbe luogo alla produzione di un qualsiasi se- gnale di uscita logico "" utilizzabile.

[0104] Un livel- con o senza reazione capacitiva, pu soltanto ess sere espresso dalla seguente relazione fra le ten- sioni: 28 Dal punto di vista operativo pratico il :una reazione capacitiva, deve sempre produrre sul- 1 elettrodo-porta 25 del dispositivo MnSFFT di carico 14, una tensione che sia sufficiente a com- pensare la caduta di soglia di quel dispositivo ed a produrre ancora una tensione statica di elet- trodo-sorgente sufficiente a stabilire direttamen LEN te o indirettamente un segnale di uscita logico "q" utilizzabile.

[0105] Questo requisito cperativo pu aver per conseguenza che o la tensione :di alimen- lazione di tensione di uscita.

[0106] Ci consegue dal fatto che la massima tensions ottenibile di elettro- -Il aidwss a i3JSON oAt2tsodstp un ut @1ua51os-op mitata non soltanto dalla tensione dell'slettro- porta ,diminuita dalla caduta ci tensione di so- glia del dispositivo, ma dall'ampiezza della ten- to al dispositivo mDSFET 14).

[0107] Una dissipazione di potenza minimizzata del circuito viene conseguita mediante l'accorgimen- to di rendere l'cscillazione di tensione di uscita 29 applicata all'elettrodo di assorbimento 3 del di- spositivo m0SFET di carico 14.

[0108] ronsiderando le cose sotto un altro angolo, si pu dire che se il segnale di uscita deve oscillare in modo com- pleto da un valore approssimativamente nullo.

[0109] fino nere quivi indefinitamente , in risposta a ciascun segnale di ingresso FAlSO, la tensione di uscita VIA , deve essere uguale al- high LENZI RI Questa relazione di tensione puo essera espressa , rispetto alla tensione massima 93758 applicata all'elettrcdo-porta del dispositivo moSFET di carico 14 nel modo seguente: high+vT12 -v1ow - vT14 Il modo di funzicnamento preferito per il circuito invertitore racchiuso nei requisiti del- limita l'oscillazione di tensione di uscita, pu essere forse meglio valutato a questo punto es si esaminano le effettivs condizioni dilavoro del circuitc basate Sui lavari rappresentativi per le tensioni di alimentazione del circuito e 30 per ls cadute di tensione di soglia del circuito di soglia dei dispositivi M0SFET 12 e 14 sianO uguali rispettivamante a 5 e a 4 volts.

[0110] In queste condizioni di lavoro, si veds che la tensione sta- tica applicata all'alettrodo-porta 25 del dispo- Senza considerare per il momento leffetto per TRI 1A LENZI CO.

[0111] ta sarebbe allora semplicemente uguale alla diffc- 6793756 renza fra approssimativamente zero (nel caso ti- Tuttavia, con l'elettrodo di assorbimento 23 po- non pu salire al di sopra di quel livello, e cioé nell'essmpio illustrativo non pu salire al di,so- pra del livello -12 volts.

[0112] Ci nonostante, e molto significativamente, con reazione di tensione capacitiva, C, periodi- camente rinvia a ritroso all'elsttrodo-porta 25 l'oscillazione di tensione di uscita statica sopra 31 In questo ultimo caso, tuttavia, la tensione rin viata all'elettrodo-porta decadr gradualmente lungo un certo periodo di tempo fino a raggiungere le condizioni di tensione statiche del circuito, principalmente a causa della corrente di perdita tensione di uscita pu oscillare dinamicamente VIA TRI uscita che ê illustrato dalle linee tratteggiate IZN37 riportate in figura 2B : CO Ritornando al presente esempio operativo in corso di considerazione, si osservi tuttavia che l'oscillazione di tensione di uscita statica e uguale a -15 volts, i1 che significa che assa pii negativa, per -3 volts determina il limite stabilito Superiore dslla oscillazione di tensione di uscita per il modu di funzionamento in questione, ma altresi determi- 0te!AutI auOtsue7 !p Ototeo T@p ezza!dwE.T pu all'elettrodo-porta 25 del dispositivo M0SFFT 14.

[0113] Cosl stando le cose, diventa facilmente chiaro che l'elettrodo-porta 25 periodicamente polariz- 32 zato (durante ogni segnale di ingresso FAlSc) ad una tensione combinata (statica e dinamica) pari a -24+5 -31 vo1ts Questa tensione combinata fornisce una sostanzia- le differenza di tensione di sovra-azionamento da porta-a-sorgente rispetto a quella ottenuta senza reazioni capacitiva, anche se la tensione di uscita non pu diventare pii negativa della W.0L 1 co di assorbimento.

[0114] TEL Dal modo di funzionamento tipico sopra riferito risulta facilmente chiaro che quando : .

[0115] allora l'ugua: glianza sopra definita :l e soddisfatta e l'oscillazione di tensione di .

[0116] e si sta- bilisce su tale valore.

[0117] L'unico momento in cui tutta la tensione non pu essere rinviata a ritroso e sovrapposta alla polarizzazione statica 0At1tsodslp T@p SZ B11od-0po12@t.lle e7etTdde m0SFET 14 si verifica quando queste due tensioni 33 della caduta di soglia associata al dispositivo mOSFET 12 .

[0118] Se ci avviene, il dispositivo mOSFET 12 opera efficacemente come un fissatore d i livello, con la conduzione semplicemente inverten tesi in quel dispositivo in modo da mantenere lo fino.a che il dispositivo di azionamento mOSFET 16 sia di nuovo.portato in conduzione.

[0119] In quello istante la tsnsiore di uscita si porta sostanzial- mente a zero, il-che efficacemente rimuove la CRITO tensione di reazione precedentemente applicata LENZI CO.

[0120] dall'elettrodo-porta 25 : Per quanto riguarda qualsiasi tensione o pi possibile (dispositivo mOSFET di carico 14 @ dispositivo M0SFFT di azionamantc 16) la potenza in corrente continua, pur producendo al tempo stes- -iqezz!lt7n pa eotseid nt estool e7tosn eun os le.

[0121] Sotto questo aspetto, bene valutare comple- tamente il fatto che non e imposta alcuna restri- zione di caduta di tensione di soglia all'ali- 34 fatto ,ovviamente, ci che consante di ridurre sostanzialmente la dissipazione di potenza tota- le del circuito in corrente continua rispetto a quella dei precedenti circuiti invertitori impli- canti una sola sorgente di alimentazione di tensio- Riassumendo,: stato dimostrato che il di- spositivo mCSFET di carico 14 accoppiato in cor- rente continua e l'invartitore moSFeT 16 in par- ticolare possono essere resi piü piccoli attraverso l'utilizzazione di tensioni ci alimentazione tan- to alte quanto basse.

[0122] Cio, ovviamente, consente LENZI anche vantaggiosamente una rimozione dei rapporti C0.

[0123] di canale w/l dei singoli dispositivi mOSFET, e 67937 pu, a seconda della relazione esistente fra i requisiti di livello di tensione di ingresso e di uscita, consentirs una riduzione nel rapporto di canale w/l del dispositivo mGSFFT 14 compo- sito rispstto al rapporto M/i del dispositivo m0SFFT 15 Tali riduzioni nelle dimensioni del dispositivo nei rapporti di canaie.sono molto importanti ai fini della minimizzazione tanto nell'area di circuito totale quanto dei reguisiti di dissipazione totale di potenza del circuito.

[0124] Tutti questi fattori, ovviamente, contribuiscono 35 al fatto che il presente circuito invertitore presenta aumenti nell'impedenza di ingresso, nel- l'isolamento ingresso-uscita, e nel rendimento del prodotto, nonche una riduzione delle capacita parassite.

[0125] Sono possibili molte.

[0126] modifiche nel circui- to invertitore di figura 1.

[0127] Per esempio rispetto a possibili variazioni in certuni dei dispositivi di circuiti invertitori, dovrebbe essere eviden te che il dispositivo di azionamento rnSfET 12 potrebbe comprendere qualsiasi tipo di dispositi- vo di polarizzazionead alta resistenza o di cir- cuito capace di produrre la richiesta tensione LENZI di porta per il dispositivo m0SFET 14, e senza 20 CO.

[0128] consentire il passaggio attraverso esso di una 67931 sensibile corrente di perdita.

[0129] Ci potrebbe esssre conseguito per esempio attraverso l utilizzazione di un diodo ciscreto o a stato solido che potrebbe essere dimensionato e polarizzato in modo da fis- Sare il potenziale dell'elettrodo di soglia 25 segnale di ingresso sia veRO, ed in modo da por- tarlo all'interdizione ogni qualvolta cra un se- gnale di ingresso sia FAlS0 (dando luogo ad una 36 oscillazione pii negativa dell elsttrodo-porta a causa della reazione capacitiva).

[0130] Analogamente, si dave osservare che il di- ai8pueidwoD Qnd 9l 133S0w aio1t?Ianut oA!7Tsods qualsivoglia altro dispositivo o circuito che sia per esempio sensibile alla tensione e sia capa- ce di stabilire selettivamente o una condizione sostanziale di cortocircuito o una condizione so- stanziale di circuito aperto lungo un percorso de- finito fra il nodo 31 e la terra (od un equiva- lente di essa).

[0131] Inoltre, benché la forma realizzativa,pre- LENZI ferita sia stata descritta in connessione con i CO.

[0132] oispositivi M0SFET del tipo a canale-p a modo di 67931 arricchimento, e possibile usare , invece, dispo- sitivi a canale-p a modo di impoverimento, nonch dispositivi a canale-n a modo di arricchimento o di impoverimento.

[0133] RIVENOICAZIONL 1.) Circuito logico comprendente mezzi di commutazione atti a rispondere ad un segnale di ingresso per stabilire selettivamente una condi- zione sostanzialmente di cortocircuito ed una con dizione sostanzialmente di circuito aperto lungo un percorso fra un primo ed un secondo.

[0134] terminale .

Claims (5)

1. 36 oscillazione pii negativa dell elsttrodo-porta a causa della reazione capacitiva).

Analogamente, si dave osservare che il di- ai8pueidwoD Qnd 9l 133S0w aio1t?Ianut oA!7Tsods qualsivoglia altro dispositivo o circuito che sia per esempio sensibile alla tensione e sia capa- ce di stabilire selettivamente o una condizione sostanziale di cortocircuito o una condizione so- stanziale di circuito aperto lungo un percorso de- finito fra il nodo 31 e la terra (od un equiva- lente di essa).

Inoltre, benché la forma realizzativa,pre- LENZI ferita sia stata descritta in connessione con i CO.

oispositivi M0SFET del tipo a canale-p a modo di 67931 arricchimento, e possibile usare , invece, dispo- sitivi a canale-p a modo di impoverimento, nonch dispositivi a canale-n a modo di arricchimento o di impoverimento.

RIVENOICAZIONL 1.) Circuito logico comprendente mezzi di commutazione atti a rispondere ad un segnale di ingresso per stabilire selettivamente una condi- zione sostanzialmente di cortocircuito ed una con dizione sostanzialmente di circuito aperto lungo un percorso fra un primo ed un secondo.

terminale dei detti mezzi di commutazione, il primo termi- nale essendo destinato a fornire un segnale di uscita ed il secondo terminale essendo destinato a ricevere un potenziale di riferimento, un tran- sistore di carico adaffetto di campo, l*elettrodo sorgente di esso essendo accoppiato al primo ter- minale mentre il suo elettrodo di assorbimento destinato a ricevcre una prima tensione, mezzi di reazione di tensione accoppiati fra l'elettrodo sorgente e l'clettrodo-porta del detto transistore di carico ad effetto di campo per rinviare una LENZI tensione di uscita all'elettrodo-porta del detto C0.

transistore di carico ad effetto di campo, e mezzi di polarizzazione di tensione per regolare il po- tenziale in corrispondenza dell'elettrodo-porta del detto transistore di carico ad effetto di campo, un terminale dei detti mezzi di polarizza- zione essendo accoppiato ali'elettrodo porta del detto transistore di carico ad effetto di campo, mentre un altro terminale del detto transisture destinato a ricevere una seconda tensione, mag- giore della prima tensione predetta.

2.) Circuito come rivendicato nella riv.1, ove il detto mezzo di commutazione comprende un transistore ad effetto di campu, il primo ed il 38 sacondo terminale predetti essendo rispettivamente l elettrodo di assorbimento e l elettrodo di sor gente del detto transistore ad effetto di campo, e l elettrodo porta del dstto transistore ad ef: fetto di campo essendo destinato a ricevere il se gnale di ingresso.

3 ) Un circuito come rivendicato nelle riv 1 o 2 ove detti mezzi di polarizzazione della tensione comprendono un transistore ad effetto AA TR di campo avente un accoppiamento fra l elsttrodo LENZI porta e l'elettroco di asscrbimento del detto CO.

transistore, l elettrodo-sorgente del detto tran- 67931 sistore ad effetto di campo essendo detto primo terminale, mentre il detto accoppiamento il detto altro terminale.

4.) Circuito come rivendicato in una qual- siasi delle precedenti riv., ove il detto mezzo di reazione di tensione comprende un condensatore accoppiato fra l'elettrodo-sorgents e l'elettrodo porta del detto transistore di carico ad effetto di campo.

5.) circuito come rivendicato.in una qual siasi delle precedenti riv., ove tutti i detti transistori ad effetto di campo sono del tipo MOSFET p.i.

Teletype rorporation LENZI nic 1073 .