DE19950543C1 - Integrierte Schaltung mit Regelung der Einsatzspannungen ihrer Transistoren - Google Patents

Abstract

Die integrierte Schaltung weist eine erste Regelungseinheit (C1) auf zur Regelung der Einsatzspannung der Transistoren des ersten Leitungstyps (T1, T2). Außerdem weist sie eine zweite Regelungseinheit (C2) auf zur Regelung der Einsatzspannungen der Transistoren des zweiten Leitungstyps (T3, T4). Dem Sollwerteingang der zweiten Regelungseinheit (C2) wird ein Sollwert für die Einsatzspannung der Transistoren des zweiten Leitungstyps (T3, T4) zugeführt, der proportional zum Istwert der Einsatzspannung (VTnist) der Transistoren des ersten Leitungstyps ist. Durch die Abhängigkeit der Regelung durch die zweite Regelungseinheit (C2) von der ersten Regelungseinheit (C1) wird ein verbessertes Schaltverhalten der integrierten Schaltung erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung, die Rege­ lungseinheiten zur Regelung der Einsatzspannungen ihrer Tran­ sistoren aufweist.

Eine derartige Schaltung ist in der US 5,874,851 beschrie­ ben. Aufgrund von Schwankungen des Herstellungsprozesses von integrierten Schaltungen sind in ihnen enthaltene Transisto­ ren Parameterschwankungen unterworfen. Um diese Schwankungen auszugleichen, ist der US 5,874,851 zu entnehmen, die Ein­ satzspannungen der Feldeffekttransistoren zu regeln. Auf die­ se Weise lassen sich die bei der Herstellung auftretenden Prozeßschwankungen sowie während des Betriebs der Schaltung auftretende Temperatureinflüsse ausgleichen. Bei der in der US 5,874,851 A beschriebenen Lösungen erfolgt die Regelung des Potentials der n-Wannen unabhängig von der Regelung des Potentials der p-Wannen. Weitere Ausführungen über die Regelung der Schwellenspannung von n-Kanal und p-Ka­ nal-Transistoren finden sich in der DE 197 27 817 A1.

Da in den meisten Teilschaltungen einer integrierten Schal­ tung sowohl n-Kanal-Transistoren, als auch p-Kanal-Transisto­ ren vorhanden sind, ist die Funktion einer solchen Teilschal­ tung abhängig von den Einsatzspannungen beider Transistorty­ pen. Da jede Regelung ein gewisses Einschwingverhalten auf­ weist, kann es bei der in der US 5,874,851 vorgesehenen un­ abhängigen Regelung der Einsatzspannungen beider Transistor­ typen dazu kommen, daß das Einschwingverhalten für beide Re­ gelungen beziehungsweise ihre Reaktion auf Störeinflüsse mit unterschiedlichem Zeitverhalten erfolgt. Dies hat jedoch Aus­ wirkungen auf die Funktionsweise der Teilschaltung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine inte­ grierte Schaltung mit Transistoren unterschiedlichen Lei­ tungstyps anzugeben, bei denen Ungleichmäßigkeiten bei der Rege­ lung ihrer Einsatzspannungen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird mit einer integrierten Schaltung gemäß Pa­ tentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung dient eine erste Regelungseinheit zur Regelung der Einsatzspannungen der Transistoren des ersten Leitungstyps und eine zweite Rege­ lungseinheit zur Regelung der Einsatzspannungen der Transi­ storen des zweiten Leitungstyps. Der zweiten Regelungseinheit wird ein Sollwert für die Einsatzspannung der Transistoren des zweiten Leitungstyps zugeführt, der proportional zum Be­ trag des Istwertes der Einsatzspannung der Transistoren dest ersten Leitungstyps ist. Es handelt sich also bei der Rege­ lung der Einsatzspannung der Transistoren des zweiten Lei­ tungstyps um eine Regelung, die abhängig von der Regelung durch die erste Regelungseinheit ist. Somit wird erreicht, daß sich die Einsatzspannung der Transistoren des zweiten Leitungstyps in Abhängigkeit der Einsatzspannung der Transi­ storen des ersten Leitungstyps verändert. Es wird somit eine Angleichung des zeitlichen Verhaltens beider Regelungen er­ reicht. Da das Verhältnis der Einsatzspannungen der Transi­ storen unterschiedlichen Leitungstyps Einfluß auf das Schalt­ verhalten (sowohl das digitale Schaltverhalten als auch die analoge Verstärkung im Falle von Teilschaltungen, die eine Verstärkungsfunktion ausüben) von Teilschaltungen hat, die Transistoren beider Leitungstypen enthalten, wird durch die Erfindung erreicht, daß dieses Schaltverhalten unabhängig von Schwankungen der Prozeßparameter während der Herstellung der integrierten Schaltung oder von wahrend ihres Betriebs auf­ tretenden Störungen ist.

Das Schaltverhalten einer Teilschaltung hängt im wesentlichen von den durch die in ihr enthaltenen Transistoren geführten Sättigungsströmen ab. Diese Ströme sind abhängig von der Ein­ satzspannung der Transistoren. Vom Verhältnis der Einsatz­ spannungen der unterschiedlichen Transistortypen ist insbe­ sondere die Schaltgeschwindigkeit und die Arbeitssymmetrie derartiger Teilschaltungen abhängig. Durch die Erfindung wer­ den sowohl die Schaltgeschwindigkeit als auch die Arbeitssym­ metrie (d. h. das Schaltverhalten) der integrierten Schaltung unabhängig von Störeinflüssen.

Die integrierte Schaltung kann beispielsweise einen Diffe­ renzverstärker aufweisen, der Transistoren beider Lei­ tungstypen enthält. Für die Funktionsweise von Differenzver­ stärkern ist das Verhältnis der Einsatzspannungen der Transi­ storen besonders relevant.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße integrierte Schaltung mit zwei Regelungseinheiten zur Regelung der Einsatz­ spannungen von Transistoren,

Fig. 2 einen Differenzverstärker, der Bestandteil der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist, und

Fig. 3 den Aufbau einer zweiten Regelungseinheit aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Grobdarstellung der erfindungsgemäßen in­ tegrierten Schaltung. Sie weist p-Kanal-Transistoren T3, T4 in einer n-Wanne nw sowie n-Kanal-Transistoren T1, T2 in ei­ ner p-Wanne pw auf. Zur Regelung der Einsatzspannung der n- Kanal-Transistoren T1, T2 weist die Schaltung eine erste Re­ gelungseinheit C1 auf. Die Regelung der Einsatzspannung der p-Kanal-Transistoren T3, T4 erfolgt über eine zweite Rege­ lungseinheit C2. Der ersten Regelungseinheit C1 wird ein Sollwert VTnsoll zugeführt, der bei einigen Ausführungsbei­ spielen der Erfindung auch veränderbar sein kann. Als Istwert wird der ersten Regelungseinheit C1 die Einsatzspannung VTnist der n-Kanal-Transistoren zugeführt. An ihrem Ausgang erzeugt die Regelungseinheit C1 in Abhängigkeit der von ihr festgestellten Regelungsabweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert als Steuergröße ein Substratpotential Vpw für die p-Wanne pw.

Der zweiten Regelungseinheit C2 wird als Istwert die Einsatz­ spannung VTpist der p-Kanal-Transistoren T3, T4, die in der n-Wanne nw gebildet sind, zugeführt. Als Sollwert für die Einsatzspannung der p-Kanal-Transistoren wird der zweiten Re­ gelungseinheit C2 ein Wert zugeführt, der proportional zum Istwert VTnist der p-Kanal-Transistoren ist. An ihrem Aus­ gang, der mit der n-dotierten Wanne nw verbunden ist, erzeugt die zweite Regelungseinheit C2 ein Substratpotential Vnw als Steuergröße.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Differenzverstär­ kers, der die n-Kanal-Transistoren T1, T2, die in der p-Wanne pw in Fig. 1 angeordnet sind, und die p-Kanal-Transistoren T3, T4, die in der n-Wanne nw in Fig. 1 angeordnet sind, aufweist. Die n-Kanal-Transistoren umfassen einen ersten Transistor T1 und einen zweiten Transistor T2. Die p-Kanal- Transistoren umfassen einen dritten Transistor T3 und einen vierten Transistor T4. Zwischen einem positiven Versorgungs­ potential VCC und Masse sind die steuerbaren Strecken des dritten Transistors T3 und des ersten Transistors T1 in Reihe angeordnet. Zwischen dem positiven Versorgungspotential VCC und Masse sind ebenfalls die steuerbaren Strecken des vierten Transistors T4 und des zweiten Transistors T2 in Reihe ange­ ordnet. Die Steueranschlüsse des ersten Transistors T1 und dritten Transistors T3 sind mit einem ersten Eingang BL und mit den Drains des zweiten T2 und vierten Transistors T4 ver­ bunden. Die Steueranschlüsse des zweiten T2 und vierten Tran­ sistors T4 sind mit einem zweiten Eingang /BL und den Drains des ersten T1 und dritten Transistors T3 verbunden.

Der Differenzverstärker verstärkt ein zwischen seinen beiden Eingängen BL, /BL anliegendes Differenzsignal. Die Substra­ tanschlüsse der p-Kanal-Transistoren T3, T4 befinden sich in der n-Wanne nw und sind daher mit dem von der zweiten Rege­ lungseinheit C2 erzeugten Substratpotential Vnw verbunden. Die Substratanschlüsse der n-Kanal-Transistoren T1, T2 befin­ den sich in der p-Wanne pw und sind daher mit dem Substratpo­ tential Vpw, das von der ersten Regelungseinheit C1 erzeugt wird, verbunden.

Durch die beschriebene abhängige Regelung der Einsatzspannung der p-Kanal-Transistoren T3, T4 von der Einsatzspannung der n-Kanal-Transistoren T1, T2 wird ein definiertes Schaltver­ halten des Differenzverstärkers erreicht. Das Schaltverhalten ist insbesondere unabhängig von Prozeßschwankungen während der Herstellung der Schaltung. Daher eignet sich ein solcher Differenzverstärker auch zur Verstärkung sehr kleiner Diffe­ renzsignale. Er ist somit beispielsweise als Leseverstärker in integrierten Speichern vom Typ DRAM (Dynamic Random Access Memory) einsetzbar. Seine beiden Eingänge BL, /BL sind dann mit je einer Bitleitung eines Bitleitungspaares des Speichers verbunden.

Vor dem Verbinden der Sources der Transistoren T1 bis T4 in Fig. 2 mit den Versorgungspotentialen VCC, Masse, wird eine der Speicherzellen des DRAMs ausgelesen, so daß sich auf den Bitleitungen BL, /BL ein Differenzsignal einstellt. Zu dessen Verstärkung werden anschließend die Versorgungspotentiale mit den Transistoren, wie in Fig. 2 gezeigt (über nicht darge­ stellte Schaltelemente) verbunden. Hierdurch erfolgt eine Ak­ tivierung des Differenzverstärkers. Diese erfolgt aufgrund der erfindungsgemäßen Regelung in einer Weise, daß sowohl die p-Kanal-Transistoren T3, T4 als auch die n-Kanal-Transistoren T1, T2 gleiches Schaltverhalten aufweisen. Somit kommt es zu einer gleichmäßigen Verstärkung des Differenzsignals, obwohl alle Transistoren T1 bis T4 gleichzeitig mit den Versorgungs­ potentialen VCC, Masse verbunden wurden. Bei herkömmlichen Leseverstärkern von DRAMs muß dagegen wegen des asymmetri­ schen Schaltverhaltens der unterschiedlichen Transistortypen des Leseverstärkers mit dem entsprechenden Versorgungspoten­ tial verbunden werden, bevor die Transistoren des anderen Leitungstyps mit dem anderen Versorgungspotential verbunden werden. Daher arbeiten diese herkömmlichen Leseverstärker langsamer als der Differenzverstärker mit der erfindungsgemä­ ßen Regelung seiner Substratpotentiale.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der zweiten Regelungs­ einheit C2 aus Fig. 1. Das positive Versorgungspotential VCC ist über einen ersten Widerstand R1, einen sechsten Transi­ stor T6 vom p-Kanal-Typ, einen fünften Transistor T5 vom n- Kanal-Typ und einen zweiten Widerstand R2 mit Masse Verbun­ den. Gate und Drain der Transistoren T5, T6 sind jeweils mit­ einander verbunden. Der Substratanschluß des n-Kanal-Tran­ sistors T5 ist mit dem Ausgang der ersten Regelungseinheit C1 und der Substratanschluß des p-Kanal-Transistors T6 mit dem Ausgang der zweiten Regelungseinheit C2 verbunden. Der fünfte Transistor T5 und der sechste Transistor T6 in Fig. 3 sind genau so dimensioniert wie die entsprechenden n-Kanal- Transistoren T1, T2 beziehungsweise p-Kanal-Transistoren T3, T4 in Fig. 2.

Die Steueranschlüsse der Transistoren T5, T6 sind außerdem mit einem ersten Vergleichseingang eines Komparators CMP ver­ bunden. Zwischen dem positiven Versorgungspotential VCC und Masse ist außerdem ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen R3, R4 angeordnet. Ein Mittelabgriff des Spannungsteilers liefert einen Vergleichswert REF, der mit einem zweiten Ver­ gleichseingang des Komparators CMP verbunden ist. In Abhän­ gigkeit des Ausgangssignals des Komparators CMP erzeugt ein Spannungsgenerator VGEN das Substratpotential Vnw für die n- Wanne.

Der Spannungsteiler aus den beiden Transistoren T5, T6 und den beiden Widerständen R1, R2 liefert am ersten Vergleichs­ eingang des Komparators CMP ein Potential, das abhängig ist vom Verhältnis der Einsatzspannungen VTpist, VTnist der Tran­ sistoren T5, T6. Der Sollwert für die zweite Regelungseinheit C2 ist also abhängig vom Istwert VTnist der Einsatzspannung der n-Kanal-Transistoren T1, T2, multipliziert mit einem Fak­ tor, der sich aus den Verhältnissen R1/R2 und R3/R4 der vier Widerstände in Fig. 3 ergibt. Falls beispielsweise R1 = R2 und R3 = R4 (d. h. REF = VDD/2) gilt, ist dieser Sollwert für die p- Kanal-Transistoren T3, T4 gleich dem Istwert VTnist der n- Kanal-Transistoren T1, T2. Der Proportionalitätsfaktor zwi­ schen dem Sollwert und dem Istwert VTnist ist dann gleich Eins. Bei davon abweichenden Widerstandsverhältnissen weist der Sollwert einen anderen Proportionalitätsfaktor zum Ist­ wert VTnist auf.

Claims (3)

1. Integrierte Schaltung

• - mit Transistoren eines ersten Leitungstyps (T1, T2) und Transistoren eines zweiten Leitungstyps (T3, T4), die je­ weils Substratanschlüsse zur Zuführung eines Substratpo­ tentials (Vnw, Vpw) aufweisen,
• - mit einer ersten Regelungseinheit (C1) zur Regelung der Einsatzspannung der Transistoren des ersten Leitungstyps (T1, T2), die einen Eingang für einen Sollwert (VTnsoll) und einen Eingang für einen Istwert (VTnist) der Einsatz­ spannung der Transistoren des ersten Leitungstyps (T1, T2) sowie einen Ausgang aufweist, der mit den Substratan­ schlüssen der Transistoren des ersten Leitungstyps verbun­ den ist,
• - und mit einer zweiten Regelungseinheit (C2) zur Regelung der Einsatzspannung der Transistoren des zweiten Lei­ tungstyps (T3, T4), die einen Eingang für einen Sollwert und einen Eingang für einen Istwert (VTpist) der Einsatz­ spannung der Transistoren des zweiten Leitungstyps (T3, T4) sowie einen Ausgang aufweist, der mit den Substratan­ schlüssen der Transistoren des zweiten Leitungstyps ver­ bunden ist,
• - bei der dem Sollwerteingang der zweiten Regelungseinheit (C2) ein Sollwert für die Einsatzspannung der Transistoren des zweiten Leitungstyps (T3, T4) zugeführt wird, der pro­ portional zum Betrag des Istwertes der Einsatzspannung (VTnist) der Transistoren des ersten Leitungstyps ist.

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, die einen Differenzverstärker aufweist,

• - dessen Transistoren des ersten Leitungstyps einen ersten (T1) und einen zweiten Transistor (T2) umfassen,
• - dessen Transistoren des zweiten Leitungstyps einen dritten (T3) und einen vierten (T4) Transistor umfassen,
• - bei dem die steuerbaren Strecken des ersten (T1) und des dritten Transistors (T3) in Reihe zwischen zwei Versor­ gungspotentialen (VCC, Masse) angeordnet sind,
• - bei dem die steuerbaren Strecken des zweiten (T2) und des vierten Transistors (T4) ebenfalls in Reihe zwischen den beiden Versorgungspotentialen (VCC, Masse) angeordnet sind,
• - mit einem ersten Signaleingang (BL), der mit Steueran­ schlüssen des ersten (T1) und des dritten Transistors (T3) sowie mit einem Schaltungsknoten zwischen dem zweiten (T2) und dem vierten Transistor (T4) verbunden ist,
• - und mit einem zweiten Signaleingang (/BL), der mit Steuer­ anschlüssen des zweiten (T2) und des vierten Transistors (T4) sowie mit einem Schaltungsknoten zwischen dem ersten (T1) und dem dritten Transistor (T3) verbunden ist.

3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dessen zweite Regelungseinheit (C2) folgende Komponenten auf­ weist:

• - einen Transistor des ersten Leitungstyps (T5) und einen Transistor des zweiten Leitungstyps (T6), deren steuerbare Strecken in einer Reihenschaltung zwischen zwei Versor­ gungspotentialen (VCC, Masse) angeordnet sind und deren Steueranschlüsse jeweils mit ihren von den Versorgungspo­ tentialen abgewandten Anschlüssen verbunden sind,
• - eine Vergleichseinheit (CMP) mit einem ersten Eingang, der mit einem Schaltungsknoten zwischen den beiden steuerbaren Strecken der beiden Transistoren (T5, T6) verbunden ist, und mit einem zweiten Eingang, der mit einem Vergleichs­ wert (REF) verbunden ist,
• - und einen Generator (VGEN) für das Substratpotential (Vpw) der Transistoren des zweiten Leitungstyps (T3, T4, T6), der dieses Substratpotential in Abhängigkeit eines Aus­ gangssignals der Vergleichseinheit (CMP) erzeugt.