DE2301855C3 - Schaltungsanordnung mit Feldeffekttransistoren zur Pegelanpassung - Google Patents

Description

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 isi es weitgehend üblich geworden, sowohl Schaltkreiskomplexe mit bipolaren Transistoren als auch solche mit unipolaren, d. h. Feldeffekttransistoren im Rahmen einer Gesamtschaltung miteinander einzu setzen. Dabei ist es nötig, daß die Signale beim Überqueren dieser Nahtstellen jeweils in das zugchori ge andere Pegelschema umgesetzt werden. Transistorschaltkreise mit bipolaren Trnnsistoren erfordern bekanntlich zur Umschaltung andere, und /war in der Regel geringere SignalspannunghiJbe 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. Pegelanpassungsschaltungen zwischen bipolaren und unipolaren Transistorschaltkreisen mit bipolaren Transistoren aufgebaut werden mußten. Obwohl man bereits erkannt hat, daß b^i einer Auslegung dieser Pegelanpassungsstufen in Feldeffekttransistor-Technologie diese in bezüglich der Kosten und Packungsdichte günstiger Weise auf demselben Halbleiterplättchen mit anderen Feldeffekttransistor-Schaltkreisen 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 demge-

genüber sehr geringen Signalhub betrieben werden, konnten bisher solche Pegelanpassungsschaltungen nicht in Feldeffekttransistor-Technologie aufgebaut werden. Beispielsweise ist es bei Feldeffekttransistorschaltkreisen 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 solcher bipolaren Schaltkreise demnach geringer ist als die Differenz der möglichen Schwellenspannungs-

Veränderungen, wird die oben beschriebene Situation verständlich.

Zwar sind bereits Schaltungsanordnungen mit Feldeffekttransistoren bekanntgeworden, die mittels vorgesehener Rückkopplungspfade eine möglichst konstante

J5 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 Stromveränderung 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 mit 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 Signalspannungshube.

« 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

w> bildet und die Gate-Elektrode des Signal-Feldeffekttransistors auf den Schaltungseingang /ur Aufnahme der im Pegclschema für bipolare Transistoren vorliegenden Hingangssignale gekoppeil 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 Scfiwelk'tispann'jng 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, s daß bei einer Ausbildung der Feldeffekttransistorschaltkreise in integrierter Haib'eitertechnik auch die zur Übernahme der bipolaren Transistorpegel erforderlichen Pegelanpassungsschaltkreise auf demselben HaIbleiterplättchen vorgesehen werden können.

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

F i g. I das elektrische Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung; ; ^r,

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

Fig.4 einen StronWSpannungsverlauf zur Erläuterung der Arbeitsweise des Transistors Q 3 der Schaltung von Fig. 1.

Die in F i g. 1 als vorteilhaftes Ausführup.-gsbeispiel 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-EIektrode von <?3 ist ein Kondensator CX eingeschaltet Der Feldeffekttransistor Qi liegt mit seiner Source-EIektrode an Masse, während seine Drain-Elektrode an einen gemeinsamen Verbindungspunkt D zwischen Q 2 und Q 3 angeschlossen ist Dieser gemeinsame Verbindungspunkt D ist elektrisch mit dem Ausgang B identisch. Der Rückkopplungs-Feldeffekttransistor Q3 ist bezüglich seiner Drain- und Gate-Elektrode zu einer Diodenkonfiguration verbunden und wirkt im wesentlichen als Diode. Der Lastfeldeffekttransistor Q 2 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 Fig. 1 zu vereinfachen, werden im folgenden einige spezielle Bauelementwcrte sowie Spännungs- 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 Π vorgesehen. Der Kapazitätswert des Kondensators wi Cl hängt von der dem Feldeffekttransistorschaltkrcis innewohnenden Kapazität am Knotenpunkt Cab.

Es wurde experimentell gefunden, daß für die in der vorliegenden Beschreibung bcnut/ten Werte ein Spannungshub von 501; mV am Knotenpunkt Canzustreben v. ist. Ein Kapa/itätswrrt von 1.¹JpF erscheint dazu ausreichend. Der Verbinckingspiirikt am Knoten C wird normal auf etwa 500 mV oberhalb der Schwellensnannung von Q t 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 Knoten 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 Q'i. Im vorliegenden Beispiel ist Q 3 flächenmäßig möglichst klein ausgelegt, d.h. Q3 bedeckt nur gerade so wenig Platz auf dem Halbleiterplättchen wie es die Technologie für einen betriebsbereiten Feldeffekttransistor oder eine entsprechende Diode zuläßt Die relative Größe von Q\ und Q 2 wird durch die vorausgesetzten Eingangspegel, die gewünschten Aijsgangspegel. den Wert der Betriebsspannung + V sowie weiteren Faktoren bestimmt. In typischen Fällen wird Q 2 mit einem höheren Widerstandswert als Q1 ausgelegt, so daß sich aus der Abstimmung dieser öeiden Bauelemente der gewünschte Vorspannungspegei am Knotenpunkt Cergibt.

Im vorliegenden Beispiel beträgt der Spannungswert für die positive Betriebsspannung +V etwa 10 V ±10%. Aus dieser. 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 Q 1. 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 Qt voll einzuschalten, so daß der gemeinsame Verbindungspunkt D und damit der Ausgang Sauf 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 Ausgangskapazität 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 1 auf einen viel tieferen Strompegel umgeschaltet wird. Dies erlaubt der (in unterbrochenen Linien dargestellten) Ausgangskapazität, sich erneut über Q2 auf den oberen Pegel aufzuladen. Wie bereits gesagt, ist der Widerstand von Q2 erheblich größer als der von Qi, woraus sich die längere Verzögerung in F i g. 3 ergibt

Die Darstellung von F i g. 4 erläutert die Arbeitsweise des Feldeffekttransistors Q 3. In dem Strom-/5pannungsdiagramm ist der Arbeitsbereich um die Schwellcnspannung des Feldeffekttransistors Q3 herum dargestellt. Beim erstmaligen Hinschalten der Betriebsspannung 4- V von 0 auf 10 V wird über den durch Q 3 dargestellten Rück'iopplungspfad der gemeinsame Verbindungspunkt am Knoten C auf den gewünschten Pegel von 5(K) mV vorgespannt, was durch die Auslegung von Qi und Q2 bestimmt ist. Im Ruhezustand ist der durch O 1 fließende Strom elcuh

dem durch Q 1 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 Schwcllenspannungen /wischen 200 mV und 1 V schwanken können. E¹ π Aiislegungskriterium /um Erhalt ι mos aussagcfähigcn Ausgangssigmils am Aus gang ß besieht darin. daß dor Strom durch (J I nachdem Ιύη- b/w. Aiis-7.usland mindestens ein Ve-hältnis \on 4 : I aufweisen sollte. Der durch (J I fließende Strom u ird durch die Gleichung / = K(W. — V'/)-'erhalten, λ ist cmc durch den Pro/.eß und die Dimensic.nicrung der Bauelemente bestimmte Konstante. V₁. ist das Potential .in; (iate von (Ji. während V ; die Schwellenspannung μ Mi (J \ ist. Wenn angenommen wird, daß die Schu ellenspanniing \',· im Ein- und \us-/.iistand konstant bleibt, ist ersichilich. daß nut i.'incti \onO.">auf 1.0 V /iinehniendcn V-, das geforderte Str< nnerhallms MMi 4 I erhalten wird, lane \ erminderuni: der Vorspannung würde in einer Erhöhung des Siroimer haltiusses aber gleich/eilig auch in einer Verminderung der Stortoleran/ ties Si halikreises resultieren. Weiter hin ist es aber klar, daß em größerer I mgangssignalhuh die Arbeitsweise des Schaltkreises weller verbessern wird. Bei der Auslegung muß auf jeden lall beachtet werden, dal) die AusgaiiL'sspannung am Punkt B einen ausreichend hohen Spannungshub aufweisen muß. um die daran angeschlossenen weiteren Schaltkreise zuverlässig treiben /u können. Da in t\pis_t-hen !"allen das Ausgangssignal am Punkt /fan die Ciaic-Flek'rode eines weiteren Feldeffekttransistors gelegt wird, bedeutet dies, daß bei dem unteren Spannungspegel am Eingang A das Potential am Ausgang ß größer sein muß als die Schwellenspannung des nachfolgenden Feldeffekttransistors, linigekehrt muß das Potential am Ausgang 0 bei Anliegen des oberen Spannungspegels am Eingang A kleiner sein als die Schwellenspannung des nachfolgenden Feldeffekttransistors. Es wird angenommen, daß die Schwellenspannung des an den Ausgang ß angeschlossenen Bauelements ähnlich der Schwellenspannung der Feldeffekttransistoren Qi, (J 2 und (J3 ist. Dadurch wird die Wirkungsweise des ·. orliegcndcn Schaltkreises weiter verbessert.

Es ist weiterhin bekannt, daß Schwellcnspannungs Veränderungen nicht nur von Pro/eß- und Dimonsiimirringsveranderungen. sondern auch von der Vorspannung Source gegenüber dem Substrat abhängen. So win; das Substrat /.Ii. :'if etwa — i V gegenüber M.issepntential an der Source-Elcktrodc von (J I vdigfvpaiiiit. Da der Kuuieripunki C auf ein Poteiuiai L'inl'er als Massepotential vorgespannt ist. folgt daraus. d.itt die Source-Elektrode von (JJ gegenüber Substrat auf einen anderen Pegelwert als dem der Source Elektrode von (J I vorgespannt ist. Dieser Unterschied in der Si 'urcc/.Siibstratvnrspannung bewirkt, daß (J 3 stets einen höheren Schwellenwert als (J I aufweist, woraus -ich die in den E i g. 2 und 3 angegebenen typischen Wer'e ergeben.

\:isc. li.'ßend ist iesi/ustellen. daß eine Schaltung "esthrieben worden ist. in der der Feldeffekttransistor (J i Jen eigentlichen Signal-Fcldeffekitransistor (J 1 in der Nähe seiner Schwellenspan.uing vorspannt (ungeachtet der Tatsache, wie groß ii:tse Sehwellenspanmir.g -ein mag), wodurch der Feldeffekttransistor Q 1 in die Lage versetzt wird, aufgrund kleinerer Eingangsspan-•lurigen als den möglichen .-ichwcllenuertschwankungen entsprechend geschaltet ii werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuncen

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 (Qi) und eines Last-Feldeffekttransistors (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 Aufnahme der im Pegelschema für bipolare Transistoren vorliegenden Eingangssignale gekoppelt ist, und daß der Treiber-Feldeffekttransistor (Q 1) 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 1) mit dem Rückkopplungspfad ein Kondensator (Ci) eingeschaltet ist, dessen Kapazitätswert größer als die Eingangskapaätät de; Treiber-Feldeffekttransistors (Q 1) ist.

3. Schaltungsanordnung nac!» 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 1) 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 (Qi) geschaltete Last-Feldeffekttransistor (Q 2) bezüglich seiner Drain- und Gate-Elektrode eine elektrische Verbindung aufweist