DE2438519A1

DE2438519A1 - Logische gatterschaltung

Info

Publication number: DE2438519A1
Application number: DE2438519A
Authority: DE
Inventors: Barry Howard Soloway
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-08-13
Filing date: 1974-08-10
Publication date: 1975-02-27
Also published as: US3839646A; GB1468980A; CA1011406A; JPS5046249A

Description

ELUMBAGH WESER ■ BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE-: IN WIESBADKN UND MÜNCHEN 9 Λ ^ ß R 1 Q

DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DlPL-PHYS. DR. W. WESER ■ DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

WIESBADEN . SONNENBERGER STRASSE 43 ■ TEL (06121) 56Ϊ9Χ3, 561998 MÖNCHEN

Western Electric Company

Incorporated
Ne ν/ York, N. Y., U. S. A. Solo way I

Logische Gatterschaltung

Die Erfindung betrifft eine logische Gatterschaltung mit einem Dateneingangstransistor in Reihe mit einem Belastungselement zwischen einem ersten Potentialanschluß und einem zweiten Potentialanschluß sowie mit einem Ausgangsanschluß zwischen dem Eingangstransistor und dem Belastungselement.

Man verwendet in vielen Schaltungen Feldeffekttransistoren, um dadurch für ein breites FunktionsSpektrum, inbegriffen das Durchschalten von logischen Signalen und die Signalumwandlung, zu sorgen. Eine bekannte logische Gatterschaltung mit Feldeffekttransistoren weist zwischen einem Potentialanschluß "logisch eins' und einem Potentialanschluß "logisch null" zwei in Reihe liegende Feldeffekttransistoren auf. In der Regel dient der eine Feldeffekttransistor als Gattereingang und der

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zweite Feldeffekttransistor als Belastungselement, wobei das logische Gatterausgangssignal über eine gemeinsame Anschlußstelle zwischen den beiden Feldeffekttransistoren anliegt. Das Übergangsgebiet solcher bekannten logischen Gatte rs chaltungen mit Feldeffekttransistoren liegt dichter beim positiveren (logischen) Potential. Aufgrund dieses Merkmals ergibt sich ein geringer Rauschspielraum bzw, eine geringe Rauschmarge (noise margin), wenn das an die Steuerelektrode des eingangsseitigen Feldeffekttransistors angelegte Eingangssignal bei dem positiveren Potential liegt. Die Rauschmarge jedes logischen Zustandes würde wunschgemäß etwa gleich werden/ wenn man die Übergangszone ungefähr auf die Mitte zwischen dem Potential "logisch eins" und "logisch null" einrichten würde. Doch selbst dann ist die Übergangsgebietbreite bekannter Gatterschaltungen in der Regel empfindlich in Bezug auf Bauelementveränderungen, die bei der Herstellung auftreten und die Rauschmarge ebenfalls nachteilig beeinflussen können.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht also darin, das Über-

gangsgebiet sowohl zu zentrieren als auch schmaler zu machen.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von einer logischen Gatterschaltimg der eingangs genannten Art aus und ist dadurch gekennze ichnet,

daß ein zweiter Transistor zwischen dem Eingangstransistor und dem ersten Potentialanschluß angeordnet ist und daß ein dritter Transistor parallel zum Eingangstransistor und dem Belastungselement geschaltet ist, und zwar zwischen dem zwei- * ten Potentialanschluß und dem gemeinsamen Verb in dung spunkt von Eingangstransistor und zweitem Transistor.

Bei dem erfindungsgemäß zwischen den Potentialanschlüssen "logisch eins" und "logisch null" einer logischen Gatterschaltung vorgesehenen Netzwerk ist die Verbindung zum Anschluß mit dem positiveren Potential aufgetrennt und dieser Anschluß einem mittleren Netzwerkabzweig zugeordnet. Das Netzwerk weist zwischen den beiden Potentialanschlüssen zwei in Reihe geschaltete Feldeffekttransistoren auf, die als Spannungsteiler-

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und Konstantstromschaltung arbeiten. Weil das Potential am mittleren Abzweig zwischen den beiden Anschlußpotentialen liegt, wird das Übergangsgebiet der logischen Gatterschaltung zum weniger positiven Potential hin verschoben, wobei das Übergangsgebiet ungefähr auf die Mitte zwischen dem Potential "logisch einsj' und "logisch Null" eingerichtet wird.

Einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal zufolge sind die jeweiligen Steuerelektroden der beiden Feldeffekttransistoren in der zweiten Schaltung gemeinsam mit dem Anschluß verbunden, an dem ein weniger positives Potential anliegt, damit der eine Feldeffekttransistor in seinem Triodengebiet und der andere Feldeffekttransistor in seinem Sättigungsgebiet arbeitet. Dadurch wird das an den mittleren Abzweig des Spannungsteilers angelegte Potential für Veränderungen der Schaltungsschwellwertpotentiale empfindlich gemacht, wie sie bei der Bauelementherstellung auftreten. Diese Empfindlichkeit ist von der Art, daß das Übergangsgebiet dadurch schmaler wird.

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Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine bekannte logische Gatterschal

tung in Form eines Inverters mit Feldeffekttransistoren und

Fig. 2 ein verbessertes und erfindungsgemäß

modifiziertes Ausführungsbeispiel der logischen Gatterschaltung gemäß Fig.

Die Fig. 1 zeigt eine logische Gatterschaltung in Form eines Inverters mit zwei zwischen den Potentialanschlüssen "logisch eins" und "logisch null" in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren. Beschreibungshalber werde hier angenommen, daß das Potential "logisch eins" für größer oder positiver als das Potential "logisch null" ist. Die Drain-Elektrode IOD des als Belastungselement dienenden Feldeffekttransistors 10 ist mit dem

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"logisch null"-Anschluß V verbunden. Die Steuerelektrode

1OG liegt an einem Vorspannungsanschluß V_TT . Die

^ö f ο Vorspannung

Source-Elektrode 1OS und die Drain-Elektrode 2OD des Dateneingangs-Feldeffekttransistors 20 sind über einen gemeinsamen Knotenpunkt Nl mit dem Ausgangsanschluß V. verbunden. Die

AUo

Steuerelektrode 2OG liegt am Eingangssignalanschluß V

hi IJN

und die Source-Elektrode 2OS am "logisch eins"-Anschluß

Kurz gesagt arbeitet die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung wie folgt: Wenn das an den Anschluß V angelegte Potential

das Potential "logisch eins" ist, dann wird das dem Ausgangsanschluß V. _TTC zugeführte Potential zum Potential "logisch

AUo

null". Wenn umgekehrt das an den Eingangs anschluß V„_T1._T

iiilJN

angelegte Potential das Potential "logisch null" ist, dann wird das dem Ausgangsanschluß V. _c zugeführte Potential zum Potential "logisch eins". Wenn das an den Eingangsanschluß Vp -angelegte Potential zwischen'den beiden extremen "logisch eins" und "logisch null" liegt, kann sich das dem Aus-

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gangsanschluß V. _c zugeführte Potential, in einem Übergangsgebiet befinden.

Spezieller gesagt, ist der Anschluß V_Tr in der Regel

^ ^{& &} Vorspannung ^s

an eine Potentialquelle angeschaltet, deren Potential betragsmäßig so bemessen ist, daß der Feldeffekttransistor 10 in seinem Triodengebiet, im Zustand "normal EIN" oder im leitenden Zustand arbeitet. Wenn das an den Eingangs ans chluß V angelegte Potential das Potential "logisch eins" ist, ist der Feldeffekttransistor 20 abgeschaltet oder nichtleitend. Wenn das an den Eingangsanschluß Y angelegte Potential unter das Potential "logisch eins" vermindert wird und das Einschaltpotential des Feldeffekttransistors 20 erreicht, wird dieser leitend. Wenn das an den Eingangs ans chluß V--,.,-^ angelegte Potential weiter bis zum Potential "logisch null" vermindert wird, tritt der Feldeffekttransistor 20 in sein Triodengebiet ein und wird voll leitend, so daß das dem Ausgangsanschluß V. _o zugeführte Potential zum Potential "logisch eins" wird. Der schließliche, am Ausgangsan-

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Schluß V. _TO anliegende Potentialbetrag ist in erster Linie

Ά U ο

vom Verhältnis der Übergangsleitwerte (transconductance) des Feldeffekttransistors 10 und des Feldeffekttransistors 20 abhängig.

Der Übergang zwischen logischen Zuständen findet, wenn sich das an den Eingangsanschluß V„ angelegte Potential

hi LN

von "logisch eins" nach "logisch null" bewegt, in der Regel sehr dicht beim Potential "logisch eins" statt, spezieller gesagt, etwa beim. Betrage des Schwell we rtpotentials unterhalb des Potentials "logisch eins". Die Sch we Il wert spannung eines Feldeffekttransistors ist als die Differenz zwischen der Source-Drain-Spannung und der E in schalt spannung definiert, welch letztere die Steuerelektroden-Drainspannung ist, die erforderlich ist, um einen leitenden Kanal zwischen der Source- und Drainelektrode zu schaffen. Die Schwellwertspannung eines Feldeffekttransistors ist ein Entwurfsparameter, der während der Herstellung gesteuert werden kann. Bekannte Schwellwertspannungen liegen zwischen 0, 6 und 1,4 Volt und

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ändern sich abhängig von Herstellungstoleranzen und Anwendungszielen. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Potential "logisch eins" 5 Volt beträgt und das Potential "logisch null" Erdpotential ist, liegt die sich ergebende "logisch eins"-Rauschmarge im Vergleich zu einer "logischnull"-Rauschmarge von ungefähr 3, 6 Volt bei etwa 0, 6 Volt, wobei das Übergangsgebiet größenordnungsmäßig 0, 8 Volt breit ist und der Unterschied zwischen Bauelementen mit hohen und niedrigen Schwellwerten wiedergegeben wird. Solch eine schmale "logisch eins"-Rauschmarge reicht in Umgebungen mit starkem Rauschen, wie man sie häufig bei Fernsprechanlagen antrifft, nicht aus. Ih derartigen An wendungs fällen sind logische Schaltungen wünschenswert, die ungefähr gleiche "logisch eins"- und "logisch null"-Rauschmargen aufweisen, damit eine stabile Arbeitsweise erreicht wird.

Die Rauschmargen werden ungefähr gleich, wenn loan zusätzlich eine Spannungsteiler- und Konstantstromschaltung

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mit den Feldeffekttransistoren 30 und 40 vorsieht, die als Belastungselemente dienen und in Reihe zwischen den Anschlüssen V und V liegen. Das ist in der Fig. 2 mit einem logischen Gatter als Ausführungsbeispiel wiedergegeben. Mit Ausnahme der Source-Elektrode 2OS fes Feldeffekttransistors 20 sind die Feldeffekttransistoren 10 und 20 in derselben Weise verbunden, wie das bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 erörtert wurde. Die Source-Elektrode 2OS und die Drain-Elektrode 30D des Feldeffekttransistors 30 sind über einen ihnen gemeinsamen Knotenpunkt N2, der einen Mittelabtriff darstellt, mit der Source-Elektrode 4OS des Feldeffekttransistors 40 verbunden. Die Drain-Elektrode 4OD liegt am Anschluß V und die Source-Elektrode 30S am Anschluß V₁. Die Steuerelektroden 30G und 4OG liegen gemeinsam am Anschluß V .

Die Funktion der in der Fig. 2 dargestellten Feldeffekttransistoren 10 und 20 ist im wesentlichen dieselbe, wie sie in Verbindung mit der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung be-

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schrieben wurde. Durch den Umstand, daß die Feldeffekttransistoren 30 und 40 zwischen den Anschlüssen V und V in Serie geschaltet sind, führt zu einer Spannungsteilung im Knotenpunkt N2. Aufgrund des niedrigeren Potentials im Knotenpunkt N2 wird das Übergangsgebiet des logischen Gatters bis zu einem Punkt verschoben, der ungefähr in der Mitte zwischen den Potentialen "logisch eins"· und "logisch null" liegt. Dadurch wird die "logisch eins"-Rauschmarge größer und die "logisch null"-Rauschmarge kleiner ■ und bewirkt, daß die beiden bezeichneten Margen im wesentlichen gleich werden.

Doch selbst wenn das Ubergangsgebiet zentriert ist, kann es wegen der Herstellungstoleranzen breit genug werden, um die Rauschmargen nachteilig zu beeinflussen. Die effektive Übergangsgebietbreite wird entsprechend einem bereits oben gemachten Vorschlag in günstiger Weise verschmälert, weil das Potential im Knotenpunkt N2 empfindlich auf Änderungen der Feldeffelrttransistor-Schwellwertspannung reagiert. Das

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Potential im Knotenpunkt N2 ist in erster Linie vom Verhältnis der Übergangsleitwerte des Feldeffekttransistors 30 und 40 abhängig. Der Übergangsleitwert eines Feldeffekttransistors ist dann wiederum in erster Linie von der geometrischen Beschaffenheit des Feldeffekttransistors, und, wenn der Feldeffekttransistor speziell in seinem Sättigungs gebiet arbeitet, von der Schwellwert spannung des bezeichneten Feldeffekttransistors abhängig. Im Falle des in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem die Steuerelektroden 3OG und 4OG mit dem Anschluß V_n verbunden sind, arbeitet der Feldeffekttransistor 30 in seinem Triodengebiet , wohingegen der Feldeffekttransistor £0 in seinem Sättigungs gebiet tätig ist. Ein Feldeffekttransistor mit einer hohen Schwellwertspannung weist, wenn er in seinem Sättigungs gebiet arbeitet, in der Regel einen niedrigeren Übergangsleitwert (transconductance) als ein ähnliches Bauelement, das in seinem Triodengebiet arbeitet, auf. Also drückt sich die auf den Knotenpunkt N2 bezogene Potentialempfindlichkeit gegenüber Änderungen der Schwellwertspannungen in der

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Weise als Schwankung des Potentiales im Knotenpunkt N2 aus, daß eine Abnahme der Schwell we rtspannung des Feldeffekttransistors 40 eine Zunahme der Spannung über dem Feldeffekttransistor 30 bewirkt. Umgekehrt führt eine Zunahme der Schwellwertspannung des Feldeffekttransistors 40 zu einer Abnahme der Spannung über dem Feldeffekttransistor. 30. Wenn also die mit der Herstellung des Feldeffekttransistors 40 verbundene Schwell we rtspannung groß ist, ist das im Knotenpunkt N2 anliegende Potential größer, als es der Fall gewesen wäre, wenn die Schwellwertspannung des Feldeffekttransistors 40 Meiner gewesen wäre. Die Wirkung der größeren Schwellwertspannung besteht offensichtlich darin, daß dem Spannungsteiler teilweise entgegengearbeitet und dadurch der hohe Schwellwertspannungsübergang zum Potential "logisch eins" hin verschoben wird, und zwar in der Größenordnung von 0, 3 Volt. Die Gesamtwirkung zeigt sich darin, daß das Übergangsgebiet von etwa 0, 8 Volt auf etwa 0, 5 Volt reduziert wird. Ferner ist die Netzwerkausbringung derart , daß die Abnahme der "logisch null"-Rauschmarge zunehmend

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kleiner und das Übergangsgebiet schmaler wird.

Der in der obigen Beschreibung geraachte Lösungsvorschlag kann auch für verschiedene andere bekannte logische Schaltungsanordnung en mit Feldeffekttransistoren und zwischen zwei logischen Potentialanschlüssen realisiert werden, um die Rauschmargen dieser logischen Schaltungsanordnungen zu verbessern.

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Claims

DIPL.-ING. R. KRAMER MÖNCHEN 15 PATENTANSPRÜCHE

1. Logische Gatterschaltung mit einem Dateneingangs -

transistor (20) in Reihe mit einem Belastungselement (10) zwischen einem ersten Potentialanschluß (V₁) und einem zweiten Potentialanschluß (V ) sowie mit einem Ausgangsanschluß (V. ) zwischen dem Eingangstransistor und dem Belastungselement, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Transistor (30) zwischen dem Eingangstransistor (20) und dem ersten Potentialanschluß (V ) angeordnet ist und " daß ein dritter Transistor (40) parallel zum Eingangstransistor (20) und dem Belastungselement geschaltet ist, und zwar zwischen dem zweiten Potentialanschluß (V ) und dem gemeinsamen Verbindungspunkt von Eingangstransistor (20) und zweitem Transistor (30).

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2. Logische Gatterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden des zweiten und dritten Transistors gemeinsam mit dem zweiten Potentialanschluß (V-) verbunden sind.

3. Logische Gatterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs-, der zweite und dritte Transistor sowie das Belastungselement je ein Feldeffekttransistor sind.

4. Logische Gatterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Belastungselement und der zweite Transistor darauf abgestimmt sind, in ihrem Triodengebiet zu arbeiten und der dritte Transistor im Sättigungsgebiet arbeitet.

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