DE2825443C2 - Logische Schaltung mit Feldeffekt- Transistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betriff· eine neuartige logische Schaltung mit Feldeffekttransistoren mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit und geringem Leistungsverbrauch, die mit FET vom Anreicherungs- und Verarmungstyp aufgebaut ist

Beschreibung des Standes der Technik

Logische Schaltungen mit FETs, die sowohl Feldeffekttransistoren vom Verarmungstyp als auch vom Anreicherungstyp benutzen, sind allgemein bekannt Die in Fig. 1 dargestellte NOR-Schaltung besteht aus einer Anzahl parallel geschalteter Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp TA und TB sowie einem Last-FET vom Verarmungstyp TC Ein an einem der Knotenpunkte zugeführtes Eingangssignal mit hohem Potential liefert ein Ausgangssignal mit niedrigem Potential. Wenn alle Eingangsknotenpunkte auf niedrigem Potential gehalten werden, dann lädt sich der Ausgangsknotenpunkt auf ein hohes Potential auf. Ein bekannter Vorteil eines als Last- eingeschalteten sich selbst vorspannenden FET des Verarmungstyps liegt darin, daß sich der Ausgangsknotenpunkt auf das volle hohe Potential aufladen kenn, dt.; durch die positive Betriebsspannungsquelle geliefert wird Eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung dieser bekannten Schaltung findet sich beispielsweise in der US-Patent schrift 37 75 693.

Eine Schwierigkeit bei dieser soeben beschriebenen logischen Schaltung besteht darin, daß die innenliegenden Knotenpunkte von OVoIt auf +5 Volt und umgekehrt umschalten müssen (ein logischer Potential-

sprung von 5 Volt), damit logische binäre Information übertragen werden kann. Hunderte derartiger logischer Schaltungen können beispielsweise auf einem einzigen Halbleiterplättchen untergebracht werden. Solche FET-Schaltungcn haben bekanntlich relativ hohe Lastkapazi-

täten, die in F i g. 1 mit CL angedeutet sind, die bei jedem Umschalten aufgeladen und entladen werden müssen, leder der Feldeffekttransistoren innerhalb der Schaltungen hat im eingeschaltetem Zustand einen endlichen Leitwert, die in Verbindung mit der Lastkapazität ein ÄC-Glied bildet. Es ist bekannt, die Leitfähigkeit von Feldeffekt-Transistoren zur Verringerung der /?C-Zeitkonstante zu vergrößern und damit auch die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung heraufzusetzen. Das hat jedoch den Nachteil, daß Feldeffekttran - sistoren mit einer höheren Leitfähigkeit auch mehr Leistung verbrauchen und auf der Halbleiteroberfläche normalerweise auch mehr Raum einnehmen, wobei gerade diese beiden Eigenschaften im höchsten Maße

unerwünscht sind.

Im Stand der Technik sind auch andere Anwendungen für Feldeffekttransistoren vom Verarmungs- bzw. Anreicherungstyp bekannt, wie dies beispielsweise IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 18, Nr. 5, vom Oktober 1975, Seite 1450 zeigt Diese Schaltung ist in F i g, 2 dargestellt Für einen eingangsseitigen Potentialsprung von 0 auf 3 Volt wird ausgangsseitig ein Potentialsprung von 0,5 auf +8,5 Volt abgegeben. Die Schaltung enthält dabei einen FET vom Anreicherungstyp TE und mehrere FETs, TD, TF und TG vom Verarmungstyp. Das Eingangssignal wird der Source-Elektrode des FET TD zugeführt dessen Gate-Elektrode geerdet ist und wird der Gate-Elektrode des FET TE vom Anreicherungstyp zugeführt der zusammen mit is dem Last-FET TG mit automatisch erzeugter Vorspannung vom Verarmungstyp als Inverter arbeitet

Eine ähnliche Schaltung ist im IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 18, Nr. 11, April 1976, auf Seite 3723 beschrieben. Hier handelt es sich um eine Potentialanpaßschaltung mit zwei Feldeffekt-Transistoren vom Verarmungstyp, die den Transistoren TD und TFin der erstgenannten Literaiursteüe entsprechen. Jn dieser zweiten Veröffentlichung sind bestimmte Verhältnisse von Breite zu Länge und SpannungEschwellwerte offenbart und die Potentiale von Eingangssignal und Spannungsversorgung sind verschieden. Im übrigen arbeiten diese beiden bekannten Schaltungen in gleicher Weise, d.h. beide Schaltungen liefern ausgangsseitig logische Potentialsprünge, die im wesentlichen gleich der Differenz der angelegten Versorgungsspar.nungen sind. Da die in allen bisher beschriebenen, zum Stand der Technik gehörenden Schaltungen (Fig. I und 2) erzeugten Spannungsamplituden praktisch gleich der vollen Versorgungsspannung sind, wird angenommen, daß der Leistungsverbrauch und die Schaltzeiten vergleichbar sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Feldeffekttransistor-Schaltung mit Transistoren vom Anreicherungs- und Verarmungstyp zu schaffen, die ein verbessertes Leistungsverhallen aufweist Dies soll vorzugsweise durch Verringerung der Spannungsamplituden erreicht werden, ohne daß dabei der Leitwert des Ausgangstransistors verringert wird. Vor allen Dingen sollen derartige mit Feldeffekttransistoren aufgebaute logische Schaltungen binäre logische Spannungsamplituden liefern, die wesentlich geringer sind als die Potentialdifferenz der angelegten Versorgungsspannung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine neue logische Schaltung mit Feldeffekttransistoren vom Anreicherungs- und Verarmungstyp vorgeschlagen, wobei die Grundschaltung zwei Feldeffekttransistoren vom Verarmungstyp und einen oder mehrere Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp enthält. Ein erster Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp liegt mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen dem Eingangsknotenpunkt und einem innenliegenden Knotenpunkt während die Gate-Elektrode an einem Festpotental wie zum Beispiel Erdpotential angeschlossen ist, Ein mit automatischer Vorspannung arbeitender Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ist zwischen dem positiven Potential VDD und dem gleichen innenliegenden Knotenpunkt angeschlossen. Einer oder mehrere Ausgangs-Feldeffektt'ansistoren vom Anreicherungstyp sind mit ihren Gate-Elektroden gemeinsam an dem innenliegenden Knotenpunkt angeschlossen, während ihre Source-Elektmden an einem negativen festen Potential wie zum Beispiel Erdpotential, angeschlossen sind. Die Drain-Elektroden eines orler mehrerer Ausgangs-Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp stellen die offenen Drain-Ausgänge für nachfolgende Stufen dar. Eine Anzahl solcher Grundschaltungen sind sowohl zueinander parallel als auch in Reihe geschaltet und dienen der Durchführung von logischen Funktionen auf einem Halbleiterplättchen. Die logische Ausgangsspannungs-Amplitude an den offenen Drain-Ausgängen der Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp hängt von der Schwellenspannung des Eingangs-Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp der nächstfolgenden Stufe ab.

Wenn also beispielsweise ein positives Potential von +5VoIt und ein negatives Potential von OVoIt als Betriebsspannungen für die logischen Schaltungen angelegt sind und die Schwellenspannung des Eingangs-Transistors vom Verarmungstyp bei —2 Volt liegt, dann schwenkt das Potential an den offenen Drain-Ausgangselektroden zwischen angenähert 0 Vr \ und angenähert +2 Volt Dies ist ein deutlicher Unterschhd gegenüber bekannten logischen FET-Schaltungen, bei denen die Ausgangsspannungsamplitude am Ausgang jeder Grundschaltung praktisch gleich der Betriebsspannung ist Eine ;;o stark verringerte Ausgangsspannungsamplitude setzt natürlich den Leistungsverbrauch und die notwendige Wärmeableitung herab und verbessert damit das Betriebsverhalten der Schaltung.

Der Ausgangstransistor vom Anreich^rungstyp wird an seiner Gate-Elektrode mit der vollen logischen Spannungsamplitude angesteuert wodurch seine Leitfähigkeit erhalten bleibt. Würde an der Gate-Elektrode dieses Transistors vom Anreicherungstyp ein verringertes Potential liegen, dann müßte seine Größe (das Verhältnis Breite zu Länge) erhöht werden, um seine Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Ein größerer Transistor hätte aber eine größere Eingangskapazität was die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung herabsetzen würde. Die Verbesserung im Lesitungsbedarf und im Betriebsverhalten der neuen Schaltung gegenüber dem Stan J der Technik gemäß F i g. 4, wenn die Grundschallungen auf einer vergleichbar großen oder selbst kleineren Oberfläche eines Halbleiterplättchens untergebracht sind, beträgt mindestens 5 : 1.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind ebenfalls den Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen. In den Zeichnungen zeigen

F i g. 1 und 2 Feldeffekttransistor-Schaltungen des Standes der Technik unte- Verwendung von FETs vom Verarr.ungs- und Anreicherungstyp,

F i g. 3 eine Art einer gemäß der Erfindung aufgebauten logischen Schalttag,

Fig.4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten logischen Schaltung,

F i g. 5 eine Ausgangs-Treiberstufe, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann und

F i g. 6 eine Eingangsschaltung, die in Verbindung mit der Erfindung verwendbar ist.

Einzelbeschreibung

Fig. 3 zeigt eine logische NOR-Schaltung, die die gleiche logische Funktion durchführt, wie die zum Stand

der Technik gezeigte Schaltung in Fig. 1. Ein erstes Eingangssignal liegt an der Eingangsklemme A und liegt damit an einer der gesteuerten Elektroden eines Feldeffekttransistors 71 vom Verarmungstyp. Die anders gesteuerte Elektrode des FET 71 vom Verarmungstyp ist an dem Knotenpunkt X angeschlossen. Die steuernde Elektrode (Gate-Elektrode) von 71 ist an Erdpotential angeschlossen. Die Schwellenspannung von 71 liegt bei etwa —2 Volt, obwohl dem Transistor 71 durch an sich bekannte Fertigungsverfahren auch andere Schwellenspannungen gegeben werden können. Der Feldeffekttransistor 72 vom Verarmungstyp ist mit einer seiner gesteuerten Elektroden an dem Knotenpunkt X angeschlossen, während die andere gesteuerte Elektrode am Vorspannungspotential VDD angeschlossen ist. Der Transistor 72 vom Verarmungstyp ist ein mit automatischer Vorspannung arbeitender Lasttransistor, dessen Gate-Elektrode an derjenigen gesteuerten Elektrode angeschlossen ist. die auch mit dcrn Knotenpunkt X verbunden ist. Fe!d£ffsktir2n^ci^ctr*r 73 vom Anreicherungstyp ist mit einer seiner gesteuerten Elektroden (das ist die Source-Elektrode) an Erdpotential angeschlossen, während die andere gesteuerte Elektrode, d.h. die Drain-Elektrode am Ausgangsknotenpunkt angeschlossen ist. Die Gate-Elektrode von 73 ist am Knotenpunkt Xangeschlossen. In Fig. 3 entsprechen die Transistoren 711, 712 und 713 nach Art, Aufbau und Schaltungsanordnung den Transistoren 71, 72 und 73. Das Eingangssignal wird einer der gesteuerten Flektroden von 711 an der Eingangsklemme B zugeführt, nach dem Knotenpunkt Y und der Gate-Elektrode von 713 übertragen. Die offene Drain-Ausgangselektrode von 713 ist außerdem am Ausgangsknotenpunkt angeschlossen, so daß dieser Knotenpunkt durch die Ausgänge beider Transistoren

73 und 713 angesteuert wird.

Fig.4 zeigt eine etwas ausführlichere logische Schaltung gemäß der Erfindung. Man findet dabei die Gmndschaltung gemäß F i g. 3 innerhalb der F i g. 4 und entsprechende Schaltelemente sind, soweit dies praktisch erschien, mit einem gestrichenen Bezugszeichen versehen worden. Das heißt somit, daß die Transistoren 71', 72' und 73' und der Knotenpunkt X'unmittelbar den Bezugszeichen in F ι g. 3 entsprechen. Die logische Blockschaltung 10 enthält diese soeben erwähnten drei Transistoren sowie einen vierten Feldeffekttransistor

74 vom Anreicherungstyp. Transistor 74 ist mit seiner Gate-Elektrode am Knotenpunkt X'angeschlossen, die Source-Elektrode ist mit Erdpotential verbunden, und die Drain-Elektrode liegt am offenen Drain-Ausgang. Die logische Schaltung kann daher zwei verschiedene Ausgänge ansteuern. Dies wird im allgemeinen auch als Fan-out bezeichnet. Dieses Fan-out kann, wie durch gestrichelte Linien an der Gate-Elektrode von 74 angedeutet, auch noch erweitert werden.

Die Transistoren TW, TXT und 713' entsprechen genau den in Fig.3 dargestellten Transistoren 711, 712 und 713. Der Transistor 714 liegt mit seiner Gate-Elektrode an dem Knotenpunkt Y', seire Source-Elektrode ist an Erdpotential angeschlossen und die Drain-Elektrode, die am Ausgang angeschlossen ist, zeigt eine weitere Ausgangsmöglichkeit für die Gesamtschaltung auf. Die Transistoren 721, 722, 723 und 724 entsprechen genau den Transistoren 71Γ, 712', 713' bzw. 714. Die offenen Drain-Ausgänge von 73' und 713' sind zusammengeschaltet, und die offenen Drain-Ausgänge von 74 und 723 sind ebenfalls miteinander verbunden. In gleicher Weise sind die offenen Drain-Ausgänge von 714 und 724 zusammengeschaltet. Diese Querverbindungen ergeben die gewünschten logischen Funktionen. Demgemäß hängen diese ausgewählten Verbindungsleitungen von der gewünschten logischen Funktion ab.

Als nächstes wird der logische Block 20 beschrieben. _; Der einzige Unterschied zwischen dem logischen Block ·; 20 und dem logischen Block 10 besteht darin, daß hier drei Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp dargestellt sind mit einer Fan-out-Kapazität von 3. Im >_ übrigen ist die Anordnung und die Zusammenschaltung | der Transistoren 731. 732. 733 und 734 identisch mit ί den Transistoren TV, 72', 73' bzw. 74. Zusätzlich sei darauf verwiesen, daß ein dritter Transistor 735 vom Anreicherungstyp an dem irinenlicgenden Knotenpunkt angeschlossen ist, daß seine Source-Elektrode mit Erdpotential verbunden ist und daß die offene Drain-Ausgangseleketrode an einen Ausgangsknotenpunkt geht. Am Eingang von 731 liegen die von den

τ« f\t t &n&r\ ι !rom« a ucoQncfpri ^ π Fi / % tin rl / ι λ IC nmrnPTl -

den Signale.

Die bisher beschriebene Schaltung ist ein Beispiel für interne logische Schaltungen und logische Ausgangsklemmen und Knotenpunkte innerhalb eines Halbleiterplättchens, die normalerweise von außen nicht zugänglich sind. Wenn das zu erzeugende logische Signal außerhalb des die logische Schaltung enthaltenen Halbleiterplättchens benötigt wird, kann eine Schaltung gemÄ'i F i g. 5 verwendet werden. Die Schaltung besteht auj den beiden Transistoren 741 und 742 vom Verarmungstyp und dem Transistor 743 vom Anreicherungstyp. Der Eingangsknotenpunkt dieser Schaltung ist an einem der Ausgänge einer Schaltung, wie z. B. dem logischen Schaltungsblock 20 (Fig.4) angeschlossen.

Die Transistoren 741, 742 und 743 iincl konstruktiv wie die Transistoren 71. 72 bzw. 73 in Fig. 3 aufgebaut und ebenso geschaltet. Um jedoch eine höhere logische Spannungsamplitude zu erzeugen, insbesondere eine höhere Ausgangsspannungs-Amplitude. wird ein Lastwiderstand R zwischen einer positiven Potentialquelle von + V2uni der Drain-Elektrode von 743 eingeschaltet. Damit weist 743 keine offenen Drain-Ausgang auf. Der Widerstand R ist vorzugsweise außerhalb des Halbleiterplättchens angeordnet, so daß sein Leistiingsverbrauch und die dort erzeugte Wärme auf dem Halbleiterplättchen und bei der Konstruktion der entsprechenden Packung nicht berücksichtigt werden muß. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Transistor 743 viel größer

so ausgeführt sein kann, als die Transistoren der innenliegenden logischen Schaltungen. Da ein Halbleiterplättchen nur eine begrenzte Anzahl von Ausgang^ireiberstufen aufweist, wird dadurch, daß 743 und die übrigen Transistoren der Ausgangstreiberstufen eine größere Fläche einnehmen als die für die logischen Schaltungen verwendeten Transistoren, die dadurch benötigte zusätzliche Fläche nicht allzu sehr ins Gewicht fallen. Es sei ferner in bezug auf F i g. 5 darauf verwiesen, daß eine Klemme von R an + V2 angeschlossen ist wobei diese Spannung für eine noch größere Ausgangsspannungs-Amplitude höher sein kann als + VDD. Selbstverständlich kann es gleichermaßen erwünscht sein, + V2 gleich oder auch kleiner als VDD zu wählen. Anstelle der Ausgangstreiberstufe gemäß F i g. 5 können auch andere Schaltungen benutzt werden. Beispielsweise könnte die in F i g. 2 dargestellte, an sich bekannte Schaltung so abgewandelt werden, daß sie eine interne Spannungsamplitude von 0 bis +2,0 Volt aufnimmt und

ausgangsseitig eine Spannungsamplitude von 0,5 bis + 8,5 Volt liefert.

In gleicher Weist, wie eine bestimmte Ausgangsstufe für die hier offenbarte Schaltung als Ausgangstreiberstufe arbeitet, ist in Fig.6 eine entsprechende Eingangsstufe dargestellt. Das von außerhalb des Halbleiterplättchens(oder von einem anderen Eingang) kommende Signal wird an der Gate-Elektrode eines Transistors 755 vom Anreicherungstyp zugeführt, dessert Drain-Source-Strecke zwischen einer der gesteuerten Elektroden von 751 und Erde angeschlossen ist. Die andere gesteuerte Elektrode ^es Transistors 751 vom Verarmungstyp ist an einem innenliegenden Knotenpunkt angeschlossen, während die Gate-Elektrode mit Erdpotential verbunden ist. Last-FET 752 vom Verarmungstyp mit automatischer Vorspannung ist mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen + VDD und dem inncnliegenden Knotenpunkt angeschlossen, wiihrend die Gate-Elektrode ebenfalls an dem innenliegenden Knotenpunkt li^pg· Fine Anzahl von Transistoren Γ53, 754 (abhängig von dem gewünschten Fan-out) vom Anreicherungstyp liegen mit ihren Gate-Elektroden an dem innenliegenden Knotenpunkt, während ihre Source-Elektroden an Erdpotential angeschlossen sind. Die Drain-Elektrode von 753 ist am Ausgang 1 angeschlossen, während die Drain-Elektrode von 754 am Ausgang 2 angeschlossen ist, wobei diese Ausgänge intern an Eingangsklemmen von logischen Schaltungen, wie zum Beispiel an den Eingangsklemmen A oder Sin F i g. 3 angeschlossen sind.

Die Schaltung gemäß F i g. 6 kann, wie dies durch die ge trichelte Leitung 55 dargestellt ist, mit weiteren Eingangsklemmen verbunden sein. Diese Eingangsklemmen wären normalerweise an gemeinsam geschalteten Ausgangsanschlüssen von den Drain-Elektroden von Ausgangs-FETs vom Anreicherungstyp angeschlossen. Dadurch erhält man eine zusätzliche logische Schaltungsmöglichkeit, da insbesondere dadurch die bei der Signalverteilung auftretenden Beschränkungen verringert und die Anforderungen an die interne Verdrahtung herabgesetzt werden. Transistor 755 dient als Sperrstufe und ermöglicht es. daß eine große Anzahl logischer Funktionen gleichzeitig taktmäßig nach einer nächstfolgenden Stufe weitergeschaltet werden können.

Arbeitsweise der Schaltung

Die Arbeitsweise einer erfindungsgemäß aufgebauten Schaltung soll zunächst anhand von F i g. 3 beschrieben werden. An der Klemme A wird ein erstes Eingangssignal aufgenommen. Unter der Annahme der dargestellten Versorgungsspannungen bei einer Schwellenspannung des Transistors 71 vom Verarmungstyp bei — 2 Volt würde das Eingangssignal im Bereich zwischen 0 und +2 Volt liegen. Zunächst soll die Klemme A bei 0 Volt liegen. Dadurch entsteht ein Gleichstromkreis von +5 Volt über die Transistoren Tl und T\ nach 0 \ olt. Die Verhältnisse von Breite zu Länge bei T2 und Π sind so gewählt, daß der Leitwert von Π viel höher ist als der von T2. Umgekehrt weist TI im eingeschalteten Zustand einen viel höheren Innenwiderstand auf als Ti. Die sich daraus ergebende Spannungsteilerwirkung bringt den Knotenpunkt ATauf nahe 0 Volt. Da die Source-Elektrode von Ti an Erdpotential angeschlossen ist, sperrt die zwischen Gate- und Source-Elektrode von 73 liegenden Vorspannung diesen Transistor. Zu diesem Zeitpunkt sei angenommen, daß der das Eingangssignal liefernde Transistor (in F i g. 3 nicht gezeigt), der die Klemme A bei OVoIt hält, gesperrt wird, so daß die Klemme A effektiv leer läuft. Der Knotenpunkt Xbeginnt sich nun durch den von der Spannungsversorgung VDD über Tl fließenden Strom auf ein oberes Potential aufzuladen. Mit dem Spannungsanstieg am Knotenpunkt X steigt auch das Potential am Knotenpunkt A. Es sei angemerkt, daß der Eingangsknotenpunkt A immer noch am Ausgangsknotenpunkt der vorhergehenden ίο Stufe angeschlossen ist und daher den Lastkondensator CLB aufladen muß. Sobald jedoch der Knotenpunkt A auf +2VoIt aufgeladen ist, sperrt Transistor 71 des Verarmungstyps (der für diesen Zweck mit einer Schwellenspannung von —2 Volt ausgelegt worden ist), so daß dadurch der Knotenpunkt A vom Knotenpunkt X abgetrennt wird. Dadurch wird die durch den Transistor T2 aufzuladende Kapazität wesentlich verringert, so daß der Knotenpunkt X praktisch unmittelbar auf 5 Volt geht, wodurch 7~3 voll einge- ?n schaltet wird und die Lastkapazität CLA sich entlädt. Damit geht aber das Ausgangspotential, das das Eingangspotential der nächsten Stufe darstellt, von + 2 Volt auf 0 Volt über. Ein nachfolgender Spannungsrückgang an der Eingangsklemme A entlädt die >^r> Kondensatoren GLZ? und bringt den Knotenpunkt X auf das niedrige Potential.

Das Auftreten logischer Signale von niedrigem bzw. hohem Potentini an der Eingangsklemme B und ihre Auswirkung auf das Arbeiten der Transistoren 711, ίο 712 und 713 ist mit der soeben beschriebenen Arbeitsweise für ein Eingangssignal an der Klemme A und dem Arbeiten der Transistoren 71, 72 bzw. 73 identisch. Die Drain-Elektroden von 73 und 713 sind miteinander verbunden. Ein entweder an der Eingangsklemme A oder an der Eingangsklemme B liegendes hohes Potential bewirkt eine Entladung der L.TStkapazität CLA und hat ein niedriges Potential an der Ausgangsklemme zur Folge. Dies wurde als A + B bezeichnet. Man erkennt sofort, daß es sich hier um eine mehrfache logische NOR-Verknüpfung handelt. Der geringere Leistungsverbrauch und das bessere Betriebsverhalten dieser logischen Schaltung wird dadurcn erreicht, daß große Lastkapazitäten, wie zum Beispiel CLA. CLB und CLC mit einer Spannungsamplitude von nur 2 Volt geladen und entladen werden können, während die Ausgangstransistoren vom Anreicherungstyp, wie zum Beispiel 73 und 713 an ihren Gate-Elektroden eingangsseitig mit einer Spannungsamplitude von 5 Volt angesteuert werden.
Die zuvoi erwähnten Vorteile werden noch deutlicher aus der umfangreicheren logischen Schaltung gemäß F i g. 4. Da die Schaltung gemäß F i g. 4 nur eine ■Erweiterung der Schaltung gemäß Fig. 3 darstellt, sollen vergleichbare Versorgungsspannungen angenommen werden. Somit liefert also eine Eingangsspannung von 0 Volt am Knotenpunkt D ein Potential von nahezu 0 Volt am Knotenpunkt X'. Wenn jedoch sich der Knotenpunkt A"auf die Spannung + VDD aufladen kann, dann lädt sich der Knotenpunkt D auf eine durch die Schwellenspannung des Transistors TY vom Verarmungstyp (zum Beispiel 2 Volt) begrenzte Spannung auf. Ein am Eingangsknotenpunkt D liegendes niedriges Potential sperrt 73', während ein am Eingangsknotenpunkt D liegendes hohes Potential 73' einschaltet. Der Leitzustand von 74 wird immer der gleiche sein wie der von 73'. Es sei erneut auf die hohen Knotenpunkt-Kapazitäten wie zum Beispiel CLD bis CLL hingewiesen, die sich aus der Leitungsmetallisie-

ίο

rung auf der Halbleiterscheibe ergeben und die die größten Kapazitäten in der Schaltung sind.

Für eine weitere Beschreibung der Arbeitsweise soll der Fall betrachtet werden, wo beide Eingangsklemmen D und E auf Erdpotential gehalten werden. In diesem Fall liegen auch die Knotenpunkte X' und Y' auf niedrigem Potential, so daß die Ausgangstransistoren 73', TA, 713' und TH vom Anreicherungstyp alle gesperrt sind. Das hat zur Folge, daß der gemeinsame Verbindungspunkt der Drain-Elektroden von 73' und 713' sich über 732 und 731 auf +2 Volt auflädt. Das erfüllt die logische Bedingung, daß mit D und £beide auf niedrigem Potential der gemeinsame Drain-Anschluß von 73' und 713' auf hohem Potential liegt, was mit NICHT (D + E) bezeichnet ist. Man sieht, daß dies dieselbe logische Verknüpfung ist, wie NICHT D und NICHT E Wird der Eingang von 731 auf hohes Potential aufgeladen, dann liegen die Gate-Elektroden von 733, 734 und 735 alle auf einem hohen Potential + (VDD), so daß diese letztgenannten drei Transistoren eingeschaltet sind. Somit sind aiie drei Ausgänge gesperrt. Dies ist durch die Kennzeichnung des Ausganges dadurch gezeigt, daß D oder E auf hohem Potential sein müssen, damit am Ausgang ein logisch hohes Potential auftritt.

Es sei angenommen, daß zum gleichen Zeitpunkt die Knotenpunkte D und £auf niedrigem Potential liegen, dann kann sich der Knotenpunkt F über 722 und 721 auf + 2 Volt aufladen. Nachdem die Kapazität CLFauf + 2VoIt aufgeladen ist, schaltet 721 ab, so daß der Knotenpunkt Z rasch auf + VDD aufgeladen wird, wodurch 723 und 724 unmittelbar einschalten und dadurch die Knotenpunkt-Kapazitäten CLH und CLi entladen. Dies befriedigt die logische Bedingung, daß diese beiden Knotenpunkte so lange auf niedrigem Potential liegen müssen, wie der Knotenpunkt F auf hohem Potential liegt. Fine weitere ins einzelne gehende Erklärung der möglichen logischen Funktionen erscheint hier nicht erforderlich, da der Fachmann ohne weiteres in der Lage ist, weitere Beispiele anzugeben.

Die in Fig.5 dargestellte Ausgangstreiberstufe n'.mmt an ihrer Eingangsklemme entweder ein auf Erdpotential liegendes Eingangssignal auf oder befindet sich im Leerlaufzustand, so daß sich die Eingangsklemme entsprechend der Schwellenspannung von 741 adf + 2VoIt aufladen kann. Damit lädt aber 742 die Gate-Elektrode von 743 auf +5 Volt auf, schaltet 743 ein, so daß der Ausgangsknotenpunkt auf nahezu O Volt geht. Das niedrige Potential wird dadurch verbessert, daß man entweder 743 größer macht oder aber die impedanz von R erhöht. Wenn der Eingang der Schaltung in Fig.5 geerdet ist. dann nimmt die Gate-Elektrode von 743 niedriges Potential an, wodurch 743 gesperrt wird. Dies hat zur Folge, daß der Ausgangsknotenpunkt sich über den Widerstand R auf ein hohes Potential auflädt. Der nach oben gerichtete Spannungsübergang am Ausgangsknotenpunkt wird dadurch verbessert, daß man die Impedanz von R verringert und der letztlich erreichbare hohe Spannungspegel wird dadurch erhöht, daß man die

ίο Versorgungsspannung + VI erhöht. Der Widerstand R, der gewöhnlich außerhalb des Halbleiterplättchens angeordnet ist, kann als Widerstand für relativ hohe Leistung ausgelegt werden. Dabei ist allgemein bekannt, daß bei Auslegung des Widerstandes R und des Transistors 743 Schaltgeschwindigkeit und Leistungsverbrauch in einem umgekehrten Verhältnis zueinander stehen.

Fig. 6 zeigt eine Eingangsstufe für eine logische Schaltung gemäß der Erfindung. Das an der Gate-Elektrode von 755 liegende Eingangssignal verändert sich von Ercipuienüai nach + VDDycuiit Beispiel 5 Vüli oder mehr). Ist 755 abgeschaltet, dann lädt sich die Drain-Elektrode durch den über 752 und 751 fließenden Strom auf +2VoIt auf. Der innenliegende Knotenpunkt und die Gate-Elektrode von 753 und 754 werden auf + VDD (zum Beispiel +5 Volt) aufgeladen, wodurch 753 und 754 eingeschaltet werden, und für die Eingangsknotenpunkte der nacnstfolgenden logischen Stufen als Eingangssignal Erdpotential liefern. Im

jo anderen Fall, wenn 755 eingeschaltet ist. dann entlädt sich der innenliegende Knotenpunkt und die Gate-Elektroden von 753 und 754 über 751 und 755. Dadurch werden 753 und 754 gesperrt, so daß ihre Ausgangsknotenpunkte (Ausgang 1 und Ausgang 2) durch die nachfolgende logische Stufe, wie bereits ausführlich dargelegt, auf + 2 Volt aufgeladen werden.

Diese vollkommen new logische Schaltung, die aus Feldeffekttransistoren des Anreicherungs/Verarmungstyps bestehen, sind bezüglich ihres Leistungsverbrauchs und ihres Betriebsverhaltens deutlich verbessert. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß man für die Eingangstransistoren, wie zum Beispiel 71, positiv vorgespannte N-Kanal FETs vom An;:icherungstyp einsetzen kann. Die Lasttransistoren, wie 72, könnten an sich bekannte als Lasttransistoren geeignete FETs sein, die entweder mit automatischer Vorspannung arbeiten oder an ihrer Gate-Elektrode vorgespannt sind, wie dies beispielsweise in der US-Patentschrift 34 06 298 dargelegt ist. Die gesamte Schaltung könnte

so außerdem in P-Kanal-Technik oder in CMOS-Technik ausgeführt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Aus Fr'deffekttransistoren aufgebaute logische Schaltung, dadurch gekennzeichnet,

daß ein erster Eingangs-Feldeffekttransistor (Tl) vom Verarmungstyp vorgesehen ist, dessen Drain-Source-Strecke zwischen einem ersten Eingangsknotenpunkt (A) und einem ersten innenliegenden Knotenpunkt (X) eingeschaltet und dessen Gate-Elektrode mit einem ersten festen Potential verbunden ist,

daß ein zweiter mit automatischer Vorspannung arbeitender Feldeffekttransistor (T2) vom Verarmungstyp vorgesehen ist, der als Last zwischen einem zweiten festen Potential (VDD) und dem ersten innenliegenden Knotenpunkt (X) eingeschaltet ist,

daß mindestens ein Ausgangs-Feldeffekttransistor (TZ) vom Anreicherungstyp vorgesehen und mit seiner Gate-Elektrode an dem ersten innenliegenden Knotenpunkt (X), mit seiner Source-Elektrode an dem gjsten festen Potential und mit seiner Drain-Elektrode an einem Äusgangsknotenpunkt angeschlossen ist, der eine nicht vernachlässigbare Ausgangskapazität (CLA)besiui, daß ein dritter Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (TW) mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen einem zweiten E.igang (B) und einem zweiten innenliegenden Knotenpunkt (Y) eingeschaltet und mit seiner Gate-Elektrode an dem ersten festen Potential angeschlossen ist, daß ein vierter mit automatischer Vorspannung arbeitendei· Feldeffekttransistor (T 12} vom Verarmungstyp zwischen dem zveiten festen Potential (VDD) und dem zweiten inneren Knotenpunkt (Y) eingeschaltet ist, und daß ein weiterer Ausgangsfeldeffekttransistor (Ti3) vom Anreicherungstyp vorgesehen ist, der mit seiner Source-Elektrode an dem ersten festen Potential, mit seiner Gate-Elektrode an dem zweiten innenliegenden Knotenpunkt (Y) und mit seiner Drain-Elektrode an dem Ausgangsknotenpunkt angeschlossen ist, so daß an der Drain-Elektrode des mindestens einen Ausgangs-Feldeffekttransistors (T3) vom Anreicherungstyp tin Ausgangspotential auftritt, das zwischen dem ersten festen Potential und einem zweiten Potential umschaltbar ist, das eine Funktion der Schwellenspannung des dritten Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp ist.

2. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite feste Potential (VDD) höher ist, als das erste feste Potential

3. Logische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß ein fünfter Feldeffekttransistor (T2\) mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen einem anderen Eingangsknotenpunkt und einem dritten inneren Knotenpunkt (Z) eingeschaltet und mit seiner Gate-Elektrode an dem ersten festen Potential angeschlossen ist,

daß ein sechster mit automatischer Vorspannung arbeitender Feldeffekttransistor T22) vom Verarmungstyp zwischen dem zweiten festen Potential (VDD) und dem dritten inneren Knotenpunkt (Z) eingeschaltet ist, und

daß mindestens ein weiterer Ausgangs-Feldeffekttransistor (T23) vom Anreicherungstyp mit seiner Gate-Elektrode an dem dritten inneren Knoten-

punkt (Z), mit seiner Source-Elektrode an dem ersten festen Potential und mit seiner Drain-Elektrode am gleichen Ausgangsknotenpunkt angeschlossen ist, der eine nicht ver nachllssigbare Ausgangskapazität fCL^besitzt

4, Logische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichne», daß mindestens ein weiterer Ausgangs-Feldeffekttransistor (T 14) mit seiner Gate-Elektrode an dem zweiten inneren Knotenpunkt (Y') mii seiner Source-Elektrode an dem «rsten festen Potential und mit seiner Drain-Elektrode -an einem anderen Ausgangsknotenpunkt angeschlossen ist, der eine nicht vernachlässigbare Kapazität (CLI) besitzt