DE3736380A1

DE3736380A1 - Schaltungsanordnung zur kontrolle der drain-source-spannung eines mos-transistors

Info

Publication number: DE3736380A1
Application number: DE19873736380
Authority: DE
Inventors: James B Wieser
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1988-05-19
Anticipated expiration: 2007-10-28
Also published as: GB2198005B; GB8726331D0; GB2198005A; US4736117A; DE3736380C2

Description

Die Erfindung betrifft komplementäre Metalloxyd-Halbleiter- Schaltungselemente (CMOS-Schaltungselemente) und insbesondere eine Technik zum Eliminieren der Stoßionisierung in CMOS-Schaltungsanordnungen hoher Dichte, die höhere Versorgungsspannungen erlaubt und damit einen größeren Dynamikbereich.

Der Fortschritt der CMOS-Technik hat zu Prozessen mit höherer Dichte geführt, eine Hauptbeschränkung der Technik war jedoch die zulässige Drain-Source-Spannung (V _ds) für MOS-Transistoren vom n-Typ. Die Beschränkung, typischerweise 5 V, ist auf flache/scharfe Sperrschichten und dünne Gate-Oxyde zurückzuführen, die zu Stoßionisierung führen.

Die Stoßionisierung ist eine Erscheinung, die hauptsächlich in n-Kanal-MOS-Schaltungselementen auftritt. Wenn die Versorgungsspannung über 5 V bis zu dem Punkt erhöht wird, an dem die zulässige V _ds des Schaltungselementes überschritten wird, ist die Elektronenmobilität so groß, daß Kollisionen am Drain auftreten. Diese Kollisionen ionisieren den Halbleiterkristall und erzeugen Elektron/Loch- Paare. Wie in Fig. 1A bis 1C illustriert ist, steigt der Drain-Substrat- Strom über den normalen Leckstrom hinaus an und trägt zum gesamten Drain-Strom bei, wenn das eintritt. Dadurch wird nicht nur das Schaltungselement geschädigt, sondern es wird auch die Ausgangsimpedanz für Anwendungen des Schaltungselementes mit Aussteuerung reduziert.

Durch dieses Problem sind Versorgungsspannungen auf 5 V beschränkt und damit ist der maximal mögliche Dynamikbereich für CMOS-Analogschaltungen reduziert. Wenn dieser Effekt beseitigt werden kann, können höhere Dynamikbereiche erreicht werden. Das würde es erlauben, die CMOS-Prozesse höherer Dichte, die für Digitalanwendungen erforderlich sind, mit CMOS-Analogschaltungen mit großem Dynamikbereich zu integrieren, so daß die Fortschritte der Technik voll ausgenutzt werden können.

Durch die Erfindung wird eine einfache, jedoch wirksame Lösung des oben beschriebenen Stoßionisierungsproblems verfügbar gemacht. Nach der Erfindung wird ein zweites MOS-Schaltungselement mit fester Gate-Spannung in Reihe mit dem betroffenen MOS-Schaltungselement hinzugefügt, derart, daß V _ds gleich über die beiden Schaltungselemente verteilt wird. Diese Konfiguration eliminiert die Stoßionisierung, so daß höhere Spannungs-Swings zulässig werden und eine hohe Ausgangsimpedanz beibehalten wird, so daß eine hohe Verstärkung für einen Verstärker oder eine hohe Impedanz für eine Stromquelle möglich werden. Das Klemmen von V _ds auf die Mitte der Versorgungsspannung hat einen minimalen Einfluß auf das Betriebsverhalten der Schaltung bei niedrigem V _ds und ist sehr billig zu implementieren. Die Technik erlaubt den doppelten Dynamikbereich, der normalerweise möglich wäre, wenn die Technik nicht verwendet würde. Die Erfindung gilt für jeden CMOS-Prozeß bei jeder Spannung und kann auf jede beliebige Anzahl von Unterteilungen der Versorgungsspannung erweitert werden. Die Erfindung ist sowohl auf analoge als auch auf digitale Schaltungen anwendbar.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigt

Fig. 1A ein einfaches Schemaschaltbild zur Illustration eines üblichen n-Kanal-Schaltungselementes mit 10 V Versorgung;

Fig. 1B graphisch den Drain-Source-Strom des konventionellen n-Kanal-Schaltungselementes gemäß Fig. 1A für steigende Versorgungsspannung;

Fig. 1C graphisch die Beziehung zwischen Ausgangsimpedanz und Drain-Source-Spannung für ein konventionelles n-Kanal- Schaltungselement;

Fig. 2A ein einfaches Schaltschema zur Veranschaulichung der V _ds-Klemmtechnik nach der Erfindung;

Fig. 2B graphisch den Drain-Source-Strom der Schaltung nach Fig. 2A für wachsende Versorgungsspannung;

Fig. 3 ein einfaches Schaltschema zur Veranschaulichung von mehrfachen Unterteilungen von V _ds nach der Erfindung;

Fig. 4 schematisch die Verwendung der V _ds-Klemmtechnik nach der Erfindung in einem Kondensator-Filter- Schaltverstärker;

Fig. 5 graphisch den Zusammenhang zwischen Ausgangsimpedanz und Versorgungsspannung für den Kondensator-Filter- Schaltverstärker nach Fig. 4;

Fig. 6 ein Schaltschema zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführung der V _ds-Klemmtechnik nach der Erfindung; und

Fig. 7 ein einfaches Schaltschema zur Veranschaulichung einer Digital-Schaltung-Ausführungsform der V _ds-Klemmtechnik nach der Erfindung.

Fig. 2A illustriert das allgemeine Konzept der Erfindung. Ein erstes n-Kanal-Schaltungselement 10 mit einer Gate-Spannung V _N ist in Reihe mit einem zweiten n-Kanal-Schaltungselement 12 konfiguriert. Nach der Erfindung ist die Gate-Spannung V _G des n-Kanal-Schaltungselementes 12 derart fixiert, daß

wobei V _T die Schwellwertspannung des Schaltungselementes 12 ist. Wie in Fig. 2A gezeigt, ist die Versorgungsspannung 10 V.

Die Gate-Spannung V _G des Schaltungselementes 12 ist also derart fixiert, daß für hohe Swings der Versorgungsspannung V _ds gleichmäßig zwischen den Schaltungselementen 10 und 12 aufgeteilt wird. Das erlaubt einen Betrieb bei 10 V, während V _ds für jedes Schaltungselement auf maximal 5 V begrenzt ist. Wenn V _ds unter 5 V fällt, ist Schaltungselement 12 im linearen Betrieb und arbeitet einfach als Reihenwiderstand mit minimalem Effekt auf den Schaltungsbetrieb. Wenn V _ds größer ist als 5 V, ist Schaltungselement 12 im ausgesteuerten Bereich und arbeitet als typische Cascode-Stromquelle, klemmt jedoch V _ds auf 5 V.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann dieses Konzept erweitert werden, um die Versorgungsspannung weiter zu unterteilen. Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung ist ein n-Kanal-Schaltungselement 100 mit einer Gate-Spannung V _N in Reihe mit einer Vielzahl von MOS-Schaltungselementen 1 bis n konfiguriert. Jeweils an das Gate jedes der Schaltungselemente 1 bis n ist eine feste Spannung gelegt, derart, daß die Drain-Source-Spannungen des Schaltungselementes 100 und jedes der Schaltungselemente 1 bis n im wesentlichen gleich sind, d. h.

V _{ds 1} = V _{ds 2} = V _{ds 3} = V _dsn.

Das erfordert jedoch höhere Kosten und hat einen stärkeren Einfluß auf das Betriebsverhalten der Schaltung. Der Grad, bis zu dem die Spannungsversorgung unterteilt werden kann, wird letztlich durch andere Zusammenbruchmechanismen des Prozesses begrenzt, beispielsweise Feld-Schwelle und Durchstanzen.

Eine wichtige Anwendung der Erfindung besteht darin, 10-V-Betrieb eines geschalteten Kondensator-Filters integriert mit hoch dichter Digitallogik in einem CMOS-Prozeß hoher Dichte zu ermöglichen.

Die Haupt-Baugruppe eines geschalteten Kondensator-Filters ist ein Integrator, der einen Operationsverstärker verwendet, dessen gemeinsamer Anschluß immer in der Nähe der Mitte der Versorgungsspannung liegt. Diese gemeinsame Quelle für das Differenzpaar des Operationsverstärkers kann gemäß der Erfindung dazu verwendet werden, die feste Gate-Spannung V _G für das V _ds-Klemm-Schaltungselement zur Verfügung zu stellen.

Fig. 4 zeigt eine Kondensator-Filter-Schaltverstärker-CMOS-Schaltung, in der die Erfindung verwendet wird.

Gemäß Fig. 4 ist eine Stromversorgung zwischen den Anschlüssen V _SS und V _CC geschaltet. Es sind zwei Stufen dargestellt. Die Eingangsstufe 14 besteht aus einem Differenz-Transistor-Paar von p-Kanal- Schaltungselementen 16 und 18, Stromspiegel-Last-n-Kanal-Transistoren 20 und 22, einer p-Kanal-Tail-Stromsenke 24. Der Transistor 24 ist in üblicher Weise auf ein Potential V _{B 1} vorgespannt, das an Klemme 26 angelegt ist, wo V _{B 1} normalerweise etwas über eine p-Kanal- Transistor-Schwelle unterhalb von V _CC vorgespannt wird.

Die Eingangsstufe 14 ist eine Cascode-Konstruktion. Die p-Kanal- Last-Transistoren 28 und 30 mit gemeinsamem Gate sind in Reihe mit den Drains der Transistoren 16 bzw. 18 gekoppelt. Die Gates der Transistoren 28 und 30 werden an Klemme 32 auf Potential V _{B 2} zurückgeführt. V _{B 2} ist auf einen Wert zwischen V _SS und Masse gelegt, so daß die Transistoren 28 und 30 normalerweise in ihren Aussteuerungs-Betriebsbereich vorgespannt sind, so daß ihre kombinierte Leitung gleich dem Tail- Strom ist, der im Transistor 24 fließt.

Die Eingangsstufe sorgt für einen einpoligen Ausgang an Knoten 34, der direkt mit der invertierenden Verstärkerstufe 15 gekoppelt ist. Diese Stufe ist aus einem n-Kanal-Treiber 36 und einer p-Kanal-Stromsenke 38 zusammengesetzt, die zusammen einen invertierenden Verstärker bilden. Die Stromsenke 38 ist parallel zur Tail-Stromsenke 24 vorgespannt. Unter Verwendung der dargestellten Konfiguration spricht die Ausgangsklemme 40 bei hoher Verstärkung auf Differenz-Eingangssignale an, die über die invertierende Eingangsklemme 42 und die nicht invertierende Eingangsklemme 44 gelegt sind.

Der Frequenzkompensationskondensator 46 ist zwischen Ausgangsklemme 40 und die Source des Transistors 30 gekoppelt, die als Verstärker in Gate-Schaltung den Kondensator zum Knoten 34 zurückkoppelt. Der Transistor 28 dient dazu, die Kennlinien der Eingangsstufe 14 zu balancieren.

Der Transistor 30 wird als spannungsgesteuerte Stromquelle, die einen frequenzabhängigen Strom zum Knoten 34 rückkoppelt, wobei der Knoten isoliert und nicht belastet wird.

Der gemeinsame Source-Knoten 48 des Differenzpaars aus Transistoren 16 und 18 ist immer nahe der Mitte der Versorgungsspannung plus eine p-Kanal-Schwelle. Demzufolge ist gemäß der Erfindung der Knoten 48 so geschaltet, daß er eine im wesentlichen feste Gate-Spannung für das Klemm-Schaltungselement 50 zur Verfügung stellt. Damit ist V _ds gleichmäßig über die Schaltungselemente 50 und 36 verteilt, wie oben beschrieben.

Der Klemm-Transistor 50 ist das einzige zusätzliche Schaltungselement, das zu einem konventionellen Kondensator-Filter-Schaltverstärker hinzugefügt werden muß, um Betrieb bei höherer Spannung zu erlauben. Für bestes Betriebsverhalten sollte das Schaltungselement 50 ein höheres Verhältnis W/L haben als Transistor 36. Das wird im Layout leicht dadurch erreicht, daß die W′s gleich gemacht werden und L₅₀ kleiner als L₃₆. Vom Standpunkt des Layouts wird für das extra Schaltungselement wenig zusätzliche Fläche benötigt.

Das Klemm-Schaltungselement 50 hat einen minimalen Effekt auf das Betriebsverhalten der Schaltung bei niedrigen V _ds und ist sehr billig zu implementieren. Es erlaubt den doppelten Dynamikbereich gegenüber dem normalerweise möglichen, wenn die Technik der Erfindung nicht verwendet würde.

Fig. 5 illustriert die Ausgangsimpedanz in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung für den oben beschriebenen Kondensator-Filter- Schaltverstärker.

Fig. 6 zeigt eine alternative Implementierung der Erfindung mit weitem gemeinsamen Eingangsbereich (common-mode range input) und großem Swing am Ausgang. Soweit gleiche Teile benutzt werden, werden die Bezugszeichen nach Fig. 4 verwendet. Bei dieser Ausführungsform ist der Transistor mit einer festen Spannung vorgespannt, die durch eine zusätzliche Vorspannungskette aus Schaltungselementen 52 und 54 zur Verfügung gestellt wird, da zugelassen wird, daß der gemeinsame Source-Knoten schwingt. Diese Ausführungsform sorgt für die beste Vorspannung, da sie maßgeschneidert werden kann, um die Versorgungsspannung aufzuspalten; sie führt jedoch zu höheren Kosten, Leistung und Fläche.

Die Erfindung ist bisher im Zusammenhang mit Analogschaltungen beschrieben worden, sie ist jedoch auch auf Digitalschaltungen anwendbar. Fig. 7 zeigt eine einfache Digitalschaltung, bei der eine feste Vorspannung V _G an das Gate eines Klemm-Transistors 200 angelegt ist, der in Reihe mit zwei Transistoren 202, 204 geschaltet ist, die einen Inverter bilden. Auf diese Weise wird die Drain-Source- Spannung V _ds jedes der drei Transistoren 200, 202, 204 im wesentlichen gleich gehalten.

Wenn auch die Stoßionisierung normalerweise bei p-Kanal-Schaltungselementen nicht beobachtet wird, dank der geringeren Elektronenmobilität, so könnte doch die Technik der Erfindung auch bei p-Kanal- Schaltungselementen verwendet werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Kontrolle der Drain-Source-Spannung eines MOS-Transistors mit Source-, Drain- und Gate-Elementen und einer Versorgungsspannung, die an den Drain angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter MOS-Transistor mit Source-, Drain- und Gate-Elementen vorgesehen ist, der in Reihe mit dem ersten MOS-Transistor angeordnet ist und an dessen Gate eine solche Spannung gelegt ist, daß die Drain- Source-Spannungen der beiden MOS-Transistoren im wesentlichen gleich sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden MOS-Transistoren n-Kanal-Schaltungselemente sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung 10 V beträgt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Digitalschaltung ist.

5. Schaltungsanordnung zur Kontrolle der Drain-Source-Spannung eines MOS-Transistors mit Source-, Drain- und Gate-Elementen und einer an den Drain angelegten Versorgungsspannung, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von MOS-Transistoren, die in Reihe mit dem ersten MOS-Transistor geschaltet sind, die jeder Source-, Drain- und Gate- Elemente haben und an deren Gates jeweils eine derartige Spannung gelegt ist, daß die Drain-Source-Spannungen des ersten Transistors und jedes der angeschlossenen Transistoren im wesentlichen gleich sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Digitalschaltung ist.

7. Kondensator-Filter-Schaltverstärker mit

(a) einer Stromversorgung, die zwischen eine erste und eine zweite Spannung geschaltet ist;
(b) einer Eingangsstufe mit
- (i) einem Differenz-Transistorpaar mit Source-Elementen, die mit einem gemeinsamen Knoten verbunden sind, der eine feste Spannung hat,
- (ii) einem Stromspiegel,
- (iii) einer Tail-Stromsenke, an die eine erste Vorspannung gelegt ist, und
- (iv) einem Paar Lasttransistoren mit gemeinsamem Gate, die in Reihe mit den Drains des Differenz-Transistor-Paares geschaltet sind, wobei an die Gates der Lasttransistoren eine zweite Vorspannung gelegt ist; und
(c) einer invertierenden Verstärkerstufe, die einen einpoligen Ausgang- von der Eingangsstufe erhält, wobei die invertierende Verstärkerstufe aufweist
- (i) einen Treibertransistor, der mit der Versorgung verbunden ist, und
- (ii) eine Stromsenke, die parallel zu der Tail-Stromsenke vorgespannt ist,
gekennzeichnet durch einen Klemm-Transistor, der in Reihe mit dem Treiber-Transistor angeordnet ist und dessen Gate mit dem gemeinsamen Knoten des Differenz-Transistor-Paars derart verbunden ist, daß die Drain-Source-Spannungen des Treiber-Transistors und des Klemm- Transistors im wesentlichen gleich sind.

8. Schaltverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Spannung die Hälfte der Versorgungsspannung ist.