DE102004057486B4

DE102004057486B4 - Leistungsvorrichtung mit bidirektionaler Pegelverschiebungsschaltung

Info

Publication number: DE102004057486B4
Application number: DE102004057486.3A
Authority: DE
Inventors: Sam Seiichiro Ochi
Original assignee: IXYS LLC
Current assignee: Littelfuse Inc
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: KR101193904B1; KR20050053001A; US20040155692A1; DE102004057486A1; US6897492B2

Abstract

Vorrichtung, umfassend: eine erste Spannungsquelle (1006); eine zweite Spannungsquelle (1052); einen ersten Impulsgenerator (1008); einen zweiten Impulsgenerator (1053); mehrere erste Inverter (1010, 1012, 1014), wobei jeder der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) durch die erste Spannungsquelle (1006) versorgt wird, wobei wenigstens einer der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) mit einem Ausgang des ersten Impulsgenerators (1008) verbunden ist; mehrere zweite Inverter (1210, 1212, 1214), wobei jeder der mehreren zweiten Inverter (1210, 1212, 1214) durch die zweite Spannungsquelle (1052) versorgt wird, wobei wenigstens einer der mehreren zweiten Inverter (1210, 1212, 1214) mit einem Ausgang des zweiten Impulsgenerators (1053) verbunden ist; und eine Widerstands-Pegelverschiebungsschaltung (1002), umfassend: eine low-seitige Treiberschaltung (1003a), welche Teil eines ersten Halbleiterplättchens ist, wobei die low-seitige Treiberschaltung (1003a) umfasst: eine erste Nebenschaltung (1016), welche einen ersten Knoten (1018) und einen zweiten Knoten (1024) aufweist, wobei der erste Knoten (1018) mit einem Ausgang der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) verbunden ist; eine zweite Nebenschaltung (1028), welche einen ersten Knoten (1030) und einen zweiten Knoten (1032) aufweist, wobei der erste Knoten (1030) mit einem Ausgang der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) verbunden ist; einen ersten low-seitigen Knoten (1007a), welcher mit dem zweiten Knoten (1024) der ersten Nebenschaltung (1016) verbunden ist; und einen zweiten low-seitigen Knoten (1007b), welcher mit dem Ausgangsknoten (1032) der zweiten Nebenschaltung (1028) verbunden ist; und eine high-seitige Treiberschaltung (1003b), welche Teil eines zweiten Halbleiterplättchens ist, wobei die high-seitige Treiberschaltung (1003b) umfasst: eine dritte Nebenschaltung (1112), welche einen ersten Knoten (1126) und einen zweiten Knoten (1128) aufweist; eine vierte Nebenschaltung (1114), welche einen ersten Knoten und einen zweiten Knoten (1142) aufweist; einen ersten high-seitigen Knoten (1009a), welcher mit dem ersten Knoten der vierten Nebenschaltung (1114) verbunden ist, wobei der erste high-seitige Knoten (1009a) ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gate-Treiber, der eine Pegelverschiebungsschaltung zum Ansteuern des Gates einer Leistungs-Halbleitervorrichtung aufweist.
Aus der JP H06-139 099 A und aus der US 5 877 633 A sind bidirektionale Level-Shifter bekannt.
Aus der US 6 638 808 B1 sind die hier beschriebenen Anordnungen nach den 1–7C bekannt. Diese sind auch in den nicht vorveröffentlichten US 2004/0 155 692 A1 und US 6 759 692 B1 beschrieben.
Viele elektronische Schaltungen für niedrige Spannung, z. B. MOSFET-Vorrichtungen werden dazu verwendet, Hochspannungs-Schalttransistoren, z. B. Leistungs-MOSFET, Bipolar-Transistorvorrichtungen mit isoliertem Gate (IGBT), Gate-gesteuerte Thyristoren und dergleichen anzusteuern. Ein Leistungs-Halbleiterschalter oder eine Leistungs-Halbleitervorrichtung wird von einem nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand geschaltet, indem die Gate-Source-Spannung von unter einer Schwellenspannung auf über eine Schwellenspannung erhöht wird. Wie es hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck ”Leistungsvorrichtung” oder ”Leistungs-Halbleitervorrichtung auf jeden MOSFET, IGBT, Thyristor oder dergleichen.
Ein oder mehrere Niederspannungs-Transistoren, die mit einem Ausgangsknoten des Gate-Treibers verbunden sind, legen geeignete Spannungen an den Gate- oder Steueranschluss der Leistungsvorrichtung an, um die Leistungsvorrichtung an- oder auszuschalten. Wenn die Leistungsvorrichtung ein N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (NMOSFET) ist, wird die Vorrichtung durch Anlegen einer hohen Spannung an das Gate des Leistungsschalters eingeschaltet und durch Anlegen einer niedrigen Spannung an das Gate ausgeschaltet. Wenn im Gegensatz dazu die Leistungsvorrichtung ein P-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (PMOSFET) ist, wird die Vorrichtung durch Anlegen einer niedrigen Spannung an das Gate des Leistungsschalters eingeschaltet und durch Anlegen einer hohen Spannung an das Gate ausgeschaltet. Wenn es nicht anders erläutert wird, beziehen sich Leistungsvorrichtungen, wie sie hierin verwendet werden, zur Erleichterung der Darstellung auf Vorrichtungen vom N-Typ.
Im Allgemeinen umfasst ein Gate-Treiber eine Pegelverschiebungsschaltung zum Verschieben des Potentials eines kleinen Steuersignals auf einen höheren Spannungspegel, der zum Einschalten der Leistungsvorrichtung besser geeignet ist. Der Gate-Treiber kann als eine einzelne Vorrichtung gepackt sein, die einen high-seitigen Abschnitt und einen low-seitigen Abschnitt aufweist, wobei die High-Seite dazu verwendet wird, einen high-seitigen Schalter oder Transistor der Leistungsvorrichtung ein- oder auszuschalten, und die Low-Seite dazu verwendet wird, einen low-seitigen Schalter oder Transistor der Leistungsvorrichtung ein- oder auszuschalten. Der high-seitige Schalter weist einen Drain auf, der mit einer Hochspannungsquelle, z. B. 1000 Volt, verbunden ist, während der low-seitige Schalter einen Drain aufweist, der mit einer Quelle für eine niedrigere Spannung, z. B. eine Source des high-seitigen Schalters verbunden ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Leistungsvorrichtung mit bidirektionaler Widerstands-Pegelverschiebung zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Offenbart ist ein Leistungsmodul mit einer Leistungs-Halbleitervorrichtung mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss. Der zweite Anschluss ist ein Steueranschluss, um den Elektrizitätsfluss zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss zu regeln. Ein Gate-Treiber weist einen Ausgangsknoten auf, der mit dem zweiten Anschluss der Leistungsvorrichtung verbunden ist, um Gate-Steuersignale an die Leistungs-Halbleitervorrichtung zu liefern. Der Gate-Treiber umfasst einen Gate-Steuersignalgenerator, der einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist, und eine erste Nebenschaltung, die einen ersten Signalweg und einen zweiten Signalweg aufweist, die zum Übertragen von Signalen geeignet sind. Die ersten und zweiten Signalwege sind mit dem ersten Eingang des Gate-Steuersignalgenerators verbunden. Der zweite Signalweg ist derart konfiguriert, dass er ein Signal an den ersten Eingang mit einer reduzierten Signalverzögerung liefert. Der Gate-Treiber umfasst darüber hinaus eine zweite Nebenschaltung, die mit dem zweiten Eingang des Gate-Steuersignalgenerators verbunden ist.
Offenbart ist auch ein Gate-Treiber mit einem Gate-Steuersignalgenerator, der einen ersten Eingang aufweist und konfiguriert ist, um ein Gate-Steuersignal an einen Leistungs-Halbleiterschalter auszugeben, und eine erste Nebenschaltung, die einen ersten Signalweg und einen zweiten Signalweg aufweist, die zur Übertragung von Signalen geeignet sind. Der erste und der zweite Signalweg sind mit dem ersten Eingang des Gate-Steuersignalgenerators verbunden. Der zweite Signalweg ist derart konfiguriert, dass er ein Signal an den ersten Eingang mit einer reduzierten Signalverzögerung liefert.
Offenbart ist auch eine Leistungsvorrichtung mit einem Gate-Steuersignalgenerator, der einen ersten Eingang aufweist und konfiguriert ist, um ein Gate-Steuersignal an einen Leistungs-Halbleiterschalter auszugeben. Eine erste Nebenschaltung weist einen ersten Signalweg und einen zweiten Signalweg auf, die zum Übertragen von Signalen geeignet sind. Der erste und der zweite Signalweg sind mit dem ersten Eingang des Gate-Steuersignalgenerators verbunden. Der zweite Signalweg ist konfiguriert, um ein Signal an den ersten Eingang mit einer reduzierten Signalverzögerung zu liefern. Eine zweite Nebenschaltung umfasst einen dritten Signalweg und einen vierten Signalweg, die zum Übertragen von Signalen geeignet sind. Der dritte und der vierte Signalweg sind mit dem zweiten Eingang des Gate-Steuersignalgenerators verbunden. Der erste Eingang des Gate-Steuersignalgenerators empfängt ein Signal mit einer ersten Spannung von der ersten Nebenschaltung, und der zweite Eingang des Gate-Steuersignalgenerators empfängt ein Signal mit einer zweiten Spannung von der zweiten Nebenschaltung. Der Gate-Steuersignalgenerator gibt ein Gate-Steuersignal gemäß der Spannungsdifferenz zwischen dem Signal mit der ersten Spannung und dem Signal mit der zweiten Spannung aus. Der zweite Signalweg und der vierte Signalweg sind Vorwärtskopplungsverbindungen oder Feedforward-Verbindungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht ein schematisches Schaubild eines Leistungsmoduls nach dem Stand der Technik,
2 veranschaulicht ein schematisches Schaubild eines Gate-Treibers nach dem Stand der Technik,
3 veranschaulicht ein schematisches Schaltbild eines Signalgenerators mit einer Pegelverschiebungsschaltung nach dem Stand der Technik,
4A veranschaulicht eine schematische, teilweise in Schichten aufgelöste Konstruktionsansicht von oben einer Nebenschaltung der Pegelverschiebungsschaltung nach dem Stand der Technik,
4B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Aufbaus von 4A, genommen entlang der Pfeile AA, nach dem Stand der Technik,
5 veranschaulicht ein schematisches Schaltbild eines Signalgenerators mit einer Pegelverschiebungsschaltung mit zwei in Reihe geschalteten Nebenschaltungen nach dem Stand der Technik,
6A veranschaulicht eine schematische, teilweise in Schichten aufgelöste Konstruktionsansicht von oben der beiden Nebenschaltungen der Pegelverschiebungsschaltung von 5 nach dem Stand der Technik,
6B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Aufbaus von 6A, genommen entlang der Pfeile BB, nach dem Stand der Technik,
7A veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines teilweise gefertigten Substrats, das einen leitenden Bereich aufweist, der sich von einer Metallschicht zu einem Bondpad erstreckt, nach dem Stand der Technik,
7B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Substrats von 7A, das eine erste dielektrische Schicht und einen Graben aufweist, nach dem Stand der Technik,
7C veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Substrats von 7B, das einen Widerstand aufweist, der über dem leitenden Bereich liegend gebildet ist, nach dem Stand der Technik, und
8 veranschaulicht eine bidirektionale Pegelverschiebungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 veranschaulicht schematisch ein Leistungsmodul 100 nach dem Stand der Technik. Das Leistungsmodul umfasst eine erste Leistungsvorrichtung oder einen ersten Gate-Treiber 102, der einen high-seitigen Treiber 104 und einen low-seitigen Treiber 106 aufweist, eine zweite Leistungsvorrichtung oder Leistungsschalter 108, der einen high-seitigen Transistor 110 und einen low-seitigen Transistor 112 aufweist, und eine Signalliefereinrichtung oder Controller 114 zur Pulsweitenmodulation (PWM).
Die zweite Leistungsvorrichtung 108 weist eine Halbbrückenkonfiguration auf. Der Drain ist mit einer Hochspannungsquelle, z. B. 1000 Volt, verbunden, und ihre Source ist mit dem Drain des low-seitigen Transistors verbunden. Die Source des low-seitigen Transistors wiederum ist auf Masse geschlossen. Bei einer anderen Ausführungsform sind der Drain und die Source des high-seitigen Transistors mit einer positiven Spannungsquelle, z. B. 500 Volt, und einer negativen Spannungsquelle, z. B. –500 Volt verbunden.
Die Leistungsvorrichtung 108 umfasst einen Ausgangsknoten 114, der mit einem Knoten zwischen der Source des high-seitigen Transistors 110 und dem Drain des low-seitigen Transistors 112 verbunden ist. Der Ausgangsknoten ist mit einer externen Last verbunden und liefert an diese zur Ansteuerung ein Ausgangsspannungssignal. Der high-seitige Treiber 104 und der low-seitige Treiber 106 liefern wie gezeigt ein high-seitiges Gate-Steuersignal HG und ein low-seitiges Gate-Steuersignal LG an die Gate-Elektrode des high-seitigen Transistors 110 bzw. die Gate-Elektrode des low-seitigen Transistors 112. Ein Rückkopplungssignal HS von der Source des high-seitigen Transistors 110 wird an den high-seitigen Treiber 104 zur Verwendung durch den high-seitigen Treiber beim Erzeugen des high-seitigen Steuersignals HG geliefert.
Nach den 1 und 2 liefert der PWM-Controller 114 ein high-seitiges Signal HC und ein low-seitiges Signal LC, die jeweils von dem high-seitigen Treiber bzw. dem low-seitigen Treiber verwendet werden, um das high-seitige Gate-Steuersignal HG und das low-seitige Gate-Steuersignal LG zu erzeugen. Ein Transceiver 202 in dem low-seitigen Treiber empfängt das high-seitige Signal HC und überträgt ein geeignetes oder mehrere geeignete Signale an einen high-seitigen Empfänger 204, der in dem high-seitigen Treiber vorgesehen ist. Der high-seitige Empfänger 204 überträgt ein Signal an eine Schaltung 206 in dem high-seitigen Treiber, die wiederum das high-seitige Gate-Steuersignal HG an die Gate-Elektrode des high-seitigen Transistors 110 liefert. Ein low-seitiger Empfänger 208 empfängt das low-seitige Signal LC und überträgt ein Signal an eine Schaltung 210, die wiederum das low-seitige Gate-Steuersignal LG an die Gate-Elektrode des low-seitigen Transistors 112 liefert. Bei einer Ausführungsform umfasst der high-seitige Treiber die Schaltung 206 nicht. Das heißt der Signalausgang von dem Empfänger 204 wird direkt an die Gate-Elektrode des high-seitigen Transistors angelegt.
Im Betrieb wird der high-seitige Transistor eingeschaltet und der low-seitige Transistor wird ausgeschaltet, um eine hohe Ausgangsspannung V_out über den Ausgangsknoten zu liefern. Andererseits wird der high-seitige Transistor ausgeschaltet und der low-seitige Transistor wird eingeschaltet, um eine niedrige Ausgangsspannung V_out über den Ausgangsknoten zu liefern.
Eine Verzögerungsschaltung kann in dem low-seitigen Treiber 106, z. B. in der Schaltung 210, vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass der low-seitige Transistor 112 nicht eingeschaltet wird, während der high-seitige Transistor ausgeschaltet ist. Das heißt die Verzögerungsschaltung liefert eine Totzeit zwischen der Einschaltzeit des high-seitigen Transistors und der Einschaltzeit des low-seitigen Transistors, um eine Querleitung zu verhindern. Die Verzögerungsschaltung kann mehrere in Reihe geschaltete Inverter verwenden, um die gewünschte Signalverzögerung zu erhalten.
Bei einer Ausführungsform sind eine Pegelverschiebungsschaltung und damit in Beziehung stehende Komponenten, die nachstehend beschrieben werden, in einem Signalgenerator 208 vorgesehen, der den Transceiver 202 und den Empfänger 204 umfasst. Der Signalgenerator 208 ist bei der vorliegenden Ausführungsform in den high- und low-seitigen Treibern 104 und 106 verteilt. Bei anderen Ausführungsformen ist der Signalgenerator 208 vollständig in dem high-seitigen Treiber vorgesehen.
3 zeigt einen Signalgenerator 300 mit einer Widerstands-Pegelverschiebungsschaltung 302 nach dem Stand der Technik. Eine gestrichelte Linie 304 gibt an, ob verschiedene Komponenten in dem Signalgenerator in dem high-seitigen Treiber oder dem low-seitigen Treiber vorgesehen sind. Die Platzierung dieser Komponenten in dem high-seitigen oder low-seitigen Treiber ist ausführungsformspezifisch. Beispielsweise ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Pegelverschiebungsschaltung 302 zwischen den high- und low-seitigen Treibern verteilt. Jedoch kann die Pegelverschiebungsschaltung vollständig in dem high-seitigen Treiber vorgesehen sein.
Der Signalgenerator 300 umfasst eine erste Spannungsquelle 306 und einen Impulsgenerator 308, die mit mehreren Invertern 310, 312 und 314 verbunden sind. Die Inverter sind in Reihe in zwei unterschiedlichen Gruppen angeordnet. Die erste Gruppe umfasst die Inverter 310 und 312 und die zweite Gruppe umfasst den Inverter 314. Die Inverter in der ersten und der zweiten Gruppe sind konfiguriert, um komplementäre Signale an die Pegelverschiebungsschaltung 302 auszugeben. Das heißt, die erste Gruppe gibt ein erstes Signal V1 aus, und die zweite Gruppe gibt ein zweites Signal V1' aus, das komplementär zu dem Signal V1 ist.
Eine erste Nebenschaltung 316 der Pegelverschiebungsschaltung 302 empfängt das erste Signal V1. Die erste Nebenschaltung 316 umfasst einen Widerstand R1, einen Kondensator C1 und einen Kondensator Cs. Ein erster Knoten 318 des Widerstandes R1 ist mit dem Ausgang der ersten Gruppe von Invertern verbunden. Ein zweiter Knoten 320 des Widerstands R1 gibt eine erste Spannung aus, die dazu verwendet wird, ein Gate-Steuersignal zu erzeugen, wie es nachfolgend ausführlicher erläutert wird. Der Kondensator C1 stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Andererseits stellt der Kondensator Cs die Kapazität zwischen Bondpad und Substrat dar. Ein erster Knoten 322 (z. B. Substrat) des Kondensators Cs ist mit dem ersten Knoten 318 des Widerstandes R1 verbunden, und der zweiten Knoten 324 (z. B. Bondpad) des Kondensators Cs ist mit dem zweiten Knoten 320 des Widerstandes R1 verbunden. Wie es hierin verwendet wird, umfasst der Ausdruck ”Substrat” eine leitende Schicht, wie etwa eine N-Diffusionsschicht, die auf dem Substrat gebildet ist.
Bei einer Ausführungsform ist der Kondensator Cs gebildet, indem eine leitende Schicht unter einem Bondpad und auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehen ist, wie es später ausführlicher erläutert wird. Die leitende Schicht ist konfiguriert, um sich unter dem Widerstand R1 zu erstrecken, und ist elektrisch mit dem ersten Knoten des Widerstandes R1 verbunden. Dementsprechend teilen sich der Kondensator Cs und der Kondensator C1 den zweiten Knoten 324. Das heißt die Kondensatoren C1 und Cs sind mit Rückführungspunkten versehen. Eine Vorwärtskopplungsverbindung oder Feedforward-Verbindung 326, die durch den Kondensator Cs und seine Knoten 322 und 324 vorgesehen ist, steigert die Leistung der Vorrichtung, indem verhindert wird, dass ein Nacheilen oder Pol (Signalverzögerung) in die Flanken eines Signals eingeführt wird. Ohne die Vorwärtskopplungsverbindung, d. h. die leitende Schicht, würde der Kondensator C1 eine Streukapazität zwischen Widerstand und Substrat darstellen, die die Leistung der Vorrichtung verschlechtern würde.
Ähnlich empfängt eine zweite Nebenschaltung 328 der Pegelverschiebungsschaltung 302 das zweite komplementäre Signal V1'. Die zweite Nebenschaltung 328 umfasst einen Widerstand R1a, einen Kondensator C1a und einen Kondensator Csa. Ein erster Knoten 330 des Widerstandes R1a ist mit dem Ausgang der zweiten Invertergruppe verbunden. Ein zweiter Knoten 332 des Widerstandes R1a gibt eine zweite Spannung aus, die dazu verwendet wird, ein Gate-Steuersignal zu erzeugen. Der Kondensator C1a stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Der Kondensator Csa stellt die Kapazität zwischen Bondpadmetall und Substrat dar. Ein erster Knoten 334 des Kondensators Csa ist mit dem ersten Knoten 330 des Widerstandes R1a verbunden, und ein zweiter Knoten 336 des Kondensators Csa ist mit dem zweiten Knoten 332 des Widerstandes R1a verbunden.
Der Kondensator Csa ist gebildet, indem eine leitende Schicht unter einem Bondpad und auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehen ist. Die Halbleiterschicht ist konfiguriert, um sich unter dem Widerstand R1a zu erstrecken und ist elektrisch mit dem ersten Knoten des Widerstandes R1a verbunden. Dementsprechend teilen sich der Kondensator Csa und der Kondensator C1a den zweiten Knoten. Eine Vorwärtskopplungsverbindung oder Feedforward-Verbindung 336 ist durch den Kondensator Csa vorgesehen, und seine Knoten 332 und 334 steigern die Leistung der Vorrichtung, wie es oben erläutert wurde.
Die Pegelverschiebungsschaltung 302 umfasst einen Hysteresekomparator 338 (oder Gate-Steuersignalgenerator), der einen ersten Eingang 340, einen zweiten Eingang 342 und einen Ausgang 344 aufweist. Der erste Eingang ist mit dem Knoten 320 des Widerstandes R1 verbunden, der eine erste Spannung ausgibt, und der zweite Eingang ist mit dem Knoten 332 des Widerstandes R1a verbunden, der eine zweite Spannung ausgibt, die komplementär zu der ersten Spannung ist. Die Kondensatoren C2 und C2a sind dem ersten Eingang 340 und dem zweiten Eingang 342 zugeordnet. Eine Spannungsdifferenz V2 zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung wird dazu verwendet, den Komparator anzusteuern und ein high-seitiges Steuersignal HG über den Ausgangsknoten 344 auszugeben.
Die Pegelverschiebungsschaltung 302 umfasst darüber hinaus ein erstes Kondensator-Widerstands-Netz 346 und ein zweites Kondensator-Widerstands-Netz 348. Ein Eingangsknoten 350 des ersten Kondensator-Widerstands-Netzes ist mit dem Ausgang der ersten Nebenschaltung verbunden. Das erste Kondensator-Widerstands-Netz umfasst einen Widerstand R2, einen Widerstand R3 und einen Kondensator C3. Die Widerstände R2 und R3 sind in einer parallelen Konfiguration vorgesehen und mit dem Ausgang der ersten Nebenschaltung verbunden. Der Kondensator C3 ist in Reihe mit dem Widerstand R3 vorgesehen und mit einer zweiten Spannungsquelle 352 verbunden. Die Spannungsquelle 352 ist auch mit einem Ende des Widerstandes R2 verbunden.
Ähnlich ist ein Eingangsknoten 354 des zweiten Kondensator-Widerstand-Netzes mit dem Ausgang der zweiten Nebenschaltung verbunden. Das zweite Kondensator-Widerstand-Netz umfasst einen Widerstand R2a, einen Widerstand R3a und einen Kondensator C3a. Die Widerstände R2a und R3a sind in einer parallelen Konfiguration vorgesehen und mit dem Ausgang der zweiten Nebenschaltung verbunden. Der Kondensator C3a ist in Reihe mit dem Widerstand R3a vorgesehen und mit der zweiten Spannungsquelle 352 verbunden. Die Spannungsquelle 352 ist auch mit einem Ende des Widerstands R2a verbunden.
Bei einer Ausführungsform sind die Werte der Kondensatoren C2, C2a, C3, C3a und der Widerstände R2, R2a, R3 und R3a selektiv vorgesehen, um Spannungsspitzen zu verhindern, die durch die Vorwärtskopplungsverbindungen 326 und 328 erzeugt werden können. Die Pegelverschiebungsschaltung 302 ist mit den folgenden Werten versehen worden, um eine Dämpfung von 50:1 zu erhalten:
C2 = 50 pf
C2a = 50 pf
C3 = 5 pf
C3a = 5 pf
R2 = 20000 Ohm
R2a = 20000 Ohm
R3 = 10000 Ohm
R3a = 10000 Ohm
Wenn ein größeres Dämpfungsverhältnis erwünscht ist, können die Werte der Kondensatoren erhöht werden und die Werte der Widerstände können verringert werden. Wenn andererseits ein niedrigeres Dämpfungsverhältnis erwünscht ist, können die Werte der Kondensatoren verringert werden und die Werte der Widerstände können erhöht werden.
4A veranschaulicht eine schematische, teilweise in Schichten aufgelöste Konstruktionsansicht von oben 400 der ersten Nebenschaltung 316 der Pegelverschiebungsschaltung 302 nach dem Stand der Technik. Der Aufbau 400 umfasst eine leitende Schicht 402, die auf einer oberen Oberfläche eines Substrats (nicht gezeigt) vorgesehen ist, ein Bondpad (Anschlussfläche) 404, die über einem Abschnitt der leitenden Schicht liegt, den Widerstand R1, einen Draht 406, der dem Knoten 320 in 3 entspricht und an das Bondpad 404 gebondet ist, und eine Metallisierungsschicht 408, die dem Knoten 320 in 3 entspricht. Der Widerstand R1 ist mit dem Draht 406 und der Metallisierungsschicht 408 über Kontakte 410 bzw. 412 verbunden. Ein Kontakt 414 verbindet die Metallisierungsschicht 408 und die leitende Schicht 402 elektrisch, um die Vorwärtskopplungsverbindung 326 von 3 vorzusehen. Die leitende Schicht 402 ist bei einer Ausführungsform ein N-Diffusionsbereich. Die leitende Schicht 402 erstreckt sich unter dem Widerstand R1 und dem Bondpad 404, um die Kondensatoren C1 und Cs bereitzustellen.
4B veranschaulicht als schematische Querschnittsansicht den Aufbau 400, genommen entlang der Pfeile AA, nach dem Stand der Technik. Der Aufbau 400 umfasst ein Substrat 416, die leitende Schicht 402, das Bondpad 404, den Draht 406, die Metallisierungsschicht 408, die Kontakte 410, 412 und 414 und den Widerstand R1. Der Aufbau 400 umfasst ferner eine dielektrische Schicht 418, die über der leitenden Schicht 402 vorgesehen ist, um die leitende Schicht von dem Widerstand R1 und dem Bondpad 404 zu trennen. Die dielektrische Schicht 418 stellt dementsprechend die Kondensatoren C1 und Cs bereit.
Bei einer Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 418 eine Oxidschicht. Die Dicke der Oxidschicht unter dem Bondpad beträgt ungefähr 10000 Angström, und die Dicke der Oxidschicht unter dem Widertand R1 beträgt ungefähr 6000 Angström. Die Durchbruchspannung der Oxidschicht beträgt im Allgemeinen 70 Volt/1000 Angström. Die Durchbruchspannung des Aufbaus 400 oder der Pegelverschiebungsschaltung 302 beträgt dementsprechend ungefähr 420 Volt für die obige Konstruktionsspezifikation. Ein Erhöhen der Dicke der Oxidschicht kann die Durchbruchspannung anheben.
5 veranschaulicht ein alternatives Verfahren zum Erhöhen der Durchbruchspannung nach dem Stand der Technik. Ein Signalgenerator 500 umfasst eine Pegelverschiebungsschaltung 502, die eine erste Nebenschaltung 504, eine zweite Nebenschaltung 506, ein erstes Kondensator-Widerstands-Netz 508, ein zweites Kondensator-Widerstands-Netz 510, eine dritte Nebenschaltung 512 und eine vierte Nebenschaltung 514 umfasst. Die erste und die zweite Nebenschaltung 504 und 506 entsprechen der ersten und der zweiten Nebenschaltung 316 und 328 der Pegelverschiebungsschaltung 302. Das erste und das zweite Kondensator-Widerstands-Netz 508 und 510 entsprechen dem ersten und dem zweiten Kondensator-Widerstands-Netz 346 und 348 der Pegelverschiebungsschaltung 302.
Die erste Nebenschaltung 504 umfasst einen Widerstand R1, einen Kondensator C1 und einen Kondensator Cs. Ein erster Knoten des Widerstandes R1 oder Eingang der ersten Nebenschaltung 504 empfängt ein Spannungssignal V1 von einem Ausgang einer Gruppe von Invertern. Ein zweiter Knoten 518 des Widerstandes R1 oder Ausgang der ersten Nebenschaltung 504 gibt eine erste Spannung aus, die anschließend wie bei der Pegelverschiebungsschaltung 302 verwendet wird, um ein Gate-Steuersignal zu erzeugen. Der Kondensator C1 stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Der Kondensator Cs stellt die Kapazität zwischen Bondpad und Substrat dar. Ein erster Knoten 522 (z. B. Substrat) des Kondensators Cs ist mit dem ersten Knoten 516 des Widerstandes R1 verbunden, und der zweite Knoten 524 (z. B. Bondpad) des Kondensators Cs ist mit dem zweiten Knoten 518 des Widerstandes R1 verbunden. Die zweite Nebenschaltung 506 weist im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die erste Nebenschaltung 504 auf.
Die dritte und vierte Nebenschaltung 512 und 514 weisen eine ähnliche Konfiguration wie die erste und die zweite Nebenschaltung 504 und 506 auf. Die dritte Nebenschaltung 512 umfasst einen Widerstand R4, einen Kondensator C4 und einen Kondensator Csb. Ein erster Knoten 526 des Widerstandes R4 oder Eingang der dritten Nebenschaltung 512 ist mit dem Ausgang der ersten Nebenschaltung 504 verbunden.
Ein zweiter Knoten 528 des Widerstandes R4 oder Ausgang der dritten Nebenschaltung 512 ist mit einem Eingang eines Komparators 530 verbunden. Der Kondensator C4 stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Der Kondensator Csb stellt die Kapazität zwischen Bondpad und Substrat dar. Ein erster Knoten 532 (z. B. Bondpad) des Kondensators Csb ist mit dem ersten Knoten 526 des Widerstandes R4 verbunden, und der zweite Knoten 534 (z. B. Substrat) des Kondensators Csb ist mit dem zweiten Knoten 528 des Widerstandes R4 verbunden. Die vierte Nebenschaltung 514 weist im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die dritte Nebenschaltung 512 auf.
Dementsprechend sind die dritte und die vierte Nebenschaltung 512 und 514 jeweils in Reihe mit der ersten bzw. zweiten Nebenschaltung 504 bzw. 506 vorgesehen. Die erste und die zweite Nebenschaltung 504 und 506 weisen jeweils Vorwärtskopplungsverbindungen oder 536 bzw. 538 auf, um die Leistung der Vorrichtung zu steigern. Die dritte und die vierte Nebenschaltung 512 und 514 weisen ähnlich Vorwärtskopplungsverbindungen 540 bzw. 542 auf, um die Leistung der Vorrichtung zu steigern. Bei einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Nebenschaltung 504 und 506 in dem low-seitigen Treiber vorgesehen und die dritte und die vierte Nebenschaltung 512 und 514 sind in dem high-seitigen Treiber vorgesehen.
Wie bei der ersten Nebenschaltung 316 weist die erste Nebenschaltung 504 der Pegelverschiebungsschaltung 502 eine Durchbruchspannung von ungefähr 420 Volt auf. Zusätzlich weist die dritte Nebenschaltung 512, die in Reihe mit der ersten Nebenschaltung vorgesehen ist, eine Durchbruchspannung von ungefähr 420 Volt auf. Dementsprechend ist die Pegelverschiebungsschaltung 502 mit einer Durchbruchspannung von ungefähr 840 Volt versehen. Eine zusätzliche Nebenschaltung kann in Reihe mit der ersten und der dritten Nebenschaltung vorgesehen sein, um eine höhere Durchbruchspannung vorzusehen.
6A veranschaulicht eine schematische, teilweise in Schichten aufgelöste Konstruktionsansicht von oben 600 der ersten Nebenschaltung 504 der Pegelverschiebungsschaltung 502 und eine schematische, teilweise in Schichten aufgelöste Konstruktionsansicht von oben 602 der dritten Nebenschaltung 512 gemäß einer Ausführungsform nach dem Stand der Technik. Der Aufbau 600 und der Aufbau 602 sind jeweils in dem low-seitigen Treiber bzw. dem high-seitigen Treiber vorgesehen.
Der Aufbau 600 umfasst eine leitende Schicht 606, die auf einer oberen Oberfläche eines Substrats (nicht gezeigt) vorgesehen ist, ein Bondpad 608, das über einem Abschnitt der leitenden Schicht liegt, den Widerstand R1, einen Draht 610, der an das Bondpad 608 gebondet ist, und eine Metallisierungsschicht 612. Der Widerstand R1 ist mit dem Draht 610 und der Metallisierungsschicht 612 über Kontakte 614 bzw. 616 verbunden. Ein Kontakt 616 verbindet die Metallisierungsschicht 612 und die leitende Schicht 606 elektrisch, um die Vorwärtskopplungsverbindung 536 vorzusehen. Die leitende Schicht 606 erstreckt sich unter dem Widerstand R1 und dem Bondpad 608, um die Kondensatoren C1 und Cs vorzusehen. Die leitende Schicht 606 ist bei einer Ausführungsform ein N-Diffusionsbereich.
Der Aufbau 602 umfasst eine leitende Schicht 618, die auf einer oberen Oberfläche eines Substrats (nicht gezeigt) vorgesehen ist, ein Bondpad 620, das über einem Abschnitt der leitenden Schicht liegt, den Widerstand R4, einen Draht 622, der an das Bondpad 620 gebondet ist, und eine Metallisierungsschicht 624. Der Draht 622 ist mit dem Draht 610 des Aufbaus 600 verbunden. Der Widerstand R4 ist mit dem Draht 622 und der Metallisierungsschicht 624 über Kontakte 626 bzw. 628 verbunden. Ein Kontakt 630 verbindet die Metallisierungsschicht 624 und die leitende Schicht 618 elektrisch, um die Vorwärtskopplungsverbindung 540 vorzusehen. Die leitende Schicht 618 erstreckt sich unter dem Widerstand R4 und dem Bondpad 620, um die Kondensatoren C4 und Csb vorzusehen.
6B veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht der Aufbauten 600 und 602, genommen entlang der Pfeile BB, gemäß einer Ausführungsform nach dem Stand der Technik. Der Aufbau 600 umfasst ein Substrat 632, die leitende Schicht 606, das Bondpad 608, den Draht 610, die Metallisierungsschicht 612, die Kontakte 614 und 616 und den Widerstand R1. Der Aufbau 600 umfasst darüber hinaus eine dielektrische Schicht 634, die über der leitenden Schicht 606 vorgesehen ist, um die leitende Schicht von dem Widerstand R1 und dem Bondpad 608 zu trennen. Der Widerstand R1, das Bondpad 608 und die dielektrische Schicht 634 bilden zusammen die Kondensatoren C1 und Cs.
Ähnlich umfasst der Aufbau 602 das Substrat 632, die leitende Schicht 618, das Bondpad 620, den Draht 622, die Metallisierungsschicht 624, die Kontakte 626 und 628 und den Widerstand R4. Der Aufbau 602 umfasst darüber hinaus eine dielektrische Schicht 636, die über der leitenden Schicht 618 vorgesehen ist, um die leitende Schicht von dem Widerstand R4 und dem Bondpad 620 zu trennen. Der Widerstand R4, das Bondpad 620 und die dielektrische Schicht 636 bilden zusammen die Kondensatoren C4 und Csb.
Bei einer Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 634 eine Oxidschicht. Die Dicke der Oxidschicht beträgt unter dem Bondpad ungefähr 10000 Angström und unter dem Widerstand R1 ungefähr 6000 Angström. Die Durchbruchspannung der Oxidschicht beträgt im Allgemeinen 70 Volt/1000 Angström. Die Durchbruchspannung des Aufbaus 600 beträgt dementsprechend ungefähr 420 Volt für die obige Konstruktionsspezifikation. Ähnlich ist die dielektrische Schicht 636 eine Oxidschicht, die eine Dicke unter dem Bondpad von ungefähr 10000 Angström und eine Dicke unter dem Widerstand R4 von ungefähr 6000 Angström aufweist. Die Durchbruchspannung des Aufbaus beträgt dementsprechend ungefähr 420 Volt für die obige Konstruktionsspezifikation. Die Aufbauten 600 und 602 versehen zusammen die Pegelverschiebungsschaltung 502 mit einer Durchbruchspannung von 840 Volt.
7A veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Substrats 702, das teilweise gefertigt worden ist, um darauf eine Schaltung vorzusehen, die der ersten Nebenschaltung 316 von 4B gemäß einer Ausführungsform nach dem Stand der Technik entspricht. Das Substrat 702 ist ein Halbleiter, z. B. ein Siliziumsubstrat. Ein leitender Bereich 704, z. B. ein N-Diffusionsbereich, ist an einer oberen Oberfläche des Substrats 702 gebildet. Bei einer Ausführungsform werden in das Substrat N-Dotiermittel unter Verwendung eines Ionenimplantationsverfahrens injiziert. Danach werden die Dotiermittel diffundiert, um den leitenden Bereich 704 zu bilden.
Eine erste dielektrische Schicht 706, z. B. eine Oxidschicht, wird derart bis zu einer ersten Dicke gebildet, dass sie über der leitenden Schicht 704 liegt (7B). Ein erster Fotoresist (nicht gezeigt) wird über der ersten dielektrischen Schicht 706 vorgesehen und strukturiert, um eine Fläche 708 freizulegen. Die freigelegte Fläche 708 wird geätzt, um einen Graben 709 zu bilden. Der Graben 709 liegt über der leitenden Schicht 706, ohne einen Kontakt mit der leitenden Schicht herzustellen, so dass diese beiden Bereiche elektrisch isoliert sind. Der erste Fotoresist wird von dem Substrat unter Verwendung einer herkömmlichen Technik abgezogen.
Die leitende Schicht 728, z. B. Polysilizium, wird in den Graben 709 (7C) abgeschieden. Die leitende Schicht 728 wird strukturiert, um einen Widerstand zu bilden, der dem Widerstand R1 der 3 und 4A entspricht. Danach wird eine zweite dielektrische Schicht 710, z. B. eine Oxidschicht, über der strukturierten leitenden Schicht und der ersten dielektrischen Schicht gebildet. Ein zweiter Fotoresist (nicht gezeigt) wird über der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen und strukturiert, um Abschnitte 714, 716 und 718 der zweiten dielektrischen Schicht freizulegen. Die freigelegten Abschnitte werden geätzt, um mehrere Gräben 715, 717 und 719 zu bilden. Der zweite Fotoresist wird unter Verwendung einer herkömmlichen Technik abgezogen. Die Gräben 715, 717 und 719 werden mit leitendem Material gefüllt, um mehrere Stopfen zu bilden, die den Kontakten 410, 412 und 414 von 4A entsprechen. Danach wird der Fertigungsprozess fortgesetzt, um das Substrat 702 mit einem Bondpad und einer Verdrahtung zu versehen, wie es in 4A gezeigt ist. Der in dem Graben 719 gebildete Stopfen, der elektrisch mit dem leitenden Bereich 704 verbunden ist, und der leitende Bereich 704, der unter dem Bondpad vorgesehen ist, um einen Kondensator Cs zu bilden, stellen zusammen eine Vorwärtskopplungsverbindung bereit, um gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leistung der Vorrichtung zu verbessern.
8 zeigt einen Signalgenerator 1000, der eine bidirektionale Widerstands-Pegelverschiebungsschaltung 1002 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Signalgenerator 1000 ein Modul mit zumindest zwei Halbleiterplättchen. Eine gestrichelte Linie 1004 gibt an, ob verschiedene Komponenten in dem Signalgenerator in einem low-seitigen Treiber 1003a oder einem high-seitigen Treiber 1003b vorgesehen sind. Die beiden Treiber sind über Drähte 1005a und 1005b verbunden. Das heißt ein erster low-seitiger Knoten 1007a des low-seitigen Treibers ist mit einem ersten high-seitigen Knoten 1009a des high-seitigen Treibers über den Draht 1005a verbunden, und ein zweiter low-seitiger Knoten 1007b des low-seitigen Treibers ist mit einem zweiten high-seitigen Knoten 1009b des high-seitigen Treibers über den Draht 1005b verbunden. Diese Knoten dienen bei der vorliegenden Ausführungsform sowohl als Eingangsknoten als auch als Ausgangsknoten. Verschiedene Komponenten des Signalgenerators 1000 werden nachstehend in Hinblick auf ihre Beziehungen mit den high-seitigen und low-seitigen Treibern beschrieben, jedoch ist die Platzierung von einer oder mehreren dieser Komponenten in dem high-seitigen oder low-seitigen Treiber ausführungsformspezifisch, wie es Fachleute auf dem Gebiet verstehen werden.
Der Signalgenerator 1000 umfasst eine erste Spannungsquelle 1006 und einen ersten Impulsgenerator 1008, die mit mehreren Invertern 1010, 1012 und 1014 verbunden sind. Die Inverter sind in Reihe in zwei unterschiedlichen Gruppen angeordnet. Die erste Gruppe umfasst die Inverter 1010 und 1012, und die zweite Gruppe umfasst den Inverter 1014. Die Inverter in der ersten und der zweiten Gruppe sind konfiguriert, um komplementäre Signale an die Pegelverschiebungsschaltung 1002 auszugeben. Das heißt die erste Gruppe gibt ein erstes Signal V1 aus, und die zweite Gruppe gibt ein zweites Signal V1' aus, das komplementär zu dem Signal V1 ist.
Eine erste Nebenschaltung 1016 der Pegelverschiebungsschaltung 1002 empfängt das erste Signal V1. Die erste Nebenschaltung 1016 umfasst einen Widerstand R1, einen Kondensator C1 und einen Kondensator Cs. Ein erster Knoten 1018 des Widerstandes R1 ist mit dem Ausgang der ersten Gruppe von Invertern verbunden. Ein zweiter Knoten 1020 des Widerstandes R1 gibt eine erste Spannung aus, die dazu verwendet wird, ein Gate-Steuersignal zu erzeugen. Der Kondensator C1 stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Andererseits stellt der Kondensator Cs die Kapazität zwischen Bondpad und Substrat dar. Ein erster Knoten 1022 (z. B. Substrat) des Kondensators Cs ist mit dem ersten Knoten 1018 des Widerstandes R1 verbunden, und ein zweiter Knoten 1024 (z. B. Bondpad) des Kondensators Cs ist mit dem zweiten Knoten 1020 des Widerstandes R1 verbunden. Der Kondensator Cs ist gemäß einer Implementierung mit einem ersten Potential V_BVC1 versehen.
Eine Vorwärtskopplungsverbindung 1026 ist vorgesehen, um die Leistung der Vorrichtung zu steigern, indem verhindert wird, dass ein Nacheilen oder Pol (Signalverzögerung) in die Flanken eines Signals eingeführt wird. Ohne die Vorwärtskopplungsverbindung, d. h. die leitende Schicht, würde der Kondensator C1 eine Streukapazität zwischen Widerstand und Substrat darstellen, die die Leistung der Vorrichtung verschlechtern würde.
Ähnlich empfängt die zweite Nebenschaltung 1028 der Pegelverschiebungsschaltung 1002 das zweite komplementäre Signal V1'. Die zweite Nebenschaltung 1028 umfasst einen Widerstand R1a, einen Kondensator C1a und einen Kondensator Csa. Ein erster Knoten 1030 des Widerstandes R1a ist mit dem Ausgang der zweiten Invertergruppe verbunden. Ein zweiter Knoten 1032 des Widerstandes R1a gibt eine zweite Spannung aus, die dazu verwendet wird, ein Gate-Steuersignal zu erzeugen. Der Kondensator C1a stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Der Kondensator Csa stellt die Kapazität zwischen Bondpadmetall und Substrat dar. Ein erster Knoten 1034 des Kondensators Csa ist mit dem ersten Knoten 1030 des Widerstandes R1a verbunden, und ein zweiter Knoten 1036 des Kondensators Csa ist mit dem zweiten Knoten 1032 des Widerstandes R1a verbunden. Eine erste Vorwärtskopplungsverbindung 1036 ist vorgesehen, um die Leistung der Vorrichtung zu steigern. Der Kondensator Csa ist gemäß einer Implementierung mit einem zweiten Potential V_BVC1a versehen. Das erste Potential V_BVC1 und das zweite Potential V_BVC1a sind im Wesentlichen gleich.
Die Pegelverschiebungsschaltung 1002 umfasst einen Hysteresekomparator 1038 (oder Gate-Steuersignalgenerator), der einen ersten Eingang 1040, einen zweiten Eingang 1042 und einen Ausgang 1044 aufweist. Der erste Eingang ist mit dem Knoten 1020 des Widerstandes R1 verbunden, der eine erste Spannung ausgibt, und der zweite Eingang ist mit dem Knoten 1032 des Widerstandes R1a verbunden, der eine zweite Spannung ausgibt, die komplementär zu der ersten Spannung ist. Die Kondensatoren C2 und C2a sind dem ersten Eingang 1040 und dem zweiten Eingang 1042 zugeordnet. Eine Spannungsdifferenz V2 zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung wird verwendet, um den Komparator anzusteuern und ein high-seitiges Gate-Steuersignal HG über den Ausgangsknoten 1044 auszugeben.
Die Pegelverschiebungsschaltung 1002 umfasst darüber hinaus ein erstes Kondensator-Widerstands-Netz 1046 und ein zweites Kondensator-Widerstands-Netz 1048. Ein Eingangsknoten 1050 des ersten Kondensator-Widerstands-Netzes ist mit dem Ausgang der ersten Nebenschaltung verbunden. Der erste Kondensator-Widerstand umfasst einen Widerstand R2, einen Widerstand R3 und einen Kondensator C3. Die Widerstände R2 und R3 sind in einer parallelen Konfiguration vorgesehen und mit dem Ausgang der ersten Nebenschaltung verbunden. Der Kondensator C3 ist in Reihe mit dem Widerstand R3 vorgesehen und mit einer zweiten Spannungsquelle 1052 verbunden. Die zweite Spannungsquelle 1052 definiert ein Potential V_SF. Die Spannungsquelle 1052 ist auch mit einem Ende des Widerstandes R2 verbunden. Ein zweiter Impulsgenerator 1053 ist mit der Spannungsquelle 1052 verbunden und gibt Steuersignale in den Komparator 1038 ein. Der zweite Impulsgenerator 1053 definiert ein Potential V_CM. Die Spannungsquelle 1052 und der Impulsgenerator 1053 sind bei der vorliegenden Ausführungsform außerhalb der Pegelverschiebungsschaltung 1002 vorgesehen.
Ähnlich ist ein Eingangsknoten 1054 des zweiten Kondensator-Widerstands-Netzes mit dem Ausgang der zweiten Nebenschaltung verbunden. Das zweite Kondensator-Widerstands-Netz umfasst einen Widerstand R2a, einen Widerstand R3a und einen Kondensator C3a. Die Widerstände R2a und R3a sind in einer parallelen Konfiguration vorgesehen und mit dem Ausgang der zweiten Nebenschaltung verbunden. Der Kondensator C3a ist in Reihe mit dem Widerstand R3a vorgesehen und mit der zweiten Spannungsquelle 1052 verbunden. Die Spannungsquelle 1052 ist auch mit einem Ende des Widerstandes R2a verbunden.
Bei einer Ausführungsform sind die Werte der Kondensatoren C2, C2a, C3, C3a und der Widerstände R2, R2a, R3 und R3a selektiv vorgesehen, um Spannungsspitzen zu verhindern, die durch die Vorwärtskopplungsverbindungen 1026 und 1028 erzeugt werden können. Eine gewünschte Dämpfung kann erhalten werden indem geeignete Werte für die Kondensatoren und Widerstände gewählt werden, wie es oben in Verbindung mit 3 erläutert wurde.
Die Pegelverschiebungsschaltung 1002 umfasst auch eine dritte Nebenschaltung 1112 und eine vierte Nebenschaltung 1114. Die dritte Nebenschaltung 1112 umfasst einen Widerstand R4, einen Kondensator C4 und einen Kondensator Csb. Ein erster Knoten 1126 des Widerstandes R4 oder Eingang der dritten Nebenschaltung 1112 ist mit dem Ausgang der ersten Nebenschaltung 1016 verbunden. Ein zweiter Knoten 1128 des Widerstandes R4 oder Ausgang der dritten Nebenschaltung 1112 ist mit einem Eingang eines Komparators 1038 verbunden. Der Kondensator C4 stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Der Kondensator Csb stellt die Kapazität zwischen Bondpad und Substrat dar. Ein erster Knoten 1132 (z. B. Bondpad) des Kondensators Csb ist mit dem ersten Knoten 1126 des Widerstandes R4 verbunden, und der zweite Knoten 1134 (z. B. Substrat) des Kondensators Csb ist mit dem zweiten Knoten 1128 des Widerstandes R4 verbunden.
Die vierte Nebenschaltung 1114 weist im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die dritte Nebenschaltung 1112 auf. Die dritte und die vierte Nebenschaltung 1112 und 1114 weisen ähnlich jeweils Vorwärtskopplungsverbindungen 1140 bzw. 1142 auf, um die Leistung der Vorrichtung zu steigern. Die dritte und die vierte Nebenschaltung 1112 und 1114 sind jeweils in Reihe mit der ersten bzw. neben Nebenschaltung 1016 bzw. 1028 vorgesehen.
Zusätzlich zu dem Obigen umfasst der Signalgenerator 1002 zusätzliche Komponenten, um eine bidirektionale Kommunikation zu erleichtern, d. h. Signale, die von der high-seitigen Vorrichtung (oder Last) zu der low-seitigen Vorrichtung gehen, so dass bestimmte Ereignisse zu den Schaltungen oder Vorrichtungen befördert werden können, die mit der low-seitigen Vorrichtung verbunden sind.
Der Signalgenerator 1002 umfasst einen dritten Impulsgenerator 1202, der mit dem zweiten Impulsgenerator 1053 verbunden ist. Mehrere Inverter 1210, 1212 und 1214 sind mit dem dritten Impulsgenerator und dem Komparator 1038 verbunden. Die Inverter sind in zwei Gruppen angeordnet. Eine Gruppe 1213 umfasst die Inverter 1210 und 1212, die in Reihe angeordnet sind. Eine andere Gruppe 1215 umfasst den Inverter 1214. Diese beiden Invertergruppen sind konfiguriert, um komplementäre Signale auszugeben.
Die Invertergruppe 1213 ist mit einer ersten Kommunikationsschaltung 1216 verbunden, die einen Eingangsknoten 1218 und einen Ausgangsknoten 1220 aufweist. Der Eingangsknoten 1218 der Schaltung 1216 ist mit dem Ausgang des Inverters 1212 verbunden. Der Ausgangsknoten 1220 der Schaltung 1216 ist mit der vierten Nebenschaltung 814 und dem ersten high-seitigen Knoten 1009a verbunden.
Die erste Kommunikationsschaltung 1216 umfasst einen Widerstand R_1H, einen Kondensator C_1H und einen Kondensator C_SH. Der Widerstand R_1H ist zwischen den Eingangs- und Ausgangsknoten 1218 und 1220 vorgesehen. Bei einer Implementierung weist der Widerstand R_5H im Wesentlichen den gleichen Widerstandswert wie der Widerstand R_4a der Schaltung 1114 auf. Der Kondensator C_1H stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Der Kondensator C_SH stellt die Kapazität zwischen Bondpad und Substrat dar und weist ein Potential V_BC1H auf.
Eine zweite Kommunikationsschaltung 1222 ist mit dem Knoten 1218 verbunden und umfasst einen Widerstand R_5H und einen Kondensator C_5H. Ein Ende des Widerstandes R_5H ist mit dem Knoten 1218 verbunden und das andere ist mit dem Eingangsknoten 1042 zu dem Komparator 1038 verbunden. Der Kondensator C_5H stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Der Widerstand R_5H ist mit einem Widerstandswert versehen, der im Wesentlichen gleich ist wie der kombinierte Widerstandswert der Widerstände R_4a und R_1H.
Die Invertergruppe 1215 ist mit einer dritten Kommunikationsschaltung 1224 verbunden. Die Schaltung 1224 umfasst einen Eingangsknoten 1226, einen Ausgangsknoten 1228 und einen Widerstand R_1aH, der zwischen den Knoten 1226 und 1228 vorgesehen ist. Ein Kondensator C_1aH stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Ein Kondensator C_SaH stellt eine Kapazität zwischen Bondpad und Substrat dar und weist ein Potential V_BV1aH auf.
Eine vierte Kommunikationsschaltung 1230 ist mit dem Knoten 1226 verbunden und umfasst einen Widerstand R_5aH und einen Kondensator C_5aH. Ein Ende des Widerstandes R_5aH ist mit dem Knoten 1226 verbunden, und das andere ist mit dem Eingangsknoten 1040 zu dem Komparator 1038 verbunden. Der Kondensator C_5aH stellt die Kapazität zwischen Widerstand und Substrat dar. Der Widerstand R_5aH ist mit einem Widerstandswert versehen, der im Wesentlichen gleich ist wie der kombinierte Widerstandswert der Widerstände R₄ und R_1aH.
Die erste, die zweite, die dritte und die vierte Kommunikationsschaltung werden verwendet, um Signale an einen Komparator 1250 an dem low-seitigen Treiber von den Invertergruppen 1213 und 1215 zu liefern, ohne die Betriebsabläufe des Komparators 1038 zu stören. Der Komparator 1250 weist Eingangsknoten 1252 und 1254 auf.
Im Betrieb sendet die Invertergruppe 1213 ein Signal 1256a an den Eingangsknoten 1252 des Komparators 1250 über den Knoten 1009a. Die Invertergruppe 1215 sendet ein Signal 1258a an den Eingangsknoten 1254 des Komparators 1250 über den Knoten 1009b.
Die Signale 1256a und 1258a werden auch an die Eingangsknoten 1040 und 1042 des Komparators 1038 auf der High-Seite angelegt, die Rauschen von dem Punkt des Komparators 1038 sind. Dieses Rauschen wird durch Signale 1256b und 1258b wesentlich reduziert oder beseitigt, die jeweils Komplemente der Signale 1258a bzw. 1256a sind. Das heißt das Signal 1258a und das Signal 1256b, die komplementäre Signale sind, werden in den Knoten 1042 eingegeben, wodurch die beiden Signale ausgelöscht werden. Zu diesem Zweck sind die kombinierten Widerstandswerte der Widerstände R_1aH und R₄ und der des Widerstandes R_5H gleich vorgesehen. Ähnlich löschen sich das Signal 1256a und das Signal 1258b an dem Knoten 1040 gegenseitig aus.
Der low-seitige Treiber umfasst auch mehrere Schaltungen 1260, 1262, 1264 und 1266, die verwendet werden, um Signale an den Komparator 1038 zu liefern, ohne die Betriebsabläufe des Komparators 1250 zu stören. Die Schaltung 1260 umfasst einen Widerstand R_4a, einen Kondensator C_4a und einen Kondensator C_scL. Der Kondensator C_scL definiert ein Potential V_BVC4aL. Die Schaltung 1262 umfasst einen Widerstand R_4L, einen Kondensator C_4L und einen Kondensator C_sbL. Der Kondensator C_sbL definiert ein Potential V_BVC4L. Die Schaltung 1264 umfasst einen Widerstand R₅ und einen Kondensator C₅. Die Schaltung 1266 umfasst einen Widerstand R_5a und einen Kondensator C_5a.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Schaltungen konfiguriert, um die folgenden Potentiale zu liefern:
V_BVC1 ≈ V_BVC1a
V_BVC4 ≈ V_BVC4a
V_BVC1 ≈ V_BVC4
V_VBC1H ≈ V_BVC1aH
V_VBC4L ≈ V_BVC4aL
V_BVC1H ≈ V_BVC4L
V_SF + V_CM ≤ V_BVC1
Zusammengefasst umfasst ein Gate-Treiber einen Steuersignalgenerator, der einen ersten Eingang aufweist und konfiguriert ist, um ein Gate-Steuersignal an einen Leistungs-Halbleiterschalter auszugeben. Der Gate-Steuersignalgenerator ist nahe bei einer High-Seite des Gate-Treibers vorgesehen. Eine erste Nebenschaltung weist einen ersten Signalweg und einen zweiten Signalweg auf, die zum Übertragen von Signalen geeignet sind. Der erste und der zweite Signalweg sind mit dem ersten Eingang des Gate-Steuersignalgenerators verbunden. Der zweite Signalweg ist konfiguriert, um ein Signal an den ersten Eingang mit einer reduzierten Signalverzögerung zu liefern. Ein Komparator ist konfiguriert, um Signale von der High-Seite zu empfangen. Der Komparator ist nahe bei einer Low-Seite des Gate-Treibers vorgesehen.

Claims

Vorrichtung, umfassend: eine erste Spannungsquelle (1006); eine zweite Spannungsquelle (1052); einen ersten Impulsgenerator (1008); einen zweiten Impulsgenerator (1053); mehrere erste Inverter (1010, 1012, 1014), wobei jeder der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) durch die erste Spannungsquelle (1006) versorgt wird, wobei wenigstens einer der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) mit einem Ausgang des ersten Impulsgenerators (1008) verbunden ist; mehrere zweite Inverter (1210, 1212, 1214), wobei jeder der mehreren zweiten Inverter (1210, 1212, 1214) durch die zweite Spannungsquelle (1052) versorgt wird, wobei wenigstens einer der mehreren zweiten Inverter (1210, 1212, 1214) mit einem Ausgang des zweiten Impulsgenerators (1053) verbunden ist; und eine Widerstands-Pegelverschiebungsschaltung (1002), umfassend: eine low-seitige Treiberschaltung (1003a), welche Teil eines ersten Halbleiterplättchens ist, wobei die low-seitige Treiberschaltung (1003a) umfasst: eine erste Nebenschaltung (1016), welche einen ersten Knoten (1018) und einen zweiten Knoten (1024) aufweist, wobei der erste Knoten (1018) mit einem Ausgang der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) verbunden ist; eine zweite Nebenschaltung (1028), welche einen ersten Knoten (1030) und einen zweiten Knoten (1032) aufweist, wobei der erste Knoten (1030) mit einem Ausgang der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) verbunden ist; einen ersten low-seitigen Knoten (1007a), welcher mit dem zweiten Knoten (1024) der ersten Nebenschaltung (1016) verbunden ist; und einen zweiten low-seitigen Knoten (1007b), welcher mit dem Ausgangsknoten (1032) der zweiten Nebenschaltung (1028) verbunden ist; und eine high-seitige Treiberschaltung (1003b), welche Teil eines zweiten Halbleiterplättchens ist, wobei die high-seitige Treiberschaltung (1003b) umfasst: eine dritte Nebenschaltung (1112), welche einen ersten Knoten (1126) und einen zweiten Knoten (1128) aufweist; eine vierte Nebenschaltung (1114), welche einen ersten Knoten und einen zweiten Knoten (1142) aufweist; einen ersten high-seitigen Knoten (1009a), welcher mit dem ersten Knoten der vierten Nebenschaltung (1114) verbunden ist, wobei der erste high-seitige Knoten (1009a) mit dem ersten low-seitigen Knoten (1007a) der low-seitigen Treiberschaltung (1003a) verbunden ist; einen zweiten high-seitigen Knoten (1009b), welcher mit dem ersten Knoten (1126) der dritten Nebenschaltung (1112) verbunden ist, wobei der zweite high-seitige Knoten (1009b) mit dem zweiten low-seitigen Knoten (1007b) der low-seitigen Treiberschaltung (1003a) verbunden ist; und eine Komparatorschaltung (1038), welche einen ersten Eingangsknoten (1040), einen zweiten Eingangsknoten (1042) und einen Ausgangsknoten (1044) aufweist, wobei der erste Eingangsknoten (1040) mit dem zweiten Knoten (1142) der vierten Nebenschaltung (1114) verbunden ist, und wobei der zweite Eingangsknoten (1042) mit dem zweiten Knoten (1128) der dritten Nebenschaltung (1112) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Signalgeneratormodul (1000) ist, welches wenigstens zwei Halbleiterplättchen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet werden kann, ein high-seitiges Gatesteuersignal (HG) auf den Ausgangsknoten (1044) der Komparatorschaltung (1038) auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die high-seitige Treiberschaltung (1003b) ferner umfasst: eine erste Kommunikationsschaltung (1216), welche einen Eingangsknoten (1218) und einen Ausgangsknoten (1220) aufweist, wobei der Eingangsknoten (1218) mit einem Inverter (1212) der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) verbunden ist, wobei der Ausgangsknoten (1220) mit dem ersten high-seitigen Knoten (1009a) verbunden ist, und wobei der Ausgangsknoten (1220) ferner mit dem ersten Knoten der vierten Nebenschaltung (1114) verbunden ist; und eine zweite Kommunikationsschaltung (1222), welche einen Eingangsknoten und einen Ausgangsknoten aufweist, wobei der Eingangsknoten mit dem Eingangsknoten (1218) der ersten Kommunikationsschaltung (1216) verbunden ist, und wobei der Ausgangsknoten mit dem zweiten Eingangsknoten (1042) der Komparatorschaltung (1038) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei die high-seitige Treiberschaltung (1003b) ferner umfasst: eine dritte Kommunikationsschaltung (1224), welche einen Eingangsknoten (1226) und einen Ausgangsknoten (1228) aufweist, wobei der Eingangsknoten (1226) mit einem Inverter (1214) der mehreren zweiten Inverter (1210, 1212, 1214) verbunden ist, und wobei der Ausgangsknoten (1228) mit dem zweiten high-seitigen Knoten (1009b) verbunden ist, und wobei der Ausgangsknoten (1228) ferner mit dem ersten Knoten (1126) der dritten Nebenschaltung (1112) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner einen dritten Impulsgenerator (1202) umfasst, welcher zwischen die mehreren zweiten Inverter (1210, 1212, 1214) und den zweiten Impulsgenerator (1053) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Nebenschaltung (1016) einen Widerstand (R1), einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten Kondensator (Cs) umfasst, wobei eine erste Zuleitung des Widerstands (R1) mit einem Ausgang eines Inverters (1012) der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) verbunden ist, wobei die erste Zuleitung des Widerstands (R1) mit einer ersten Zuleitung des zweiten Kondensators (Cs) verbunden ist, wobei eine zweite Zuleitung des Widerstands (R1) mit einer zweiten Zuleitung des zweiten Kondensators (Cs) verbunden ist, und wobei die zweite Zuleitung des Widerstands (R1) mit dem ersten low-seitigen Knoten (1007a) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Nebenschaltung (1028) einen Widerstand (R1a), einen ersten Kondensator (C1a) und einen zweiten Kondensator (Csa) umfasst, wobei eine erste Zuleitung des Widerstands (R1a) mit einem Ausgang eines Inverters (1014) der mehreren ersten Inverter (1010, 1012, 1014) verbunden ist, wobei die erste Zuleitung des Widerstands (R1a) mit einer ersten Zuleitung des zweiten Kondensators (Csa) verbunden ist, wobei eine zweite Zuleitung des Widerstands (R1a) mit einer zweiten Zuleitung des zweiten Kondensators (Csa) verbunden ist, und wobei die zweite Zuleitung des Widerstands (R1a) mit dem zweiten low-seitigen Knoten (1007b) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste low-seitige Knoten (1007a) der low-seitigen Treiberschaltung (1003a) mit einem ersten Bondpad der Vorrichtung verbunden ist, wobei der erste high-seitige Knoten (1009a) der high-seitigen Treiberschaltung (1003b) mit einem zweiten Bondpad verbunden ist, und wobei das erste Bondpad mittels eines Drahts mit dem zweiten Bondpad verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die dritte Nebenschaltung (1112) einen Widerstand (R4), einen ersten Kondensator (C4) und einen zweiten Kondensator (Csb) umfasst, wobei eine erste Zuleitung des Widerstands (R4) mit einer ersten Zuleitung des zweiten Kondensators (Csb) verbunden ist, wobei die erste Zuleitung des Widerstands (R4) mit dem zweiten high-seitigen Knoten (1009b) verbunden ist, wobei eine zweite Zuleitung des Widerstands (R4) mit einer zweiten Zuleitung des zweiten Kondensators (Csb) verbunden ist, und wobei die zweite Zuleitung des Widerstands (R4) mit dem zweiten Eingangsknoten (1042) des Komparators (1038) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die vierte Nebenschaltung (1114) einen Widerstand (R4a), einen ersten Kondensator (C4a) und einen zweiten Kondensator (Csc) umfasst, wobei eine erste Zuleitung des Widerstands (R4a) mit einer ersten Zuleitung des zweiten Kondensators (Csc) verbunden ist, wobei die erste Zuleitung des Widerstands (R4a) mit dem ersten high-seitigen Knoten (1009a) verbunden ist, wobei eine zweite Zuleitung des Widerstands (R4a) mit einer zweiten Zuleitung des zweiten Kondensators (Csc) verbunden ist, und wobei die zweite Zuleitung des Widerstands (R4a) mit dem ersten Eingangsknoten (1040) des Komparators (1038) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Kommunikationsschaltung (1216) einen Widerstand (R1H), einen ersten Kondensator (C1h) und einen zweiten Kondensator (CsH) umfasst, wobei eine erste Zuleitung des Widerstands (R1H) mit einem Ausgang eines Inverters (1212) der mehreren zweiten Inverter (1210, 1212, 1214) verbunden ist, wobei die erste Zuleitung des Widerstands (R1H) mit einer ersten Zuleitung des zweiten Kondensators (CsH) verbunden ist, wobei eine zweite Zuleitung des Widerstands (R1H) mit einer zweiten Zuleitung des zweiten Kondensators (CsH) verbunden ist, wobei die zweite Zuleitung des Widerstands (R1H) mit dem ersten high-seitigen Knoten (1009a) verbunden ist, und wobei die zweite Zuleitung des Widerstands (R1H) mit der ersten Zuleitung des Widerstands (R4a) der vierten Nebenschaltung (1114) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zweite Kommunikationsschaltung (1222) einen Widerstand (R5H) und einen Kondensator (C5H) umfasst, wobei eine erste Zuleitung des Widerstands (R5H) mit der ersten Zuleitung des Widerstands (R1H) der ersten Kommunikationsschaltung (1216) verbunden ist, wobei die erste Zuleitung des Widerstands (R5H) mit dem Ausgang des Inverters (1212) der mehreren zweiten Inverter (1210, 1212, 1214) verbunden ist, wobei die erste Zuleitung des Widerstands (R5H) mit einer ersten Zuleitung des Kondensators (C5H) verbunden ist, wobei eine zweite Zuleitung des Widerstands (R5H) mit einer zweiten Zuleitung des Kondensators (C5H) verbunden ist, wobei die zweite Zuleitung des Widerstands (R5H) mit dem zweiten Eingangsknoten (1042) des Komparators (1038) verbunden ist.