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Einrichtung zur Signalpegelverschiebung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine integriert aufgebaute Einrichtung
zur Signalpegelverschiebung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Einrichtungen zur Signalpegelverschiebung, im folgenden kurz als Pegelshifter
bezeichnet, sind gewöhnlich Teile von umfangreicheren integrierten Schaltungsanordnungen.
Sie dienen beispielsweise zur Pegelverschiebung von Eingangssignalen in Schaltungsanordnungen
der ECL-Technik, zur Signalpegelanpassung beim Übergang von Schaltungsanordnungen
der ECL-Technik in solche der TTL-Technik und kommen in vielen linearen Schaltungsanordnungen
vor. Pegelshifter haben die Aufgabe, ein Signal mit einem bestimmten Signalhub möglichst
ohne Veränderung des Signalhubes um eine vorgegebene Spannung UO zu verschieben.
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Drei typische Einrichtungen zur Signalpegelverschiebung sind in FIG
1a bis 1c zusammengestellt (vergl. "Der Fernmelde-Ingenieur" Heft 7, Juli 1973,
Seite 19 und 20; DE-PS 19 29 144; DE-PS 19 35 356). Die dargestellten Ausführungsbeispiele
unterscheiden sich nur durch die Mittel zur Erzeugung des wählbaren Teils der Verschiebespannung
UO. Die übrigen Schaltungselemente sind gleich.
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Der Eingang E für das zu verschiebende Signal ist mit der Basis eines
Eingangstransistors T1 in Emitterfolgerschaltung verbunden. Das hinsichtlich seines
mittleren Pegels verschobene Signal ist am Ausgang A ab-
greifbar.
Alle Ausführungsbeispiele besitzen eine Konstantstromquelle, die aus dem Transistor
T2 und seinem Emitterwiderstand RI besteht. Die Basis des Transistors T2 liegt an
einem festen Potential VB. Die Anschlußpunkte VCC und VEE dienen zum Anschluß der
Betriebsspannung. Es ist bekannt, bei geringeren Anforderungen an die Stromkonstanz,
insbesondere bei kleinen Signalhübenund Verschiebespannungen, anstelle der in den
Ausführungsbeispielen nach FIG 1 benutzten Stromquellenschaltung nur einen Widerstand
vorzusehen.
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Bei allen Pegelshiftern nach FIG 1 existiert ein fester Anteil an
der Verschiebespannung UO, der durch die Basis-Emitter-Spannung UBE des Eingangstransistors
T1 gegeben ist. Damit ergibt sich für das Ausführungsbeispiel nach FIG 1a eine Verschiebespannung
U01 = (n + 1) ~ UBE, wobei der veränderbare Anteil von der Anzahl n der zwischen
dem Emitter des Eingangstransistors T1 und dem Ausgang A in Serie geschalteten Dioden
D1 bis Dn abhängt, an denen ein Spannungsabfall n ~ UBE entsteht.
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Die Schaltungsanordnung nach FIG Ib erzeugt eine Verschiebespannung
Uo2 =UBE + R ~ I, wobei der wählbare Anteil durch den Widerstand R und durch den
von der Stromquelle gelieferten Strom I gegeben ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 1 c liegen zwischen dem Emitter
des Eingangsteansistors T1 und dem Ausgang A die Kollektor-Emitter-Strecke eines
weiteren Transistors T3 und ein Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2.
Die Basis des Transistors T3 ist mit dem Abgriff des Spannungsteilers verbunden.
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Damit ergibt sich eine Verschiebespannung Uo3 =UBE R1 (2 + - ). Zu
den in integrierten Schaltungsanordnun-
gen, die Pegelshifter beinhalten,
auftreTenden Signallaufzeiten tragen eben diese Pegelshifter nicht unwesentlich
bei. Hauptursache ist die Kapazität der Mittel für die Erzeugung des wählbaren Anteils
an der Verschiebespannung, besonders die (verteilte) Kapazität der beteiligten Widerstände,
gegen das auf einem festen Potential gehaltenen Substrat bzw. gegen die zur Isolierung
vom Substrat vorgesehene, ebenfalls festgehaltene vergrabene Schicht. Da sowohl
Widerstände als auch Kapazitäten mit wachsender Verschiebespannung UO zunehmen,
steigt die Laufzeit etwa quadratisch an.
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Wegen der kleinen dynamischen Widerstände der Dioden D1 bis Dn im
Pegelshifter nach FIG 1a ist im allgemeinen auch das dynamische Verhalten dieser
Ausführungsform am besten. Nachteilig daran ist jedoch, daß die Verschiebespannung
nur um ganzzahlige Vielfache von Spannungswerten UBE verändert werden kann. Dagegen
sind bei den anderen Pegelshiftern beliebige Werte für die Verschiebespannungen
Uo2 )> UBE bzw. Und 7 2UBE möglich.
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Bekanntlich ist eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens durch
eine Verringerung der Widerstandswerte bei gleichzeitiger Stromerhöhung oder durch
eine Verkleinerung der Bauelemente zu erreichen. Im ersten Fall wird die Verlustleistung
erhöht, im zweiten Fall verhindern fertigungstechnische Gründe und Toleranzen der
Bauelemente deren beliebige Verkleinening.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der dargelegten
Schwierigkeiten eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens
von integrierten Pegelshiftern, bei denen die Mittel zur Erzeugung der Verschiebespannung
ohmsche Widerstän-
de enthalten, vorzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal im Patentanspruch
1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt darin: FIG 2 ein Ersatzschaltbild des Pegelshifters nach FIG 1b in konventioneller
Ausführung, FIG 3 den integrierten Aufbau des Widerstands zur Erzeugung des wählbaren
Anteils der Verschiebespannung gemäß der Erfindung, FIG 4 ein aus der Anordnung
nach FIG 3 resultierendes Ersatzschaltbild des Pegelshifters nach FIG Ib, FIG 5
ein Ersatzschaltbild des Pegelshifters n#ach FIG Ib gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung, FIG 6 den integrierten Aufbau der Anordnung zur Erzeugung des wählbaren
Anteils der Verschiebespannung bei einem Pegelshifter nach FIG 1c, FIG 7 ein der
Anordnung nach FIG 6 entsprechendes Ersatzschaltbild.
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In integrierte Schaltungsanordnungen werden als ohmsche Widerstände
die Bahnwiderstände von epitaxialen Schichten ausgenützt, die nach Lage und Dotierung
gewöhnlich den Basis- oder
Basiskontaktschichten von Transistoren
entsprechen.
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Es handelt sich hierbei somit um p-leitende Schichten mit mittlerer
oder hoher Dotierung, wobei die gewünschte Leitfähigkeit eine Rolle spielt. Zur
Isolierung der an beiden Enden kontaktierten Widestandsschichten von dem schwach
p-leitenden Substrat sind stark dotierte "vergrabene" n-leitende Schichten vorgesehen,
die durch Diffusion oder Implantation in dem Halbleiterplättchen erzeugt wurden
und im fertigen Baustein mit dem kollektorseitigen Versorgungspotential VCC verbunden
sind.
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Man bezeichnet einen solchen Aufbau häufig als Widerstandswanne. Zwischen
der Widerstandsschicht und der vergrabenen Schicht bildet sich eine isolierende
Sperrschicht aus, deren Kapazität bei einer Signaländerung umgeladen werden muß.
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In dem dynamischen Ersatzschaltbild FIG 2 für den Pegelshifter nach
FIG Ib ist die verteilte Kapazität des Widerstands R gegen die vergrabene Schicht
2 durch zwei Kapazitäten C1 und C2 ersetzt. Das Symbol K bezeichnet hier die Stromquelle
aus dem Transistor T2 und dem Widerstand RI. Die Kapazität C1 beeinflußt das dynamische
Verhalten des Pegelshifters nur wenig, da der Emitter eines Transistqrs in Emitterfolgerschaltung
bekanntlich eine niederohmige Signalquelle darstellt. Eine erhebliche Signalverzögerung
verursacht dagegen die Kapazität C2, die bei jeder Signaländerung über den Widerstand
R umgeladen werden muß.
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Damit folgt der Ausgang A einer Signaländerung am Emitter des Transistors
T1 mit der Zeitkonstante R . C2.
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Die FIG 3 zeigt den integrierten Aufbau des Widerstands R und der
zugehörigen Elemente gemäß der Erfindung.
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In einem Bereich eines p-leitenden Substrats 1 ist durch Diffusion
oder Implantation eine n-leitende
Schicht 2 mit hoher Störstellenkonzentration
erzeugt.
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Darüber folgt eine n-leitende Epitaxischicht 3 mittlerer Dotierung.
ttberdieser Schicht befindet sich eine p-leitende Schicht 4, deren Grundriß zumeist
die Form eines schmalen Rechtecks hat. Die p-leitende Schicht 4 ist an beiden Enden
kontaktiert und bildet den Widerstand R zwischen den Anschlußpunkten A und B. (Der
Anschlußpunkt A ist mit dem Ausgang A des>Pegelshifters identisch). Die vergrabene
Schicht 2 ist mit Hilfe eines hochdotierten n-leitenden Höckers 2a an die Halbleiteroberfiäche
herangeführt und über eine metallische Verbindung an den Punkt B angeschlossen.
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Der Anschlußpunkt B ist mit dem Emitter des Eingangstransistors T1
verbunden. Die Widerstandswanne wird also mit dem Signal, dessen Pegel verschoben
werden soll, mitgeführt.
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Die Folgen der anhand der FIG 3 beschriebenen Maßnahmen sind am besten
aus dem Ersatzschaltbild FIG 4 ersichtlich. Die Kapazität C1 ist kurzgeschlossen
und daher völig wirkungslos, die Kapazität C2 überbrückt den Widerstand. R und verursacht
somit mindestens keine Verlangsamung von Signaländerungen. Vielmehr erzeugt die
Kapazität C2 eine Versteilerung der Signalflanken, vor allem dann, wenn die am Ausgang
A des Pegelshifters angeschlossenen Schaltungsanordnungen eine kapazitive Belastungskomponente
aufweisen.
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Zu berücksichtigen ist aber nun die Kapazität CBS zwischen der vergrabenen
Schicht 2 und dem Substrat 1.
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Für diese Kapazität 0BS gilt jedoch wieder, daß ihre Umladung aus
einer sehr niederohmigen Quelle erfolgt und daher keinen wesentlichen Einfluß auf
das dynamische Verhalten hat. Eine weitere Verbesserung des dynamischen Verhaltens
eines Pegelshifters nach FIG 1b
gelingt durch die Verlegung des
Emitterwiderstands al für den Stromquellentransistor T2 in die Widerstandswanne
für den Widerstand R. Das daraus resultierende Ersatzschaltbild ist in FIG 5 dargestellt.
Zwar kommt zu der vom Emitterfolger Tl umzuladenden Kapazität CBS noch die Kapazität
C11 hinzu, gleichzeitig wird aber bei jeder Änderung des vom Emitterfolger T1 gelieferten
Signals über die Kapazität C12 ein Impuls auf den Emitter des Stromquellentransistors
T2 übertragen und durch den Stromquellentransistor T2 verstärkt. Dies ergibt nochmals
eine erhebliche Flankenversteilerung.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Ma#3nahmen auf den Pegelshifter
nach FIG 1c führt beispielsweise zu einer integrierten Anordndng nach FIG. 6, die
der Anordnung nach FIG 3 weitgehend gleicht. Der Bahnwiderstand der p-leitenden
Schicht 4 entspricht in dem Aufbau nach FIG 6 im wesentlichen der Summe der Widerstände
R1 und R2. An einer Stelle, die durch das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 gegeben
ist, befindet sich nun ein kleiner Bereich 5 geringer Tiefe aus n-leitendem Material
mit hoher Dotierung. Dieser Bereich 5 bildet den Emitter des Transistors T3. Er
ist kontaktiert und über eine Metallisierung mit dem Anschlußpunkt A verbunden.
Durch die Einfügung des den Emitter des Transistors T3 bildenden Bereichs 5 in den
Verlauf der p-leitenden Schicht 4 wird diese in drei Abschnitte unterteilt, die
in FIG 6 schematisch angedeutet und mit Rl, T3 und R2 bezeichnet sind.
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Das Ersatzschaltbild des Pegelshifters nach FIG 1c unter Zugrundelegung
des in FIG 6 gezeigten integrierten Aufbaues ist in FI 7 dargestellt. Das Ersatzschaltbild
ist anhand der vorausgehenden Ausführungen verständlich. Besondere Beachtung verdient
Jedoch
die Teilkapazität C2', die bei Signaländerungen kurzzeitige
Anderungen der Leitfähigkeit des Transistors T3 hervorruft und damit zur Versteilerung
der Signalflanken beiträgt. Die in Verbindung mit FIG 5 beschriebenen Maßnahmen
können auch hier vorgenommen werden.
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7 Figuren 3 Patentansprüche
Liste der Bezugszeichen
VCC, VEE Anschlußpunkte für Betriebsspannung E Eingang A Ausgang VB Referenzpotential
U01-U03 Verschiebespannung T1-T3 Transistor Dl-Dn Diode R, RI, R1, R2 Widerstand
C1, C2, CBS, CI1,CI2,C2 Kapazität K Konstantstromquelle I Konstantstrom 1 Substrat
2, 2a vergrabene Schicht 3-5 Epitaxieschicht