DE69413814T2

DE69413814T2 - MOS Transistorschalter ohne Körpereffekt

Info

Publication number: DE69413814T2
Application number: DE69413814T
Authority: DE
Inventors: Pierangelo I-24040 Canonica D'adda Confalonieri (Milano); Germano I-29100 Piacenza Nicollini
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2014-07-30
Also published as: US5617055A; DE69413814D1; JPH0865124A; JP3449830B2; EP0698966B1; EP0698966A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für integrierte Schaltkreise, insbesondere einen elektronischen Schalter für eine in CMOS-Technologie integrierte Niederspannungs-Versorgungsschaltung.
Die Schalteinrichtungen sind in verschiedenen Anwendungen integrierter Schaltkreise unerläßlich, so zum Beispiel bei geschalteten Kondensatoren für Filter mit verringertem Klirrfaktor, bei denen die elektronischen Schalter mit MOS-Transistoren realisiert sind, die durch diskrete Zeitsteuersignale ohne einander überlagerte Phasen angesteuert werden.
Ein ziemlich einfacher Typ eines elektronischen Schalters, der üblicherweise von Fachleuten verwendet wird, ist der sogenannte "Durchlaßtransistor", bestehend aus zwei komplementären CMOS-Transistoren, die mit ihrem jeweiligen Source- und Drainanschluß parallel zueinander geschaltet sind und von Signalen angesteuert werden, die beim Schaltvorgang entgegengesetzte Phasen aufweisen.
Der Schalter weist keine Nachteile in integrierten Schaltungen auf, die eine ausreichend hohe Versorgungsspannung in der Größenordnung von mindestens 5 V besitzen.
Ist allerdings die Versorgungsspannung geringer, liegt sie typischerweise bei etwa 3 V, wie des derzeit der Trend in zahlreichen integrierten Schaltungen ist, so muß man berücksichtigen, was in der technischen Literatur als "Body-Effekt" bezeichnet wird, wobei sich der Begriff "Body" auf das eigentliche Substrat eines Transistors bezieht.
Tatsächlich ist bei jedem CMOS-Prozeß einer der beiden komplementären Transistoren in seinem eigenen Substrat ausgebildet, was man als Wanne oder Mulde bezeichnet.
In einem N-Mulden-CMOS-Prozeß beispielsweise ist es der P-Kanal- Transistor, der aus einer unabhängigen im Substrat gebildeten N-Mulde gebildet wird, beim P-Mulden-CMOS-Prozeß verhält es sich umgekehrt.
Wie der Fachmann weiß, hängt die aktuelle Schwellenspannung beim Leiten des Transistors einer integrierten Schaltung vom CMOS-Typ von dem "Body-Effekt" mit der Maßgabe ab, wie die aktuelle Schwellenspannung VTH eines Transistors in ihrem Absolutwert ansteigt, wenn die Spannung VSB zwischen Source und dem Substrat des Transistors von Null verschieden ist, das heißt, wenn das Transistorsubstrat nicht mit der Source-Zone kurzgeschlossen ist und am höchsten ist, wenn die Source-Zone von dem Substrat getrennt ist.
Für den besten Betrieb eines Durchlaßtransistors wird das N-Kanal- Transistor-Substrat auf dem niedrigsten Potential gehalten, was in der intergrierten Schaltung verfügbar ist, während das Substrat des P-Kanal- Transistors auf dem höchsten Potential gehalten wird.
Ist nun die Versorgungsspannung zu gering, so ist es unter Umständen für gewisse Spannungswerte an den Enden des Schalters aufgrund des Body-Effekts unmöglich, mindestens einen der beiden Transistoren, die den Durchlaßtransistor bilden, in den leitenden Zustand umzuschalten und somit einen korrekten Betrieb des Schalters zu ermöglichen.
Wie in dem Artikel "Higher Sampling Rates in SC Circuits by On-Chip Clock-Voltage Multiplication" von F. Krummenacher, H. Pinier und A. Guillaume - Laboratoire dsälectronique gsänéral, EPFL, Lausanne, Schweiz - besteht die von dem Fachmann gewählte Lösung darin, die Schalttransistoren mit "in der Spannung erhöhter" Gegenphase anzusteuern, das heißt mit Amplituden, die in Bezug auf den Wert der Versorgungsspannung nahezu verdoppelt sind.
Ein korrekter Betrieb des Schalters wird somit auch bei niedrigen Versorgungsspannungen gewährleistet, allerdings beinhaltet diese Lösung den Nachteil, daß eine komplizierte Schaltung zum Generieren der spannungserhöhten Treibersignale erforderlich ist.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht somit darin, einen elekronischen Schalter mit MOS-Transistoren zu schaffen, der die auf den Body-Effekt zurückzuführenden Unzulänglichkeiten vermeidet und dabei dennoch die Einfachheit der Schaltung bewahrt.
Gelöst wird dieses technische Problem durch einen elektronischen Schalter der eingangs genannten Art, wie er im Kennzeichnungsteil der dieser Beschreibung beigefügten Ansprüche definiert ist.
Die Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Schalters werden in einer Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung nachfolgend als nicht beschränktes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1, 2, 3 und 4 mögliche Schaltungsdiagramme für einen elektronischen Schalter gemäß der Erfindung für integrierte Schaltkreise, die nach klassischen CMOS-Prozessen ausgeführt sind, und
Fig. 5 und 6 Schaltungsdiagramme für einen elektronischen Schalter integrierter Schaltungen gemäß CMOS-Prozessen vom "Doppelmulden"-Typ. Diese Schaltung ist nicht beansprucht.
Ein erfindungsgemäßer elektronischer Schalter wird dadurch erhalten, daß man von dem Umstand Gebrauch macht, daß bei jedem CMOS- Prozeß einer der beiden Transistoren in seinem eigenen Substrat mit einem Leitfähigkeitstyp realisiert wird, der demjenigen des aktuellen Substrats, in welchem der andere Transistor ausgebildet ist, entgegen gesetzt ist. Unter Heranziehung der in den Figuren dargestellten Schaltungsskizzen und durch geeignetes Anschließen der Substrate der in den Diagrammen dargestellten komplementären Transistoren an Bezugspotentiale mit maximalem und minimalem Potential der integrierten Schaltungen erhält man gemäß ein und demselben erfindungsgemäßen Konzept elektronische Schalter ohne den "Body-Effekt".
In dem Diagramm in Fig. 1 sind ein erster und ein zweiter P-Kanal- Transistor M1 und M2 enthalten, in Reihe eingefügt mit ihren Source- und Drain-Anschlüssen zwischen zwei Verbindungsanschlüsse A und B.
Ein dritter Transistor M3 mit N-Kanal liegt zwischen einem Verbindungsknoten der Transistoren M1 und M2 und einem Minimum-Referenzpotential VSS der integrierten Schaltung, die den elektronischen Schalter gemäß der Erfindung enthält.
Ein vierter Transistor M4, ebenfalls mit N-Kanal, liegt zwischen den Verbindungsanschlüssen A und B parallel zu den Transistoren M1 und M2 mit seinen Source- und Drain-Anschlüssen.
Das Substrat des Transistors M1 und das Substrat des Transistors M2 sind mit den Schaltverbindungsanschlüssen A bzw. B verbunden.
Das Substrat der Transistoren M3 und M4 ist mit dem Referenzpotential VSS verbunden.
Der Transistor M4 wird über seinen Gateanschluß mit einem Signal gegenphasig zu sowohl dem Transistor M1 als auch dem Transistor M2 angesteuert, denen ein Signal an ihrem Gateanschluß zugeführt wird, und auch gegenphasig zu dem Transistor M3, der von demselben Signal angesteuert wird, jedoch über einen Negator.
Fig. 2 zeigt eine dazu duale Schaltung mit entgegenesetzten Polaritäten, wobei das Referenzpotential VDD ein maximales Referenzpotential in der intergrierten Schaltung ist.
In dem Diagramm nach Fig. 3 hat der Transistor M3 einen P-Kanal anstatt eines N-Kanals, und deshalb ist sein Substrat in Gegensatz zu der Skizze nach Fig. 1 an ein Maximum-Referenzpotential VDD in der integrierten Schaltung angeschlossen, und nicht an das Minimum-Referenzpotential VSS.
Der Transistor M3 muß außerdem gegenphasig bezügliche der Transistoren M1 und M2 angesteuert werden.
Die Substrate der Transistoren M1 und M2 sind an den Verbindungsknoten zwischen den Transitoren und den Transistor M3 angeschlossen.
Fig. 4 zeigt den dualen Fall mit entgegengesetzten Polaritäten bezüglich Fig. 3.
Die in den Fig. 1, 2, 3 und 4 dargestellten Schaltungsskizzen beinhalten einen einzelnen Transistor M4 in Parallelschaltung zu den weiteren zwei Transistoren M1 und M2.
Dies stellt die einfachste Lösung bei normalen CMOS-Integrationsprozessen dar.
Allerdings kann bei "Doppelmulden"-CMOS-Integrationsprozessen, beispielsweise allgemein solchen des Bi-CMOS-Typs, der Einzeltransistor M4 ersetzt werden durch ein Paar von Transistoren, die zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei der Verbindungsknoten wie für das erste Paar über einen Transistor an ein Referenzpotential gekoppelt ist.
Fig. 5 und 6 zeigen die möglichen Schaltungen.
Die Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß die Substrate der in Reihe geschalteten Transistoren jeweils an einen Anschluß ihres eigenen Transistors angeschlossen sind, und zwar unter jeder Betriebsbedingung, um dadurch den sogenannten Body-Effekt zu vermeiden, wobei außerdem der zwischen das Transitorpaar und das Referenzpotential eingefügte Transistor unerwünschte Ladungsinjektionen bei geöffnetem Schalter verhindert.
Obschon nicht unerläßlich, gewährleistet die Verwendung eines Negators zum Ansteuern des letztgenannten Transistors (M3) mit dem Signal anstelle des Signals , daß er nur zu leiten beginnt, nachdem das Reihen-Transistorpaar ausgeschaltet ist.
Natürlich können an dem oben erläuterten Bauelement, welches als nicht beschränktes Beispiel erläutert wurde, Modifikationen und Abwandlungen im Rahmen des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden.

Claims

Elektronischer Schalter für eine auf einem Halbleitersubstrat in CMOS-Technologie integrierte Niederspannungsversorgungsschaltung mit einem ersten (A) und einem zweiten (B) Verbindungsanschluß, umfassend einen ersten Transistor (M4) mit einem ersten und einem zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß, mit dem ersten und dem zweiten Anschluß eingefügt zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsanschluß, dadurch gekennzeichnet, daß er einen zweiten Transistor (M1), einen dritten Transistor (M2) und einen vierten Transistor (M3) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Anschluß sowie einen Steueranschluß aufweist, wobei der zweite Transistor (M1) und der dritte Transistor (M2) bezüglich des ersten Transistors vom komplementären Typ sind und bei Reihenschaltung mit ihrem jeweils ersten und zweiten Anschluß zwischen den ersten und den zweiten Verbindungsanschluß eingefügt sind, und der vierte Transistor (M3) mit seinem ersten und zweiten Anschluß zwischen einen Verbindungs-Schaltungsknoten zwischen dem zweiten und dem dritten Transistor und einer ersten Potentialquelle (VSS) eingefügt ist, und daß der vierte Transistor (M3) mit dem Substrat an die erste Potentialquelle (VSS) angeschlossen ist, und der zweite Transistor (M1) und der dritte Transistor (M2) jeweils mit dem Substrat an ihren ersten Anschluß gekoppelt sind.
2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Transistor (M3) vom gleichen Typ wie der erste Transistor (M4) ist, und der zweite Transistor (M1) und der dritte Transistor (M2) über ihren zweiten Anschluß miteinander verbunden sind.
3. Elektronischer Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der vierte Transistor vom N-Kanal-Typ, der zweite und der dritte Transistor jeweils vom P-Kanal-Typ sind, und das Potential der ersten Quelle gleich dem niedrigsten Potential innerhalb der integrierten Schaltung ist.
4. Elektronischer Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der vierte Transistor vom P-Kanal-Typ sind, der zweite und der dritte Transistor vom N-Kanal-Typ sind, und das Potential der ersten Quelle gleich dem höchsten Potential innerhalb der integrierten Schaltung ist.
5. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Transistor (M3) vom bezüglich des ersten Transistors (M4) komplementären Typ ist, und der zweite Transistor (M1) und der dritte Transistor (M2) mit ihrem eigenen ersten Anschluß zusammengeschaltet sind.
6. Elektronischer Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor vom N-Kanal-Typ ist, der zweite, der dritte und der vierte Transistor vom P-Kanal-Typ sind, und das Potential der ersten Quelle gleich ist dem höchsten Potential innerhalb der integrierten Schaltung.
7. Elektronischer Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor vom P-Kanal-Typ ist, der zweite, der dritte und der vierte Transistor vom N-Kanal-Typ sind, und das Potential der ersten Quelle gleich ist dem niedrigsten Potential innerhalb der integrierten Schaltung.
8. Elektronischer Schalter nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor durch Signale angesteuert wird, deren Phase entgegengesetzt ist zu den Phasen der Signale, die den zweiten, den dritten und den vierten Transistor ansteuern.
9. Elektronischer Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Negatorschaltung enthält, deren Ausgang mit dem Steueranschluß des vierten Transistors gekoppelt ist, und an dessen Eingang die gleichen Signale gelegt werden, mit denen der erste Transistor angesteuert wird.
10. Elektronischer Schalter nach einem der Ansprüche 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der vierte Transistor von Signalen angesteuert werden, deren Phase entgegengesetzt ist zu den Phasen der Signale, welche den zweiten und den dritten Transistor ansteuern.
11. Elektronischer Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Negatorschaltung aufweist, deren Ausgang mit dem Steueranschluß des vierten Transistors gekoppelt ist, und an dessen Eingang die gleichen Signale gelegt werden, von denen der zweite und der dritte Transistor angesteuert werden.
12. Elektronischer Schalter für eine Niederspannungsversorgungsschaltung, die auf einem in COMS-Technologie ausgelegten Halbleitersubstrat integriert ist und mindestens einen ersten und einen zweiten Verbindungsanschluß (A, B) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß er einen ersten und einen zweiten Transistor aufweist, jeweils mit einem ersten und einem zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß, und eingefügt als Serienschaltung mit ihren ersten und zweiten Anschlüssen zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsanschluß, und einen dritten und einen vierten Transistor aufweist, jeweils mit einem ersten und einem zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß und vom komplementären Typ bezüglich dem ersten und dem zweiten Transistor, sowie in Serienschaltung mit ihren ersten und zweiten Anschlüssen eingefügt zwischen den ersten und den zweiten Verbindungsanschluß, und daß er einen fünften und einen sechsten Transistor vom gleichen Typ wie der dritte bzw. der erste Transistor aufweist, jeweils mit einem ersten und einem zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß, wobei der fünfte Transistor mit dem ersten und dem zweiten Anschluß zwischen eine erste Potentialquelle (VDD) und einen ersten Schaltungsknoten, der den ersten und den zweiten Transistor verbindet, eingefügt ist, und der sechste Transistor mit dem ersten und dem zweiten Anschluß eingefügt ist zwischen einen zweiten Schaltungsknoten, der den dritten und den vierten Transistor verbindet, und eine zweite Potentialquelle (VSS), und

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste und der dritte Transistor Substrate aufweisen, die mit dem ersten Verbindungsanschluß gekoppelt sind, und der zweite und der vierte Transistor Substrate aufweisen, die mit dem zweiten Verbindungsanschluß gekoppelt sind, und der fünfte und der sechste Transistor Substrate aufweisen, die mit der ersten bzw. der zweiten Potentialquelle gekoppelt sind.
13. Elektronischer Schalter für eine Niedervoltspannungsversorgungsschaltung, die auf einem in COMS-Technologie ausgelegten Halbleitersubstrat integriert ist und mindestens einen ersten und einen zweiten Verbindungsanschluß (A, B) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß er einen ersten und einen zweiten Transistor enthält, jeweils mit einem ersten und einem zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß, und mit der Serienschaltung ihrer ersten und zweiten Anschlüsse eingefügt zwischen den ersten und den zweiten Verbindungsanschluß, und einen dritten und einen vierten Transistor aufweist, jeweils mit einem ersten und einem zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß und vom komplementären Typ bezüglich des ersten bzw. des zweiten Transistors, sowie mit ihrem ersten und zweiten Anschluß in Serienschaltung eingefügt zwischen den ersten und den zweiten Verbindungsanschluß, und daß er einen fünften und einen sechsten Transistor des gleichen Typs wie der dritte bzw. der erste Transistor enthält, jeweils mit einem ersten und einem zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß, wobei der fünfte Transistor mit dem ersten und dem zweiten Anschluß zwischen eine erste Potentialquelle (VSS) und einen ersten Schaltungsknoten, der den ersten und den zweiten Transistor verbindet, eingefügt ist, und der sechste Transistor mit dem ersten und dem zweiten Anschluß eingefügt ist zwischen einen zweiten Schaltungsknoten, der den dritten und den vierten Transistor verbindet, und eine zweite Potentialquelle (VDD), und

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste und der zweite Transistor Substrate aufweisen, die mit dem ersten Verbindungs-Schaltungsknoten gekoppelt sind, und der dritte und der vierte Transistor Substrate aufweisen, die mit dem zweiten Verbindungs-Schaltungsknoten gekoppelt sind, und der fünfte und der sechste Transistor Substrate aufweisen, die mit der ersten bzw. der zweiten Potentialquelle verbunden sind.
14. Elektronischer Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der fünfte Transistor von Signalen angesteuert werden, die entgegengesetzte Phase bezüglich Signalen haben, welche den dritten, den vierten und den sechsten Transistor ansteuern.
15. Elektronischer Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der sechste Transistor von Signalen angesteuert werden, die entgegengesetzte Phase haben wie Signale, welche den dritten, den vierten und den fünften Transistor ansteuern.