DE3485775T2

DE3485775T2 - Pegelumsetzungsschaltung.

Info

Publication number: DE3485775T2
Application number: DE8484115694T
Authority: DE
Inventors: Kozaburo Kurita; Ikuro Masuda; Nobuaki Miyakawa; Masahiro Ueno
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-12-20
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2004-12-19
Also published as: DE3485775D1; JPH0773205B2; EP0146910A2; JPS60132416A; EP0146910B1; EP0146910A3; KR850004689A; US4797583A; KR900000484B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Pegelumsetzschaltung, insbesondere eine Pegelumsetzschaltung, die als ECL-CMOS-Pegelkonverter und als Speicherleseverstärker nützlich ist, um Eingangs-Differenzspannungen in eine CMOS-Treiberspannung umzuwandeln.
Ein Beispiel für eine herkömmliche Pegelumsetzschaltung, die ein Differenzeingangssignal auf CMOS-Pegel wandelt, ist in Fig. 1 dargestellt. Die Anordnung weist npn-Bipolartransistoren Q1-Q3, MOS-Transistoren (Metal-Oxide-Semiconductor- Transistoren oder Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate) M1-M4, Dioden D1 und D2 sowie Widerstände R1 und R2 auf. Eingangsdifferenzspannungen sind mit V1 und V2 bezeichnet, wobei die erstere die Eingangssignalspannung und die letztere die Bezugsspannung z. B. in einer ECL-CMOS-Pegelumsetzschaltung ist.
Im Betrieb wird die Ausgangsspannung der Eingangs-Differenzstufe Q1 und Q2 von einer Pegelschiebestufe verändert, die aus einem Bipolartransistor Q3 und Dioden D1 und D2 besteht, so daß sie an den Eingangspegel einer CMOS-Stufe eines invertierenden Verstärkers angepaßt ist, der aus MOS-Transistoren M1 und M2 besteht; das Signal wird weiterhin durch die zweite Verstärkerstufe verstärkt, die aus den MOS-Transistoren M3 und M4 besteht. Bei dieser Schaltungsanordnung kann die Inverterstufe (M1, M2) keine ausreichende Eingangsamplitude aufweisen, was bewirkt, daß einer der Transistoren M1 oder M2 im Nichtsättigungsgebiet mit kleinem gm arbeitet. Dies führt zu einer großen Ausgangsimpedanz, was eine große Zeitkonstante in Zusammenhang mit einer parasitären Kapazität, wie der Gatekapazität der MOS-Transistoren M3 und M4, in der folgenden Stufe erzeugt; auch arbeitet der Pegelumsetzer nicht bei befriedigend hoher Geschwindigkeit.
Fig. 2 zeigt ein anderes Beispiel einer herkömmlichen Pegelumsetzschaltung, wie sie in der Veröffentlichung ISSCC '82 DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, Seite 249 beschrieben ist. Die Anordnung besteht aus einer Differenzverstärkerstufe mit MOS-Transistoren M10-M14, einer Pegelschiebestufe mit MOS- Transistoren M15-M18 und einer Spannungsverstärkerstufe vom Stromspiegeltyp mit MOS-Transistoren M19-M22. Die Pegelschiebestufe erzeugt eine gewisse Spannungsverstärkung aufgrund der Kreuzverbindung zwischen den Drains und Gates der MOS-Transistoren M17 und M18. In der Eingangsdifferenzstufe werden die Treibertransistoren M10 und M11 und die Ladetransistoren M12 und M13 alle im Sättigungsbereich betrieben, was zu einer starken Spannungsverstärkung führt. Deswegen wirkt der Spiegeleffekt stark auf die Eingangskapazität der Treibertransistoren M10 und M11, und die Eingangssignale V1 und V2 werden mit einer beträchtlichen Zeitkonstante verarbeitet, die in Zusammenhang mit der Ausgangsimpedanz erzeugt wird, was die Betriebsgeschwindigkeit nachteilig beeinflußt.
Wenn die vorstehend beschriebene herkömmliche Schaltungsanordnung sehr kleine Eingangsspannungen V1 und V2 bearbeitet, in Fällen, wie als Speicherleseverstärker oder ECL/CMOS-Konverter, fehlt es der erstgenannten Anordnung an Spannungsverstärkung, während die letztgenannte Anordnung in bezug auf ihre Eingangskapazität und eine hohe Signalquellenimpedanz nachteilig ist, wodurch eine zufriedenstellende Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht erzielt werden kann.
IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-13, Nr. 6, Dezember 1978, Seiten 760 bis 766, speziell die Fig. 5 und 6, offenbart eine Pegelumsetzerschaltung mit den im ersten Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Die bekannte Schaltung arbeitet auf Spannungsgrundlage und ist so konstruiert, daß maximale Spannungsverstärkung erhalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pegelumsetzerschaltung anzugeben, die zu schnellem Betrieb fähig ist.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltung gelöst, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Aufgrund der Verwendung eines Stromverstärkers wird die Ansprechzeitverzögerung, die von parasitären Kapazitäten verursacht wird, verkürzt.
Diese wie auch weitere Aufgaben und Wirkungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung der folgenden besonderen Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher hervor, in denen:
Fig. 1 und 2 schematische Schaltbilder zu verschiedenen herkömmlichen Pegelumsetzerschaltungen sind;
Fig. 3a, 4a und 5a schematische Schaltbilder zu Ausführungsbeispielen der Erfindung sind;
Fig. 3b, 4b und 5b Diagramme sind, die Charakteristiken für die Anordnungen gemäß den Fig. 3a, 4a und 5a zeigen;
Fig. 6 ein schematisches Schaltbild ist, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 7 ein Blockdiagramm ist, das ein für die Erfindung relevantes Anwendungssystem zeigt;
Fig. 8 ein Diagramm ist, das die Pegelumsetzcharakteristik des Pegelumsetzers von Fig. 7 zeigt; und
Fig. 9 bis 12 schematische Schaltbilder sind, die weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun im einzelnen beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 3a zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung; es besteht ganz aus MOS-Transistoren M30-M45. Die paarweise angeordneten Transistoren M30 und M31 bilden eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 1, die die Eingangs-Differenzspannung (V1 - V2) in Differenzströme Io±ΔIo wandelt. Der Transistor M35 arbeitet als Konstantspannungsquelle, die einen konstanten Strom Io an die Wandlerschaltung 1 liefert. Sourceelektroden (S) der Transistoren M32 und M33 sind mit einer Spannungsversorgungsleitung VCC verbunden, und ihre Gates (G) sind mit ihrem eigenen Drain (D) verbunden, so daß sie als Dioden wirken; sie bilden eine Stromdetektorschaltung 2 zum Ermitteln der Differenzströme. Die Transistoren M36 und M37 arbeiten so, daß sie einen Konstantvorstrom Ibo für die Stromdetektorschaltung 2 liefern, so daß die Ausgangsspannungen V21 und V22 der Stromdetektorschaltung 2 mindestens auf den Wert VCC-Vt vorgespannt sind (wobei Vt die Schwellenspannung des MOS-Transistors repräsentiert; der Wert wird als Absolutwert behandelt, der allen Transistoren vom NMOS- und PMOS-Typ gemeinsam ist).
Fig. 3b zeigt in einem Diagramm einer Vg/Id-Kurve für die Transistoren M32 und M33 den Effekt des Konstantvorstroms Ibo, wie er den Stromdetektortransistoren M32 und M33 zugeführt wird. Ohne den Konstantvorstrom Ibo weisen die Transistoren M32 und M33 eine Amplitude Va auf einen Ausgangsstrom Id der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 1 auf, wenn sich dieser zwischen 0 und Io verändert. Wenn jedoch der konstante Vorstrom Ibo an die Transistoren M32 und M33 gegeben wird, ändert sich der Strom Id zwischen Ido und Ibo+Io, was zu einer Amplitude Va' ihrer Ausgangsspannungen V21 und V22 führt; dadurch kann die Ausgangsspannungsamplitude der Stromdetektorschaltung 2 kleiner gemacht werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Ausgangsspannung der Stromdetektorschaltung 2 und die Zwischen- und Ausgangsspannungen der Stromverstärkerschaltung 3 alle so gewählt, daß sie ausreichend kleine Amplituden aufweisen. Daher ist der Ladestrom zu den parasitären Kapazitäten klein, und ihr Einfluß auf die Verzögerungszeit des Pegelumsetzers ist sehr klein. Die Stromdetektorschaltung 2 weist Ausgangsspannungen V21 und V22 mit einer Amplitude von Io/gml auf (wobei gml der wechselseitige Leitwert der Transistoren M32 und M33 ist), und sie ist extrem klein im Vergleich zu üblichen spannungsverstärkenden Schaltungen.
Die Transistoren M38 und M39 bilden zusammen mit den Stromdetektortransistoren M32 und M33 Stromspiegelschaltungen. Auf ähnliche Weise bilden die Transistoren M40, M41, M44 und M45 miteinander kombiniert andere Stromspiegelschaltungen. Die Amplitude ΔI1 des Ausgangsstroms I1, wie er durch die Transistoren M44 und M45 fließt, wird wie folgt durch die wechselseitigen Leitwerte gm2, gm3 und gm4 der Transistorpaare M38 und M39, M40 und M41 bzw. M44 und M45 wie folgt wiedergegeben:
ΔI1 = Io (gm2/gm1) (gm4/gm3) (1).
Wenn die Bedingung gm2 > gm1 und gm4 > gm3 auferlegt wird, arbeiten diese Transistoren stromverstärkend, wodurch eine Stromverstärkungsschaltung 3 gebildet wird. Die Transistoren M42 und M43 bilden eine Spiegelschaltung, die ihrerseits eine Strom/Spannungs-Wandlerschaltung 4 bildet, die mit dem Ausgang der Stromverstärkungsschaltung 3 verbunden ist. Die Gate- und Drainelektrode des Transistors M42 sind miteinander verbunden, um eine Diode zur Gateelektrode des Transistors M43 hin zu bilden; daher wird der Leitwert gm des Transistors M43 durch die Größe des Stroms bestimmt, der durch den Transistor 42 fließt. Wenn ein großer Strom durch den Transistor M42 fließt, erzeugt dies einen großen Spannungsabfall, was bewirkt, daß der Transistor M43 eine erhöhte Gate/Source-Spannung aufweist, was ein erhöhtes gm von M43 zur Folge hat. Die durch die Transistoren M42 und M43 fließenden Ströme stehen in Differenzbeziehung, weswegen der Strom durch den Transistor M43 abnimmt. Besonders durch den Doppeleffekt eines größeren gm und eines kleineren Stroms verringert sich der Spannungsabfall an M43. Umgekehrt hat, wenn der Transistor M42 einen kleinen Strom führt, der Transistor M43 ein kleines gm, und er führt einen großen Strom, was zu erhöhtem Spannungsabfall an M43 führt. Der Stromspiegel von M42 und M43 bildet eine Strom/Spannungs-Wandlerschaltung 4, deren Strom ausreichend von der Stromverstärkungsschaltung 3 verstärkt wird, und die demgemäß die Ausgangsspannung Vo mit ausreichender Amplitude zum Treiben von CMOS-Vorrichtungen erzeugt.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 4a zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Baugruppen, die solchen, wie sie in Fig. 3a dargestellt sind, gleich sind oder entsprechen, mit denselben Symbolen gekennzeichnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden MOS-Transistoren M46-M49 eine Pegelschiebeschaltung 41, die die Ausgangsspannungen V21 und V22 von den Stromdetektortransistoren M32 und M33 um eine Spannung verschiebt, die im wesentlichen der Gate/Source-Spannung VL der Transistoren M46 und M47 entspricht. MOS-Transistoren M50 und M51 bilden eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 32, die die Ausgangsspannungen V311 und V312 der Pegelschiebeschaltung 31 in entsprechende Ströme umwandelt. Die Pegelschiebeschaltung 31 und die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 32 bilden zusammen eine stromverstärkende Schaltung 3. Eine Spiegelschaltung mit MOS-Transistoren M52 und M53 bildet eine Strom/Spannungs-Wandlerschaltung 4, die das Ausgangssignal von der Stromverstärkungsschaltung 3 in ein Spannungssignal umwandelt.
Fig. 4b erläutert den Betrieb der Stromermittlung und der Stromverstärkung durch die Transistoren M32, M33 sowie M46- M51, wobei die Kurve A die Vg/Id-Charakteristik der Stromdetektortransistoren M32 und M33 und die Kurve B die Vg/Id- Charakteristik der Spannungs/Strom-Wandlertransistoren M50 und M51 ist. Wenn die durch M46-M49 gebildete Pegelschiebeschaltung 31 fehlt, bilden M32, M33, M50 und M51 zwei Stromspiegelschaltungen. Die Stromamplitude ΔI der Transistoren M32 und M33 wird als Spannungsamplitude ΔV detektiert, die an das Gate der Transistoren M50 und M51 gegeben wird, woraufhin M50 und M51 Stromverstärkung für die Spannungsamplitude ΔV vornehmen, um eine Stromamplitude ΔI' zu bilden. Die Stromverstärkung bei diesem Betrieb ist durch das Verhältnis der wechselseitigen Leitwerte gm von M32 und M33 in bezug auf die von M50 und M51 gegeben. Um eine hohe Stromverstärkung zu erhalten, muß das Verhältnis der beiden wechselseitigen Leitwerte gm groß sein, und das Verhältnis der physischen Abmessungen von M32, M33, M50 und M51 muß eingestellt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Ausgangsspannung der Stromdetektorschaltung 2 um VL durch die Pegelschiebeschaltung 31 verschoben, und das sich ergebende Spannungssignal wird an das Gate der Transistoren M50 und M51 gegeben. Dementsprechend arbeiten die Transistoren M50 und M51 mit ihren großen wechselseitigen Leitwerten gm, wodurch sie eine große Stromamplitude ΔI" liefern.

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 5a zeigt das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Baugruppen, die mit solchen, wie sie in Fig. 3a oder Fig. 4a dargestellt sind, gleich sind oder solchen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet ein Paar npn-Bipolartransistoren Q50 und Q51 eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 1, und ein MOS-Transistor M54 dient als Konstantstromquelle zum Vorsteuern der oben genannten Eingangs-Differenzstufe. Widerstände R50 und R51 werden als Stromdetektorschaltung 2 verwendet, Transistoren M46-M49 bilden eine Pegelschiebeschaltung 31, die die Ausgangsspannung der Stromdetektorschaltung 2 um einen Wert verschiebt, der im wesentlichen der Schwellenspannung Vt eines MOS-Transistors entspricht, und MOS- Transistoren M55 und M56 bilden eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 32, die die Ausgangsspannung der Pegelschiebeschaltung 31 in zugehörige Ströme umwandelt. Die Pegelschiebeschaltung 31 und die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 32 bilden gemeinsam eine stromverstärkende Schaltung 3. Widerstände R52 und R53 sind Lastwiderstände für die Stromverstärkungsschaltung 3. MOS-Transistoren M57-M60 bilden eine Ausgangspufferschaltung 41. Alle diese Komponenten zusammen bilden eine Strom/Spannungs-Wandlerstufe 4.
Diese Anordnung verwendet Bipolartransistoren für die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 1. Die Ausschaltzeit dieser Transistoren wird dann, wenn sie gesättigt sind, aufgrund des Basisspeichereffektes länger, was zu einer beträchtlich erhöhten Verzögerungszeit führt. Deswegen müssen die Stromdetektorwiderstände R50 und R51 so gewählt werden, daß sie einen ausreichend kleinen Wert aufweisen. Folglich liefert die Stromdetektorschaltung 2 Ausgangsspannungen V121 und V122 mit einer Amplitude von Vi±ΔVi in einem Bereich, der dicht bei der Versorgungsspannung VCC liegt. Die Pegelschiebeschaltung 31 verschiebt die Spannungen V121 und V122 mindestens um die Schwellenspannung der Ausgangstransistoren M55 und M56, die dann eine Eingangs(Gate)-Spannung von Vt+Vi±ΔVi empfangen und Stromverstärkung ausführen.
Der Stromverstärkungsbetrieb wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 genauer beschrieben. Fig. 1 zeigt in Teil (A) die Spannungs/Strom-Charakteristik der Stromdetektorwiderstände R50 und R51 und in Abschnitt (B) die Spannungs/Strom-Charakteristik der Spannungs/Strom-Wandlertransistoren M55 und M56. Die Eingangsspannung der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 52 wird gegenüber der Ausgangsspannung der Stromdetektorschaltung 2 durch die Pegelschiebeschaltung 31 um einen Betrag versetzt, der im wesentlichen Vt entspricht; das Diagramm (B) ist um diesen Betrag nach links gegenüber dem Diagramm (A) versetzt. Die Stromdetektorwiderstände R50 und R51 ermitteln die Eingangsströme Io±ΔIo als Spannungen Vd±ΔVd, die an die Transistoren M55 und M56 gelegt werden, nachdem ihr Pegel verschoben wurde; dann werden sie in Ströme I1±ΔI1' und I1-ΔI1" umgewandelt, wie in der Figur dargestellt. Da die wechselseitigen Leitwerte der MOS-Transistoren proportional zur Wurzel des Drainstroms zunehmen, führt der Wert ΔI1=ΔI1'+ΔI1"=gm2ΔV1, wie er aus der von den Widerständen R50 und R51 gelieferten, aus dem Strom ermittelten Spannung ΔVd=ΔIo R50 geliefert wurde, zu ΔIo/Io< ΔI1/I1, d. h. die variable Komponente des Stroms wird verstärkt.
Die Ausgangsströme der Stromverstärkungsschaltung 3 werden durch die Widerstände R52 und R51 in Spannungen umgewandelt und durch die Stromspiegel-Ausgangspufferschaltung 41 weiter verstärkt, die aus Transistoren M57-M60 besteht. Die Gatespannung der Transistoren M59 und M60, d. h. das Eingangssignal der Ausgangspufferschaltung 41, kann über die Schwellenspannung Vt von M59 und M60 durch geeignete Wahl des Ausgangsstroms der Stromverstärkungsschaltung 3 und des Wertes der Widerstände R52 und R53 verändert werden. Für Widerstände R52 und R53 mit dem Wert R52r ergibt sich die Eingangstorspannung Vg60 von M59 und M60 in der Ausgangspufferschaltung 41 wie folgt:
Vg60 = (I&sub1; + ΔI&sub1;')R52r Vg60'
oder Vg60 = (I&sub1; - ΔI&sub1;")R52r Vg60".
Durch geeignetes Einstellen der Werte des Stroms I1 und des Widerstandes R52r kann folgende Gatespannung erhalten werden:
Vg60" < Vt < Vg60'.
Wenn z. B. der Transistor M59 eine Gatespannung von Vg60" aufweist, wird er abgeschaltet, und demgemäß weisen die die Stromspiegelschaltung bildenden Transistoren M57 und M58 einen wechselseitigen Leitwert gm und einen Kanalleitwert gd von Null auf, d. h. für den Ausschaltzustand. Andererseits weist der Transistor M60 zu diesem Zeitpunkt eine Gatespannung von Vg60' auf und wird leitend, was bewirkt, daß die Ausgangsspannung Vo beinahe auf Null zurückgeht. Umgekehrt nehmen die die Stromspiegelschaltung bildenden Transistoren M57 und M58 dann, wenn der Transistor M59 eine Gatespannung von Vg60' aufweist, einen Endwert des Kanalleitwerts gd ein, d. h. den leitenden Zustand. Die Gatespannung von M60 steht in Differenzbeziehung zu derjenigen von M59, so daß sie bei Vg60" abschaltet, und die Ausgangsspannung Vo entspricht im wesentlichen der Versorgungsspannung VCC. Dementsprechend können die Transistoren M59 und M60 im Umschaltbetrieb betrieben werden, wodurch die Amplitude der Ausgangsspannung Vo über den Bereich der Versorgungsspannungen erstreckt werden kann.
Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt viel Freiheit beim Wählen der Detektorspannung der Stromdetektorschaltung 2, so daß die Stromverstärkungsschaltung 3 wirkungsvoll betrieben werden kann, um die variable Komponente ihres Eingangssignals zu verstärken. Darüber hinaus kann selbst dann, wenn die Eingangsspannung zu klein ist, als daß die Spannungs/Strom- Wandlerschaltung 1 in der Umschaltbetriebsart arbeiten könnte, der Betrieb eventuell auch in der abschließenden Strom/Spannungs-Wandlerstufe 4 in den Umschaltbetrieb gebracht werden, wodurch die Ausgangsspannung einen Hub aufweisen kann, der im wesentlichen der Spanne der Versorungsspannungen entspricht, was dafür ausreicht, ein digitales Signal zu bilden.

Ausführungsbeispiel 4

Fig. 6 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Komponenten, die mit solchen, wie sie in Fig. 4a dargestellt sind, gleich sind oder solchen entsprechen, mit denselben Symbolen gekennzeichnet sind. Bei dieser Anordnung wird eine Spannungspegel-Schiebeschaltung 31 in der Stromverstärkungsschaltung 3 von MOS-Dioden M61 und M62 gebildet. Dabei sind die MOS-Transistoren M61 und M62, deren Gates (G) und Drains (D) jeweils miteinander verbunden sind, zwischen die Ausgänge der durch die Widerstände R50 und R51 gebildeten Stromdetektorschaltung 2 und die Gates der Spannungs/Strom-Wandlertransistoren M55 und M56 in der Stromverstärkungsschaltung 3 geschaltet, so daß derselbe Stromverstärkungsbetrieb wie beim Ausführungsbeispiel von Fig. 5a erzielt werden kann, da sie durch die Konstantstromquellentransistoren M48 und M49 vorbelastet sind. In diesem Fall kann durch Verwenden von MOS-Transistoren M61 und M62 desselben Leitfähigkeitstyps, wie ihn die Ausgangstransistoren M55 und M56 aufweisen, die die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 32 bilden, der Effekt der Ungleichheit in den Schwellenspannungen Vt aufgrund des Herstellprozesses gelindert werden.
Darüber hinaus kann durch die Verbindung der diodenbildenden Transistoren M61 und M62 mit ihren Sources (S) mit den Lastleitungen der Widerstände R50 und R51 die Belastung der Stromdetektorschaltung 2 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel von Fig. 4a verringert werden.
Die Transistoren M55 und M56 der Stromverstärkungsschaltung 3 werden vom Zusammenschluß eines Widerstands R54 und eines MOS-Transistors M63 in Diodenbeschaltung bzw. durch den Zusammenschluß eines Widerstandes R55 und eines MOS-Transistors M63 in Diodenbeschaltung belastet und bilden so eine Pegelschiebeschaltung 42. Durch diese Schaltung kann die Spannung am Knoten von M55 und R54 und am Knoten von M56 und R55 in der Strom/Spannungs-Wandlerschaltung 4 um einen Betrag verschoben werden, der im wesentlichen der Schwellenspannung von M61 und M62 entspricht, wodurch die Transistoren M59 und M60 der Ausgangspufferschaltung 41 eine erhöhte Gate-Eingangsspannung aufweisen können. Dies ermöglicht es, daß die Transistoren M59 und M60 in der Ausgangspufferschaltung 41 in einem Bereich eines großen wechselseitigen Leitwertes gm arbeiten können, wodurch die Ausgangsimpedanz des Pegelumsetzers verringert wird. Die MOS-Transistoren M59 und M60 in Diodenbeschaltung in Fig. 6 können durch bipolare Dioden ersetzt werden.

Ausführungsbeispiel 5

Fig. 7 zeigt ein System mit einer integrierten ECL-Schaltung 100 und einer LSI-Schaltung 101 mit ECL-Schnittstelle, die intern mit CMOS-Struktur arbeitet. Die LSI-Schaltung 101 ist dabei mit einem ECL/CMOS-Pegelumsetzer 102 als Schnittstelle für ECL-Eingangssignale versehen. Die für den Pegelumsetzer 102 bei einer Spannungsversorgung von -5,2 V erforderliche Eingangs/Ausgangs-Charakteristik ist in Fig. 8 dargestellt, in der die Ausgangsspannung Vo entlang der horizontalen Achse gegen die Eingangsspannung Vi auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. Die ECL-Eingangsspannung Vi befindet sich im Bereich von etwa -1,3V±0,4V; die Rolle des Pegelumsetzers 102 liegt darin, eine solche Eingangsspannung Vi in eine Ausgangsspannung Vo umzusetzen, die eine Amplitude aufweist, die im wesentlichen der Spanne der Versorgungsspannung (VCC-VEE) entspricht.
Fig. 9 zeigt das fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem es sich um ein besonderes Ausführungsbeispiel handelt, wie es beim ECL/CMOS-Pegelumsetzer anzuwenden ist, wie er in Fig. 7 dargestellt ist. In Fig. 9 sind Baugruppen, die mit solchen, wie sie in den Fig. 3a oder 4a dargestellt sind, gleich sind oder mit diesen übereinstimmen, mit den gleichen Symbolen bezeichnet, und eine Spannung von etwa -1,3 V ist mit VR und die Eingangsspannung mit Vi bezeichnet.
Dieser Pegelumsetzer muß wegen seiner relativ großen Eingangsspannungsamplitude keine große Spannungsverstärkung aufweisen, jedoch ist das Haupterfordernis die Betriebsgeschwindigkeit. Dieses Ausführungsbeispiel genügt diesem Erfordernis; die Anordnung besteht aus MOS-Transistoren M30 und M31, die eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 1 bilden, MOS-Transistoren M32 und M33, die eine Stromdetektorschaltung 2 bilden, MOS-Transistoren M38 und M39, die eine Stromverstärkungsschaltung 3 bilden, und MOS-Transistoren M52 und M53, die eine Strom/Spannungs-Wandlerschaltung 4 bilden.
Alle vorgenannten Schaltungen sind im wesentlichen in einer einzigen Vorrichtung zusammengefaßt, so daß die Zwischenschaltungsverbindung minimale Länge aufweist. Die Stromdetektorschaltung 2 arbeitet so, daß sie einen kleinen Spannungshub feststellt. Deswegen bewirken die Drainübergangskapazität von M32, M33, M36 und M37 und die parasitäre Kapazität, wie die Gatekapazitäten von M38 und M39, und die Eingangsspiegelkapazität, eine extrem kleine Verzögerung des Pegelumsetzers.

Ausführungsbeispiel 6

Fig. 10 zeigt das sechste Ausführungsbeispiel der Erfindung; es handelt sich um eine modifizierte Version des ECL-CMOS- Pegelumsetzers. In Fig. 10 sind Baugruppen, die mit solchen, wie sie in den Fig. 4a, 6 oder 9 dargestellt sind, gleich sind oder solchen entsprechen, mit denselben Symbolen gekennzeichnet. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet bipolare Transistoren für die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 2, was die Impedanz der Eingangs-Differenzstufe kleiner macht und demgemäß ein Erhöhen der Geschwindigkeit der Eingangsstufe erlaubt. Ein großes Eingangssignal zu den MOS-Transistoren M55 und M56 in der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 32 (von der Stromdetektorschaltung 2 ermittelte Schaltung zuzüglich der Schiebespannung von der Pegelschiebeschaltung 31) erlaubt es, M55 und M56 in einem Bereich mit großem wechselseitigem Leitwert gm zu arbeiten, wodurch die Verzögerung in der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 32 und der Strom/Spannungs-Wandlerschaltung 4, die in Kombination die Ausgangsstufe bilden, ebenfalls verringert werden kann.

Ausführungsbeispiel 7

Fig. 11 zeigt das siebte Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem es sich ebenfalls um eine modifzierte Version eines ECL/CMOS-Pegelumsetzers handelt. In der Figur sind Baugruppen, die mit solchen, wie sie in den Fig. 4a, 5a, 9 oder 10 dargestellt sind, gleich sind oder solchen entsprechen, mit denselben Symbolen gekennzeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden eine Parallelverbindung eines Widerstandes R50 und einer Diode D50 sowie eine andere Parallelverbindung eines Widerstandes R51 und einer Diode D51 einen Satz einer Stromdetektorschaltung 2, und Bipolartransistoren Q52 und Q53, Dioden D52 und D53 sowie MOS-Transistoren M48 und M49 bilden zusammen einen Satz einer Pegelschiebeschaltung 31, wie sie in der Stromverstärkungsschaltung 3 verwendet wird.
Die Verwendung der vorstehend genannten Stromdetektorschaltung 2 erlaubt das Festklemmen ihrer Ausgangsspannung, wodurch verhindert wird, daß die Pegelschiebe-Bipolartransistoren Q52 und Q53 in der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 3 gesättigt werden. Darüber hinaus führt die Verwendung der Emitterfolger aus den Bipolartransistoren in der Pegelschiebeschaltung 31 zu einer im wesentlichen konstanten Pegelschiebeschaltung, die nicht vom Vorstrom abhängt, wodurch die Stromverstärkung leicht eingestellt werden kann.

Ausführungsbeispiel 8

Fig. 12 zeigt das achte Ausführungsbeispiel der Erfindung, das auf einen Speicherleseverstärker angewendet wird. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen S70 eine Speicherschaltung aus einem Flipflop oder dergleichen; M72 und M73 sind Schaltelemente zum Ansteuern von S70. Die Speicherschaltung S70 und die Schaltelemente M72 und M73 bilden zusammen eine Speicherzelle. M70 und M71 sind MOS-Transistoren, die dazu dienen, den Pegel von Bitleitungen B70 und B71 hochzuziehen; W70 ist eine Wortleitung, M74 und M75 sind Y1-Auswahl-MOS- Transistoren zum Auswählen der Bitleitungen B70 und B71; Q70 und Q71 sind ein erster Satz von npn-Bipolartransistoren in Differenzbeschaltung, die eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 1 bilden; und Z70 und Z71 sind gemeinsame Datenleitungen, an die ein Mehrfachsatz von Bitleitungen über jeweilige Y1-Auswahl-MOS-Transistoren angeschlossen ist, und die Eingangsspannungen an die Basis der vorstehend genannten Spannungs/Strom-Wandlertransistoren Q70 und Q71 liefern. M76 ist ein MOS-Transistor, der einen Basisstrom für den Satz Bipolartransistoren Q70 und Q71 liefert; Y2 ist eine Signalleitung (Y2-Auswahl), um einen ersten Satz von Differenz-npn- Bipolartransistoren Q70 und Q71 in einem Mehrfachsatz in der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 1 auszuwählen, die mit der gemeinsamen Datenleitung verbunden ist; und Q72 und Q73 sind npn-Bipolartransistoren, die eine Kaskadestufe mit geerdeter Basis bilden, der die Ausgangsströme von Q70 und Q71 zugeführt werden, und die von einer Konstantspannung vorgespannt wird, wobei die npn-Bipolartransistoren Q70-Q73 zusammen eine vollständige Spannungs/Strom-Wandlerstufe 1 bilden.
Dioden D70 und D71 bilden eine Vorbelastungsschaltung für die Kaskadestufe mit geerdeter Basis, und Widerstände R70 und R71 bilden eine Stromdetektorschaltung 2. Q74, Q75, D72 und D73 sind Emitterfolger aus npn-Bipolartransistoren und zugeordneten Dioden, die eine Pegelschiebeschaltung 31 für die stromanzeigenden Spannungen bilden, wie sie von R70 und R71 festgestellt werden. M82 und M83 sind Stromverstärkungs- MOS-Transistoren, die eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 32 bilden; M84 und M85 sind MOS-Transistoren in Spiegelanordnung, die eine Strom/Spannungs-Wandlerschaltung 4 bilden; und M77-M81 sind MOS-Transistoren, die konstant Vorströme für die jeweiligen Schaltungskomponenten liefern.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Spannungs/Strom- Wandlerschaltung 1 durch die Kaskadeanordnung der Bipolartransistoren gebildet, und es wird fast kein Spiegeleffekt in der Eingangsstufe erzeugt. Dementsprechend kann die Eingangskapazität extrem klein ausgebildet werden, wodurch die vom Signalquellenwiderstand und der Eingangskapazität verursachte Verzögerungszeit beträchtlich verringert werden kann.
Die die Kaskadestufe bildenden Bipolartransistoren Q70-Q73 können durch MOS-Transistoren ersetzt werden. Die vorstehend genannte Stromdetektorschaltung 2, die Stromverstärkungsschaltung 3 und die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 4 können auch anders in irgendeiner Form ausgebildet sein, wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben.
Wie es aus der vorstehenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele ersichtlich ist, besteht die Differenz- Eingangsstufe aus einer Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 1 und einer Stromdetektorschaltung 2, und sie ist nicht darauf gerichtet, die Spannung zu verstärken. Demgemäß ist die Spannungsverstärkung extrem klein, und der Spiegeleffekt der Eingangskapazität kann vernachlässigt werden. Demgemäß kann die Verzögerungszeit in der Eingangsschaltung, die hauptsächlich durch die Signalquellenimpedanz und die Eingangskapazität verursacht wird, beträchtlich verringert werden.
Die Ausgangsschaltung muß eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen, um die Verzögerungszeit beim Treiben einer kapazitiven Last zu minimieren, und sie muß eine große Amplitude ihrer Ausgangsspannung aufweisen. Deswegen wird die interne Verstärkung durch die Stromverstärkungsschaltung 3 vorgenommen, die in jedem Abschnitt mit Spannungen kleiner Amplitude arbeitet, insbesondere im Abschnitt der Hochimpedanzschaltung nahe der Eingangsstufe. Diese Anordnung kann die Verzögerungszeit minimieren, wie sie durch interne parasitäre Kapazitäten und Widerstandskomponenten gebildet wird.
Wie vorstehend beschrieben, gibt die Erfindung eine Pegelumsetzerschaltung an, die zu schnellem Betrieb und durchgreifender Pegelumsetzung fähig ist.

Claims

1. Pegelumsetzschaltung zum Umformen von Eingangs-Differenzspannungen (V1, V2) in eine Ausgangsspannung (V0), umfassend

eine erste Spannungs/Strom-Umsetzeinrichtung (1) zum Umformen der Eingangs-Differenzspannungen (V1, V2) in erste Differenzströme (Id),

eine Stromdetektoreinrichtung (2) mit einem Paar von Widerstandselementen (R50, R51; M32, M33; R70, R71), von denen jeweils ein Anschluß mit jeweils einem Ausgang der ersten Spannungs/Strom-Umsetzeinrichtung (1) und der andere mit einer ersten Spannungsquelle (Vcc) verbunden ist, zur Erfassung der ersten Differenzströme (Id) und Erzeugung von Zwischen-Differenzspannungen (V21, V22),

eine Zwischenstufe (3) zum Umsetzen der Zwischen-Differenzspannungen (V21, V22) in zweite Differenzströme (I1) mit einer zweiten Spannungs/Strom-Umsetzeinrichtung (32) mit MOS- Transistoren (M38, M39; M50, M51; MSS, M56; M82, M83), deren Gate-Anschlüsse direkt (Figuren 3a; 9) oder über einen Spannungspegel-Schiebekreis (31) mit den Zwischen-Differenz- Spannungen (V21, V22) beaufschlagt sind, und

eine Strom/Spannungs-Umsetzeinrichtung (4) zum Umformen der zweiten Differenzströme (I1) in die Ausgangsspannung (V0),

dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Anschlüsse der die zweite Spannungs/Strom-Umsetzeinrichtung (32) bildenden MOS-Transistoren (M38, M39; M50, M51; M55, M56; M82, M83) mit der ersten Spannungsquelle (Vcc) verbunden sind, so daß die Stromdetektoreinrichtung (2) zusammen mit der Zwischenstufe (3) eine Stromverstärker bildet.

2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei der mit der Stromdetektoreinrichtung (2) und der Zwischenstufe (3) gebildete Stromverstärker eine Stromspiegelschaltung umfaßt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Spannungs/Strom-Umsetzeinrichtung (1) MOS-Transistoren (M30, M31) oder Bipolartransistoren (Q50, Q51; Q70, Q71) umfaßt.

4. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Spannungs/Strom-Umsetzeinrichtung (1) eine Eingangs-Differenzstufe zum Empfang der Differenzspannungen (V1, V2) sowie eine Kaskadenstufe umfaßt, die aus durch eine konstante Spannung vorgespannten Bipolartransistoren (Q72, Q73) oder MOS-Transistoren gebildet ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Strom/Spannungs-Umsetzeinrichtung (4) einen Pegelschiebekreis (42) und einen Ausgangspufferkreis (14) umfaßt.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Stromdetektoreinrichtung (2) MOS-Transistoren (M32, M33) umfaßt, deren Gate- und Drain-Elektroden zur Bildung von äquivalenten Dioden miteinander verbunden sind.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stromdetektoreinrichtung (2) Widerstände (R50, R51) umfaßt.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stromdetektoreinrichtung (2) Parallelkreise aus einem Widerstand (R50, R51; R70, R71) und einer Diode (D50, D51) umfaßt.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Pegelschiebekreis (31) MOS-Transistoren (M61, M62) umfaßt, deren Source-Elektroden an den Ausgang der Stromdetektoreinrichtung (2) und deren Drain- und Gate-Elektroden an den Ausgang des Pegelschiebekreises (31) angeschlossen sind.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Pegelschiebekreis (31) aus Bipolartransistoren (Q52, Q53) gebildete Emitterfolger umfaßt.