DE2651422A1

DE2651422A1 - Ladungsspeicher mit halbleiterelementen

Info

Publication number: DE2651422A1
Application number: DE19762651422
Authority: DE
Inventors: Mukesh P Patel; Huo-Bing Yin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-11-17
Filing date: 1976-11-11
Publication date: 1977-05-26
Also published as: US4130766A; IT1075851B; DE2651422C2; JPS598919B2; JPS5261935A; NL7612812A

Description

Amtliches Aktenzeichen:

ITeuanmeldung

!Aktenzeichen der Anmelderin:

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'Ladungsspeicher mit Halbleiterelementen

Die Erfindung betrifft einen Ladungsspeicher mit Halbleiterelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,

jLadungsspeicher aus Halbleiterelementen, die zur analogen Signalverarbeitung verwendet werden, sind prinzipiell bekannt, so ist z,B, in dem US-Patent 3 745 383 ein solcher Ladungsspeicher beschrieben, der aus einem analogen Verschieberegister besteht, !das seinerseits aus einer Kette von Speicherkapazitäten und ■LadungsübertragungsSchaltkreisen aufgebaut ist. Dieses bekannte Schieberegister ist in Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung dargestellt und wird durch zwei entgegengesetzte Takte mit einer Frequenz, die gleich der Abtastfrequenz ist, getrieben. Die Signalverzögerung kann exakt gesteuert und auch, wenn erforderlich, elektronisch verändert werden. Da keine Gleichstrompulse vorhanden sind, tritt auch nur eine geringe Signalverzerrung oder Verringerung auf, so daß zwischen hunderten von Stufen eines solchen Speichers keine Verstärker erforderlich sind.

In der Schaltung nach Fig. 1 ist die Eingangssignalquelle E. mit dem Ladungsspeicher(US-P 3 745 383) über der Quellenelektrode des Feldeffekttransistors 4 verbunden. Der Feldeffekttransistor 4, wie aus Fig. 2 zu ersehen, mit dem Taktimpuls V1 über das Gate dieses Feldeffekttransistors gesteuert. Das Eingangssignal von der Signalquelle 2 wird als Ladungseinheit über den Feldeffekt-

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transistor 4 auf den Punkt 18 übertragen, der die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 4 mit der Quellenelektrode eines Feldeffekttransistors 6 verbindet. Die Torelektrode wird mit dem Taktimpuls V2, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, beaufschlagt. Die das Eingangssignal darstellende Ladungseinheit wird über die Kette der •Feldeffekttransistoren 4, 6, 8, 10 und 12 durch abwechselndes Arbeiiten ihres Gates durch anliegende Taktimpulse V1 und V2 fortgeschaltet. Die das Eingangssignal repräsentierende Ladung ist schließlich jdas am Ausgangspunkt 26 abzunehmende Ausgangssigna1. Ein solcher Ladungsspeicher kann unter Verwendung von bekannten MOSFET-Technojlogien hergestellt werden. Die ausschlaggebenden Kriterien bei der !Schaffung der Schaltung eines solchen LadungsSpeichers sind die ;übertragungseffektivität und der dynamische Bereich. Wie aus Fig.1 !zu ersehen ist< in der ein bekannter Ladungsspeicher gezeigt ist_f !ist jedem der Feldeffekttransistoren die charakteristische Kapazität !zugeordnet/ nämlich die Gate-Quellenkapazität C-,_o, die Quellen-Substratkapazität C_35f die Drain-Substratkapazität C_DS und die jGate-Drainkapazität C__D. Wegen dieser Kapazitäten am Knotenpunkt J8 in einem bekannten Ladungsspeicher kann die Ladung, die das Eingangssignal am Knotenpunkt 18 repräsentiert, nicht das Optimum erreichen. Die Konsequenz ist, da3 die Spannung am Ende einer j?hasenzeit an einem der folgenden Knotenpunkte tiefer liegt jim Vergleich zu der am Eingangsknotenpunkt 18. Dieser Vorgang Kann wie folgt erklärt werden:

;Für eine effiziente Ladungsübertragung von der Quelle zur Drain !eines Feldeffekttransistors muß die Gate-Spannung eine Schwellenjspannung V_fc höher sein als die Spannung an der Quelle. Dies ist ■in Fig. 1 und in Fig. 2 dargestellt und durch die folgende Glei- ;chung repräsentiert;

: ^{v1 E}in ^{+ V}t·

Während der Phasenzeit V1 wird das Eingangssignal E. voll zum Anschlußpunkt 18 über den Feldeffekttransistor 4 übertragen. Die j .Knotenspannung wird durch die Ladung, die in den Knotenkapazitäten,

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bestehend aus C_n„ und C__ des Feldeffekttransistors 6, besteht, repräsentiert. C_QD wirkt außerdem als Koppelkapazität zwischen dem Takt V1 und dem Anschlupunkfc 18. Dadurch wird die Knotenladung durch das Abfallen der Spannung V1 beeinflußt. Wenn .der Takt V1 anliegt, ändert sich die Knotenladung praktisch nicht, bis V1 unter E^_n fällt. Dann ist die Knotenladüng aus und folgt dem Verlauf von V1 über die Koppelkapazität C . Die resultierende Knotenspannung am Ende der Phasenzeit ist geringer wegen der Ladungsverteilung über alle Kapazitäten. Die Amplitude der Spannung kann nach folgender Formel berechnet werden;

^CGD^+CDS*^CGS^+CSS'

Die resultierende Knotensρannung am Ende der Phasenzeit ist?

In C—_n+C_nC!+C_r,_c.+C_Cie!

\sD Ufa Gis ob

Es ist sehr wichtig,, daß die resultierende Spannung immer kleiner als E. ist_f weil C_GD immer in einem Feldeffekttransistor gegenwärtig ist. Dies zeigt, daß das Optimum zur übertragung nicht .erreicht werden kann und der dynamische Bereich reduziert wird wegen der Ladungsverteilung entsprechend der Taktierung der bekannten Ladungsspeicher.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde _s einen Ladungsspeicher der oben genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der dynamische Bereich vergrößert wird und die Ladungsübertragung j effizienter wird.

Die Lösung dieser Aufgabe bestellt im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Der Vorteil dieser Lösung besteht darin _f daß die Ladungsübertragungseffektivität und der dynamische Bereich in einem La-

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- ir- S

dungsspeieher in bisher nicht bekannter Weise verbessert wird.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Es bedeuten:

'Fig. 1 einen bekannten Ladungsspeieher;

Fig, 2 Taktimpulse für den Ladungsspeieher nach Fig. 1; Fig. 3 einen verbesserten Ladungsspeicher und

Fig. 4 die Taktimpulse für den verbesserten Ladungsspeicher nach Fig, 3.

Da der in Fig. 1 dargestellte Ladungsspeicher, der mit Taktimpulsen nach Fig, 2 gespeist wird_f bereits in der Einleitung diskutiert wurde_f wird im nachfolgenden der Gegenstand der vorliegenden Erfindung nach Fig, 3 beschrieben.

Dieser Ladungsspeicher nach Fig. 3 besteht aus einer Reihe von 5 Feldeffekttransistoren 4, 6, 8, 10 und 12_f wobei jeweils die •Drain des vorhergehenden Feldeffekttransistors mit der Quellenelektrode des nachfolgenden Feldeffekttransistors über die Knotenpunkte 18 bis 24 verbunden sind. In diesem Beispiel ist der Ladungsspeicher mit N--Kanal LSI-MOS Schaltkreisen aufgebaut. Jeder Feldeffekttransistor hat ein Längen/Breitenverhältnis des Gates von 2,12. Die Gate-Quellenkapazität C_Gg jedes Feldeffekttransistors ist hier 0,089 pF. Die Quellen/Substratkapazität CSS jedes Feldeffekttransistors ist hier 0,0175 pF. Die Gate/Drain-Kapazität C1 der Feldeffekttransistoren 6, 8 und 10 ist 0,284 pF. Die Drain/Substratkapazität der Feldeffekttransistoren 6,8 und 10 ist 0,05 pF. Die Gate/Drainkapazität C2 des Feldeffekttransistors 4 ist 0,01216 pF. Die Drain/Substratkapazität C1 des Feldeffekt-

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- Sir -

transistors 4 ist 0,284 pF. Für den Ausgangs-Feldeffekttransistor 12 ist die Gate/Drainkapazität C3 0,089 pF und die Drain/Substratkapazität C_DS ist 0,05 pF. Die hier angegebenen Werte sind sowohl für den bekannten Ladungsspeieher als auch den Ladungsspeicher nach Fig. 3 in der vorliegenden Figur 3 und in der vorliegenden Beschreibung gleich.

Mit einem Eingangssignal E. von + 5 Volt und einem Substratpotential von -5 Volt sowie mit dem Taktimpulsen V1 und V2 mit einer Amplitude von 8 Volt entsprechend Fig. 2, ergibt sich eine Spannung an dem Knotenpunkt 18, dem Knotenpunkt 20, dem Knotenpunkt 22 und dem Knotenpunkt 24, wie es aus der nachfolgenden Tabelle zu ersehen ist.

TABELLE I

Konventioneller Schaltkreis

Punkt/Volt V1 V1 V2 V1 V2 Start V1 Ende V2 Ende Vl Ende V2 Ende

18 4_f9O 5_f0 3,84 6,33 4,90 5_f0 3,79 6_f33 4,9

20 3,55 6_f33 4,75 9,32 3,60 6_f33 4,75 9,25 3,54

22 4,75 9,28 3,57 6,33 4,75 9,33 3,61 6,33 4,75

24 3,61 6,33 4,75 9,28 3,57 6_f33 4,75 9,34 3,62

Wie aus dieser Darstellung zu ersehen ist, ist die Spannung am Anschlußpunkt 18 nur noch 3,84 Volt am Ende von V1, verglichen mit der Eingangsspannung E. =5 Volt. Die nachfolgenden Knotenpunkte können deshalb niemals die Eingangsspannung E. erreichen. Das Ausgangssignal E am Ausgangsknotenpunkt des bekannten Ladungs Speichers wird somit eine Spannung von 3,62 Volt haben.

Durch Verbinden des Kondensators 30 mit dem Knotenpunkt 18, die eine Kapazität gleich der charakteristischen Gate/Drainkapazität

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C2 des Feldeffekttransistors 4 hat und durch Verbinden des anderen Anschlußpunktes 32 des Kondensators 30 mit der inversen Taktimpuls-* form vT können die Ladungsvertexlungs- und Spannungsabfallprobleme | am Knotenpunkt 18 während der Abfallzeit des Taktimpulses V1 eliminiert werden.

Dadurch wird die Ladungsübertragungseffizienz und der dynamische Bereichs des Ladungsspeichers nach Fig. 3 wesentlich verbessert. Der Signalinverter 40, bestehend aus den Feldeffekttransistoren 42 und 44, invertiert das Taktsignal V1 zur Eingabe am Anschlußpunkt 32. Die Wirkung des in die Schaltungsanordnung eingefügten Kondensators kann wie folgt erklärt werden:

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung entnommen werden kann_f wird vom Knotenpunkt 18 während der Äbfallzeit des Taktimpulses ; die Ladung entzogen. Weil nun der Kondensator 30 in seiner Größe gleich der Kapazität C_GD ist und zwischen dem Änschlußpunkt 18 und der invertierten Taktimpulse Vl liegt _Q wird der inverse Taktimpuls die Ladung am Knotenpunkt über die Kapazität 30 dann auffrischen, wenn der Taktimpuls 1 abfällt, weil der inverse Taktim-* \ puls dazu ansteigt„ Wenn die Abfallzeit und die Anstiegszeit der j Taktimpulse V1 und V1 exakt komplementär zueinander sind„ dann ! fließt Ladung in den Anschlußpunkt und aus dem Anschlußpunkt über ί den Kondensator 30 bzw, den Kondensator C„_. Der Zufluß und der Abfluß sind identisch und die Nettoladung am Knotenpunkt ist jetzt ; am Ende der Phasenzeit die gleiche, verglichen Mit der während der , Phasenzeit. Dadurch wird die Spannung am Knotenpunkt 18 konstant i gehalten und gleich dem Eingangssignal E_in am Ende der Phasenzeit. Dies verhindert die Ladungsneuverteilung durch das Abfallen der Taktimpulse. Das Optimum der Ladungsübertragung wird dadurch j erreicht und der dynamische Bereich verbessert. ;

Wenn man nun dieselben Werte für das Längen/Breitenverhältnis der Feldeffekttransistoren, der Kapazitäten, der Eingangssignale, der Taktimpulse und der Substratspannungen, wie im bekannten La-

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dungsspeicher nach Fig. 1 verwendet, dann ergeben sich für die Schaltung nach Fig. 3 mit dem Eingangssignal nach Fig. 4, nachfolgend ausgeführte Werte.

Verbesserter	Ladung	s spei el	ier	V2	33	V2 Ende	V1	0	vi Ende	V2	33	V2 Ende
Punkt/Volt	V1 Start	V1	V1 Ende	6,	38	5,09	5,	33	5,0	6,	,38	5,09
18	5,09	5,0	5,0	10,	33	4,64	6,	33	4,75	10	,33	4,64
20	4,64	6,33	4,75	6r	38	4,75	9,	33	4,64	6	,38	4,75
22	4,75	1O,38	4,64	10,		4,65	6,		4,75	10		4,64
24	4,65	6,33	4,75

Daraus ist klar zu ersehen, daß durch die Einfügung des Kondensators 30 in den Ladungsspeicher am ersten Knotenpunkt 18 und durch die Zuführung der inversen Taktimpulse vT die Ladungsneuverteilungsphänomene am Knotenpunkt 18 während der Abfallzeit von Vl eliminiert sind. Mit dieser Änderung in der Schaltung wird erreicht, daß das volle Spannungssignal vom Eingangsanschlußpunkt zum Anschlußpunkt 18 übertragen werden kann und nachfolgend zu allen anderen Anschlußpunkten innerhalb der Schaltung. Daraus resultiert eine erhöhte Ladungsübertragungseffaktivität und ein !verbesserter dynamischer Bereich für die Ladungsspeieher.

¹ObWOhI das gerade beschriebene Ausführungsbeispiel mit Feldeffekttransistoren eines bestimmten Typs beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auch ohne weiteres auf Ladungsspeicher mit bispolaren Transistoren und auf Ladungsspeicher mit Feldeffekttransistoren anderen Typs anwendbar, ohne daß ein erfinderisches Zutun erforderlich wäre. Wenn man z.B, bipolare Transistoren verwendet, dann wird der Kondensator 30 mit dem Anschlußpunkt verbunden, der zwischen dem Kollektor des ersten oder Eingangs-Itransistors und dem Emitter des zweiten bipolaren Transistors liegt, der in Serie mit dem ersten bipolaren Transistor verbunden ^:ist.

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Le e rle i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Ladungsspeicher mit Halbleiterbauelementen, deren innere Kapazitäten zur Ladungsspeicherung benützt werden und die zum übertragen der Ladung mit Taktimpulsen von äußeren Taktquellen gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (30) mit der einen Elektrode mit einem ersten Knotenpunkt (18) des LadungsSpeichers und mit der zweiten Elektrode mit einer Schaltung (40) verbunden ist, die inverse Taktimpulse (vT) liefert. !

Ladungsspeieher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Kondensators (30) gleich der Kapazität der Steuerelektrode und der Ausgangselektrode des ersten Halbleiters innerhalb des LadungsSpeichers ist,

Ladungsspeieher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (40) aus zwei in Serie liegenden Transistoren (42, 44) besteht, wobei an der Steuerelektrode des einen Transistors (.42) der Taktimpuls CVD liegt und das inverse Taktsignal (vT) der Verbindung zwischen den beiden Transistoren entnommen wird,

Ladungsspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsspeicher aus in Reihe geschalteten bipolaren Transistoren besteht und die Schaltung (40) ebenfalls aus einem bipolaren Transistor aufgebaut ist.

5. Ladungsspeieher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Torelektrode des einen Transistors (44) zusammen mit der Drain-Elektrode an einem Referenzpotential (VDD) liegt.

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