Устройство передачи высокого напряжения

 

Изобретение предназначено для использования в полупроводниковых интегральных схемах с внутренним источником высокого напряжения в качестве статически непотребляющей мощности нагрузки высоковольтной схемы дешифрации. Устройство передачи высокого напряжения содержит конденсаторы 1 и 2, транзисторы 3 - 7, шину 8 высокого напряжения, выходную шину 9, шину 10 тактового сигнала, шину 11 инверсного тактового сигнала, шину 12 низковольтного сигнала. Устройство имеет расширенную область применения и повышенное быстродействие. 4 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в полупроводниковых интегральных схемах с внутренним источником высокого напряжения в качестве статически непотребляющей мощность нагрузки высоковольтной схемы дешифрации. Цель изобретения - расширение области применения устройства и повышение быстродействия. На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема устройства передачи высокого напряжения; на фиг. 2 - то же, вариант исполнения; на фиг. 3 показаны временные диаграммы напряжений устройства при включении: а) напряжения тактового сигнала (Ф) и инверсного тактового сигнала (Ф); б) напряжения на второй обкладке первого конденсатора; в) напряжения на второй обкладке второго конденсатора; г) выходного напряжения U_пор(0) = 0,2 В, η = 0,5 В^1/2 (1); U_пор (0) = 0,5 В; η = 0,7 В^1/2 (2); на фиг. 4 - временная диаграмма выходного напряжения устройства при включении U_пор (0) = 0,2 В; η = 0,5 В^1/2 (1); U_пор (0) = 0,5 В, η = 0,7 В^1/2 (2). Устройство содержит конденсаторы 1 и 2, транзисторы 3-7, шину 8 высокого напряжения, выходную шину 9, шину 10 тактового сигнала, шину 11 инверсного тактового сигнала, шину 12 низковольтного сигнала, причем первая обкладка конденсатора 1 соединена с шиной 10 тактового сигнала, вторая обкладка конденсатора 1 - с затворами транзисторов 5 и 6, истоками транзисторов 3 и 4, сток транзистора 5 соединен с шиной 8 высокого напряжения и стоками транзисторов 3 и 6, исток транзистора 5 - с выходной шиной 9 и стоками транзисторов 4 и 7. Затвор транзистора 4 соединен с шиной 12 низковольтного сигнала и затвором транзистора 7, первая обкладка конденсатора 2 соединена с шиной 11 инверсного тактового сигнала, а вторая обкладка конденсатора 2 - с затвором транзистора 3, истоками транзисторов 6 и 7. Таким образом, устройство передачи высокого напряжения является двухтактным. Устройство начинает работать при подаче низковольтного сигнала (2,5-5 В) от схемы дешифрации на выходную шину 9. Это напряжение через транзисторы 4 и 7 передается на вторые обкладки конденсаторов 1 и 2, так как затворы транзисторов 4 и 7 подключены к шине низковольтного сигнала (4,5-5,5 В). U₁₁ = U₂₁ = U_вых.1, (1) где U₁₁ - напряжение на второй обкладке конденсатора 1; U₂₁ - напряжение на второй обкладке конденсатора 2; U_вых.1 - напряжение на выходной шине 9. При приходе положительного фронта тактового сигнала Ф на шину 10 и первую обкладку конденсатора 1 напряжение на второй обкладке конденсатора 1 увеличивается за счет "бутстрепного" эффекта на нем на величину амплитуды тактовых сигналов и становится равным U₁₂ = U₁₁ + U_ф, (2) где U₁₂ - напряжение на второй обкладке конденсатора 1 после прихода положительного фронта тактового сигнала на шину 10. Транзистор 4 закрывается при этом по истоку, исключая тем самым влияние выходной емкости С_вых на работу схемы. Это напряжение подается на затворы транзисторов 5 и 6, обеспечивая тем самым заряд выходной шины 9 через транзистор 5 и второй обкладки конденсатора 2 через транзистор 6 до уровней U_вых = U₁₂ - U_пор.5 = U₁₁ + U_ф - U_пор.5. (3) U₂₂ = U₁₂ - U_пор.6 = U₁₁ + U_ф - U_пор.6, (4) где U_вых - напряжение на выходной шине 9 после прихода положительного фронта тактового сигнала на шину 10; U_пор.5 - пороговое напряжение транзистора 5 с учетом коэффициента влияния подложки; U₂₂ - напряжение на второй обкладке конденсатора 2 после прихода положительного фронта тактового сигнала на шину 10; U_пор.6 - пороговое напряжение транзистора 6 с учетом коэффициента влияния подложки. Транзистор 7 закрывается при этом по истоку. Поскольку транзисторы 5 и 6 находятся в одинаковых условиях (их стоки и затворы соединены)
U_пор.5 = U_пор.6, (5)
Напряжение U_вых.2 на выходной шине становится
U_вых.2 = U₁₁ + U_ф - U_пор.6 , (6)
При приходе отрицательного фронта тактового сигнала Ф на шину 10 и первую обкладку конденсатора 1 напряжение на второй его обкладке стремится уменьшиться за счет "бутстрепного" эффекта на нем до напряжения, которое способен поддержать транзистор 3. Но в этот момент приходит положительный фронт инверсного тактового сигнала Ф на шину 11 и первую обкладку конденсатора 2. Напряжение U₂₃ на второй обкладке конденсатора 2 увеличивается за счет "бутстрепного" эффекта на нем на величину амплитуды тактовых сигналов и становится
U₂₃ = U₂₂ + U_ф = U₁₁ + 2U_ф - U_пор.6, (7) где U₂₃ - напряжение на второй обкладке конденсатора 2 после прихода положительного фронта инверсного тактового сигнала на шину 11 и отрицательного фронта тактового сигнала на шину 10. Это напряжение подается на затвор транзистора 3, и через него на второй обкладке конденсатора 1 поддерживается потенциал, равный
U₁₃ = U₂₃ - U_пор.3 = U₁₂ + U_ф - U_пор.3 - -U_пор.6 = U₁₁ + 2U_ф - U_пор.3 - U_пор.6, (8) где U₁₃ - напряжение на второй обкладке конденсатора 1 после прихода отрицательного фронта тактового сигнала на шину 10;
U_пор.3 - пороговое напряжение транзистора 3 с учетом коэффициента влияния подложки. Таким образом, несмотря на отрицательный фронт тактового сигнала на шине 10, напряжение на второй обкладке конденсатора 1 получает приращение по отношению к предыдущему состоянию
U₁₃ - U₁₂ = U_ϕ -U_пор.3- U_пор.6, (9) вследствие роста напряжения на затворе транзистора 3 и второй обкладке конденсатора 2 за счет "бутстрепного" эффекта на нем, вызванное приходом положительного фронта инверсного тактового сигнала на шине 11. Рассмотрим i-тый момент времени. Допустим, что напряжение на второй обкладке конденсатора 1 U_1i. При приходе положительного фронта тактового сигнала на шину 10 и первую обкладку конденсатора 1 напряжение на второй обкладке конденсатора 1 увеличивается за счет "бутстрепного" эффекта на нем на величину амплитуды тактовых сигналов и становится
U_1(i+1) = U_1i + U_ф, (10) где U_вых(i+1) - напряжение на второй обкладке конденсатора 1 после прихода положительного фронта тактового сигнала на шину 10. Это напряжение подается на затворы транзисторов 5 и 6, обеспечивая тем самым заряд выходной шины 9 через транзистор 5 и второй обкладки конденсатора 2 через транзистор 6 до уровней
U_вых(i+1) = U_1(i+1) - U_пор.5, (11)
U_2(i+1) = U_1(i+1) - U_пор.6, (12) где U_вых(i+1) - напряжение на выходной шине 9 после прихода положительного фронта тактового сигнала на шину 10;
U_2(i+1) - напряжение на второй обкладке конденсатора 2 после прихода положительного фронта тактового сигнала на шину 10. Поскольку транзисторы 5 и 6 находятся в одинаковых условиях (их стоки и затворы соединены), U_пор.5 = U_пор.6. Из формулы (9) получаем
U_вых(i+1) = U_1(i+1) - U_пор.6, (13)
При приходе отрицательного фронта тактового сигнала на шину 10 и первую обкладку конденсатора 1 напряжение на второй его обкладке стремится уменьшиться за счет "бутстрепного" эффекта на нем до напряжения, которое способен поддержать транзистор 3. Но в этот момент приходит положительный фронт инверсного тактового сигнала на шину 11. Напряжение U_2(i+2) на второй обкладке конденсатора 2 увеличивается за счет "бутстрепного" эффекта на нем на величину амплитуды тактовых сигналов и становится
U_2(i+2) = U_2(i+1) + U_ф = U_1(i+1) + U_ф - U_пор.6 (14) где U_2(i+2) - напряжение на второй обкладке конденсатора 2 после прихода положительного фронта инверсного тактового сигнала на шину 11 и отрицательного фронта тактового сигнала на шину 10. Это напряжение подается на затвор транзистора 3, и через него на второй обкладке конденсатора 1 устанавливается и поддерживается потенциал
U_1(i+2) = U_2(i+2) - U_пор.3 = U_1(i+1) +
+ U_ф - U_пор.3 - U_пор.6, (15) где U_1(i+2) - напряжение на второй обкладке конденсатора 1 после прихода отрицательного фронта прямого тактового сигнала на шину 10. При приходе второго импульса тактового сигнала на шину 10 и первую обкладку конденсатора 1 напряжение U_1(i+3) на второй обкладке конденсатора 1 увеличивается за счет "бутстрепного" эффекта на нем на величину амплитуды тактовых сигналов и становится
U_1(i+3) = U_1(i+2) + U_ф = U_1(i+1) + 2U_ф -
- U_пор.3 - U_пор.6, (16) где U_1(i+3) - напряжение на второй обкладке конденсатора 1 после прихода положительного фронта второго импульса тактового сигнала на шину 10. И с учетом формулы (13) получаем
U_1(i+3) = U_вых(i+1) + 2U_ф - U_пор.3. (17)
Это напряжение подается на затвор транзистора 5 и через него выходная шина 9 заряжается до уровня
U_вых(i+3) = U_1(i+3) - U_пор.5 =
= U_вых(i+1) + 2U_ф - U_пор.3 - U_пор.5, (18) где U_вых(i+3) - напряжение на выходной шине 9 после прихода положительного фронта импульса тактового сигнала на шину 10. Таким образом, напряжение на выходной шине 9 за период увеличивается на величину U_вых(i+3) - U_вых(i+1) = 2U_ф - U_пор.3 - U_пор.5 (19)
Условие работоспособности схемы. Чтобы напряжение на выходной шине 9 получило приращение, необходимо
2U_ф - U_пор.3 - U_пор.5 > 0 (20) или
2U_ф > U_пор.3 + U_пор.5. Для работоспособности устройства необходимо, чтобы удвоенная величина амплитуды тактовых сигналов была больше суммы пороговых напряжений транзисторов 5 и 3. Выключение устройства производится следующим образом. На выходную шину 9 подается напряжение ноль вольт. Это напряжение через транзисторы 4 и 7 поступает на затворы транзисторов 5, 3 и 6 и вторые обкладки конденсаторов 1 и 2. Транзисторы 5, 3 и 6 закрываются, а так как в данный момент времени напряжение между вторыми и первыми обкладками конденсаторов 1 и 2 становится меньше порогового напряжения, конденсаторы 1 и 2 перестают существовать как емкости. Схема перестает работать. Принципиальная электрическая схема устройства изображенная на фиг.2, отличается от схемы устройства, изображенной на фиг.1, тем что в качестве низковольтного сигнала применены тактовый и инверсный тактовый сигналы, затвор транзистора 4 соединен с шиной тактового сигнала, а затвор транзистора 7 - с шиной инверсного тактового сигнала. Принцип работы устройства, показанного на фиг.2, аналогичен работе устройства, показанного на фиг. 1, но в момент включения и выключения заряд и разряд вторых обкладок конденсаторов 1 и 2 и затворов транзисторов 5, 3 и 6 через транзисторы 4 и 7 соответственно происходит при приходе тактового и инверсного тактовых сигналов.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее первый конденсатор, первый, второй, третий транзисторы, шину высокого напряжения, выходную шину, шину тактового сигнала, первый вывод первого конденсатора соединен с шиной тактового сигнала, второй вывод первого конденсатора - с затвором первого транзистора, истоками второго и третьего транзисторов, сток первого транзистора соединен с шиной высокого напряжения и стоком второго транзистора, исток первого транзистора - с выходной шиной и стоком третьего транзистора, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства и повышения быстродействия, дополнительно введен второй конденсатор, четвертый и пятый транзисторы, шина инверсного тактового сигнала и шина низковольтного сигнала, причем затвор третьего транзистора соединен с затвором пятого транзистора и шиной низковольтного сигнала, первый вывод второго конденсатора соединен с шиной инверсного тактового сигнала, второй вывод второго конденсатора - с затвором второго транзистора и истоками четвертого и пятого транзисторов, сток четвертого транзистора соединен с шиной высокого напряжения, а затвор четвертого транзистора - с затвором первого транзистора, сток пятого транзистора соединен с выходной шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4