BE1024217B1 - Analoog schakelcircuit - Google Patents

Abstract

Het analoog schakelcircuit bevat - een eerste en tweede schakelterminal om respectievelijk een zwevende voedingsspanning en zwevende grondspanning aan te leggen, - een aanschakelcircuit om de zwevende voedings- en zwevende grondspanning te ontvangen, alsook een eerste biasstroom (Ion) om het schakelcircuit in werking te stellen, - een afschakelcircuit om de zwevende grondspanning te ontvangen evenals een tweede biasstroom (Ioff) om het schakelcircuit buiten werking te stellen, - een eerste schakeltransistor met een gate op een gatespanning (Vgate), source op een sourcespanning (Vint) en een drain. Het afschakelcircuit trekt de gate en source naar de zwevende grondspanning, wanneer de tweede biasstroom ontvangen wordt. Het aanschakelcircuit creëert, wanneer de eerste biasstroom ontvangen wordt, een gate-sourcespanning tussen de gate en source door stroom te sturen door een weerstand en creëert een hogere spanning dan de sourcespanning. De weerstand is verbonden met een circuit om de sourcespanning na te bootsen.

Description

Analoog Schakelcircuit

Gebied van de uitvinding [0001] De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het vakgebied van analoge schakelcircuits zoals die in talloze toepassingen aangewend worden. Enkele voorbeelden zijn schakelmatrices en testschakelaars.

Achtergrond van de uitvinding [0002] Analoge schakelaars schakelen een analoog signaal aan en uit overeenkomstig een controlesignaal. Om zo'n schakeling te ontwerpen wordt gebruik gemaakt van transistoren met beperkt stuurvermogen en een gepaste schakelsnelheid.

[0003] Een voorbeeld van zo'n schakelcircuit is te vinden in US2015/008978. Het toont een CMOS analoge schakelaar. Wanneer een voedingsspanning wordt aangelegd, genereert de switch biasspanningen aan beide uiteinden van de MOS transistor, die aanschakelt naar een substraatnode van de MOS, of wordt de substraatspanning van de MOS gebiast naar de grondspanning tijdens het afschakelen. De substraatspanning van het MOS device in zwevende toestand blijft gebiased naar de grondspanningstoestand, zelfs wanneer abnormaal hoge spanningen worden aangelegd aan beide uiteinden van het MOS device.

[0004] Een ander voorbeeld is te vinden in US2016/043720, waar een halfgeleider IC getoond wordt die een hogespannings analoog schakelcircuit toont.

[0005] Er is behoefte aan een analoog schakelcircuit waarin vermeden wordt om de punten waartussen geschakeld wordt te belasten.

Samenvatting van de uitvinding [0006] Het is een doel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding om een analoog schakelcircuit voor te stellen dat in staat is om lekstromen te voorkomen en daarbij ook belasting van de punten waartussen wordt geschakeld te vermijden.

[0007] Het bovenstaande doel wordt verwezenlijkt door een analoog schakelcircuit zoals hieronder beschreven.

[0008] In een eerste aspect heeft de uitvinding betrekking op een analoog schakelcircuit bevattend - een eerste schakelterminal om een zwevende voedingsspanning aan te leggen, - een tweede schakelterminal om een zwevende grondspanning aan te leggen, - een aanschakelcircuit ingericht om een eerste biasstroom te ontvangen om het analoog schakelcircuit in werking te stellen en om de zwevende voedingsspanning en de zwevende ground te ontvangen, - een afschakelcircuit ingericht om een tweede biasstroom te ontvangen om het analoog schakelcircuit buiten werking te stellen en om de zwevende grondspanning te ontvangen, - een eerste schakeltransistor met een gate node werkzaam op een gatespanning, source node werkzaam op een sourcespanning en een drain node op een drainspanning, waarbij het afschakelcircuit is ingericht om de gate node op de gatespanning en de source node op de sourcespanning naar de zwevende grondspanning te trekken, wanneer de tweede biasstroom ontvangen wordt, en waarbij het aanschakelcircuit, wanneer de eerste biasstroom ontvangen wordt, is ingericht om een gate-source spanning te creëren tussen de gate node en de source node door stroom te sturen door een elektrische component bevat in het aanschakelcircuit en ingericht om een hogere spanning te creëren dan de sourcespanning, waarbij de electrische component verbonden is met een circuit aangepast om de sourcespanning na te bootsen.

[0009] Met het voorgestelde analoog schakelcircuit wordt het inderdaad mogelijk om lekstromen te voorkomen. Het circuit volgens de uitvinding kan werken als schakelaar tussen de source node en de drain node van de transistor waarbij de spanning tussen de source en drain node kan variëren tussen de zwevende voedingsspanning en de zwevende grondspanning zonder dat die twee nodes belast worden met een stroom.

[0010] In een voorkeursuitvoeringsvorm is het analoog schakelcircuit voorzien van een tweede schakeltransistor rug-aan-rug geplaatst met de eerste schakeltransistor. In dit geval wordt de spanning tussen de drain node van beide schakeltransistoren tussen voornoemde grenzen gehouden, waarbij eveneens het vermelde effect van geen belasting van de twee drain nodes bekomen wordt.

[0011] In een uitvoeringsvorm is de elektrische component een weerstand. Bij voorkeur heeft de weerstand een waarde die aangepast is aan de eerste biasstroom.

[0012] In een andere uitvoeringsvorm bevat het afschakelcircuit een derde schakeltransistor als schakelaar tussen de gatespanning en de sourcespanning.

[0013] In een typische uitvoeringsvorm bedraagt de gate-sourcespanning 5V.

[0014] In een verdere uitvoeringsvorm zijn de eerste en tweede schakelterminal elk voorzien van een diode als bescherming tegen een te hoge of te lage spanning op de drain node van de eerste schakeltransistor of, indien ze beide aanwezig zijn, de drain nodes van de eerste en tweede schakeltransistor.

[0015] Om de uitvinding en de verwezenlijkte voordelen ten opzichte van de stand van de techniek samen te vatten, werden bepaalde doelen en voordelen van de uitvinding hierboven beschreven. Het spreekt uiteraard voor zich dat alle dergelijke doelen of voordelen niet noodzakelijk worden verwezenlijkt overeenkomstig een specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding. Derhalve zullen personen die geschoold zijn in deze materie bijvoorbeeld erkennen dat de uitvinding kan worden belichaamd of uitgevoerd op een manier die één voordeel of groep van voordelen verwezenlijkt of optimaliseert zoals hierin beschreven, zonder noodzakelijk andere doelen of voordelen te verwezenlijken die hierin worden beschreven of gesuggereerd.

[0016] De bovenstaande en andere aspecten van de uitvinding zullen duidelijk worden en nader toegelicht worden met verwijzing naar de uitvoeringsvorm(en) die hierna worden beschreven.

Korte beschrijving van de tekeningen [0017] De uitvinding zal nu verder worden beschreven, bij wijze van voorbeeld, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen.

[0018] Fig.1 geeft een blokschema wer van een analoog schakelcircuit volgens de uitvinding.

[0019] Fig.2 illustreert een uitvoeringsvorm een analoog schakelcircuit volgens de uitvinding..

[0020] Fig.3 illustreert een meer gedetailleerd schema van een uitvoeringsvorm van onderhavige uitvinding.

Gedetailleerde beschrijving van illustratieve uitvoeringsvormen [0021] De onderhavige uitvinding zal worden beschreven met betrekking tot specifieke uitvoeringsvormen en verwijzend naar bepaalde tekeningen, doch de uitvinding is hiertoe niet beperkt, maar wordt alleen beperkt door de conclusies.

[0022] Bovendien worden de termen eerste, tweede, enzovoort in de beschrijving en in de conclusies gebruikt om een onderscheid te maken tussen soortgelijke elementen en niet noodzakelijk voor het beschrijven van een volgorde, hetzij in de tijd, in de ruimte, wat betreft belang of op eender welke andere manier. Het moet worden begrepen dat de gebruikte termen onderling verwisselbaar zijn onder de juiste omstandigheden en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding die hierin worden beschreven in staat zijn om te werken in andere volgordes dan hierin beschreven of geïllustreerd.

[0023] Het moet worden opgemerkt dat de term "omvattende" zoals gebruikt in de conclusies niet mag worden geïnterpreteerd als beperkt tot de middelen die daarna zijn opgegeven; het sluit geen andere elementen of stappen uit. Het moet dus worden geïnterpreteerd als een specificatie van de aanwezigheid van de vermelde kenmerken, eenheden, stappen of onderdelen waarnaar wordt verwezen, maar het sluit de aanwezigheid of toevoeging van één of meer andere kenmerken, eenheden, stappen of onderdelen of groepen daarvan niet uit. Daarom mag het bereik van de uitdrukking "een apparaat omvattende middelen A en B" niet worden beperkt tot apparaten die alleen bestaan uit onderdelen A en B. Het betekent dat met betrekking tot de onderhavige uitvinding, de enige relevante onderdelen van het apparaat A en B zijn.

[0024] Verwijzingen in deze specificatie naar "één uitvoeringsvorm" of "een uitvoeringsvorm" betekent dat een bepaalde eigenschap, structuur of kenmerk beschreven in samenhang met de uitvoeringsvorm is inbegrepen in ten minste één uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Vermeldingen van de frase "in één uitvoeringsvorm" of "in een uitvoeringsvorm" op verschillende plaatsen in deze specificatie verwijzen niet noodzakelijk allemaal naar dezelfde uitvoeringsvorm, maar het is wel mogelijk. Verder kunnen de specifieke kenmerken, structuren of karakteristieken op eender welke geschikte manier in één of meer uitvoeringsvormen worden gecombineerd, zoals voor de gemiddelde vakman uit deze openbaring duidelijk zal zijn.

[0025] Op een soortgelijke manier moet worden opgemerkt dat in de beschrijving van voorbeelduitvoeringsvormen van de uitvinding verschillende kenmerken van de uitvinding soms worden gegroepeerd in een enkele uitvoeringsvorm, figuur of beschrijving daarvan om de openbaarmaking te stroomlijnen en het begrip van een of meer van de verschillende inventieve aspecten te vergemakkelijken. Deze methode van openbaarmaking mag echter niet worden geïnterpreteerd als een uiting van een intentie dat de geclaimde uitvinding meer kenmerken vereist dan uitdrukkelijk vermeld in elke conclusie. Zoals weergegeven in de volgende conclusies, liggen de inventieve aspecten in minder dan alle kenmerken van een enkele voorgaande geopenbaarde uitvoeringsvorm. Derhalve worden de conclusies die volgen op de gedetailleerde beschrijving hierbij expliciet opgenomen in deze gedetailleerde beschrijving, waarbij elke conclusie op zichzelf staat als een afzonderlijke uitvoeringsvorm van deze uitvinding.

[0026] Bovendien, aangezien sommige uitvoeringsvormen die hierin worden beschreven sommige, maar niet andere kenmerken bevatten die zijn opgenomen in andere uitvoeringsvormen, zijn combinaties van kenmerken van verschillende uitvoeringsvormen bedoeld om te vallen binnen het bereik van de uitvinding en verschillende uitvoeringsvormen te vormen, zoals zal worden begrepen door iemand die geschoold is in dit vakgebied. Zo kan bijvoorbeeld in de volgende conclusies eender welke van de geclaimde uitvoeringsvormen worden gebruikt in eender welke combinatie.

[0027] Het moet worden opgemerkt dat het gebruik van bepaalde terminologie bij het beschrijven van bepaalde aspecten van de uitvinding niet impliceert dat de terminologie hierin wordt geherdefinieerd om te worden beperkt tot eender welke specifieke eigenschappen van de kenmerken of aspecten van de uitvinding waarmee die terminologie is geassocieerd.

[0028] In de beschrijving die hier wordt gegeven, worden talrijke specifieke details uiteengezet. Het wordt echter begrepen dat uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen worden uitgewerkt zonder deze specifieke details. In andere gevallen werden goed gekende methoden, structuren en technieken niet in detail weergegeven om het begrip van deze beschrijving niet te belemmeren.

[0029] De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een analoog schakelcircuit dat toelaat te schakelen tussen twee punten waartussen de spanning kan variëren binnen bepaalde grenzen zonder dat die punten belast worden.

[0030] In tegenstelling tot bestaande oplossingen waarbij grote weerstanden, en bijgevolg grote tijdsconstanten nodig zijn, biedt de onderhavige uitvinding een oplossing zonder enige lekstroom en met lage tijdsconstante.

[0031] Fig.1 toont een eerste uitvoeringsvorm van een analoog schakelcircuit volgens de uitvinding. Er is een eerste schakelterminal voorzien om een zwevende voedingsspanning aan te leggen. Via een tweede schakelterminal wordt een zwevende grondspanning gecreëerd. Een aanschakelcircuit ontvangt een bias current Ion die het analoog schakelcircuit kan in werking stellen. Dit aanschakelcircuit krijgt de zwevende voedingsspanning en de zwevende ground binnen. Het afschakelcircuit ontvangt een bias current Ioff waarmee het analoog schakelcircuit buiten werking gesteld kan worden. Het analoog schakelcircuit bevat verder een schakeltransistor met een gate node met gate spanning Vgate, een source node werkzaam op een source spanning Vint en een drain node. Wanneer de biasstroom Ioff ontvangen wordt, trekt het afschakelcircuit de gate node op de gate spanning en de source node op de source spanning naar de zwevende grondspanning. Wanneer de biasstroom Ion ontvangen wordt, creëert het aanschakelcircuit een gate-source spanning tussen de gate node en de source node door stroom te sturen door een weerstand in het aanschakelcircuit. Het aanschakelcircuit is ingericht om een hogere spanning te creëren dan de source spanning, waarbij de weerstand die een bijkomende spanningsval realiseert, verbonden is met een circuit aangepast om de source spanning Vint na te bootsen. De spanning Vint wordt gereproduceerd zonder stroom te trekken, met ander woorden zonder de source te belasten.

[0032] Fig.2 toont een uitvoeringsvorm van het analoog schakelcircuit als een zgn. back-to-back schakelaar (rug-aan-rug schakelaar), waarbij de gates van beide transistoren op spanning Vgate staan en de beide sources op Vint.

[0033] De weerstand in het aanschakelcircuit, nodig voor de spanningsval realisatie tussen de source spanning Vint en de gate spanning Vgate, is aangepast aan de biasstroom Ion. Dit wil zeggen dat het type weerstand en de eenheden waar de weerstand is in opgebouwd, dezelfde zijn als die van de weerstand die gebruikt wordt om de biasstroom Ion te genereren. Op deze manier is de spanningsval tussen de source spanning Vint en de gate spanning Vgate onafhankelijk gemaakt van de weerstandsprocesvariatie.

[0034] Een meer gedetailleerde uitvoeringsvorm is bij wijze van voorbeeld getoond in Fig.3. De figuur geeft een implementatie weer van rug-aan-rug schakelaars die twee hogespannings NMOS schakeltransistoren gebruiken, die 80 Volt spanning tusen drain en gate of tussen drain en source kunnen weerstaan, maar slechts 5.5 V gate-source spanning, waarbij hun source met elkaar verbonden zijn. Een NMOS implementatie biedt het voordeel van kleinere oppervlakte ten opzichte van een implementatie in PMOS. Het circuit is stroomgecontroleerd. Om het circuit in niet-geleidende toestand te brengen worden de gate knoop op spanning Vgate en de source node op spanning Vint naar de negatieve charge pump spanning (Vm13) getrokken. Een PMOS transistor wordt gebruikt als schakelaar tussen Vgate en Vint. Alzo wordt verzekerd dat het circuit snel naar een niet-geleidende toestand kan gebracht worden.

[0035] Om het circuit in geleidende toestand te brengen wordt een gate-source spanning van 5V gecreëerd door stroom te sturen door een weerstand. Normaal zou deze weerstand geplaatst worden tussen Vgate en Vint. Om er evenwel voor te zorgen dat de lek zo laag mogelijk blijft, wordt in deze uitvinding voor een andere oplossing gekozen. Vint wordt nagebootst via een differentieel inputpaar en de gatespanning refereert aan deze node. De stroom nodig om deze spanning op te bouwen, wordt geleverd door de positieve charge pump Vbws.

[0036] Het interval van de ingangsspanning gaat van Vm13 tot Vbsw. Het aanleggen van een spanning lager dan VM13 of hoger dan Vbsw zal het biasing netwerk van de rug-aan-rug schakelaar in triode duwen, waarbij de switch automatisch hoogimpedant wordt.

[0037] De schakelaar is direct verbonden met een pin onderworpen aan "iso-pulsen" die bekend zijn uit o.a. de standaard ISO7637. Dit zijn bijvoorbeeld snelle en trage transientpulsen met spanningen die kunnen oplopen tot verscheidene honderden Volt, positief of negatief. Een extern protectiecircuit beperkt deze pulsen, maar aan de ingang van het schakelcircuit kunnen deze pulsen nog steeds een amplitude hebben van 60 Volt en meer. Teneinde al de transistoren in hun veilig werkingsgebied te houden worden de voedingsspanning en de grond ontkoppeld van de chargepumps door middel van diodes.

[0038] In een mogelijke uitvoeringsvorm van deze uitvinding zijn er geen digitale inputs in het schakelcircuit. Het enable signaal voor de schakelaar wordt gebruikt in het biasing circuit dat de aan en uit inputstromen genereert voor de schakelaar.

[0039] Hoewel de uitvinding werd geïllustreerd en in detail werd beschreven in de tekeningen en voorgaande beschrijving, moeten dergelijke illustraties en beschrijvingen als illustratie of voorbeeld worden beschouwd en niet restrictief. De voorgaande beschrijving verklaart bepaalde uitvoeringsvormen van de uitvinding in detail. Het moet echter worden opgemerkt dat hoe gedetailleerd het voorgaande ook in de tekst is opgenomen, de uitvinding op vele manieren kan worden uitgevoerd. De uitvinding is niet beperkt tot de geopenbaarde uitvoeringsvormen.

[0040] Andere variaties op de geopenbaarde uitvoeringsvormen kunnen worden begrepen en uitgevoerd door personen die geschoold zijn in dit domein en door de geclaimde uitvinding in de praktijk te brengen, door een studie van de tekeningen, de openbaarmaking en de bijgevoegde conclusies. In de conclusies sluit het woord "omvattende" geen andere elementen of stappen uit en het onbepaald lidwoord "een" sluit geen meervoud uit. Een enkele processor of andere eenheid kan de functies van verschillende items in de conclusies vervullen. Alleen al het feit dat bepaalde maatregelen worden opgesomd in onderling verschillende afhankelijke conclusies, betekent niet dat een combinatie van die maatregelen niet kan worden gebruikt om voordeel te halen. Een computerprogramma kan worden opgeslagen/verdeeld op een geschikt medium, zoals een optisch opslagmedium of halfgeleidermedium geleverd met of als onderdeel van andere hardware, maar kan ook worden verdeeld in andere vormen, zoals via het internet of andere bekabelde of draadloze telecommunicatiesystemen. Eventuele verwijzingen in de conclusies mogen niet worden opgevat als een beperking van de reikwijdte.

Claims (6)

1. Conclusies

   1. Analoog schakelcircuit bevattend - een eerste schakelterminal om een zwevende voedingsspanning aan te leggen, - een tweede schakelterminal om een zwevende grondspanning aan te leggen, - een aanschakelcircuit ingericht om een eerste biasstroom (Ion) te ontvangen om genoemd analoog schakelcircuit in werking te stellen en om genoemde zwevende voedingsspanning en genoemde zwevende grondspanning te ontvangen, - een afschakelcircuit ingericht om een tweede biasstroom (Ioff) te ontvangen om genoemd analoog schakelcircuit buiten werking te stellen en om genoemde zwevende grondspanning te ontvangen, waarbij genoemde eerste biasstroom in genoemd aanschakelcircuit en genoemde tweede biasstroom in genoemd afschakelcircuit niet samen kunnen ontvangen worden, - een eerste schakeltransistor met een gate node werkzaam op een gatespanning (Vgate), source node werkzaam op een sourcespanning (Vint) en een drain node op een drainspanning, waarbij genoemd afschakelcircuit is ingericht om genoemde gate node op genoemde gatespanning en genoemde source node op genoemde sourcespanning naar genoemde zwevende grondspanning te trekken, wanneer genoemde tweede biasstroom ontvangen wordt, en waarbij genoemd aanschakelcircuit, wanneer genoemde eerste biasstroom ontvangen wordt, is ingericht om een gate-source spanning te creëren tussen genoemde gate node en genoemde source node door stroom te sturen door een weerstand bevat in genoemd aanschakelcircuit en ingericht om een hogere spanning te creëren dan genoemde source spanning, waarbij genoemde weerstand verbonden is met een circuit aangepast om genoemde sourcespanning na te bootsen zonder genoemde gate node en genoemde source node te belasten met stroom.
2. 2. Analoog schakelcircuit zoals in conclusie 1, bevattend een tweede schakeltransistor rug-aan-rug geplaatst met genoemde eerste schakeltransistor.
3. 3. Analoog schakelcircuit zoals in conclusie 1 of 2, waarin genoemde weerstand een waarde heeft die aangepast is aan genoemde eerste biasstroom.
4. 4. Analoog schakelcircuit zoals in een van voorgaande conclusies, waarin genoemd afschakelcircuit een derde schakeltransistor bevat als schakelaar tussen genoemde gatespanning en genoemde sourcespanning.
5. 5. Analoog schakelcircuit zoals in een van voorgaande conclusies, waarin genoemde gate-sourcespanning 5V bedraagt.
6. 6. Analoog schakelcircuit zoals in een van voorgaande conclusies, waarin genoemde eerste en tweede schakelterminal elk voorzien zijn van een diode als bescherming tegen een te hoge of te lage spanning op genoemde drain node van genoemde eerste schakeltransistor of, indien beide aanwezig, genoemde drain nodes van genoemde eerste en tweede schakeltransistor.