CH660820A5 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR CONTROLLING A SEMICONDUCTOR SWITCHING COMPONENT. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1.
In einem Aufsatz «A Field Terminated Diode» von Douglas E. Houston et al., veröffentlicht in IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-23, Nr. 8, August 1976, ist ein diskreter Festkörper-Schalter für hohe Spannungen beschrieben, der eine vertikale Geometrie besitzt und eine Zone enthält, die zur Erzielung eines «Aus»-Zustandes abgeschnürt oder durch eine doppelte Trägerinjektion zur Erzielung eines «Ein»-Zustandes hochleitend gemacht werden kann. Dieses Bauteil, das als gesteuerter Diodenschalter (GDS von Gated -Diode Switch) bezeichnet werden soll, ist als Festkörper-(Halbleiter)-Ersatz für elektromechanische Schalter wegen seiner Möglichkeit zum Schalten hoher Spannungen vielversprechend. Wie noch genauer erläutert werden soll, können von den in dem genannten Aufsatz beschriebenen Bauteilen abweichende Ausführungen verwirklicht werden, die sich für eine Herstellung in Form integrierter Schaltung sowie als doppelt gerichtete Schaltanordnungen eignen. In a paper "A Field Terminated Diode" by Douglas E. Houston et al., Published in IEEE Transactions on Electron Devices, Volume ED-23, No. 8, August 1976, a discrete solid-state switch for high voltages is described has a vertical geometry and contains a zone which can be pinched off in order to achieve an "off" state or can be made highly conductive by means of a double carrier injection in order to achieve an "on" state. This component, which is to be referred to as a controlled diode switch (GDS by gated diode switch), is promising as a solid-state (semiconductor) replacement for electromechanical switches because of its possibility of switching high voltages. As will be explained in more detail, different designs can be realized from the components described in the above-mentioned article, which are suitable for production in the form of integrated circuits and as double-directional switching arrangements.
In den US-Patentschriften Nr. 3 271 700, 3 596 114, 3 793 581, 4 058 741, 4 060 821 und 4 112 315 sind Schaltungsanordnungen zum Steuern von PNPN-Schaltbauteilen beschrieben. Die eine der bekannten Schaltungsanordnungen ist so aufgebaut, dass sie durch eine einzige Stromquelle und mit wenig Leistung betrieben werden kann. Die zweite bekannte Schaltungsanordnung ermöglicht den Betrieb des PNPN-Schaltbau-teils mit einer Selbsthaltewirkung und einem grossen Abschaltlaststrom. Die bekannten Schaltanordnungen lassen sich nur mit grösseren Schwierigkeiten auf dem gleichen Halbleitersubstrat unterbringen. Circuitry for controlling PNPN switching devices is described in U.S. Patent Nos. 3,271,700, 3,596,114, 3,793,581, 4,058,741, 4,060,821 and 4,112,315. One of the known circuit arrangements is designed so that it can be operated by a single current source and with little power. The second known circuit arrangement enables the PNPN switch component to be operated with a self-holding effect and a large switch-off load current. The known switching arrangements can be accommodated on the same semiconductor substrate only with greater difficulty.
Es ist wünschenswert, integrierte Halbleiterschaltungstechniken zur Herstellung von Steuerschaltungen für solche GDS-Bauteile zu verwenden. Dies ist schwierig, weil die verwendeten Steuerschaltungen eine Sperrspannung an das Gate (oder das Gitter) anlegen, die positiver bleiben muss als die Spannung an der Anode und Kathode, und einen Strom liefern können muss, der wenigstens so gross ist, wie der Strom, der durch den Schalter selbst fliesst. GDS-Bauteile des oben beschriebenen Typs sind verhältnismässig neu, so dass nur wenig Informationen veröffentlicht worden sind, die die in Verbindung mit diesen Bauteilen benutzten Steuerschaltungen beschreiben. It is desirable to use semiconductor integrated circuit techniques to manufacture control circuits for such GDS devices. This is difficult because the control circuits used apply a reverse voltage to the gate (or the grid) which must remain more positive than the voltage at the anode and cathode and must be able to supply a current which is at least as large as the current, that flows through the switch itself. GDS devices of the type described above are relatively new, so little information has been published describing the control circuitry used in connection with these devices.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Steuern eines Schaltbauteils zu schaffen, die auf dem gleichen Halbleitersubstrat wie der zu steuernde Schaltbauteil hergestellt werden kann. It is an object of the invention to provide a circuit arrangement for controlling a switching component, which can be produced on the same semiconductor substrate as the switching component to be controlled.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale. The circuit arrangement according to the invention is characterized by the features stated in the characterizing part of patent claim 1.
Der Zustand des weiteren Schaltbauteils, nachstehend Diodenschalter GDS2 genannt, wird im wesentlichen durch die Spannungssteuer-Abzweigschaltung gesteuert, die die Gate-An-odenspannung selektiv einstellt. Ein verhältnismässig schwacher Spannungsimpuls triggert die Spannungssteuerschaltung, die hohe Spannungen verarbeiten, aber nur massige Ströme liefern kann. Ein über den Diodenschalter GDS2 fliessender Ruhestrom darf daher für die Spannungssteuerschaltung nur einen mässigen Strom darstellen, damit diese den Diodenschalter GDS2 aus dem Ein- in den Aus-Zustand schalten kann. The state of the further switching component, hereinafter referred to as diode switch GDS2, is essentially controlled by the voltage control branch circuit, which selectively adjusts the gate anode voltage. A relatively weak voltage pulse triggers the voltage control circuit, which can handle high voltages but can only deliver massive currents. A quiescent current flowing via the diode switch GDS2 may therefore only represent a moderate current for the voltage control circuit so that it can switch the diode switch GDS2 from the on to the off state.
Wenn der Diodenschalter GDS2 im Aus-Zustand ist, hat das Potential am Gate des erstgenannten Schaltbauteils, nachstehend Diodenschalter GDS1 genannt, einen Wert, der nicht mehr positiver als das Potential an dessen Anode und Kathode ist, so dass demgemäss der Diodenschalter GDS1 im Ein-Zu-stand ist und eine Stromleitung zwischen seiner Anode und Kathode auftreten kann. Um den Diodenschalter GDS1 in den Aus-Zustand zu bringen, ist es erforderlich, dass das Potential an seinem Gate auf einen Wert erhöht wird, der positiver als das Potential der Anode und Kathode ist, und dass Elektronen wenigstens in der Grössenordnung des Elektronenflusses zwischen der Kathode und Anode am Gate angesammelt und dann dort abgenommen werden. Hinsichtlich der Schaltungsauslegung ist die Abnahme von Elektronen am Gate des Diodenschalters GDS1 äquivalent dem Einführen positiver Ladungsträger (eines Stromes) in das Gatter des Diodenschalters GDS1. Die Anode des Schalters GDS2 ist mit einer Potentialquelle verbunden, die positiver ist als das Potential an der Anode des Schalters GDS1. Wenn der Schalter GDS2 eingeschaltet ist, ist das Potential am Gate des Schalters GDS1 (also an der Kathode von GDS2) positiver als an der Anode des Schalters GDS1, und der Schalter GDS2 kann einen genügend grossen positiven Strom liefern, derart, dass der Schalter GDS1 in den Aus-Zustand gebracht oder in diesem Zustand gehalten wird. Es sollen zahlreiche weitere Ausführungsbeispiele beschrieben werden. In den Zeichnungen zeigen: When the diode switch GDS2 is in the off state, the potential at the gate of the first-mentioned switching component, hereinafter referred to as the diode switch GDS1, has a value which is no more positive than the potential at its anode and cathode, so that the diode switch GDS1 accordingly turns on Is and a power line can occur between its anode and cathode. In order to bring the diode switch GDS1 to the off state, it is necessary that the potential at its gate is increased to a value which is more positive than the potential of the anode and cathode, and that electrons are at least in the order of magnitude of the electron flow between the Cathode and anode accumulated at the gate and then removed there. In terms of circuit design, the decrease in electrons at the gate of the diode switch GDS1 is equivalent to the introduction of positive charge carriers (a current) into the gate of the diode switch GDS1. The anode of the switch GDS2 is connected to a potential source that is more positive than the potential at the anode of the switch GDS1. When the switch GDS2 is turned on, the potential at the gate of the switch GDS1 (i.e. at the cathode of GDS2) is more positive than at the anode of the switch GDS1, and the switch GDS2 can supply a sufficiently large positive current such that the switch GDS1 is brought into the off state or is kept in this state. Numerous further exemplary embodiments are to be described. The drawings show:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines als Diodenschalter wirkenden Schaltbauteils, 1 is a schematic sectional view of a switching component acting as a diode switch,
Fig. 2 einen Schalter mit einem Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, 2 shows a switch with an embodiment of the circuit arrangement according to the invention,
Fig. 3 einen Schalter mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, 3 shows a switch with a further embodiment of the circuit arrangement according to the invention,
Fig. 4 einen doppelt gerichteten Schalter, der sich ebenfalls durch die Steuerschaltung gemäss Fig. 1 steuern lässt, 4 shows a bidirectional switch which can also be controlled by the control circuit according to FIG. 1,
Fig. 5 eine Schaltungsanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 5 shows a circuit arrangement according to a further embodiment of the invention and
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung entsprechend einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 6 shows a circuit arrangement according to an additional embodiment of the invention.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform für die Struktur eines gesteuerten Diodenschalters 10 mit einem Träger 12, der eine Hauptfläche 11 und einen monokristallinen Halbleiterkörper 16 aufweist, dessen Hauptteil p-leitend ist und der vom Träger 12 durch eine dielektrische Schicht 14 getrennt ist. 1 shows a preferred embodiment for the structure of a controlled diode switch 10 with a carrier 12 which has a main surface 11 and a monocrystalline semiconductor body 16, the main part of which is p-conductive and which is separated from the carrier 12 by a dielectric layer 14.
Eine örtlich begrenzte Anodenzone 18, die p + -leitend ist, ist im Körper 16 angeordnet und reicht mit einem Abschnitt bis zur Fläche 11. Eine örtlich begrenzte, n +-leitende Gatezone 20 sowie eine örtlich begrenzte, n + -leitende Kathodenzone 24 sind ebenfalls im Körper 16 enthalten. Eine p-leitende Zone 22, von der sich ein Teil zur Fläche 11 erstreckt, umgibt die Kathode 24 und wirkt als Verarmungsschicht-Durchstossabschirmung. Ausserdem verhindert sie eine Inversion der Teile des Körpers 16 an oder nahe der Fläche 11 zwischen den Zonen 20 und 24. Die Gatezone 20 befindet sich zwischen der Anodenzone 18 und der Zone 22 und ist von beiden durch Teile des Körpers 16 getrennt. Der spezifische Widerstand der Zonen 18, 20 und 24 ist niedrig im Vergleich zu dem der Hauptteile des Körpers 16. Der spezifische Widerstand der Zone 22 liegt zwischen dem der Kathodenzone 24 und dem des Hauptteils des Körpers 16. A localized anode zone 18, which is p + -conducting, is arranged in the body 16 and extends with a portion up to the surface 11. A localized, n + -conducting gate zone 20 and a localized, n + -conducting cathode zone 24 also included in body 16. A p-type zone 22, a portion of which extends to surface 11, surrounds cathode 24 and acts as a depletion layer puncture shield. It also prevents inversion of the parts of the body 16 at or near the surface 11 between the zones 20 and 24. The gate zone 20 is located between the anode zone 18 and the zone 22 and is separated from both by parts of the body 16. The specific resistance of the zones 18, 20 and 24 is low compared to that of the main parts of the body 16. The specific resistance of the zone 22 is between that of the cathode zone 24 and that of the main part of the body 16.
Elektroden 28, 30 und 32 stellen Leiter dar, die zu den Oberflächenteilen der Zonen 18, 20 bzw. 24 einen Kontakt mit niedrigem Widerstand herstellen. Eine dielektrische Schicht 26 bedeckt die Hauptfläche 11, um die Elektroden 28, 30 und 32 von allen Bereichen ausser denen zu isolieren, mit denen sie einen elektrischen Kontakt herstellen sollen. Eine Elektrode 36 stellt einen Kontakt niedrigen Widerstandes zum Träger 12 über eine hochdotierte Zone 34 her, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Träger 12 ist. Electrodes 28, 30 and 32 are conductors that make low resistance contact with the surface portions of zones 18, 20 and 24, respectively. A dielectric layer 26 covers the main surface 11 to isolate the electrodes 28, 30 and 32 from all areas except those with which they are to make electrical contact. An electrode 36 makes a low resistance contact to the carrier 12 via a highly doped zone 34, which is of the same conductivity type as the carrier 12.
Zweckmässig bestehen der Träger 12 und der Körper 16 beide aus Silicium, und der Träger 12 kann entweder n- oder p-leitend sein. Die Elektroden 28, 30 und 32 überlappen zweckmässig jeweils die Halbleiterzone, mit der sie einen Kontakt niedrigen Widerstandes herstellen. Die Elektrode 32 überlappt ausserdem die Zone 22. Diese Überlappung, die als Feld-Plattierung bekannt ist, erleichtert einen Betrieb bei hohen Spannungen, da sie die Spannung erhöht, bei der ein Durchbruch auftritt. Es kann eine Vielzahl von getrennten Körpern 16 auf einem The carrier 12 and the body 16 are expediently both made of silicon, and the carrier 12 can be either n- or p-type. The electrodes 28, 30 and 32 expediently overlap the semiconductor zone with which they produce a contact of low resistance. Electrode 32 also overlaps zone 22. This overlap, known as field plating, facilitates operation at high voltages because it increases the voltage at which breakdown occurs. There may be a plurality of separate bodies 16 on one
5 5
10 10th
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20 20th
25 25th
30 30th
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40 40
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660 820 660 820
4 4th
gemeinsamen Träger 12 zur Erzeugung einer Vielzahl von Schaltern gebildet werden. common carrier 12 are formed to generate a plurality of switches.
Die Anordnung 10 wird in typischer Weise als Schalter betrieben, der durch einen Weg niedriger Impedanz zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 im Einschalt-Zustand (leitend) und eine hohe Impedanz zwischen den beiden Zonen im Ausschalt-Zustand (gesperrt) gekennzeichnet ist. Das an die Gate-Zone 20 angelegte Potential bestimmt den Zustand des Schalters. Eine Stromleitung zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 tritt auf, wenn das Potential an der Gatezone 20 unter dem Potential an der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 liegt. Im Einschalt-Zustand werden aus der Anodenzone 18 Löcher und aus der Kathodenzone 24 Elektroden in den Körper 16 injiziert. Die Zahl dieser Löcher und Elektroden kann ausreichend gross sein, um ein Plasma zu bilden, das den Körper 16 leitend macht. Dadurch wird der Widerstand des Körpers derart verringert, dass der Widerstand zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 verhältnismässig niedrig ist, wenn die Anordnung 10 im Einschalt-Zu-stand arbeitet. Diese Betriebsart wird als doppelte Trägerinjektion bezeichnet. The arrangement 10 is typically operated as a switch, which is characterized by a path of low impedance between the anode zone 18 and the cathode zone 24 in the on state (conductive) and a high impedance between the two zones in the off state (blocked). The potential applied to the gate zone 20 determines the state of the switch. Current conduction between the anode zone 18 and the cathode zone 24 occurs when the potential at the gate zone 20 is below the potential at the anode zone 18 and the cathode zone 24. In the on state, 18 holes are injected into the body 16 from the anode zone and 24 electrodes are injected from the cathode zone. The number of these holes and electrodes can be large enough to form a plasma that makes the body 16 conductive. As a result, the resistance of the body is reduced in such a way that the resistance between the anode zone 18 and the cathode zone 24 is relatively low when the arrangement 10 is operating in the switched-on state. This mode of operation is referred to as double carrier injection.
Die Zone 22 unterstützt eine Begrenzung des Durchbruchs einer Verarmungsschicht, die im Betrieb zwischen der Gatezone 20 und der Kathodenzone 24 gebildet wird, und begrenzt die Bildung einer Oberflächen-Inversionsschicht zwischen diesen beiden Zonen. Ausserdem erleichtert sie einen verhältnismässig kleinen Abstand zwischen der Gatezone 20 und der Kathodenzone 24. Dadurch wird ein verhältnismässig kleiner Widerstand zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 20 im eingeschalteten Zustand möglich. Zone 22 helps limit the breakthrough of a depletion layer that is formed in operation between gate zone 20 and cathode zone 24 and limits the formation of a surface inversion layer between these two zones. In addition, it facilitates a relatively small distance between the gate zone 20 and the cathode zone 24. This enables a relatively small resistance between the anode zone 18 and the cathode zone 20 in the switched-on state.
Das Substrat 12 wird in typischer Weise auf dem höchsten positiven Potential gehalten, das zur Verfügung steht. Eine Stromleitung zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 wird gesperrt, wenn das Potential der Gatezone 20 ausreichend positiver als das der Anodenzone 18, der Kathodenzone 24 und der Zone 22 ist. Der Betrag, um den das Potential positiver sein muss, um die Stromleitung zu sperren, ist eine Funktion der Geometrie und der Dotierkonzentration der Anordnung 10. Das positive Gate-Potential bewirkt, dass ein vertikaler Querschnittsteil des Körpers 16 zwischen der Gatezone 20 und dem darunterliegenden Teil der dielektrischen Schicht 14 verarmt und dass das Potential dieses Teils des Körpers 16 positiver als das der Anodenzone 18, der Kathodenzone 24 und der Zone 22 wird. Diese positive Potentialsperre verhindert den Transport von Löchern von der Anodenzone 18 zur Kathodenzone 24. Sie schnürt im wesentlichen den Körper 16 gegen die dielektrische Schicht 14 im Hauptteil des Körpers 16 unterhalb der Gatezone 20 ab und erstreckt sich nach unten zur dielektrischen Schicht 14. Ausserdem sammelt sie an der Kathodenzone 24 emittierte Elektronen, bevor diese die Anodenzone 18 erreichen können. Der Sperrzustand (nicht leitende Zustand) ist der Aus-Zustand. The substrate 12 is typically maintained at the highest positive potential that is available. Current conduction between the anode zone 18 and the cathode zone 24 is blocked if the potential of the gate zone 20 is sufficiently positive than that of the anode zone 18, the cathode zone 24 and the zone 22. The amount by which the potential must be more positive to block the power line is a function of the geometry and doping concentration of the device 10. The positive gate potential causes a vertical cross-sectional portion of the body 16 between the gate zone 20 and the one below Part of the dielectric layer 14 is depleted and that the potential of this part of the body 16 becomes more positive than that of the anode zone 18, the cathode zone 24 and the zone 22. This positive potential barrier prevents the transport of holes from the anode zone 18 to the cathode zone 24. It essentially constricts the body 16 against the dielectric layer 14 in the main part of the body 16 below the gate zone 20 and extends down to the dielectric layer 14. In addition, it collects electrons emitted at the cathode zone 24 before they can reach the anode zone 18. The locked state (non-conductive state) is the off state.
In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung 10 (innerhalb des grösseren, strichpunktierten Rechtecks) gezeigt, die mit einem gesteuerten Diodenschalter GDS1 der in Fig. 1 gezeigten Art mit Anoden-, Kathoden- und Gate-Anschlüssen verbunden ist. Der Schalter GDS1 ist durch ein Symbol dargestellt, das zur Bezeichnung verschiedener Formen von gesteuerten Diodenschaltern eingeführt worden ist. 2 shows a circuit arrangement 10 (within the larger, dash-dotted rectangle) which is connected to a controlled diode switch GDS1 of the type shown in FIG. 1 with anode, cathode and gate connections. The switch GDS1 is represented by a symbol that has been introduced to denote various forms of controlled diode switches.
Die Schaltungsanordnung 210 weist einen weiteren gesteuerten Diodenschalter GDS2 auf, der ebenfalls von der in Fig. 1 gezeigten Art sein kann und Anoden-, Kathoden- und Gate-Anschlüsse besitzt, ferner einen ersten und einen zweiten Strombegrenzer CLl und CL2, einen npn-Transistor Ql, pn-Doden Dl, D2, D3, Widerstände Rl, R2, R3 und einen Kondensator Cl. Die Anode von Dl und D3 und ein erster Anschluss von CLl sind mit einem Anschluss 212 verbunden. Der Kollektor von Ql ist mit der Kathode von D3 und einem Anschluss 211 verbunden. Die Kathode von Dl ist mit dem Gate von GDS2 und einem Anschluss 220 verbunden. Die Basis von Ql ist mit einem Eingangsanschluss 216 über die Diode D2 verbunden. Der Emitter von Ql liegt an einem Anschluss von Rl und einem Anschluss 217. Der zweite Anschluss von Rl ist mit einem Anschluss 218 und der Stromversorgungsquelle VSS verbunden. Ein zweiter Anschluss von CLl ist mit einer Stromversorgungsquelle + VI und einem Anschluss 214 verbunden. CL2 liegt mit einem ersten Anschluss an der Kathode von GDS2, dem Gate von GDS1 und einem Anschluss 222. CL2 liegt mit einem zweiten Anschluss an der Stromversorgungsquelle -V3 und einem Anschluss 228. Ein dritter Strombegrenzer liegt mit einem ersten Anschluss am Anschluss 220 und einem zweiten Anschluss an einer Stromversorgungsquelle -V4 und einem Anschluss 226. Die Bauteile CL3 und -V4 sind beide als Option vorhanden. Die Stromversorgungsquelle -V4 kann das gleiche Potential wie VSS oder -V3 haben. The circuit arrangement 210 has a further controlled diode switch GDS2, which can also be of the type shown in FIG. 1 and has anode, cathode and gate connections, furthermore a first and a second current limiter CL1 and CL2, an NPN transistor Ql, pn-Doden Dl, D2, D3, resistors Rl, R2, R3 and a capacitor Cl. The anode of D1 and D3 and a first terminal of CL1 are connected to a terminal 212. The collector of Q1 is connected to the cathode of D3 and a connection 211. The cathode of DI is connected to the gate of GDS2 and a connector 220. The base of Q1 is connected to an input terminal 216 via diode D2. The emitter of Q1 is connected to a terminal of R1 and a terminal 217. The second terminal of R1 is connected to a terminal 218 and the power supply source VSS. A second port of CLI is connected to a power source + VI and a port 214. CL2 has a first connection to the cathode of GDS2, the gate of GDS1 and a connection 222. CL2 has a second connection to the power supply source -V3 and a connection 228. A third current limiter has a first connection to connection 220 and one second connection to a power supply source -V4 and a connection 226. Components CL3 and -V4 are both available as options. The power supply source -V4 can have the same potential as VSS or -V3.
Die Anode von GDS2 liegt an einem Anschluss von R3 und einem Anschluss 221. Der zweite Anschluss von R3 ist mit einem ersten Anschluss von R3 sowie einem Anschluss 223 und einem ersten Anschluss von Cl verbunden. Der zweite Anschluss von R2 liegt an einer Stromversorgungsquelle + V2 und einem Anschluss 224. Der zweite Anschluss von Cl ist mit dem Anschluss 218 verbunden. + VI ist so gewählt, dass ihr Potential positiver ist als das von + V2. The anode of GDS2 is connected to a connection of R3 and a connection 221. The second connection of R3 is connected to a first connection of R3 and a connection 223 and a first connection of Cl. The second connection of R2 is connected to a power supply source + V2 and a connection 224. The second connection of Cl is connected to connection 218. + VI is chosen so that its potential is more positive than that of + V2.
Die Kombination der Bauteile Dl, D2, D3, Ql, CLl, Rl und CL3, die innerhallb des strichpunktierten Rechtecks A dargestellt sind, dient als Spannungssteuer-Abzweigschaltung und ist in der Lage, das Potential am Anschluss 220 (dem Gate-An-schluss von GDS2) so einzustellen, dass der Zustand von GDS2 gesteuert wird. Cl und R3 sind als Option vorhanden. Ohne Cl und R3 würden die Anschlüsse 221 und 223 direkt miteinander verbunden sein. Cl dient als beschränkte Ladungsquelle, die das Umschalten von GDS1 in den Aus-Zustand unterstützt. Ohne Cl muss ein grösserer Ruhestrom durch GDS2 im eingeschalteten Zustand fliessen, um sicherzustellen, dass ein ausreichend grosser Strom vorhanden ist, der dem Gate von GDS1 zu dessen Ausschaltung zugeführt werden kann. The combination of components Dl, D2, D3, Ql, CLl, Rl and CL3, which are shown within the dash-dotted rectangle A, serves as a voltage control branch circuit and is able to measure the potential at connection 220 (the gate connection of GDS2) so that the state of GDS2 is controlled. Cl and R3 are available as options. Without Cl and R3, ports 221 and 223 would be directly connected. Cl serves as a limited charge source that supports switching GDS1 to the off state. Without Cl, a larger quiescent current must flow through GDS2 in the switched-on state to ensure that there is a sufficiently large current that can be supplied to the gate of GDS1 to switch it off.
Die prinzipielle Betriebsweise ist wie folgt: The basic mode of operation is as follows:
Es sei angenommen, dass der Anoden- und Kathodenan-schluss von GDS1 auf +220 V bzw. -220 V liegen. Dann kann eine Stromleitung zwischen der Anode und Kathode stattfinden, wenn das Gate (Anschluss 222) weniger positiv als + 220 V ist. Die Stromleitung wird unterbrochen, indem das Potential am Gate (Anschluss 222) auf einen Wert oberhalb von + 220 V erhöht und ein positiver Strom bereitgestellt wird, der in das Gate (Anschluss 222) von GDS1 fliesst. Mit den Werten + VI = +280 V, VSS = 0 V, + V2 = +250 V, -V3 = -250 V, -V4 = -250 V und einer Strombegrenzung durch die Begrenzer CLl, CL2 und CL3 auf 50, 5 bzw. 5 Mikroampere ist die Schaltungsanordnung 210 in der Lage, die erforderlichen Potentiale am Anschluss 222 und den zur Steuerung des Zustandes von GDS1 erforderlichen Strom zum Anschluss 222 bereitzustellen. Die Auslegung der Strombegrenzer ist beispielsweise beschrieben in «Sourcebook of Electronic Circuits», John Markus, McGraw-Hill Book Co., 1968, Seite 171. It is assumed that the anode and cathode connection of GDS1 are at +220 V and -220 V, respectively. Then a current conduction between the anode and cathode can take place if the gate (connection 222) is less positive than + 220 V. The power line is interrupted by increasing the potential at the gate (connection 222) to a value above + 220 V and providing a positive current that flows into the gate (connection 222) of GDS1. With the values + VI = +280 V, VSS = 0 V, + V2 = +250 V, -V3 = -250 V, -V4 = -250 V and a current limitation by the limiters CLl, CL2 and CL3 to 50.5 Circuitry 210 is capable of providing the required potentials at connection 222 and the current required for controlling the state of GDS1 to connection 222. The design of the current limiters is described, for example, in “Sourcebook of Electronic Circuits”, John Markus, McGraw-Hill Book Co., 1968, page 171.
Es sei zunächst angenommen, dass der Schalter GDS1 leiten soll. Dann wird ein Eingangssignal mit einem Potentialwert zwischen 0 und 0,4 V an den Anschluss 216 angelegt. Dadurch wird Ql ausgeschaltet, und der Anschluss 212 kann ein Potential von etwa + VI (etwa +280 V) annehmen. Ohne CL3 leitet Dl in Durchlassrichtung, bis der Anschluss 220 abgesehen von einigen Zehntel Volt das Potential des Anschlusses 212 erreicht, und hört dann auf zu leiten. Wenn CL3 vorhanden ist, fliesst ein Strom von + VI über CLl, Dl, CL3 nach -V4. CLl und CL3 sind so gewählt, dass die bei abgeschaltetem Ql am Anschluss 220 erscheinende Spannung wesentlich positiver ist als die von + V2. Für diesen Fall nimmt der Anschluss 220 auf It is initially assumed that the switch should conduct GDS1. Then an input signal with a potential value between 0 and 0.4 V is applied to terminal 216. This turns Q1 off and terminal 212 can assume a potential of approximately + VI (approximately +280 V). Without CL3, D1 conducts in the forward direction until terminal 220 reaches the potential of terminal 212, apart from a few tenths of a volt, and then ceases to conduct. If CL3 is present, a current flows from + VI via CLl, Dl, CL3 to -V4. CLl and CL3 are selected so that the voltage appearing at terminal 220 when Ql is switched off is significantly more positive than that of + V2. In this case, the connector 220 receives
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ähnliche Weise ein Potential an, das dicht bei + 280 V liegt. Unter diesen Bedingungen ist GDS2 im Aus-Zustand und trennt demgemäss den Anschluss 222 vom Potential + V2. Das Potential des Anschlusses 222 fällt dann wegen der negativen Spannung -V3 (-250 V) ab, bis der Gate-Anodenübergang von GDS1 in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Der Anschluss 222 bleibt dann stabil auf einem Potential, das dicht bei dem, aber nicht grösser als das Potential der Anode von GDS1 ist. Demgemäss wird GDS1 in den Ein-Zustand gebracht, und es findet eine Stromleitung zwischen seiner Anode und Kathode statt. Der von der Anode zum Gate von GDS1 fliessende Strom wird durch CL2 auf einen unbedeutenden Bruchteil des Anoden-Kathoden-Stromes von GDS1 begrenzt. similarly has a potential close to + 280 V. Under these conditions, GDS2 is in the off state and accordingly disconnects connection 222 from potential + V2. The potential of terminal 222 then drops due to the negative voltage -V3 (-250 V) until the gate-anode junction of GDS1 is forward biased. The terminal 222 then remains stable at a potential that is close to, but not greater than, the potential of the anode of GDS1. Accordingly, GDS1 is brought into the on state and there is a current conduction between its anode and cathode. The current flowing from the anode to the gate of GDS1 is limited by CL2 to an insignificant fraction of the anode-cathode current of GDS1.
Wenn GDS2 vor dem Anlegen einer Eingangsspannung zwischen 0 und 0,4 V an den Anschluss 216 im eingeschalteten Zustand gewesen ist, dann fliesst ein positiver Strom von + VI über Dl zum Gate von GDS2. CLl ermöglicht einen grösseren Stromfluss als CL2, um sicherzustellen, dass ein ausreichend grosser positiver Strom zur Verfügung steht, der zum Gate von GDS2 fliesst, um eine Stromleitung zwischen seiner Anode und Kathode zu sperren. Es muss nur ein relativ mässiger positiver Strom zum Gate von GDS2 fliessen, um seine Stromleitung zu sperren, da der über GDS2 fliessende Strom nur 5 |iA beträgt. Es ist demgemäss nicht erforderlich, ein Bauteil hoher Strombelastung vorzusehen, um die Stromlieferung sicherzustellen, die erforderlich ist, damit GDS2 in den Aus-Zustand geht. If GDS2 was in the on state before applying an input voltage between 0 and 0.4 V to terminal 216, then a positive current flows from + VI via D1 to the gate of GDS2. CLI allows a greater current flow than CL2 to ensure that there is sufficient positive current available to flow to the gate of GDS2 to block a power line between its anode and cathode. Only a relatively moderate positive current has to flow to the gate of GDS2 in order to block its power line, since the current flowing through GDS2 is only 5 | iA. Accordingly, it is not necessary to provide a high current load device to ensure the power supply required for GDS2 to go off.
Das Potential am Anschluss 216 wird auf einen Wert zwischen 2 und 5 V erhöht, um GDS1 in den Aus-Zustand umzuschalten. Diese Eingangsspannung schaltet den Transistor Ql ein und lässt ihn in der Sättigung arbeiten. Das Potential am Anschluss 212 wird auf etwa +1,6 V heruntergezogen (wenn man eine Eingangsspannung am Anschluss 216 von 2 V, eine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung VCE (SAT) von 0,3 V für Ql und einen Spannungsabfall über D3 von 0,7 V annimmt). Das Potential am Anschluss 212 ist jetzt eine Funktion der Eingangsspannung, der Sättigungsspannung von Ql und dem Durchlass-Spannungsabfall über D3. Ohne CL3 wird der Anschluss 220 auf ein Potential dicht bei + V2 oder wegen des Leckstroms über Dl auf ein negativeres Potential heruntergezogen. Das Potential am Anschluss 220 kann nicht auf einen Wert abfallen, der um einen Diodenspannungsabfall unter dem Potential an der Anode von GDS2 liegt, da eine pn-Übergangsdi-ode, die die Anode und das Gate von GDS2 umfasst, in Durchlassrichtung vorgespannt wird und das Potential am Anschluss 220 nach oben zieht. Wenn CL3 vorhanden ist, wird der Anschluss 220 schnell und aktiv auf einen Wert gebracht, der dicht bei einem Diodenspannungsabfall unterhalb des Potentials an der Anode von GDS2 liegt. In beiden Fällen wird dabei GDS2 in den Ein-Zustand geschaltet. Dies bringt das Potential am Anschluss 222 auf + V2 abzüglich dem Spannungsabfall an R3 und R2 sowie abzüglich dem Durchlass-Spannungsabfall über der Anoden-Kathoden-Strecke von GDS2. Der Spannungsabfall über R2, R3 und GDS2 ist so gewählt, dass das Potential am Anschluss 222 positiver ist als das an der Anode von GDS1, und zwar um einen Betrag, der ausreicht, den Schalter GDS1 in den Aus-(Sperr-)-Zustand zu schalten. Ausserdem fliesst ein ausreichend grosser positiver Strom in das Gate des Schalters GDS1, um diesen in den Aus-Zustand zu bringen. Nachdem GDS1 ausgeschaltlet ist, hört der in sein Gate fliessende Strom auf. Die Geometrie und die Dotierungskonzentrationen von GDS1 bestimmen exakt, um wieviel grösser das Potential am Gate mit Bezug auf die Anode und Kathode vorhanden sein muss, um GDS1 auszuschalten. The potential at connection 216 is increased to a value between 2 and 5 V in order to switch GDS1 to the off state. This input voltage turns on transistor Q1 and lets it operate in saturation. The potential at terminal 212 is pulled down to about +1.6 V (if you have an input voltage at terminal 216 of 2 V, a collector-emitter saturation voltage VCE (SAT) of 0.3 V for Q1 and a voltage drop across D3 of 0 , 7 V). The potential at terminal 212 is now a function of the input voltage, the saturation voltage of Q1 and the forward voltage drop across D3. Without CL3, the connection 220 is pulled down to a potential close to + V2 or to a more negative potential due to the leakage current via Dl. The potential at terminal 220 cannot drop to a value that is one diode voltage drop below the potential at the anode of GDS2 because a pn junction diode that includes the anode and gate of GDS2 is forward biased and that Potential at terminal 220 pulls up. If CL3 is present, terminal 220 is quickly and actively brought to a value close to a diode voltage drop below the potential at the anode of GDS2. In both cases, GDS2 is switched to the on state. This brings the potential at connection 222 to + V2 minus the voltage drop at R3 and R2 and minus the forward voltage drop across the anode-cathode path of GDS2. The voltage drop across R2, R3 and GDS2 is selected so that the potential at terminal 222 is more positive than that at the anode of GDS1, by an amount sufficient to switch GDS1 to the off (blocking) state to switch. In addition, a sufficiently large positive current flows into the gate of the switch GDS1 in order to bring it into the off state. After GDS1 is switched off, the current flowing into its gate stops. The geometry and the doping concentrations of GDS1 determine exactly how much greater the potential at the gate with respect to the anode and cathode must be in order to switch off GDS1.
Minoritätsladungsträger (beispielsweise Elektronen), die an der Kathode von GDS1 emittiert und vom Gate gesammelt werden, stellen das Äquivalent eines positiven Stromes dar, der von + V2 über R2, R3, GDS2 zum Gate von GDS1 fliesst. Dieser Strom kann merklich sein, und daher ist es erforderlich, ein Minority charge carriers (for example, electrons) that are emitted at the cathode of GDS1 and collected by the gate represent the equivalent of a positive current that flows from + V2 via R2, R3, GDS2 to the gate of GDS1. This current can be noticeable and therefore it is necessary to use a
Bauteil für hohe Spannung und hohen Strom, wie beispielsweise GDS2, einzusetzen, um GDS1 in den Aus-Zustand zu schalten. Ein Transistor für hohe Spannung und hohen Strom wäre für diese Steuerschaltung zu aufwendig. Use a component for high voltage and high current, such as GDS2, to switch GDS1 to the off state. A transistor for high voltage and high current would be too expensive for this control circuit.
R2 und R3 begrenzen den Stromfluss von + V2 über GDS2 zum Gate von GDS1. Ausserdem begrenzt R3 den Stromfluss von Cl. Dadurch wird eine Sicherung gegen ein Durchschlagen von GDS1 und/oder GDS2 erzielt. In vielen Anwendungsfällen der Fernsprechvermittlung arbeitet GDS1 mit nur 48 V zwischen der Anode und Kathode im ausgeschalteten Zustand. Es ist jedoch möglich, dass ± 220 V an der Anode und/oder Kathode aufgrund von Rufströmen, Prüfspannungen, der Kontrolle von Münzapparaten und induzierten 60-Hz-Spannungen auftreten, und demgemäss ist die Steuerschaltung 10 so ausgelegt, dass sie diese hohe Spannungen sperrt. R2 and R3 limit the current flow from + V2 via GDS2 to the gate of GDS1. In addition, R3 limits the current flow from Cl. This ensures that GDS1 and / or GDS2 cannot penetrate. In many telephone exchange applications, GDS1 works with only 48 V between the anode and cathode when switched off. However, it is possible for ± 220 V to occur at the anode and / or cathode due to ringing currents, test voltages, coin control and induced 60 Hz voltages, and accordingly the control circuit 10 is designed to block these high voltages .
Wenn Ql in der Sättigung arbeitet, ist seine Basis-Kollektor-Strecke potentiell in Durchlassrichtung vorgespannt. D3 verhindert einen Stromfluss vom Eingangsanschluss 16 über die Kollektor-Basisstrecke von Q1 und dann über D1. When Ql is working in saturation, its base-collector path is potentially forward biased. D3 prevents current flow from input terminal 16 through the base collector path of Q1 and then through D1.
Die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 2 ist mit Ausnahme von CL3, R2, R3, Cl auf einem einzigen Halbleiterplättchen hergestellt worden, wobei GDS1 und GDS2 von der in Fig. 1 gezeigten Art sind. Die fertige Schaltungsanordnung ermöglicht eine Sperrung von 500 V zwischen der Anode und Kathode von GDS1 und die Unterbrechung eines Stromflusses von 100 mA. Dies ist ein wesentlich höherer Strom als er von den Bauteilen der Spannungssteuerschaltung verarbeitet werden könnte, die wirtschaftlich einsetzbar und in integraler Form herstellbar sind. Die Werte von Rl und R3 betragen 1000 bzw. 3000 Ohm, wobei Cl und R2 nicht verwendet werden und R3 direkt mit + V2 verbunden ist. The circuit arrangement according to FIG. 2 has been produced with the exception of CL3, R2, R3, Cl on a single semiconductor die, GDS1 and GDS2 being of the type shown in FIG. 1. The finished circuit arrangement enables a blocking of 500 V between the anode and cathode of GDS1 and the interruption of a current flow of 100 mA. This is a much higher current than it could be processed by the components of the voltage control circuit, which can be used economically and can be produced in an integral form. The values of Rl and R3 are 1000 and 3000 ohms respectively, whereby Cl and R2 are not used and R3 is directly connected to + V2.
Bei Verwendung von Cl und R2 wird die zum Umschalten von GDS1 aus dem Ein- in den Aus-Zustand erforderliche Zeit verringert. Ein bevorzugter Wert für Cl ist 0,1 p.F mit Rl = 1000 Ohm, R2 = 2x 105 Ohm und R3 = 3000 Ohm. When using Cl and R2, the time required to switch GDS1 from on to off is reduced. A preferred value for Cl is 0.1 p.F with R1 = 1000 ohms, R2 = 2x 105 ohms and R3 = 3000 ohms.
In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung 310 dargestellt, die mit einem gesteuerten Diodenschalter GDS31 verbunden ist, der einen Anoden-, Kathoden- und Gate-Anschluss aufweist. Die Schaltungsanordnung 310 entspricht der Schaltungsanordnung 210 gemäss Fig. 2 mit der Ausnahme, dass die Dioden Dl und D3 weggleassen sind und eine Stromspiegel-Schaltungsanordnung mit pnp-Transistoren Q2 und Q3 benutzt wird. Q2 und Q3 sind Schaltbauteile, bei denen die Basis-Anschlüsse als Steu-er-Anschlüsse und die Kollektor- und Emitter-Anschlüsse als erste bzw. zweite Ausgangsanschlüsse aufgefasst werden können. FIG. 3 shows a circuit arrangement 310 which is connected to a controlled diode switch GDS31, which has an anode, cathode and gate connection. The circuit arrangement 310 corresponds to the circuit arrangement 210 according to FIG. 2, with the exception that the diodes D1 and D3 are omitted and a current mirror circuit arrangement with pnp transistors Q2 and Q3 is used. Q2 and Q3 are switching components in which the base connections can be regarded as control connections and the collector and emitter connections as first and second output connections.
Der Emitter von Q2 und Q3 ist zusammen mit dem Anschluss 314 und der Stromversorgungsquelle + V30 verbunden. Die Basis-Anschlüsse von Q2 und Q3 liegen zusammen am Kollektor von Q2 und einem ersten Anschluss con CL31 sowie einem Anschluss 330. Der Kollektor von Q3 ist mit dem Gate von GDS31, einem ersten Anschluss von CL33 und einem Anschluss 320 verbunden. Alle anderen Bauteile und ihre Verbindungen entsprechen im wesentlichen denen in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2. The emitter of Q2 and Q3 is connected together with terminal 314 and the power supply source + V30. The base connections of Q2 and Q3 are connected to the collector of Q2 and a first connection with CL31 and a connection 330. The collector of Q3 is connected to the gate of GDS31, a first connection of CL33 and a connection 320. All other components and their connections essentially correspond to those in the circuit arrangement according to FIG. 2.
Die Kombination der Bauteile D32, Q31, R31, Q2, Q3, CL31 und CL33, die im strichpunktierten Rechteck B dargestellt sind, wird als Spannungssteuer-Abzweigschaltung bezeichnet und kann das Potential am Anschluss 320 so einstellen, dass der Zustand von GDS32 gesteuert wird. The combination of components D32, Q31, R31, Q2, Q3, CL31 and CL33, which are shown in the dash-dotted rectangle B, is referred to as a voltage control branch circuit and can set the potential at connection 320 so that the state of GDS32 is controlled.
Bei genügend hoher Spannung (typisch + 2 bis 5 V) am Anschluss 316 wird der Transistor Q31 eingeschaltet, und es fliesst ein Strom von der Versorgungsquelle + V31 über Q2, CL31, Q3Ì, R31 zur Stromversorgungsquelle VSS0. Die Transistoren Q2 und Q3 sind im wesentlichen identisch. Es ist bekannt, dass die dargestellte Schaltung von Q2 und Q3 bewirkt, dass im wesentlichen der gleiche Strom über Q2 wie über Q3 fliesst. Wenn Q31 eingeschaltet ist, so entspricht das Potential am Anschluss 320 der Spannung von +V31 abzüglich der Kollektor-Emitter- If the voltage at connection 316 is sufficiently high (typically + 2 to 5 V), transistor Q31 is switched on, and a current flows from the supply source + V31 via Q2, CL31, Q3Ì, R31 to the power supply source VSS0. Transistors Q2 and Q3 are essentially identical. It is known that the illustrated circuit of Q2 and Q3 causes essentially the same current to flow across Q2 as through Q3. If Q31 is switched on, the potential at connection 320 corresponds to the voltage of + V31 minus the collector-emitter
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Spannung VCE von Q3. Bei kleinem Eingangssignal (0 bis 0,4 V) am Anschluss 316 ist Q31 ausgeschaltet, und es fliesst kein Strom über Q31 und Q2. Demgemäss fliesst auch kein Strom über Q3. Der Anschluss 320 wird dann in Richtung auf das Potential von etwa -V34 gezogen, bis der Anoden-Gate-Ûbêrgang von GDS32 in Durchlassrichtung vorgespannt ist und bewirkt, dass der Anschluss 320 einen Potentialwert annimmt, der nahe von + V32 liegt, aber etwas weniger positiv ist. Voltage VCE of Q3. With a small input signal (0 to 0.4 V) at connection 316, Q31 is switched off and no current flows via Q31 and Q2. Accordingly, no current flows through Q3. Terminal 320 is then pulled towards the potential of about -V34 until the anode gate transition of GDS32 is forward biased, causing terminal 320 to assume a potential value that is close to + V32 but slightly less is positive.
Das Potential von + V31 ist so gewählt, dass es positiver als + V32 ist, und das Potential von -V34 ist so gewählt, dass es negativer als + V32 ist. Die Arbeitsweise von GDS32 zur Steuerung des Zustandes von GDS31 ist im wesentlichen die gleiche wie für GDS32 in Fig. 2 beschrieben. Die Verwendung der gleichen Potentiale für die Stromversorgungsquellen in Fig. 3 wie für die entsprechenden Strom Versorgungsquellen in Fig. 1 führt zu einer Schaltung, die die Steuerung des Zustandes von GDS31 mit einer Spannung von ± 220 V an der Anode und/oder Kathode erleichtert. Die Veränderung des Potentials am Anschluss 320 bewirkt, dass GDS32 auf ähnliche Weise wie der entsprechende Schalter GDS2 in Fig. 1 arbeitet. Demgemäss wird der Zustand von GDS31 auf die gleiche Weise wie der Zustand des entsprechenden Schalters GDS1 in Fig. 2 gesteuert, allerdings mit einem Eingangssignal entgegengesetzter Polarität. The potential of + V31 is chosen to be more positive than + V32, and the potential of -V34 is chosen to be more negative than + V32. The operation of GDS32 to control the state of GDS31 is essentially the same as that described for GDS32 in FIG. 2. The use of the same potentials for the power supply sources in FIG. 3 as for the corresponding power supply sources in FIG. 1 leads to a circuit which facilitates the control of the state of GDS31 with a voltage of ± 220 V at the anode and / or cathode. The change in the potential at terminal 320 causes GDS32 to operate in a similar manner to the corresponding switch GDS2 in FIG. 1. Accordingly, the state of GDS31 is controlled in the same way as the state of the corresponding switch GDS1 in Fig. 2, but with an input signal of opposite polarity.
Die komplementären Transistoren Q31 und Q2 oder Q3 können auf dem gleichen integrierten Schaltungsplättchen wie GDS32 unter Verwendung dielektrischer Isolieranordnungen hergestellt werden. Complementary transistors Q31 and Q2 or Q3 can be fabricated on the same integrated circuit die as GDS32 using dielectric isolation devices.
In Fig. 4 ist ein doppelt gerichteter Schalter mit gesteuerten Diodenschaltern GDS3 und GDS4 gezeigt, wobei die Anode von GDS3 mit der Kathode von GDS4, die Kathode von GDS3 mit der Anode von GDS4 und die Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Ein Vorteil des gesteuerten Diodenschalters nach Fig. 1 besteht darin, dass zwei dieser Schalter auf die gezeigte Weise antiparallel geschaltet werden können und trotzdem hohe Spannungen ohne Lawinendurchbruch aushalten. Die Gate-Anschlüsse von GDS3 und GDS4 können mit dem Anschluss 222 der Schaltungsanordnung 10 in Fig. 2 oder dem Anschluss 322 in Fig. 3 zur Steuerung auf die beschriebene Weise verbunden werden. Das heisst, der Zustand von GDS3 und GDS4 kann auf die gleiche Weise wie der Zustand von GDS1 in Fig. 2 und GDS31 in Fig. 3 gesteuert werden. 4 shows a bidirectional switch with controlled diode switches GDS3 and GDS4, the anode of GDS3 being connected to the cathode of GDS4, the cathode of GDS3 being connected to the anode of GDS4 and the gate connections being connected to one another. An advantage of the controlled diode switch according to FIG. 1 is that two of these switches can be connected antiparallel in the manner shown and still withstand high voltages without an avalanche breakdown. The gate connections of GDS3 and GDS4 can be connected to connection 222 of circuit arrangement 10 in FIG. 2 or connection 322 in FIG. 3 for control in the manner described. That is, the state of GDS3 and GDS4 can be controlled in the same way as the state of GDS1 in FIG. 2 and GDS31 in FIG. 3.
Verschiedene Abänderungen sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise können zahlreiche andere Schaltungsanordnungen für die dargestellten Schaltungen, die mit dem Gate von GDS2 und GDS32 in Fig. 2 bzw. 3 verbunden sind, eingesetzt werden, um die zur Steuerung ihres Zustandes erforderlichen Spannungswerte und Stromstärken zu liefern. Ausserdem können die npn-Transistoren durch pnp-Transistoren ersetzt werden, wenn die Polarität der Stromversorgungsquellen in bekannter Weise entsprechend abgeändert werden. Weiterhin können Rl und R31 sogenannte Pitch-Widerstände (durch Abschnürbereiche hergestellte Widerstände) sein. Die Emitter von Ql und Q31 können direkt mit VSS bzw. VSS0 verbunden sein. In diesem Fall wird ein Strombegrenzer, typisch ein Widerstand, in Reihe mit dem entsprechenden Eingangsanschluss 216 bzw. 316 geschaltet. Various modifications are possible within the scope of the invention. For example, numerous other circuit arrangements for the circuits shown that are connected to the gate of GDS2 and GDS32 in FIGS. 2 and 3 can be used to provide the voltage values and currents required to control their state. In addition, the NPN transistors can be replaced by PNP transistors if the polarity of the power supply sources is changed accordingly in a known manner. Furthermore, R1 and R31 can be so-called pitch resistors (resistors produced by pinch-off areas). The emitters of Q1 and Q31 can be connected directly to VSS and VSS0, respectively. In this case, a current limiter, typically a resistor, is connected in series with the corresponding input connection 216 or 316.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Schaltungsanordnung 510 gezeigt, die mit dem Gate-Anschluss 528 eines gesteuerten Diodenschalters GDS51 verbunden ist. Die Steuerschaltung 510 steuert den Zustand von GDS51 und weist Transistoren Q51, Q52, Dioden D51, D52, einen gesteuerten Diodenschalter GDS52, Strombegrenzer CL51, CL52 und Widerstände R51, R52 auf. Die Bauteile innerhalb des strichpunktierten Rechtecks 5A dienen zur Steuerung der Anoden-Kathoden-Spannung von GDS52. R52 ist als Option vorgesehen und kann weggelassen werden. 5 shows a further exemplary embodiment of the invention with a circuit arrangement 510 which is connected to the gate connection 528 of a controlled diode switch GDS51. The control circuit 510 controls the state of GDS51 and has transistors Q51, Q52, diodes D51, D52, a controlled diode switch GDS52, current limiters CL51, CL52 and resistors R51, R52. The components within the dash-dotted rectangle 5A are used to control the anode-cathode voltage of GDS52. R52 is provided as an option and can be omitted.
Nimmt man an, dass die Anode und Kathode von GDS51 an +220 V bzw. -220 V liegt, so findet eine Stromleitung zwischen der Anode und Kathode statt, wenn das Gate von GDS51 (Anschluss 528) weniger positiv als + 220 V ist. Die Stromleitung wird unterbrochen, indem das Potential am Gate (Anschluss 528) auf oberhalb + 220 V erhöht und ein Strom in das Gate (Anschluss 528) von GDS51 eingeführt wird. Mit + V51 = +250 V, VSS = 0 V, -V52 = -250 V und einer Strombegrenzung durch die Begrenzer CL51 und CL52 auf 50 bzw. 5 |xA kann die Schaltungsanordnung 510 die Potentiale am Anschluss 528 und den Strom bereitstellen, die zur Steuerung des Zustandes von GDS51 erforderlich sind. Assuming that the anode and cathode of GDS51 is at +220 V or -220 V, there is a current conduction between the anode and cathode if the gate of GDS51 (connection 528) is less positive than + 220 V. The power line is interrupted by increasing the potential at the gate (connection 528) to above + 220 V and introducing a current into the gate (connection 528) of GDS51. With + V51 = +250 V, VSS = 0 V, -V52 = -250 V and a current limitation by the limiters CL51 and CL52 to 50 or 5 | xA, the circuit arrangement 510 can provide the potentials at the connection 528 and the current that to control the state of GDS51 are required.
Wenn ein Stromfluss über GDS51 zugelassen werden soll, wird ein Eingangssignal von 0 bis 0,4 V an den Anschluss 516 angelegt. Dadurch wird Q51 ausgeschaltet, und der Anschluss 518 nimmt das Potential von etwa + V51 an. Dadurch wird Q52 ausgeschaltet, so dass die Verbindung zwischen + V21 und dem Anschluss 526 (Anode von GDS52) im wesentlichen unterbrochen ist. Der Schalter GDS52 ist dann im Aus-Zustand, da kein Strom zwischen seiner Anode und Kathode fliessen kann. Bei ausgeschaltetem GDS52 ist der Anschluss 528 von +V51 isoliert und läuft in Richtung auf das negative Potential von -V52 (-250 V), bis der Gate-Anodenübergang von GDS51 in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Der Anschluss 528 geht dann auf ein Potential, das unterhalb des, aber dicht bei dem Potential an der Anoden von GDS51 ist. Dementsprechend wird GDS51 eingeschaltet, und es fliesst ein Strom zwischen der Anode und Kathode. Der Strom von der Anode zum Gate von GDS51 wird durch CL52 begrenzt. If current flow through GDS51 is to be permitted, an input signal of 0 to 0.4 V is applied to connection 516. This turns Q51 off and terminal 518 takes the potential of approximately + V51. This switches Q52 off, so that the connection between + V21 and connection 526 (anode of GDS52) is essentially interrupted. The switch GDS52 is then in the off state since no current can flow between its anode and cathode. When GDS52 is switched off, connection 528 is isolated from + V51 and runs in the direction of the negative potential of -V52 (-250 V) until the gate-anode junction of GDS51 is biased in the forward direction. Terminal 528 then goes to a potential that is below, but close to, the potential at the anode of GDS51. Accordingly, GDS51 is turned on and a current flows between the anode and cathode. The current from the anode to the gate of GDS51 is limited by CL52.
Das Potential am Anschluss 515 wird jetzt impulsförmig auf 3 bis 5 V gebracht. Dies bewirkt, wie sich noch ergeben wird, dass GDS51 in den Aus-(Sperr)-Zustand umgeschaltet wird. Q51 ist eingeschaltet und arbeitet in der Sättigung. Dadurch werden D51 und der Emitter-Basisübergang von Q52 in Durchlassrichtung vorgespannt. Der Transistor Q52 ist demgemäss eingeschaltet, und es fliesst ein Strom von + V51 über die Emitter-Kollektorstrecke von Q52, die Anoden-Kathoden-Strecke von GDS52 sowie CL52 nach -V52. Die Kollektor-Emitter-Spannung (VCE) von Q52 im eingeschalteten und leitenden Zustand ist so gewählt, dass sie kleiner ist als der Durchlass-Span-nungsabfall über der Diode D52. Dadurch wird sichergestellt, dass das Potential der Anode (Anschluss 526) positiver ist als das am Gate (Anschluss 524), so dass GDS52 im eingeschalteten Zustand verbleibt. Wenn GDS52 eingeschaltet ist, nimmt der Anschluss 528 ein Potential dicht bei + V51 an. Dieses Potential ist ausreichend positiver als das an der Anode von GDS51, um GDS51 in den Aus-Zustand zu schalten. The potential at connection 515 is now brought to 3 to 5 V in pulses. As will be seen, this causes the GDS51 to be switched to the off (lock) state. Q51 is switched on and works in saturation. This biases D51 and the Q52 emitter base junction in the forward direction. The transistor Q52 is accordingly switched on and a current of + V51 flows over the emitter-collector path from Q52, the anode-cathode path from GDS52 and CL52 to -V52. The collector-emitter voltage (VCE) of Q52 in the switched on and conductive state is selected so that it is smaller than the forward voltage drop across the diode D52. This ensures that the potential of the anode (connection 526) is more positive than that at the gate (connection 524), so that GDS52 remains switched on. When GDS52 is switched on, connection 528 assumes a potential close to + V51. This potential is sufficiently positive than that at the anode of GDS51 to switch GDS51 to the off state.
Die Geometrie und Dotierungskonzentration von GDS51 bestimmen genau, um wieviel positiver das Potential am Gate mit Bezug auf die Anode sein muss, um GDS51 auszuschalten. The geometry and doping concentration of GDS51 exactly determine how much more positive the potential at the gate with respect to the anode must be in order to switch GDS51 off.
Um GDS51 in den Aus-Zustand zu schalten, muss nicht nur die erforderliche Spannung an das Gate von GDS51 angelegt werden, sondern ausserdem ein Strom in das Gate von GDS51 geführt werden, dessen Wert mit dem des Stromes vergleichbar ist, der über die Anode und Kathode von GDS51 fliesst. Der grösste Teil des Stromes, der in das Gate von GDS51 fliesst, stammt von + V51 und fliesst über D52 und dann über das Gate und die Kathode von GDS52. Der Rest fliesst aus + V51 über die Kollektor-Emitter-Strecke von Q52 und dann die An-oden-Kathoden-Strecke von GDS52. Dieser Strom kann beträchtlich sein, so dass es erforderlich ist, ein Bauteil für hohe Spannung und hohen Strom, beispielsweise GDS52, einzusetzen, um GDS51 in den Aus-Zustand zu schalten. In order to switch the GDS51 to the off state, not only must the required voltage be applied to the gate of GDS51, but also a current must be fed into the gate of GDS51, the value of which is comparable to that of the current that flows through the anode and GDS51 cathode flows. Most of the current that flows into the gate of GDS51 comes from + V51 and flows through D52 and then through the gate and cathode of GDS52. The rest flows from + V51 over the collector-emitter section of Q52 and then the anode-cathode section of GDS52. This current can be substantial, so it is necessary to use a high voltage, high current device such as GDS52 to turn GDS51 off.
Die Stromverstärkung des Transistors Q52 dient zur Begrenzung des Stromes, der von GDS52 aus in das Gate von GDS51 fliesst. Dadurch wird eine Sicherung gegen Durchbrennen von GDS51 und/oder GDS52 erzielt. Bei vielen Anwendungsfällen in Verbindung mit der Fernsprechvermittlung wird GDS51 mit einer Spannung von nur 48 V im ausgeschalteten Zustand zwischen seiner Anode und Kathode betrieben. Es besteht jedoch The current gain of transistor Q52 is used to limit the current flowing from GDS52 into the gate of GDS51. This ensures that GDS51 and / or GDS52 will not burn out. In many applications in connection with the telephone exchange, GDS51 is operated with a voltage of only 48 V when switched off between its anode and cathode. However, it does exist
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die Möglichkeit, dass eine Spannung von ± 220 V an der Anode und/oder Kathode aufgrund von Rufspannungen und induzierten 60-Hz-Spannungen auftritt, so dass die Schaltungsanordnung 510 so ausgelelgt ist, dass sie diese hohen Spannungen sperrt. the possibility that a voltage of ± 220 V occurs at the anode and / or cathode due to call voltages and induced 60 Hz voltages, so that the circuit arrangement 510 is designed to block these high voltages.
In Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung 610 dargestellt, die mit dem Gate-Anschluss eines gesteuerten Diodenschalters GDS61 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 610 ist der Schaltungsanordnung 510 in Fig. 5 ähnlich mit der Ausnahme, dass die npn-Transistoren Q63, Q64 und die pn-Dioden D63, D64 hinzugefügt worden sind. 6 shows a circuit arrangement 610 which is connected to the gate connection of a controlled diode switch GDS61. Circuitry 610 is similar to circuitry 510 in FIG. 5 except that npn transistors Q63, Q64 and pn diodes D63, D64 have been added.
Q63 und Q64 bilden eine Darlington-Schaltung, wobei ihre Kollektoren zusammen an einem Anschluss 620 liegen und der Emitter von Q63 mit der Basis von Q64 sowie einem Anschluss 634 verbunden ist. Der Kollektor von Q62 ist ebenfalls mit dem Anschluss 620 verbunden. Der Emitter von Q64 liegt an der Anode von GDS62 und an einem Anschluss 626. Die Dioden D62, D63 und D64 sind in Reihe zwischen Anschlüsse 620 und 624 gelegt, wobei die Anode von D62 mit dem Anschluss 620 und die Kathode von D64 mit dem Anschluss 624 verbunden ist. Die Bauteile Q61, CL61, D61, Q62, Q63, Q64, D62, D63, D64, R61, R62 dienen als Steuerschaltung (dargestellt im strichpunktierten Rechteck 6A), die das Potential an der Anode von GDS62 mit Bezug auf seine Kathode steuert. R62 stellt eine Option dar und kann weggelassen werden. Q63 and Q64 form a Darlington circuit, with their collectors connected together at a connection 620 and the emitter of Q63 connected to the base of Q64 and a connection 634. The Q62 collector is also connected to terminal 620. The emitter of Q64 is connected to the anode of GDS62 and to a connection 626. The diodes D62, D63 and D64 are connected in series between connections 620 and 624, the anode of D62 with connection 620 and the cathode of D64 with the connection 624 is connected. The components Q61, CL61, D61, Q62, Q63, Q64, D62, D63, D64, R61, R62 serve as a control circuit (shown in dash-dotted rectangle 6A), which controls the potential at the anode of GDS62 with reference to its cathode. R62 is an option and can be omitted.
Bei bestimmten Halbleiter-Technologien ist es schwierig, einen pnp-Transistor mit hoher Stromverstärkung zu verwirklichen. Die Kombination Q62, Q63 und Q64 wirkt im wesentlichen als Äquivalent eines pnp-Transistors mit verhältnismässig 5 hoher Stromverstärkung. Demgemäss erfüllen Q62, Q63 und Q64 im wesentlichen die gleiche Funktion wie Q52 in Fig. 5. D63 und D64 kompensieren die zusätzlichen Emitter-Basis-Spannungsabfälle von Q63 und Q64. Wenn Q62, Q63 und Q64 eingeschaltet sind, ist die Spannung am Gate GDS62 (Anschluss io 624) weniger positiv als an der Anode von GDS62 (Anschluss 626). Dadurch wird sichergestellt, dass GDS62 im eingeschalteten Zustand ist. Certain semiconductor technologies make it difficult to implement a high current gain pnp transistor. The combination Q62, Q63 and Q64 essentially acts as the equivalent of a pnp transistor with a relatively high current gain. Accordingly, Q62, Q63 and Q64 perform essentially the same function as Q52 in Fig. 5. D63 and D64 compensate for the additional emitter-base voltage drops from Q63 and Q64. When Q62, Q63 and Q64 are on, the voltage at gate GDS62 (connection io 624) is less positive than at the anode of GDS62 (connection 626). This ensures that GDS62 is on.
Die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 6 ohne R62 ist aufgebaut und geprüft worden. Die Schaltungsanordnung 610 ermöglicht die Sperrung einer Spannung von 500 V zwischen der Anode und Kathode von GDS61 und die Unterbrechung eines fliessenden Stromes von 100 mA. The circuit arrangement according to FIG. 6 without R62 has been set up and tested. The circuit arrangement 610 enables a voltage of 500 V to be blocked between the anode and cathode of GDS61 and the interruption of a flowing current of 100 mA.
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen lediglich 20 die allgemeinen Prinzipien der Erfindung erläutern. Zahlreiche Abänderungen sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise können andere Schaltbauteile, beispielsweise MOS-Transistoren anstelle der bipolaren Transistoren eingesetzt werden, wenn in bekannter Weise geeignete Spannungswerte und 25 Polaritäten eingestellt werden. The exemplary embodiments described here are only intended to explain the general principles of the invention. Numerous changes are possible within the scope of the invention. For example, other switching components, for example MOS transistors, can be used instead of the bipolar transistors if suitable voltage values and 25 polarities are set in a known manner.
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3 Blätter Zeichnungen 3 sheets of drawings
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