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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Umschaltvorrichtung,
die zum Betreiben einer Schaltung in einem ersten Zustand eine erste
Spannung und in einem zweiten Zustand eine zweite Spannung zur Verfügung stellt.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer
derartigen Schaltungsanordnung.
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In
Schaltungsanordnungen, die mit CMOS-Technologien aufgebaut sind,
spielen unerwünschte
Leckströme
eine immer größere und
oft nicht mehr zu vernachlässigende
Rolle. Speziell für batteriebetriebene
Geräte
aller Art werden oft sehr geringe Standby-Ströme gefordert, die bei komplexeren
Digitalschaltungen alleine wegen der Leckströme nicht eingehalten werden
können.
Eine sehr wirkungsvolle Maßnahme
um den Leckstrom zu reduzieren besteht darin, die Betriebsspannung
im Standby-Betrieb
abzusenken. Da im Standby-Betrieb kein Takt mehr anliegt, sind damit
verbundene Leistungsverluste nicht relevant. Die reduzierte Spannung muss
nur groß genug
sein, damit alle Registerinhalte erhalten bleiben.
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Eine
einfache Methode zur Spannungsreduzierung besteht darin, eine Diode
zwischen den Versorgungsanschluss der zu betreibenden Schaltung und
dem Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung zu schalten.
Bei einer positiven Versorgungsspannung VDD kann die Spannung um
die Diodeneinsatzspannung VTH abgesenkt werden, bei einer negativen
Versorgungsspannung VSS kann diese um die Diodeneinsatzspannung
VTH angehoben werden. Im folgenden wird aus Gründen der Übersicht lichkeit nur der Fall
einer positiven Versorgungsspannung VDD betrachtet, da ein Fachmann die
Ausführungen
auch auf Schaltungsanordnungen mit negativen Versorgungsspannungen
anzuwenden weiß.
Für den
Normalbetrieb mit der vollen Versorgungsspannung wird die Diode
durch einen Schalter, zum Beispiel einen PMOS-Transistor, überbrückt.
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Beim
Schließen
des Schalters treten zwei unerwünschte
Effekte auf. Sowohl an dem Versorgungsspannungsanschluss als auch
dem Versorgungsanschluss mit der abgesenkten Spannung sind Kapazitäten vorhanden,
die auf die jeweilige Spannung aufgeladen sind. Beim Überbrücken der
Diode durch den Schalter kommt es zu einem Spannungseinbruch der
Versorgungsspannung, da die Kapazität an der abgesenkten Spannung
um VTH auf VDD aufgeladen werden muss. Dieser Spannungseinbruch ist
für bestimmte
Schaltungskomponenten nicht tolerierbar. Weiter führt das
Aufladen der Kapazität
an der abgesenkten Spannung kurzfristig zu einer unerwünschten
hohen Stromaufnahme, die durch die Chipstromversorgung bereitgestellt
werden muss.
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Eine
Verbesserung besteht darin, das Gate des PMOS-Schalttransistors über eine Kapazität mit der
Versorgungsspannung VDD zu verbinden. Der Gate-Anschluss wird anschließend mit
einer Stromquelle verbunden, durch die die Gate-Spannung beim Einschalten verlangsamt
nach unten gezogen wird, sodass der PMOS-Schalttransistor nicht schlagartig
leitend geschaltet wird. Auf diese Weise ist es möglich, den
Spannungseinbruch an der Versorgungsspannung VDD zu eliminieren.
Nachteilig ist jedoch, dass der Strom zum Laden der Kapazität an der
abgesenkten Spannung wegen der Nichtlinearität des Schalttransistors nicht
konstant ist und außerdem
Prozess- sowie Temperaturschwankungen unterliegt.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein
Verfahren anzugeben, bei denen es nicht zu einem gravierenden Spannungseinbruch
der Versorgungsspannung VDD kommt, bei denen der Ladestrom zum Laden
der Kapazität
an der abgesenkten Spannung geregelt ist und eine unerwünscht hohe
Stromaufnahme über
die Chipstromversorgung vermieden wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schaltungsanordnung mit einer Umschaltvorrichtung, die zum Betreiben
einer Schaltung in einem ersten Zustand eine erste Spannung und
in einem zweiten Zustand eine zweite Spannung zur Verfügung stellt,
gelöst,
wobei die Umschaltvorrichtung derart ausgebildet ist, dass beim
Umschalten von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand die zur Verfügung gestellte
Spannung zum Betreiben der Schaltung sich linear mit der Zeit von
der ersten Spannung auf die zweite Spannung ändert.
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Dadurch,
dass sich die Spannung zum Betreiben der Schaltung linear mit der
Zeit von der ersten Spannung auf die zweite Spannung ändert, ist der
Strom zum Laden der Kapazität
an der abgesenkten Spannung zeitlich konstant. Die abgesenkte Spannung ändert sich
mit konstantem dU/dt bis sie die Versorgungsspannung erreicht. Der
Ladestrom ergibt sich aus CS·dU/dt,
wobei CS die gesamte Kapazität
der Schaltung darstellt. Da dU/dt konstant ist, ist auch der Ladestrom
zeitlich konstant, so dass es weder zu einem Spannungseinbruch,
noch zu einem unerwünscht
hohen Ladestrom kommt.
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In
einer Weiterbildung umfasst die Umschaltvorrichtung einen ersten
steuerbaren Schalter und einen dazu parallel geschalteten zweiten
steuerbaren Schalter, wobei die steuerbaren Schalter jeweils einen
Steuereingang, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss
aufweisen, wobei der jeweils ers te Anschluss mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss
der Schaltungsanordnung und der jeweils zweite Anschluss mit einem
ersten Versorgungsanschluss der zu betreibenden Schaltung verbunden
ist.
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Über den
ersten und den zweiten steuerbaren Schalter wird die Schaltung mit
dem Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung verbunden.
Die steuerbaren Schalter können dabei
voneinander abweichende Durchlasseigenschaften aufweisen, sodass
je nachdem, über
welchen steuerbaren Schalter die Schaltung mit Strom versorgt wird,
unterschiedliche Spannungen am Versorgungsanschluss der zu betreibenden
Schaltung anliegen.
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In
einer Weiterbildung sind der erste steuerbare Schalter und der zweite
steuerbare Schalter Transistoren.
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In
einer Weiterbildung ist der Steuereingang des ersten steuerbaren
Schalters über
einen vierten Schalter mit dem ersten Versorgungsanschluss der zu
betreibenden Schaltung verbindbar.
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Da
der erste Versorgungsanschluss der zu betreibenden Schaltung mit
dem zweiten Anschluss des ersten steuerbaren Schalters, welcher
als Transistor realisiert ist, verbunden ist, lässt sich dieser durch das Schließen des
vierten Schalters wahlweise als Diode betreiben. Der Spannungsabfall
zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des ersten
Transistors ist dann durch die Diodeneinsatzspannung gegeben, so
dass der erste Transistor zur Spannungsabsenkung eingesetzt werden
kann.
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In
einer Weiterbildung umfasst die Umschaltvorrichtung eine Regelschaltung
zum Ansteuern des ersten steuerbaren Schalters.
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Mit
Hilfe der Regelschaltung wird der erste steuerbare Schalter bei
geöffnetem
vierten Schalter so angesteuert, dass sich die Spannung von dem ersten
Versorgungsanschluss der zu betreibenden Schaltung linear mit der
Zeit von der erste Spannung auf die zweite Spannung ändert. Der
zweite steuerbare Schalter muss dabei sperrend geschaltet sein, damit
der erste steuerbare Schalter nicht durch diesen überbrückt wird
und so keine Regelung möglich wäre.
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In
einer Weiterbildung umfasst die Regelschaltung einen Operationsverstärker mit
einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, wobei
der Ausgang mit dem Steuereingang des ersten steuerbaren Schalters
verbunden ist, einen Kondensator, der zwischen dem ersten Eingang des
Operationsverstärkers
und dem ersten Versorgungsanschluss der zu betreibenden Schaltung
angeschlossen ist, eine Stromquelle, die mit dem ersten Eingang
des Operationsverstärkers
und einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung
verbunden ist, und eine Referenzspannung, die mit dem zweiten Eingang
des Operationsverstärkers
verbunden ist.
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Der
Operationsverstärker
regelt seinen Ausgang so, dass die Spannung an seinem ersten Eingang
gleich der Spannung an dem zweiten Eingang, das heißt gleich
der Referenzspannung, ist, Da kein Strom in die Eingänge des
Operationsverstärkers fließt, muss
der durch die Stromquelle fließende Strom
durch den Kondensator der Regelschaltung fließen. Dieser Stromfluss ist
jedoch über
die Grundgleichung des Kondensators I = C·dU/dt mit einer zeitlich
linearen Spannungserhöhung
an dem Kondensator verbunden. Da der Kondensator der Regelschaltung
mit einem seiner Anschlüsse
mit dem ersten Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist und somit
auf dem Referenzpotenzial liegt, und mit dem anderen Anschluss mit
dem ersten Versorgungsanschluss der zu betreibenden Schaltung verbunden
ist, ändert
sich die Spannung zum Betreiben der Schaltung linear mit der Zeit.
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In
eine Weiterbildung ist der Operationsverstärker über einen ersten Schalter mit
dem ersten Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung
verbindbar.
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Über den
ersten Schalter kann der Operationsverstärker mit Spannung versorgt
werden. Im Standby-Betrieb ist es vorteilhaft, wenn der Operationsverstärker, der
dann nicht zum Regeln benötigt wird,
vom Versorgungspotenzial getrennt und deaktiviert wird, um den Stromverbrauch
zu reduzieren.
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In
einer Weiterbildung sind der erste Eingang und der zweite Eingang
des Operationsverstärkers über einen
dritten Schalter verbindbar.
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Über den
dritten Schalter können
der erste Eingang und der zweite Eingang des Operationsverstärkers miteinander
verbunden werden, sodass die Anfangsbedingungen für die Regelschaltung
vorgegeben werden können.
Ist der dritte Schalter geöffnet,
so kann der Operationsverstärker
zum Regeln eingesetzt werden.
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In
einer Weiterbildung umfasst die Umschaltvorrichtung eine Spannungsüberwachungseinheit zum
Ansteuern des zweiten steuerbaren Schalters, wobei die Spannungsüberwachungseinheit
ei nen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist.
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Mit
Hilfe der Spannungsüberwachungseinheit
lässt sich
feststellen, ob in der Umschaltvorrichtung ein vorgegebener Spannungswert überschritten wird.
Der zweite steuerbare Schalter kann dann abhängig davon angesteuert werden.
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In
einer Weiterbildung ist der erste Eingang der Spannungsüberwachungseinheit
mit dem Steuereingang des ersten steuerbaren Schalters verbunden,
der zweite Eingang der Spannungsüberwachungseinheit
mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung
verbunden und der Ausgang der Spannungsüberwachungseinheit mit dem
Steuereingang des zweiten steuerbaren Schalters verbunden.
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Über die
Spannungsüberwachungseinheit wird
die Spannung am Steuereingang des ersten steuerbaren Schalters mit
der am zweiten Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung
verglichen. Ist der Ladevorgang der Kapazität der Schaltung fast abgeschlossen,
so ist der erste steuerbare Schalter fast ganz durchgesteuert, und die
an seinem Steuereingang anliegende Spannung ist gering. Dies wird
in der Spannungsüberwachungseinheit
detektiert und anschließend
der zweite steuerbare Schalter über
die Spannungsüberwachungseinheit
so angesteuert, dass er den ersten steuerbaren Schalter überbrückt. Der
zweite steuerbare Schalter weist dabei einen geringeren Durchlasswiderstand
auf als der erste steuerbare Schalter, sodass insbesondere für den Normalbetrieb
die Schaltung über
den zweiten steuerbaren Schalter versorgt wird.
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In
einer Weiterbildung ist die Spannungsüberwachungseinheit über einen
zweiten Schalter mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung
verbindbar.
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Die
Spannungsüberwachungseinheit
kann genauso wie der Operationsverstärker über einen Schalter aktiviert
bzw. deaktiviert werden. Im Standby-Betrieb ist der zweite Schalter
geöffnet,
sodass die Spannungsüberwachungseinheit
deaktiviert ist und die Schaltungsanordnung weniger Strom verbraucht.
Im Normalbetrieb wird über
die Spannungsüberwachungseinheit
der zweite steuerbare Schalter angesteuert, sodass der zweite Schalter
geschlossen sein muss, um die Spannungsüberwachungseinheit mit Strom
zu versorgen.
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In
einer Weiterbildung ist der Steuereingang des zweiten steuerbaren
Schalters über
einen fünften
Schalter mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung
verbindbar.
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Der
zweite steuerbare Schalter wird durch das Schließen des fünften Schalters in einen nicht
leitenden Zustand gebracht, sodass die Schaltung S nur über den
ersten steuerbaren Schalter versorgt wird. Wird die Schaltung dagegen über den
zweiten steuerbaren Schalter versorgt, so muss der fünfte Schalter
geöffnet
sein.
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In
einer Weiterbildung sind im ersten Zustand die ersten und zweiten
Schalter geschlossen und die dritten, vierten und fünften Schalter
geöffnet, und
im zweiten Zustand die ersten und zweiten Schalter geöffnet und
die dritten, vierten und fünften Schalter
geschlossen.
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Im
ersten Zustand befindet sich die Schaltung im Normalbetrieb, der
Operationsverstärker
und die Spannungsüberwachungseinheit
werden über den
ersten und zweiten Schalter mit Strom versorgt. Die dritten, vierten
und fünften
Schalter sind geöffnet, um
die Regelschaltung und den zweiten steuerbaren Schalter zu aktivieren.
Im zweiten Zustand befindet sich die Schaltungsanordnung im Standby-Zustand, die
ersten und zweiten Schalter sind geöffnet, um den Operationsverstärker und
die Spannungsüberwachungseinheit
zu deaktivieren. Der dritte Schalter ist geschlossen, um die Anfangsbedingungen
des Operationsverstärkers
zu setzen. Der vierte Schalter ist geschlossen, um den ersten steuerbaren
Schalter als Diode zu schalten. Der fünfte Schalter ist geschlossen,
um den zweiten steuerbaren Schalter zu nicht leitend zu schalten.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren
zum Betreiben einer Schaltungsanordnung in einem ersten und einem zweiten
Zustand gelöst,
wobei in dem ersten Zustand eine Schaltung mit einer ersten Spannung
versorgt wird und in dem zweiten Zustand die Schaltung mit einer
zweiten Spannung versorgt wird, wobei beim Übergang von dem ersten Zustand
in den zweiten Zustand die Spannung, mit der die Schaltung versorgt
wird, sich linear mit der Zeit ändert.
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Durch
die lineare Spannungsänderung
werden Spannungseinbrüche
und unerwünscht
hohe Ladeströme
vermieden.
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In
einer Weiterbildung ist der erste Zustand ein Standby-Zustand.
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Standby-Zustände dienen
zur Reduzierung der Leistungsaufnahme.
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In
einer Weiterbildung ist der zweite Zustand ein Normalbetrieb-Zustand.
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In
einer Weiterbildung wird die Schaltung im ersten Zustand über einen
ersten steuerbaren Schalter versorgt.
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In
einer Weiterbildung ist der erste steuerbare Schalter ein Transistor.
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In
einer Weiterbildung ist der Transistor im ersten Zustand als Diode
geschaltet.
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Dadurch,
dass der erste Transistor als Diode geschaltet ist, fällt an diesem
eine Diodeneinsatzspannung ab. Dieser Spannungsabfall kann dazu
benutzt werden, um die Spannung, mit der die Schaltung im Standby-Zustand
versorgt wird, zu reduzieren und somit auch deren Leistungsaufnahme
zu reduzieren.
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In
einer Weiterbildung wird beim Übergang von
dem ersten Zustand in den zweiten Zustand der erste steuerbare Schalter über eine
Regelschaltung so angesteuert, dass sich die Spannung zum Betreiben
der Schaltung linear mit der Zeit ändert.
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Durch
die Regelschaltung lässt
sich die Spannungsänderung
und damit auch der Strom mit der die Kapazität der Schaltung aufgeladen
wird, regeln.
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In
einer Weiterbildung ist die Regelschaltung im ersten Zustand deaktiviert.
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Im
ersten Zustand, welcher ein Standby-Zustand ist, wird durch das
Deaktivieren der Regelschaltung der Leistungsverbrauch reduziert.
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In
einer Weiterbildung wird im zweiten Zustand die Schaltung über den
ersten steuerbaren Schalter und einen zweiten steuerbaren Schalter
versorgt.
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In
dem zweiten Zustand, welcher den Normalbetrieb darstellt, wird zusätzlich ein
zweiter steuerbarer Schalter parallel zu dem ersten steuerbaren Schalter
geschaltet, um den Spannungsabfall an diesem zu reduzieren. Der
erste steuerbare Schalter ist im zweiten Zustand nicht mehr als
Diode geschaltet.
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In
einer Weiterbildung wird der zweite steuerbare Schalter über eine
Spannungsüberwachungseinheit
angesteuert, wobei ein erster Eingang der Spannungsüberwachungseinheit
mit dem Ausgang der Regelschaltung verbunden ist.
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An
dem Ausgang der Regelschaltung kann festgestellt werden, ob die
Spannung zum Betreiben der Schaltung linear weit genug angestiegen
ist, um in den Normalbetrieb wechseln zu können. Dies geschieht über die
Spannungsüberwachungseinheit, welche
den zweiten steuerbaren Schalter aktiviert.
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In
einer Weiterbildung weist im Durchlassbetrieb der zweite steuerbare
Schalter einen geringeren. Widerstand auf als der erste steuerbare
Schalter.
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Der
erste steuerbare Schalter wird primär eingesetzt, um die Versorgungsspannung
der Schaltungsanordnung abzusenken, während der zweite steuerbare
Schalter benutzt wird, um die Schaltung mit minimalem Spannungsabfall
im Normalbetrieb zu versorgen.
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In
einer Weiterbildung ist die Spannungsüberwachungseinheit im ersten
Zustand deaktiviert.
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Durch
das Deaktivieren der Spannungsüberwachungseinheit
lässt sich
der Leistungsbedarf der Schaltungsanordnung im Standby-Betrieb weiter reduzieren.
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Die
Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand von
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
in einem ersten Zustand,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
in einem zweiten Zustand, und
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3 einen
Zeitverlauf der Spannung zum Betreiben der Schaltung beim Umschalten
von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss V1, an dem eine Versorgungsspannung
VDD anliegt. Eine Schaltung S, welche durch eine Kapazität CS und
andere Elemente SB dargestellt ist, weist einen ersten Versorgungsanschluss
A1 auf, an dem eine Spannung VS zum Betreiben der Schaltung S angelegt
werden kann. Die Schaltung S ist über einen zweiten, nicht explizit
beschrifteten Versorgungsanschluss mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss
V2 der Schaltungsanordnung, welcher ein Massepotenzial aufweist,
verbunden. Die Schaltung S soll mit einer ersten Spannung in einem
ersten Zustand, der ein Standby- oder Ruhezustand ist, betrieben
werden und mit einer zweiten Spannung in einem zweiten Zustand,
der ein Normalbetrieb ist, versorgt werden. Die erste Spannung ist
kleiner als die zweite Spannung. Um Spannungseinbrüche an der
Versorgungsspannung VDD der Schaltungsanordnung und unerwünscht hohe
Ladeströme
zu vermeiden, soll sich die Spannung VS zum Betreiben der Schaltung
S beim Umschalten von dem Standby-Zustand in den Normalbetrieb nicht
sprungartig ändern.
Die dafür
notwendige Umschaltvorrichtung U umfasst alle Elemente der 1,
bis auf die der Schaltung S.
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Die
Schaltung S ist über
die parallel geschalteten ersten steuerbaren Schalter T1 und zweiten steuerbaren
Schalter T2 mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss V1 verbunden.
Die ersten und zweiten steuerbaren Schalter T1 und T2 weisen je
einen ersten Anschluss E1, E2, einen zweiten Anschluss F1, F2 und
einen Steuereingang G1, G2 auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind die steuerbaren
Schalter T1 und T2 als PMOS-Transistoren ausgelegt.
Selbstverständlich
ist es einem Fachmann möglich,
die Schaltungsanordnung so zu modifizieren, dass NMOS-Transistoren
eingesetzt werden können,
so dass die Schaltung in der Lage ist die negative Versorgungsspannung
VSS der Schaltung S anzuheben. Der Transistor T1 weist eine kleinere Weite
auf als der Transistor T2, was durch den dickeren Balken des Transistors
T2 gekennzeichnet ist.
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Im
Standby-Betrieb sind die ersten und zweiten Schalter S1 und S2 geöffnet, sodass
der Operationsverstärker
O und die Spannungsüberwachungseinheit
C abgeschaltet sind. Der dritte Schalter S3 ist geschlossen und
verbindet die beiden Eingänge
O1, O2 des Operationsverstärkers
O miteinander, damit die Anfangsbedingungen beim Anschalten des
Operationsverstärkers
O festgelegt sind. Der vierte Schalter S4 ist geschlossen, sodass
der zweite Anschluss F1 des ersten Transistors T1 mit dessen Steuereingang
G1 verbunden ist. Der Transistor T1 ist somit als Diode geschaltet.
Da der Transistor T1 als Diode geschaltet ist, fällt an diesem die Diodeneinsatzspannung
VTH ab, sodass die Spannung VS zum Betreiben der Schaltung im Standby-Zustand auf
VS = VDD – VTH
abgesenkt ist. Aufgrund der niedrigeren Spannung ergibt sich somit
eine geringere Leistungsaufnahme der Schaltungsanordnung. Der fünfte Schalter
S5 ist geschlossen, sodass der Steuereingang G2 des zweiten Transistors
T2 mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss V1 der Schaltungsanordnung
verbunden ist. Als Folge davon sperrt der zweite Transistor T2 und
es kann nur über
den ersten steuerbaren Schalter T1 Strom fließen.
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Beim
Umschalten von dem Standby-Zustand in den Normalbetrieb-Zustand werden alle
fünf Schalter
S1 bis S5 umgeschaltet. 2 zeigt die Stellungen der Schalter
während
des Übergangs
von dem Standby-Zustand in den Normalbetrieb-Zustand. Der erste
Schalter S1 und der zweite Schalter S2 sind nun geschlossen, sodass
der Operationsverstärker
O der Regelschaltung R und die Spannungsüberwachungseinheit C aktiviert
sind. Der dritte Schalter S3 ist geöffnet, sodass der Operationsverstärker O versucht,
die Spannung an seinem Ausgang OA so einzustellen, dass die Spannung
an seinem ersten Eingang O1 mit der Spannung an seinem zweiten Eingang
O2 übereinstimmt.
An dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers O2 ist eine Referenzspannung
VREF angelegt, sodass sich an dem ersten Eingang O1 des Operationsverstärkers ebenfalls
die Spannung VREF einstellt, und damit auch die Stromquelle IR der
Regelschaltung R aktiviert wird. Die Referenzspannung VREF wird
so gewählt, dass
der Operationsverstärker
O in einem günstigen Common-Mode-Bereich
arbeiten kann und kann zum Beispiel 0,4 V betragen.
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Da
in die Eingänge
O1, O2 des Operationsverstärkers
O kein Strom fließt,
muss der Strom I der Stromquelle IR durch den Kondensator CR der
Regelschaltung fließen.
Gemäß der Grundgleichung des
Kondensators ist ein durch den Kondensator fließender Strom proportional zur
zeitlichen Änderung der
an dem Kondensator anliegenden Spannung. Bei konstantem Strom I
steigt daher die Spannung am Kondensator CR linear an. Da das eine
Ende des Kondensators CR mit dem ersten Eingang O1 des Operationsverstärkers O
verbunden ist und somit fest auf dem Referenzpotenzial VREF liegt,
muss sich die Spannung VS zum Betreiben der Schaltung S zeitlich
linear verändern.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Operationsverstärker O eine
Spannung an seinem Ausgang OA ausgibt, welche den Steuereingang
G1 des ersten Transistors T1 so ansteuert, dass sich das Potenzial
VS entsprechend ändert.
Dazu muss die an dem Steuereingang G1 anliegende Spannung immer
kleiner werden, damit der Transistor T1 immer mehr leitet. Der vierte
Schalter S4 ist dabei geöffnet,
sodass der erste Transistor T1 zusammen mit dem Operationsverstärker O,
der Stromquelle IR und dem Kondensator CR der Regelschaltung zur
Regelung der Spannung VS zum Betreiben der Schaltung S eingesetzt
werden kann.
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Erreicht
die Spannung am Steuereingang G1 ihren niedrigsten Wert, so wird
dies in der Spannungsüberwachungseinheit
C detektiert, da deren erster Eingang C1 mit dem Steuereingang G1
verbunden ist und deren zweiter Eingang mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss
V2 der Schaltungsanordnung. Die Spannungsüberwachungseinheit C ist als
Komparator ausgebildet, der einen geringen Offset aufweist, sodass
der Komparator umschaltet, wenn die Spannung an dem Steuereingang G1
fast gleich der Spannung an dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss
V2 ist. Die Spannung VS zum Betreiben der Schaltung S ist zu diesem
Zeitpunkt bereits fast auf die Versorgungs spannung VDD angestiegen,
sodass der Ladevorgang für
die Kapazität
CS der Schaltung fast abgeschlossen ist. Am Ausgang CA der Spannungsüberwachungseinheit
C liegt nun ein Low-Signal
an, welches, da der fünfte Schalter
S5 geöffnet
ist, den Steuereingang G2 des zweiten Transistors T2 auf ein Low-Potenzial zieht. Der
zweite Transistor T2 leitet somit und das Statussignal Q zeigt an,
dass die Schaltung S nun mit der vollen Versorgungsspannung VDD
versorgt wird, der Standby-Zustand
verlassen und der Normalbetrieb gestartet werden können. Der
zweite Transistor T2 weist dabei zum Reduzieren von Durchlassverlusten aufgrund
seiner größeren Weite
einen geringeren Durchlasswiderstand auf als der erste Transistor
T1.
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Wird
durch das Umschalten aller Schalter S1 bis S5 wieder in den Standby-Zustand
geschaltet, so sinkt die Spannung VS zum Betreiben der Schaltung S
langsam ab, da der Leckstrom der Schaltung S zunächst aus der Kapazität der Schaltung
CS geliefert wird. Erst wenn VS so weit abgesunken ist, dass die Spannung
an dem als Diode geschalteten Transistor T1 ausreicht, um genau
diesen Leckstrom zu liefern, ist wieder ein Gleichgewicht erreicht
und VS bleibt auf dem abgesenkten Potenzial VS = VDD – VTH stehen.
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3 zeigt
den Verlauf der Spannung VS zum Betreiben der Schaltung S über der
Zeit t. Vor dem Zeitpunkt t1 befindet sich die Schaltungsanordnung
in dem ersten Zustand, das heißt
dem Standby-Zustand, in dem VS = VDD – VTH gilt. Zum Zeitpunkt t1
werden die Schalter S1 bis S5 umgeschaltet und die Spannung VS steigt
linear an. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird die Kapazität der Schaltung
CS aufgeladen. Der Anstieg ergibt sich dabei zu VS(t) = I/CR·(t – t1) +
VDD – VTH.
Der Anstieg der Spannung VS ist somit unabhängig von der Kapazität CS der
Schaltung S, den weiteren Komponenten SB der Schaltung S und auch
von der Referenzspannung VREF. Der Anstieg lässt sich über den Strom I der Stromquelle
IR und der Kapazität
des Kondensators CR der Regelschaltung einstellen. Zum Zeitpunkt
t2 hat die Spannung VS die Versorgungsspannung VDD erreicht. Mit
der obigen Formel berechnet sich der Zeitpunkt t2 zu t2 = t1 + VTH·CR/I.
Nach dem Zeitpunkt t2 befindet sich die Schaltungsanordnung in dem
zweiten Zustand, das heißt
dem Normalbetrieb-Zustand.
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Durch
den linearen Anstieg der Spannung VS zum Betreiben der Schaltung
S ist der Strom zum Laden der Kapazität CS der Schaltung S konstant. Durch
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und
das Verfahren zum Betreiben dieser Anordnung wird die Kapazität CS der
Schaltung S somit über
den Strom I einstellbar und kontrolliert geladen, sodass es weder
zu einem Spannungseinbruch der Versorgungsspannung VDD noch zu einem
unerwünscht hohen
Ladestrom kommt.
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- A1
- erster
Versorgungsanschluss der Schaltung
- C
- Spannungsüberwachungseinheit
- C1,
C2
- erster
und zweiter Eingang der Spannungsüberwachungseinheit
- CA
- Ausgang
der Spannungsüberwachungseinheit
- CR
- Kondensator
der Regelschaltung
- CS
- Kapazität der Schaltung
- E1,
E2
- erste
Eingänge
der steuerbaren Schalter
- F1,
F2
- zweite
Eingänge
der steuerbaren Schalter
- G1,
G2
- Steuereingänge der
steuerbaren Schalter
- I
- Strom
der Stromquelle
- IR
- Stromquelle
der Regelschaltung
- O
- Operationsverstärker
- O1,
O2
- erster
und zweiter Eingang des Operationsverstärkers
- OA
- Ausgang
des Operationsverstärkers
- T1,
T2
- erster
und zweiter steuerbarer Schalter
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- Q
- Statussignal
- R
- Regelschaltung
- S
- Schaltung
- S1-S5
- Schalter
- SB
- Andere
Elemente der Schaltung
- U
- Umschaltvorrichtung
- V1,
V2
- erster
und zweiter Versorgungsspannungsanschluss der Schaltungsanordnung
- VDD
- Versorgungsspannung
der Schaltungsanordnung
- VREF
- Referenzspannung
- VS
- Spannung
zum Betreiben der Schaltung