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Die
Erfindung betrifft eine Treiberschaltung zum Treiben elektrischer
Bauelemente, insbesondere Pockelszellen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Treiberschaltungen,
auf die im Folgenden Bezug genommen wird, arbeiten als schnelle
Spannungsschalter, die in der Lage sind, ein elektrisches Bauelement,
wie z. B. eine Pockelszelle, innerhalb sehr kurzer Zeit ein- und
auszuschalten. Ein Schaltzyklus kann dabei im Bereich von wenigen
Nanosekunden oder darunter liegen. Derartige Treiberschaltungen
werden insbesondere für
Laseranwendungen in Verbindung mit Pockelszellen eingesetzt.
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Eine
bekannte Laseranwendung zum Abtragen von Material von einem Substrat
umfasst z. B. einen Laser, der ultrakurze Laserimpulse mit einer
sehr hohen Wiederholrate von z. B. 300 MHz erzeugt. Die Laserpulse
werden dabei über
eine Pockelszelle, die als optischer Schalter dient, in einen Resonator
eingekoppelt und optisch verstärkt.
Um aus dem Pulsstrom des Laser bestimmte Einzelimpulse auszuwählen, ist
es erforderlich, die Pockelszelle kurzfristig – d. h. mit einer Dauer von
wenigen Nanosekunden oder darunter – einzuschalten und danach
wieder auszuschalten. Bekannte Treiberschaltungen mit Transistoren
sind meist nicht in der Lage, derart kurze Schaltvorgänge auszuführen. Die
Ursache dafür liegt
vor allem im Aufbau der Transistoren. Wegen der relativ großen Gatekapazitäten der
Transistoren ist es in der Praxis nur mit erheblichem Aufwand möglich, das
Gate zuerst sehr schnell vollständig ein-,
als auch sehr kurze Zeit danach wieder sehr schnell vollständig auszuschalten.
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Aus
der
US 5,548,234 A ist
eine Treiberschaltung für
Pockelszellen bekannt, die in Push-Pull-Technik arbeitet.
1 zeigt
eine solche Treiberschaltung mit einer Schaltstufe
1, die
einen gegen ein Versorgungspotential (+V) geschalteten Schalter
S1 (High-Side-Schalter) und einen gegen ein Referenzpotential GND geschalteten
Schalter S2 (Low-Side-Schalter) umfasst. Die Schalter S1, S2 sind üblicherweise
als MOS-Transistoren realisiert. Der Mittenknoten der Schaltstufe
1 ist
mit einem Anschluss einer Pockelszelle
3 verbunden. Der
andere Anschluss der Pockelszelle
3 ist gegen Masse geschaltet.
Die Schalter S1‚ S2
der Schaltstufe
1 haben jeweils parasitäre Kapazitäten, die hier zusammengefasst
als eine Kapazität
C1 gestrichelt dargestellt sind.
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Um
die Pockelszelle 3 zu schalten, werden die Schalter S1,
S2 gegensinnig angesteuert. Wegen der vorstehend beschriebenen Leistungsgrenzen von
Hochspannungs-MOS-Transistoren können
damit keine ultrakurzen HV-Pulse generiert werden, die für manche
Laseranwendungen erforderlich sind.
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Eine
Treiberschaltung für
Pockelszellen, die in Push-Pull-Technik arbeitet, ist auch aus der
DE 10 2005 061 716
A1 bekannt. Diese arbeitet jedoch in gleicher Weise wie
vorstehend beschrieben wurde. Weitere Treiberschaltungen für Pockelszellen
sind auch aus der
DE
102 51 888 B4 oder der
US 5,548,234 A bekannt.
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Es
ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treiberschaltung
insbesondere zum Treiben von Pockelszellen zu schaffen, mit der
Schaltintervalle von wenigen Nanosekunden oder darunter erzeugt
werden können.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Treiberschaltung
zu schaffen, die eine erste Schaltstufe mit einem auf Seiten einer
höheren
Spannung angeordneten Schalter (im Folgenden High-Side-Schalter)
und einem auf Seiten einer niedrigeren Spannung angeordneten Schalter
(im Folgenden Low-Side-Schalter)
aufweist. An den Schaltern der ersten Schaltstufe ist jeweils eine
zweite Schaltstufe angeordnet, von denen wenigstens eine ebenfalls
mit einem High-Side-
und einem Low-Side-Schalter realisiert ist. Die andere der zweiten
Schaltstufen kann wahlweise zwei Schalter (Low-Side- und High-Side-Schalter),
oder auch nur einen Schalter aufweisen. Diese Schaltung hat den wesentlichen
Vorteil, dass an ihrem Ausgang Schaltintervalle erzeugt werden können, die
kürzer
sind als ein Schaltintervall der einzelnen Schalter. So ist es möglich, durch
die Überlagerung
der Pulse der beiden Stufen, das elektrische Bauelement schneller und
mit kürzeren
Intervallen zu schalten als die einzelnen Schalter der Schaltstufen.
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Die
Schalter sind vorzugsweise als Transistoren, insbesondere als MOS-Transistoren realisiert. Jeder
Schalter kann aus mehreren in Serie geschalteten (Einzel-)Schaltern
gebildet sein. Bestimmte Schalter können auch als Dioden realisiert
sein.
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Eine
der beiden zweiten Schaltstufen ist vorzugsweise am High-Side-Schalter,
und die andere der beiden zweiten Schaltstufen am Low-Side-Schalter
der ersten Schaltstufe angeschlossen.
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Die
Schalter der einzelnen Schaltstufen werden vorzugsweise gegensinnig
geschaltet. Hierzu wird vorzugsweise ein Schaltsignal erzeugt, das
einem der Schalter direkt und dem anderen der Schalter (derselben
Schaltstufe) invertiert zugeführt
wird.
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Für die Ansteuerung
der ersten Schaltstufe ist vorzugsweise ein erstes Steuersignal
und für
die beiden zweiten Schaltstufen ein zweites Steuersignal vorgesehen.
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Das
elektrische Bauelement ist mit einem seiner Anschlüsse vorzugsweise
am Mittenknoten der ersten Schaltstufe, zwischen dem High-Side-
und dem Low-Side-Schalter
angeschlossen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist die erfindungsgemäße Treiberschaltung
nur an einem Anschluss des elektrischen Bauelements angeschlossen.
Der andere Anschluss des elektrischen Bauelements ist vorzugsweise
gegen ein Referenzpotentiai, insbesondere Masse geschaltet. Bei
dieser Ausführungsform
ist die höhere
Spannung (positive Versorgungsspannung) der Treiberschaltung vorzugsweise
gleich der Spannung (z. B. +V), die am elektrischen Bauelement abfallen
soll. Die niedrigere Spannung (negative Versorgungsspannung), an
der die andere der zweiten Schaltstufen anliegt, ist vorzugsweise
gleich der negativen Versorgungsspannung (z. B. –V).
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
ist die erfindungsgemäße Treiberschaltung
an beiden Anschlüssen
des elektrischen Bauelements symmetrisch, jedoch mit invertierter
Ansteuerung angeschlossen. Bei dieser Ausführungsform beträgt die höhere Spannung
vorzugsweise die Hälfte
(d. h. +V/2) der Betriebsspannung, die über dem Bauelement abfallen
soll, und die niedrigere Spannung –V/2.
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Die
Schalter der zweiten Schaltstufen sind vorzugsweise seriell miteinander
verbunden. Ein Knoten, der zwischen den Schaltern der ersten und zweiten
Schaltstufen liegt, ist vorzugsweise mit Masse verbunden.
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Zumindest
einer der genannten, mit Masse verbundenen Schalter ist vorzugsweise
als Diode realisiert. In diesem Fall ist vorzugsweise parallel zur ersten
Schaltstufe ein Kondensator vorgesehen.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
der Treiberschaltung mit symmetrisch angeordneten Schaltungen sind
die Steueranschlüsse
der Schalter der ersten Schaltstufe vorzugsweise mit einem gemeinsamen
ersten Steuereingang, und die Steueranschlüsse der Schalter der zweiten
Schaltstufen mit einem gemeinsamen zweiten Steuereingang verbunden.
Es ist auch möglich
z. B.: aus Symmetrie-Gründen die
Stufen überkreuzt
anzusteuern, so dass z. B.: die erste Stufe auf der linken Seite
und die zweite Stufe auf der rechten Seite mit dem Signal g1 angesteuert
werden und entsprechend die erste Stufe auf der rechten Seite und
die zweite Stufe auf der linken Seite mit dem Signal g2 angesteuert
wird. Das an den Steuereingängen
jeweils anliegende Steuersignal wird entweder direkt oder invertiert
an die einzelnen Schalter weitergeleitet.
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Die
Steuersignale der ersten und zweiten Schaltstufen haben – unabhängig von
der Ausführungsform
der Erfindung – vorzugsweise
zeitlich versetzte Einschalt- und
Ausschaltflanken. Der zeitliche Versatz der Steuersignale bestimmt
dabei die Pulslänge
der Einschalt- bzw. Ausschaltintervalle des getriebenen Bauelements.
Außerdem
können
die Einschalt- und Ausschaltzeit eines einzelnen Steuersignals unterschiedlich
lang gewählt
werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Treiberschaltung in Push-Pull-Technik;
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2a eine
kaskadierte Treiberschaltung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2b den
zeitlichen Verlauf verschiedener Steuersignale und Knotenspannungen
gemäß einer ersten
Ansteuerung;
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2c den
zeitlichen Verlauf verschiedener Steuersignale und Knotenspannungen
gemäß einer zweiten
Ansteuerung;
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3a eine
symmetrisch aufgebaute Treiberschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung;
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3b den
zeitlichen Verlauf verschiedener Steuersignale und Knotenspannungen;
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4a eine
Variante der symmetrischen Treiberschaltung von 3a;
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4b den
zeitlichen Verlauf verschiedener Steuersignale und Knotenspannungen;
und
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5a, 5b zwei
weitere Varianten der symmetrischen Treiberschaltung von 3a.
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Bezüglich der
Erläuterung
von 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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2a zeigt
eine Treiberschaltung für
eine Pockelszelle 3 die in der Lage ist, die Pockelszelle 3 in
Schaltintervallen von wenigen ns Länge ein- und auszuschalten.
Die dargestellte Treiberschaltung umfasst eine erste Schaltstufe 1 in
Push-Pull-Technik,
die einen auf Seiten einer Versorgungsspannung +V angeordneten Schalter
S5 (High-Side-Schalter) und einen auf Seiten einer Referenzspannung –V angeordneten
Schalter S6 (Low-Side-Schalter) aufweist.
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Am
versorgungsseitigen Anschluss des Schalters S5 und am referenzspannungsseitigen
Anschluss des Schalters S6 ist jeweils eine zweite Schaltstufe 2a bzw. 2b angeschlossen.
Die beiden zweiten Schaltstufen 2a, 2b sind ebenfalls
in Push-Pull-Technik ausgeführt
und umfassen jeweils einen High-Side-Schalter S1 bzw. S3 und einen Low-Side-Schalter
S2 bzw. S4. Alle Schalter der zweiten Schaltstufen 2a, 2b sind
seriell verschaltet. Die beiden Schalter S2 und S3 sind jeweils
miteinander verbunden und liegen gemeinsam an einem Mittenpotential, hier
Masse. Jeder der Schalter S1–S6 hat
eine parasitäre
Kapazität,
die jeweils als Kapazität
C1, C2 bzw. C3 gestrichelt dargestellt ist.
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Die
Schalter S1–S6
können
beispielsweise als Transistoren, insbesondere einzeln aber auch
als mehrere in Reihe geschaltete MOS-Transistoren realisiert sein.
Die Steueranschlüsse
der Schalter S5, S6 werden von einem Steuersignal g2, und die Steueranschlüsse der
Schalter S1–S4
der zweiten Stufen 2a, 2b von einem Steuersignal
g1 angesteuert. Die beiden Schalter einer Schaltstufe 1, 2a, 2b werden dabei
jeweils mit dem Steuersignal g1 bzw. g2 und dem invertierten Steuersignal
angesteuert, so dass sie gegensinnig schalten. Zur Invertierung
der Steuersignale g1, g2 sind entsprechende Invertierer 4a–4c vorgesehen,
die im Steuerpfad der Schalter angeordnet sind.
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2b zeigt
den zeitlichen Verlauf der wichtigsten Signale im Betrieb der Treiberschaltung.
Wie zu erkennen ist, sind die beiden Steuersignale zeitlich gegeneinander
versetzt, wobei das Signal g2 dem Signal g1 nachfolgt. Im Zeitpunkt
t0 schaltet das Signal g1 zunächst in
den Zustand high. Die Schalter S1 und S3 schließen, während die Schalter S2 und S4
geöffnet
werden. Die Spannung u1 steigt gegen +V, die Spannung u2 steigt
gegen 0 V und die Spannung u3 steigt ebenfalls gegen 0 V. Zum Zeitpunkt
t1 schaltet das Steuersignal g2 in den Zustand
high. Dadurch wird der Schalter S5 geschlossen und der S6 geöffnet; und
die Spannung u3 über
der Pockelszelle 3 steigt gegen +V. Zum Zeitpunkt t2 schaltet das Steuersignal g1 wieder in
den Zustand low. Dadurch öffnen
die Schalter S1 und S3, während
die Schalter S2 und S4 schließen.
Die an der Pockelszelle 3 abfallende Spannung u3 fällt damit
gegen 0 V. Im Zeitpunkt t3 schaltet das
Steuersignal g2 schließlich
wieder in den Zustand low. Dadurch öffnet der Schalter 55,
und der Schalter S6 wird niederohmig. Der Knoten u3 liegt jetzt
an der negativen Versorgungsspannung –V. Ab dem Zeitpunkt t4 beginnt eine neuer Schaltzyklus.
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Wie
zu erkennen ist, schaltet die Pockelszelle 3 doppelt so
oft wie die einzelnen Schalter S1–S6. Grundsätzlich kann das Ansteuersignal
g1 gegenüber
dem Ansteuersignal g2 in beliebigen Phasenversatz gebracht werden.
Mit der in 2a dargestellten Treiberschaltung
ist es also möglich
durch die Überlagerung
der Spannungen der beiden unabhängigen Stufen,
unabhängig
von der Schaltdauer der einzelnen Schalter, beliebige Pulslängen am
Ausgangsknoten u3 zu generieren. Die Pulslänge wird hier lediglich durch
den Versatz der Steuersignale g1 und g2 vorgegeben.
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2c zeigt
den zeitlichen Verlauf der Steuersignale g1, g2 und der Knotenspannungen
u1–u3 bei
einer alternativen Ansteuerung. Hier ist das Timing der Steuersignale
g1, g2 so gelegt, dass die Schaltung nur positive Spannungspulse
(siehe u3) am Ausgang produziert. Da die Ausgangspulse weiterhin
durch Überlagerung
der Spannungen u1, u2 der unabhängig
steuerbaren Schaltstufen entstehen, können auch in diesem Fall sehr
kurze Pulslängen eingestellt
werden. Diese Art des Timings kann ohne Einschränkungen auch auf jede der nachfolgenden Schaltungsvarianten
angewandt werden.
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3a zeigt
eine zweite Ausführungsform einer
Treiberschaltung, bei der die Schaltung von 2a an
beiden Kontakten der Pockelszelle 3 (nahezu) symmetrisch
angeschlossen ist. Im Unterschied zu 2a werden
jedoch die Schalter S1b–S6b
der rechten Seite invertiert zu den Schaltern S1a–S6a der
linken Seite angesteuert.
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Die
Versorgungsspannung ist hier außerdem gleich
der Hälfte
der Pockelszellen-Spannung,
nämlich
+V/2. Die Referenzspannung beträgt –V/2.
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Die
Schalter S5a, S5b, S6a, S6b der ersten Stufen 1a, 1b werden
mit einem Steuersignal g2 angesteuert. Die Schalter S1a–S4b werden
mit einem zweiten Steuersignal g1 angesteuert.
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Die
beiden Steuersignale g1 und g2 sind wiederum unabhängig von
einander mit beliebigem Versatz gegeneinander einstellbar. Im dargestellten
Beispiel schalten die Knotenspannungen u3 und u6 mit der doppelten
Frequenz wie die Steuersignale g1 und g2. Da die Ansteuerung der
Schalter S1a–S6a
auf der linken und S1b–S6b
auf der rechten Seite genau invers erfolgt, laufen die Knotenspannungen
u3 und u6 ebenfalls gegenläufig.
Wenn am Knoten u3 die Spannung +V/2 anliegt, liegt am Knoten u6
die Spannung –V/2
an, so dass insgesamt die Spannung V über der Pockelszelle 3 abfällt. Der
Spannungsverlauf an der Pockelszelle ist ganz unten in 3b zu sehen.
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Obwohl
hier die Schaltstufen 2a–2d mit insgesamt
8-Schaltern arbeiten, ist die gesamte Schaltung dennoch dank der
Tatsache, dass die positive und die negative Versorgungsspannung
jeweils nur die Hälfte
der erforderlichen Pockelszellen-Spannung (V) beträgt, relativ
verlustarm.
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4a zeigt
eine spezielle Ausführungsform der
Treiberschaltung von 3a, bei der einzelne Schalter
S als Dioden realisiert sind. Im dargestellten Beispiel sind die
Schalter S2a, S3a und S2b, S3b als Dioden ausgebildet. Parallel
zur ersten Stufe 1a bzw. 1b ist jeweils ein Kondensator
C4a bzw. C4b angeordnet.
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Der
in 4b dargestellte Signalverlauf ist identisch mit
demjenigen von 3b.
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Da
die parasitären
Kapazitäten
verursacht durch die Dioden im Vergleich zu MOS-Transistoren kleiner ausfallen ist diese
Treiberschaltung besonders verlustarm und benötigt nur etwa 75% bis 80% der
Energie der Schaltung von 2a.
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5a, 5b.
zeigt zwei weitere Ausführungsformen
der Schaltung von 3a. In 5a wurden
im Vergleich zu 3a die Schalter S1a und S1b
entfernt und die Schalter S2a, S2b durch Dioden zu ersetzt. In diesem
Fall reicht nur die negative Spannungsversorgung –V/2 aus,
um die Schaltung zu versorgen. Die Spannungsverläufe der Schaltung sind identisch
zu den Spannungsverläufen
der Schaltung von 3b oder 4b. Die
Schaltung arbeitet hier als Ladungspumpe und generiert aus der negativen
Versorgungsspannung –V/2
positive Spannungspulse an u1 und u4. Die Schalter (Dioden S2a, S2b)
der zweiten Schaltstufen 2a, 2c liegen an keiner zusätzlichen
Spannungsversorgung.
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Auch
die dazu symmetrische Anordnung mit Verzicht auf die Schalter S4a,
S4b (siehe 5b), der Versorgung mit +V/2
und dem Ersatz der Schalter S3a, S3b durch Dioden ist praktikabel.