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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung, die einen Transistor mit potentialfreiem Gate umfasst, und auf ein Verfahren zum vorübergehenden Deaktivieren eines Transistors mit potentialfreiem Gate.
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HINTERGRUND
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Transistoren mit potentialfreiem Gate sind im Stand der Technik gut bekannt. Das Gate dieser Transistoren ist ”potentialfrei”, d. h. von einem Isolator umgeben. Das heißt, dass die Platten des zugeordneten Kondensators des potentialfreien Gates elektrisch isoliert sind. Somit ist eine verhältnismäßig hohe Programmierspannung notwendig, um den Kondensator des potentialfreien Gates unter Verwendung eines Tunneleffekts zu laden. Der Vorteil von Transistoren mit potentialfreiem Gate ist, dass eine Ladung auf dem Kondensator des potentialfreien Gates im Laufe der Zeit unverändert bleibt. Somit kann ein Transistor mit potentialfreiem Gate ohne die Notwendigkeit von Energie zum Aufrechterhalten des programmierten Zustands in einer eingeschalteten oder in einer ausgeschalteten Stellung programmiert sein.
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Transistoren mit potentialfreiem Gate können z. B. in Trimmschaltungsanordnungen in Transpondern, insbesondere in passiven Transpondern, bei denen die Energieeinsparung wesentlich ist, verwendet werden. Allerdings sind andere Anwendungen möglich.
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1 zeigt einen vereinfachten Stromlaufplan einer solchen Trimmschaltung, die einen Transistor mit potentialfreiem Gate in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik verwendet. Eine Induktivität 12 und Kondensatoren 14 und 16 bilden zusammen einen Resonanzkreis, der zwischen eine Spannung VDD und Masse geschaltet ist. Ein Kondensator 18 in Parallelschaltung mit dem Drain-Source-Kanal eines MOS-Feldeffekttransistors 20 ist zu der Reihenschaltung der Kondensatoren 14 und 16 parallel geschaltet. Ein Kondensator 22 repräsentiert den Kondensator des potentialfreien Gates des Transistors 20. Zwei Schalter 24 und 26 ermöglichen die Verbindung der Platten des Kondensators 22 des potentialfreien Gates entweder mit Masse oder mit einer Programmierspannung VPP, d. h. mit einer Spannung, die hoch genug ist, um zu ermöglichen, dass Ladungen auf die Platten tunneln. Die Platte des Kondensators 22 des potentialfreien Gates, die mit dem Gate des Transistors 20 verbunden ist, ist über antiparallele Schutz-Zener-Dioden 28 mit dem Schalter 24 gekoppelt.
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Zum Trimmen oder Einstellen der Resonanzfrequenz kann ein Kondensator 18 zu dem Resonanzkreis parallel geschaltet sein. Somit wird der Transistor 20 als ein Schalter verwendet: Falls der Transistor 20 leitend ist, ist der Kondensator 18 parallel geschaltet, und falls der Transistor 20 nicht leitend ist, ist der Kondensator 18 nicht parallel geschaltet.
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Zum Schalten des Transistors 20 wird der Kondensator 22 des potentialfreien Gates mit anderer Polarität geladen. Wenn der Schalter 24 zur Masse geschaltet wird und der Schalter 26 zur Programmierspannung VPP geschaltet wird, wird der Transistor 20 mit potentialfreiem Gate auf ein programmiert. Wenn der Schalter 24 auf die Programmierspannung VPP geschaltet wird und der Schalter 26 zur Masse geschaltet wird, wird der Transistor 20 mit potentialfreiem Gate auf aus programmiert.
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Es ist ein Nachteil eines Transistors mit potentialfreiem Gate, dass zum Schalten eine recht hohe Programmierspannung notwendig ist. Ein weiterer Nachteil von Transistoren mit potentialfreiem Gate ist, dass das Schalten eines Transistors mit potentialfreiem Gate mehrere Millisekunden dauert.
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In einigen Anwendungen ist eine schnelle, aber kurze Deaktivierung des gegenwärtigen Zustands eines Transistors mit potentialfreiem Gate, d. h. eine kurze Ein-aus-Schaltung, erwünscht. Beispiele sind das Ändern der Resonanzfrequenz eines Resonanzkreises für die Frequenzmodulierung eines Signals oder das Schalten eines Parallelresonanzkreises zu einem Serienresonanzkreis z. B. bei Oszillationsaufrechterhaltungsschaltungen in passiven Halbduplextranspondern.
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Außerdem muss in einigen dieser Anwendungen der Energieverbrauch auf einem absoluten Minimum gehalten werden. Beispiele dieser Anwendungen sind passive Halbduplextransponder, die überhaupt keine Batterie oder nur eine Sicherungsbatterie besitzen. Passive Halbduplextransponder erhalten ihre Energie aus einem empfangenen Hochfrequenzsignal und speichern diese Energie zur Verwendung beim Senden eines Antwortsignals in einem Kondensator. Somit steht wenig Energie zur Verfügung, und wenn der Kondensator entladen ist, steht überhaupt keine Versorgungsspannung zur Verfügung.
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Aus der
US 5,272,368 A ist eine elektronische Schaltung bekannt, die einen Transistor mit potentialfreiem Gate mit einem Kondensator des potentialfreien Gates umfasst. Der Transistor mit potentialfreiem Gate kann durch Laden des Kondensators des potentialfreien Gates in einen Ein- oder in einen Aus-Zustand programmiert werden. Die Schaltung weist ferner einen Kondensator auf, der Ladung speichern kann. Diese bekannte Schaltung ermöglicht jedoch keine ausreichend schnelle und kurze Deaktivierung des gegenwärtigen Zustands des Transistors mit potentialfreiem Gate, insbesondere wenn keine Versorgungsspannung vorhanden ist.
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Die
US 2009/0273012 A1 zeigt eine weitere Schaltung mit einem Transistor mit potentialfreiem Gate, bei dem ein Kondensator des potentialfreiem Gates mit einem weiteren Kondensator in Reihe geschaltet ist. Auch diese Schaltung ermöglicht kein kurzfristiges Deaktivieren des Transistors, wenn keine Versorgungsspannung vorliegt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Schaltung bereitzustellen, die einen Transistor mit potentialfreiem Gate umfasst, in dem der programmierte Transistor mit potentialfreiem Gate auch dann vorübergehend deaktiviert werden kann, wenn keine Versorgungsspannung zur Verfügung steht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Die Erfindung schafft eine elektronische Schaltung, die einen Transistor mit potentialfreiem Gate mit einem Kondensator des potentialfreien Gates umfasst. Der Transistor mit potentialfreiem Gate kann durch Laden des Kondensators des potentialfreien Gates in einen Ein- oder in einen Aus-Zustand programmiert werden. Ferner umfasst die elektronische Schaltung einen Deaktivierungskondensator, der eine Ladung speichern kann, die notwendig ist, um den Transistor mit potentialfreiem Gate vorübergehend zu deaktivieren. Der Deaktivierungskondensator kann mit dem Kondensator des potentialfreien Gates in Reihe geschaltet sein. Somit ist es nicht notwendig, den Kondensator des potentialfreien Gates zu laden oder zu entladen, was eine hohe Programmierspannung und eine verhältnismäßig lange Schaltzeit erfordern würde.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Deaktivierungskondensator mit einem ersten Anschluss mit einem ersten Anschluss des Kondensators des potentialfreien Gates verbunden. Zwischen den ersten Anschluss des Deaktivierungskondensators und Masse ist ein erster Schalter geschaltet, während zwischen einen zweiten Anschluss des Deaktivierungskondensators und Masse ein zweiter Schalter geschaltet ist. Ferner umfasst die Schaltung einen dritten Schalter, der zwischen den zweiten Anschluss des Deaktivierungskondensators und eine Versorgungsspannung geschaltet ist.
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Die Schalter werden so gesteuert, dass sie während eines ersten Zeitintervalls in einer Ladestellung sind, wobei der erste und der dritte Schalter geschlossen sind und der zweite Schalter offen ist. Im Fall eines passiven Transponders, der Energie durch einen HF-Impuls empfängt, kann das erste Zeitintervall mit der Detektierung eines empfangenen Impulses synchronisiert werden. Anderenfalls kann das erste Zeitintervall so lang wie notwendig sein, um sicherzustellen, dass eine Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Die Versorgungsspannung kann einem geladenen Kondensator zugeführt werden.
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Während eines zweiten Zeitintervalls werden die Schalter ferner in eine Deaktivierungsstellung gesteuert, wobei der erste und der dritte Schalter offen sind und der zweite Schalter geschlossen ist. Somit wird der Deaktivierungskondensator während des zweiten Zeitintervalls mit dem Kondensator des potentialfreien Gates in Reihe geschaltet und ändert den Zustand des Transistors mit potentialfreiem Gate, solange die Ladung auf dem Deaktivierungskondensator hoch genug ist. Der Transistor mit potentialfreiem Gate wird deaktiviert.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schaltung einen vierten Schalter, der so gekoppelt ist, dass er einen zweiten Anschluss des Kondensators des potentialfreien Gates entweder mit einer Programmierspannung oder mit Masse verbindet, wobei die Programmierspannung höher als die Versorgungsspannung ist. Die Schalter werden in eine erste Programmierstellung gesteuert, wobei während eines dritten Zeitintervall der erste Schalter geschlossen ist, der zweite und der dritte Schalter offen sind und der vierte Schalters auf die Programmierspannung geschaltet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schaltung einen fünfte Schalter, der zwischen den ersten Anschluss des Kondensators des potentialfreien Gates und die Programmierspannung geschaltet ist. Die Schalter werden in eine zweite Programmierstellung gesteuert, wobei während eines vierten Zeitintervalls der erste, der zweite und der dritte Schalter offen sind, der vierte Schalter auf Masse geschaltet ist und der fünfte Schalter geschlossen ist Somit wird der Kondensator des potentialfreien Gates im Vergleich zur Ladung in der ersten Programmierstellung in einer anderen Polarität geladen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltung eine integrierte CMOS-Schaltung. Vorteilhaft umfasst der erste Schalter die antiseriell geschalteten N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren eines Anreicherungstyps.
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In einer Ausführungsform umfasst der zweite Schalter einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor eines Anreicherungstyps und umfasst der dritte Schalter einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor eines Anreicherungstyps. Die Gates der Transistoren des zweiten und des dritten Schalters sind miteinander verbunden.
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In einer Ausführungsform ist die Schaltung Teil eines passiven Transponders.
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Ferner schafft die Erfindung ein Verfahren zum vorübergehenden Deaktivieren eines Transistors mit potentialfreiem Gate, wobei der Transistor mit potentialfreiem Gate einen Kondensator des potentialfreien Gates umfasst. Das Verfahren umfasst das Laden eines Deaktivierungskondensators mit einer Ladung, die ausreicht, den Zustand des Transistors mit potentialfreiem Gate vorübergehend zu ändern. Ferner umfasst das Verfahren das Parallelschalten des Deaktivierungskondensators mit dem Kondensator des potentialfreien Gates zum Deaktivieren des Transistors mit potentialfreiem Gate.
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In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Laden des Deaktivierungskondensators während eines ersten Zeitintervalls durch Schließen eines ersten Schalters, der zwischen einen ersten Anschluss des Deaktivierungskondensators und Masse geschaltet ist, und durch Öffnen eines zweiten Schalters, der zwischen einen zweiten Anschluss des Deaktivierungskondensators und Masse geschaltet ist. Während des ersten Zeitintervalls wird ein dritter Schalter geschlossen, der zwischen einen zweiten Anschluss des Deaktivierungskondensators und eine Versorgungsspannung geschaltet ist. Somit wird der Deaktivierungskondensator zwischen die Versorgungsspannung und Masse geschaltet und geladen. Ferner umfasst das Verfahren das vorübergehende Deaktivieren des Transistors mit potentialfreiem Gate während eines zweiten Zeitintervalls. Während des zweiten Zeitintervalls wird der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen. Der dritte Schalter wird geöffnet. Somit wird der Deaktivierungskondensator mit dem Kondensator des potentialfreien Gates in Reihe geschaltet und der Transistor mit potentialfreiem Gate deaktiviert, solange die Ladung auf dem Deaktivierungskondensator hoch genug ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform und aus den beigefügten Zeichnungen hervor, in denen:
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1 ein Stromlaufplan einer Trimmschaltung in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik ist;
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2 ein Stromlaufplan der Schaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist;
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3 ein Stromlaufplan der Schaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist, der weitere Einzelheiten umfasst.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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2 zeigt eine elektronische Schaltung 30 in Übereinstimmung mit der Erfindung, die einen Transistor 32 mit potentialfreiem Gate mit einem Kondensator 34 des potentialfreien Gates umfasst. Die elektronische Schaltung 30 ist in einer elektronischen Vorrichtung, z. B. in einem passiven Transponder, enthalten. Der Transistor 32 mit potentialfreiem Gate ist ein N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor eines Anreicherungstyps und ist mit seinem Drain-Source-Kanal bei einer Verbindung 35 zwischen eine nicht gezeigte Schaltung, z. B. eine Trimmschaltung wie in 1, und Masse geschaltet. Selbstverständlich wird der Transistor 32 als Schalter in einer Anwendung verwendet, in der der Schalter seine Schalterstellung vorübergehend ändern muss.
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Ferner umfasst die Schaltung einen Deaktivierungskondensator 36. Der Deaktivierungskondensator 36 ist bei einem Knoten 38 mit einem ersten Anschluss mit einem ersten Anschluss des Kondensators 34 des potentialfreien Gates verbunden. Zwischen den ersten Anschluss des Deaktivierungskondensators 36, d. h. einen Knoten 38, und Masse ist ein erster Schalter 40 geschaltet. Zwischen einen zweiten Anschluss des Deaktivierungskondensators 36, d. h. einen Knoten 44, und Masse ist ein zweiter Schalter 42 geschaltet. Zwischen den zweiten Anschluss des Deaktivierungskondensators 36, d. h. einen Knoten 44, und die Versorgungsspannung VSUPPLY ist ein dritter Schalter 46 geschaltet. Wenn die Anwendung, in der die Erfindung verwendet wird, ein passiver Transponder ist, wird die Versorgungsspannung durch einen Kondensator geliefert, der durch einen HF-Impuls geladen wird.
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Zwischen den ersten Anschluss des Deaktivierungskondensators 36, d. h. einen Knoten 38, und eine Programmierspannung VPP ist ein vierter Schalter 48 geschaltet. Ein fünfter Schalter 50 ist über ein Paar antiserieller Schutz-Zener-Dioden 52 mit einem zweiten Anschluss des Kondensators 34 des potentialfreien Gates, d. h. mit einem Knoten 54, verbunden und kann zwischen Masse und der Programmierspannung VPP geschaltet werden.
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Im Betrieb wird in einem ersten Schritt der Kondensator 34 des potentialfreien Gates geladen, d. h. der Transistor 32 mit potentialfreiem Gate durch Anlegen der Programmierspannung an den Kondensator 34 des potentialfreien Gates programmiert. Obgleich die Programmierung eines Transistors mit potentialfreiem Gate an sich bekannt ist, ist sie im Folgenden kurz erläutert.
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Für eine erste Polarität, d. h. für den eingeschalteten Programmiertransistor 32, wird der Schalter 40 geschlossen und werden die Schalter 42, 46 und 48 geöffnet. Der Schalter 50 wird zu der Programmierspannung geschaltet. Somit wird der Kondensator 34 des potentialfreien Gates zwischen die Programmierspannung und Masse geschaltet und unter Verwendung des Tunneleffekts geladen. Wenn die Programmierung abgeschlossen ist, wird der Schalter 50 zur Masse geschaltet. Somit ist der Transistor 32 mit potentialfreiem Gate so programmiert, dass er wie in 2 gezeigt geschlossen oder eingeschaltet ist.
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Für eine zweite Polarität, d. h. für den ausgeschalteten Programmiertransistor 32, werden die Schalter 40, 42 und 46 geöffnet, wird der Schalter 50 zur Masse geschaltet und wird der Schalter 48 geschlossen. Somit wird der Kondensator 34 des potentialfreien Gates, aber mit geänderter Polarität, zwischen die Programmierspannung und Masse geschaltet und unter Verwendung des Tunneleffekts geladen. Wenn die Programmierung abgeschlossen ist, wird der Schalter 48 geöffnet. Somit wird der Transistor 32 mit potentialfreiem Gate als offen oder ausgeschaltet programmiert.
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Für das vorübergehende Deaktivieren des programmierten Transistors verzichtet die Schaltung aus 2 auf die Notwendigkeit, den Transistor neu zu programmieren, die das Anlegen einer hohen Programmierspannung benötigt und eine verhältnismäßig lange Schaltzeit von mehreren Millisekunden erfordert.
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Stattdessen wird, sobald eine Versorgungsspannung verfügbar ist, d. h in einem ersten Zeitintervall, der Deaktivierungskondensator 36 geladen. Die Kapazität des Deaktivierungskondensators 36 wird so gewählt, dass sie ermöglicht, dass eine Ladung gespeichert wird, die ausreicht, den Transistor mit potentialfreiem Gate vorübergehend zu deaktivieren.
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Zum Laden werden die Schalter 40 und 46 geschlossen, während die Schalter 42 und 48 geöffnet werden und der Schalter 50 zur Masse geschaltet wird. Somit wird der Deaktivierungskondensator 36 zwischen Masse und eine Versorgungsspannung VSUPPLY geschaltet. In einer Ausführungsform wird die Versorgungsspannung von einem Transponderversorgungskondensator geliefert, der durch HF-Impulse geladen wird. Falls dieser Kondensator ausreichend geladen ist, wird der Deaktivierungskondensator 36 geladen.
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Zum Deaktivieren des Transistors 32 mit potentialfreiem Gate wird der Deaktivierungskondensator 36 durch Öffnen des Schalters 40 und des Schalters 46 und durch Schließen des Schalters 42 mit dem Kondensator 34 des potentialfreien Gates in Reihe geschaltet. Somit wird zu einer Spannung Vfg über den Kondensator 34 des potentialfreien Gates eine Spannung Vde über den Deaktivierungskondensator 36 addiert. Während die Spannung Vfg in dem gegebenen Beispiel gegen Masse positiv ist, ist die Spannung Vde gegen Masse negativ. Somit nimmt die Gate-Spannung des Transistors 32 mit potentialfreiem Gate ab. Wenn die resultierende Spannung unter die Schwellenspannung des Transistors 32 mit potentialfreiem Gate fällt, ändert der Transistor seinen Zustand, d. h., wird der Transistor deaktiviert.
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3 zeigt die Schaltung aus 2 genauer, wenn sie in einem CMOS-Prozess mit Transistor 32 mit potentialfreiem Gate, Kondensator 34 des potentialfreien Gates und Deaktivierungskondensator 36 verwirklicht ist. Gegebenenfalls sind dieselben Bezugszeichen wie in 2 verwendet.
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Der Schalter 40 ist durch zwei antiseriell geschaltete N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren eines Anreicherungstyps 40a und 40b verwirklicht. Die Gates des Transistors 40a und 40b sind miteinander verbunden und mit einem ersten Ausgang einer Sperrsteuerschaltung 56 verbunden. Ein hohes digitales Steuersignal schaltet den Schalter 40 in einen Ein-Zustand, während ein von der Sperrsteuerschaltung 56 ausgegebenes tiefes digitales Signal den Schalter 40 in einen Aus-Zustand schaltet, d, h. ein Schalter 40 geöffnet wird.
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Der Schalter 42 ist durch einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor eines Anreicherungstyps verwirklicht. Der Schalter 46 ist durch einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor eines Anreicherungstyps verwirklicht. Die Transistoren 42 und 46 sind durch ihre Gates miteinander verbunden, die mit einem zweiten Ausgang der Sperrsteuerschaltung 56 verbunden sind. Ein von der Sperrsteuerschaltung 56 ausgegebenes hohes digitales Steuersignal schaltet den Transistor 42 in einen Ein-Zustand und den Transistor 46 in einen Aus-Zustand. Ein von der Sperrsteuerschaltung 56 ausgegebenes tiefes digitales Steuersignal schaltet den Transistor 42 in einen Aus-Zustand und den Transistor 46 in einen Ein-Zustand. Die Sperrsteuerschaltung 56 liefert an einem dritten Ausgang die Versorgungsspannung.
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Der Schalter 48 ist durch einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor eines Anreicherungstyps verwirklicht. Das Gate des Transistors 48 ist mit einem ersten Ausgang einer Programmsteuerschaltung und Ladungspumpe 58 verbunden. Ein von dem ersten Ausgang der Programmsteuerschaltung ausgegebenes hohes digitales Signal schaltet den Transistor 48 in einen Aus-Zustand, d. h., der Knoten 38 wird getrennt. Ein tiefes digitales Signal schaltet den Transistor 48 in einen Aus-Zustand, wobei der Knoten 38 mit der Programmierspannung VPP verbunden wird und der Transistor mit potentialfreiem Gate auf aus programmiert werden kann. Die Programmierspannung VPP wird durch die Programmsteuerschaltung und Ladungspumpe 58 an einem zweiten Ausgang geliefert und ist höher als die Versorgungsspannung.
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Der Schalter 50 ist durch einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 50a eines Anreicherungstyps und durch einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 50b eines Anreicherungstyps verwirklicht. Der Transistor 50b ist mit seinem Drain-Source-Kanal zwischen den zweiten Ausgang der Programmsteuerschaltung und Ladungspumpe 58, d. h. die Programmierspannung VPP, und die Zenerdioden 52 bei einem Knoten 60 geschaltet. Der Transistor 50a ist mit seinem Drain-Source-Kanal zwischen Masse und den Knoten 60 geschaltet.
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Der Transistor 50b ist mit seinem Gate mit einem dritten Ausgang der Programmsteuerschaltung und Ladungspumpe 58 verbunden. Ein von dem dritten Ausgang der Programmsteuerschaltung 58 ausgegebenes hohes digitales Signal schaltet den Transistor 50b in einen Aus-Zustand, d. h., der Knoten 60 wird von der Programmierspannung VPP getrennt. Ein tiefes digitales Signal schaltet den Transistor 50b in einen Ein-Zustand, sodass der Knoten 60 mit der Programmierspannung VPP verbunden wird und der Transistor 32 mit potentialfreiem Gate auf ein programmiert werden kann.
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Der Transistor 50a ist mit seinem Gate mit einem vierten Ausgang der Programmsteuerschaltung und Ladungspumpe 58 verbunden. Ein von dem vierten Ausgang der Programmsteuerschaltung 58 ausgegebenes hohes digitales Signal schaltet den Transistor 50a in einen Ein-Zustand, d. h., der Knoten 60 wird mit Masse verbunden und der Transistor 32 mit potentialfreiem Gate kann auf aus programmiert werden. Ein tiefes digitales Signal schaltet den Transistor 50a in einen Aus-Zustand, d. h. der Knoten 60 wird von Masse getrennt und der Transistor 32 mit potentialfreiem Gate kann auf aus programmiert werden.
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Obwohl die Erfindung oben mit Bezug auf eine spezifische Ausführungsform beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, wobei dem Fachmann auf dem Gebiet zweifellos weitere Alternativen, die im Umfang der wie beanspruchten Erfindung liegen, einfallen.
