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Technisches Gebiet
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Das vorliegende Dokument betrifft Regler, insbesondere Low-Dropout(LDO)-Regler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument Regler mit einer schnellen Wiederherstellung in Bezug auf eine Überspannungsbedingung.
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Hintergrund
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In LDOs, insbesondere in LDOs, die einen Mehrstufenverstärker mit relativ hoher Verstärkung als einen Fehlerverstärker einsetzen und eine Miller-Kompensation verwenden, kann eine relativ langsame Wiederherstellung von einer Überspannungsbedingung auftreten aufgrund einer Betriebspunktstörung nach einer Lasttransiente oder nach einer anderen Erregung, die eine Rückkopplungsspannungsabweichung von einem Normalbetrieb verursacht. Wenn der LDO vor einer vollständigen Wiederherstellung der internen Knoten des LDOs gestört wird (zum Beispiel durch eine Laststromanforderung), können relativ hohe Spannungseinbrüche an seinem Ausgang beobachtet werden, da der LDO nicht in einer Regelung ist. Dies kann zu reduzierten Reglerausgangsspannungspegeln an dem Ausgang des LDOs führen und kann Rücksetzungen in den Schaltungen verursachen, die von dem LDO versorgt werden.
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Derartige Situationen können zum Beispiel für Impulsfolge-ähnliche Lastströme auftreten, die periodisch zwischen einem relativ hohen Laststrom IMAX und einem relativ niedrigen Laststrom oder keinem Laststrom wechseln. Insbesondere können derartige Situationen auftreten, wenn das Zeitintervall zwischen einer Anforderung für einen relativ hohen Laststrom und einer Anforderung für einen relativ niedrigen Laststrom kürzer als die Zeit ist, die für die internen Knoten des LDOs erforderlich ist, um nach einer Überspannungsbedingung zu ihren Sollbetriebspunkten zurückzukehren.
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US 2014 / 0 375 289 A1 beschreibt eine Klemmschaltung bei Vorliegen von Unterspannungs- bzw. von Überspannungsbedingungen.
US 2010 / 0 156 362 A1 beschreibt eine Klemmschaltung bei Vorliegen von Unterspannungsbedingungen.
US 2015 / 0 177 752 A1 ,
US 2014 / 0 253 068 A1 ,
DE 33 41 345 A1 und
DE 37 23 579 C1 beschreiben Spannungsregler.
US 2009 / 0 201 618 A1 und
US 2004 / 0 004 466 A1 beschreiben Spannungsversorgungen.
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Das vorliegende Dokument adressiert das technische Problem eines Vorsehens einer Reglerschaltung, die eine schnelle und stabile Wiederherstellung in Bezug auf eine Überspannungsbedingung zeigt.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt wird ein Regler beschrieben. Der Regler wird zum Vorsehen eines Laststroms bei einer Reglerausgangsspannung an eine Last an einem Ausgang des Reglers verwendet. Typischerweise ist der Regler konfiguriert zum Regeln der Reglerausgangsspannung in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Referenzspannung, die an einem Eingang einer Differenzeingangsstufe des Reglers gesetzt ist. Insbesondere kann der Regler einen Low-Dropout(LDO)-Regler aufweisen.
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Der Regler weist eine Differenzeingangsstufe auf, die konfiguriert ist zum Vorsehen einer Differenzausgangsspannung basierend auf einer Referenzspannung und basierend auf der Reglerausgangsspannung. Insbesondere kann die Differenzeingangsstufe konfiguriert sein zum Vorsehen der Differenzausgangsspannung basierend auf einer Differenz zwischen der Referenzspannung und einer Rückkopplungsspannung, die von der Reglerausgangsspannung abgeleitet wird. Die Rückkopplungsspannung kann von der Reglerausgangsspannung unter Verwendung eines Spannungsteilers abgeleitet werden. Somit kann die Rückkopplungsspannung proportional zu der Reglerausgangsspannung sein, wobei der Proportionalitätsfaktor durch das Widerstandsverhältnis des Spannungsteilers definiert werden kann.
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Weiter weist der Regler einen Ausgangstreiber auf, der konfiguriert ist zum Erzeugen eines Steuersignals (zum Beispiel eines Gate-Signals) basierend auf der Differenzausgangsspannung. Zusätzlich weist der Regler einen Durchlasstransistor auf, der konfiguriert ist zum Vorsehen des Laststroms in Abhängigkeit von dem Steuersignal. Der Durchlasstransistor weist typischerweise ein Gate auf und das Steuersignal kann an das Gate des Durchlasstransistors angelegt werden. Insbesondere kann der Durchlasstransistor ein Metall-Oxid-Halbleiter(MOS - metal oxide semiconductor)-Transistor sein, insbesondere ein p-Typ-MOS-Transistor. Durch Ändern eines Spannungspegels des Steuersignals kann der Laststrom durch die Durchlassvorrichtung modifiziert werden, das heißt der Durchlasstransistor kann eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. In dem Fall eines p-Typ-MOS-Transistors führt ein Erhöhen des Steuersignals typischerweise zu einer Verringerung des Laststroms und ein Verringern des Steuersignals führt typischerweise zu einer Erhöhung des Laststroms.
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Der Regler weist weiter eine Klemmschaltung auf, die konfiguriert ist zum Erfassen einer Überspannungsangabe, die angibt, dass der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird. Die Überspannungsangabe kann durch Erfassen des Steuersignals erfasst werden, das an den Durchlasstransistor angelegt wird, wodurch eine schnelle Angabe vorgesehen wird, ob der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird. Wenn bestimmt wird, dass der Regler den Durchlasstransistor (vollständig) ausschaltet, bedeutet dies typischerweise, dass der angeforderte Laststrom signifikant gefallen ist, so dass der Laststrom einen Ausgang (insbesondere einen Ausgangskondensator) des Reglers lädt, wodurch die Reglerausgangsspannung über einen gewünschten Pegel erhöht wird (der durch die Referenzspannung angegeben wird). Somit ist die Tatsache, dass der Durchlasstransistor (vollständig) ausgeschaltet wird, typischerweise eine Angabe einer Überlastsituation an dem Ausgang des Reglers.
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Die Klemmschaltung ist weiter konfiguriert zum Klemmen der Differenzausgangsspannung (an dem Ausgang der Differenzeingangsstufe) auf eine Klemmspannung, wenn die Überspannungsangabe angibt, dass der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird. Durch Klemmen der Differenzausgangsspannung auf eine Klemmspannung kann ein Überschwingen der Differenzausgangsspannung und ein entsprechendes Überschwingen des Steuersignals vermieden werden, wodurch ein vollständiges Ausschalten des Durchlasstransistors vermieden wird. Insbesondere kann dies erreicht werden durch Klemmen der Differenzausgangsspannung, so dass der Regler und insbesondere die verschiedenen Stufen des Reglers relativ nahe an ihren normalen Betriebspunkten gehalten werden. Als Folge davon kann eine schnelle und stabile Wiederherstellung in Bezug auf eine Überspannungsbedingung erreicht werden.
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Typischerweise sollte die Differenzausgangsspannung nahe null sein (was angibt, dass die Rückkopplungsspannung der Referenzspannung entspricht). Somit kann die Klemmspannung relativ nahe null sein. Zum Beispiel kann die Klemmspannung abhängig sein von dem Spannungsabfall einer in Durchlassrichtung vorgespannten (MOS) Diode oder kann diesem entsprechen.
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Die Klemmschaltung kann konfiguriert sein zum Erfassen der Überspannungsangabe durch Bestimmen einer gespiegelten Version des Steuersignals. Auf diese Weise kann die Überspannungsangabe auf eine präzise und zeitnahe Weise bestimmt werden, wodurch eine schnelle Reaktion der Klemmschaltung auf eine Überspannungsbedingung sichergestellt ist.
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Der Durchlasstransistor kann mit einer Eingangsspannung (auch als eine Versorgungsspannung bezeichnet) gekoppelt sein. Der Ausgangstreiber kann einen Hilfstransistor (insbesondere einen p-Typ-MOS-Transistor) und einen unteren Treibertransistor (insbesondere einen n-Typ-MOS-Transistor) aufweisen, die in Serie zwischen der Eingangsspannung und Masse angeordnet sind. Das Steuersignal kann an einem Mittelpunkt zwischen dem Hilfstransistor und dem unteren Treibertransistor vorgesehen werden, wobei dieser Mittelpunkt als ein Steuerungsmittelpunkt bezeichnet werden kann. Eine Spannung, die an ein Gate des unteren Treibertransistors angelegt wird, kann von der Differenzausgangsspannung abhängig sein. Somit kann der Ausgangstreiber das Steuersignal basierend auf der Differenzausgangsspannung erzeugen.
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Der Ausgangstreiber kann weiter einen oberen Treibertransistor aufweisen (insbesondere einen p-Typ-MOS-Transistor), wobei eine Source des oberen Treibertransistors mit der Eingangsspannung gekoppelt sein kann, und wobei ein Drain und ein Gate des oberen Treibertransistors mit dem Steuerungsmittelpunkt gekoppelt sein können. Weiter kann der Regler eine Bias-Stromquelle aufweisen, die konfiguriert ist zum Vorsehen eines Bias-Stroms, und einen Bias-Transistor (zum Beispiel ein p-Typ-MOS-Transistor), der in Serie mit der Bias-Stromquelle zwischen der Eingangsspannung und Masse angeordnet ist. Der Hilfstransistor und der Bias-Transistor können einen Stromspiegel bilden. Die kombinierte Verwendung eines Hilfstransistors und eines oberen Treibertransistors kann zum Setzen eines Betriebspunkts des Durchlasstransistors vorteilhaft sein.
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Die Klemmschaltung kann einen oberen Erfassungstransistor (insbesondere einen p-Typ-MOS-Transistor) und einen unteren Erfassungstransistor (insbesondere einen n-Typ-MOS-Transistor) aufweisen, die in Serie zwischen der Eingangsspannung und Masse angeordnet sind. Gates des unteren Treibertransistors und des unteren Erfassungstransistors können miteinander gekoppelt sein. Weiter können Gates des Hilfstransistors und des oberen Erfassungstransistors miteinander gekoppelt sein. Somit kann eine (skalierte) Version des Ausgangstreibers zum Erfassen der Überspannungsangabe vorgesehen werden. Auf diese Weise kann die Überspannungsangabe an einem Mittelpunkt zwischen dem oberen Erfassungstransistor und dem unteren Erfassungstransistor vorgesehen werden. Die Überspannungsangabe entspricht dabei einer (skalierten) Version des Treibersignals, wodurch eine genaue und sofortige Angabe vorgesehen wird, ob der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird.
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Eine Größe (insbesondere ein Breite-zu-Länge-Verhältnis) des oberen Erfassungstransistors kann größer sein als eine Größe des Hilfstransistors. Weiter kann eine Größe (insbesondere ein Breite-zu-Länge-Verhältnis) des unteren Erfassungstransistors gleich sein zu der Größe des unteren Treibertransistors. Durch Auswahl des oberen Erfassungstransistors größer als der Hilfstransistor kann sichergestellt werden, dass die Überspannungsangabe vor einem vollständigen Ausschalten des Durchlasstransistors gesetzt wird, wodurch eine frühe Aktivierung eines Klemmens sichergestellt wird und eine schnelle Wiederherstellung in Bezug auf eine Überspannungsbedingung ermöglicht wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Klemmschaltung einen Komparatortransistor (insbesondere einen p-Typ-MOS-Transistor) und eine Referenzstromquelle aufweisen, wobei die Referenzstromquelle konfiguriert ist zum Vorsehen eines Referenzstroms. Der Referenzstrom kann abgestimmt werden, um das Steuersignal zu definieren, bei dem die Überspannungsangabe eingestellt wird (um anzugeben, dass der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird). Der Komparatortransistor und die Referenzstromquelle sind in Serie zwischen dem Steuer-Mittelpunkt und Masse angeordnet. Ein Gate des Komparatortransistors ist mit einer Offset-Version der Eingangsspannung gekoppelt. Die Offset-Version der Eingangsspannung kann unter Verwendung einer oder mehrerer Diode(n) erzeugt werden, die auf eine in Durchlassrichtung vorgespannte Weise zwischen der Eingangsspannung und dem Gate des Komparatortransistors angeordnet sind. Die Überspannungsangabe kann an einem Mittelpunkt zwischen dem Komparatortransistor und der Referenzstromquelle vorgesehen werden.
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Die Klemmschaltung kann eine Klemmdiode aufweisen, die gesetzt oder ausgebildet ist zum Koppeln eines Ausgangs der Differenzeingangsstufe mit Masse, wenn die Überspannungsangabe angibt, dass der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird. Die Klemmspannung kann dann von einem Diodenspannungsabfall an der Klemmdiode abhängig sein oder diesem entsprechen. Somit kann sichergestellt werden, dass die Differenzausgangsspannung nahe an ihrem normalen Betriebspunkt bleibt (auch in dem Fall einer Überspannungsbedingung).
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Die Überspannungsangabe kann einen niedrigen Pegel und einen hohen Pegel haben. Ein hoher Pegel kann angeben, dass der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird. Andererseits kann ein niedriger Pegel angeben, dass kein Klemmen der Differenzausgangsspannung auftreten sollte (derart, dass die Regelschleife des Reglers nicht gestört wird).
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Die Klemmdiode kann einen Klemmtransistor aufweisen (insbesondere einen n-Typ-MOS-Transistor). Ein Gate des Klemmtransistors kann mit dem Ausgang der Differenzeingangsstufe gekoppelt sein und eine Source des Klemmtransistors kann mit Masse gekoppelt sein. Die Klemmschaltung kann konfiguriert sein zum Koppeln oder Entkoppeln eines Drains des Klemmtransistors mit oder von dem Gate des Klemmtransistors in Abhängigkeit von dem Pegel der Überspannungsangabe. Auf diese Weise kann das Klemmen der Klemmspannung auf eine effiziente Weise aktiviert oder deaktiviert werden. Die Klemmspannung ist in diesem Fall von der Gate-Source-Spannung des Klemmtransistors abhängig oder entspricht dieser.
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Die Klemmschaltung kann einen ersten Transistor (insbesondere einen n-Typ-MOS-Transistor) und einen zweiten Transistor (insbesondere einen n-Typ-MOS-Transistor) aufweisen. Ein Drain des ersten Transistors kann mit einem Knoten gekoppelt sein, an dem die Überspannungsangabe vorgesehen wird (zum Beispiel an den Mittelpunkt zwischen dem oberen Erfassungstransistor und dem unteren Erfassungstransistor oder an den Mittelpunkt zwischen dem Komparatortransistor und der Referenzstromquelle). Ein Drain des zweiten Transistors kann mit dem Ausgang der Differenzeingangsstufe gekoppelt sein. Weiter können Gates des ersten Transistors und des zweiten Transistors miteinander gekoppelt sein. Das Gate des ersten Transistors kann mit dem Drain des ersten Transistors gekoppelt sein, eine Source des ersten Transistors kann mit Masse gekoppelt sein und eine Source des zweiten Transistors kann mit dem Drain des Klemmtransistors gekoppelt sein. Somit kann ein Klemmen auf eine effiziente und genaue Weise aktiviert oder deaktiviert werden.
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Der Regler weist typischerweise eine Zwischenverstärkungsstufe auf, die mit einem Ausgang der Differenzeingangsstufe gekoppelt ist und die konfiguriert ist zum Erzeugen einer Zwischenspannung basierend auf der Differenzausgangsspannung. Der Ausgangstreiber kann konfiguriert sein zum Erzeugen des Steuersignals basierend auf der Zwischenspannung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Vorsehen eines Laststroms bei einer Reglerausgangsspannung an eine Last beschrieben. Das Verfahren weist ein Vorsehen einer Differenzausgangsspannung basierend auf einer Differenz zwischen einer Referenzspannung und einer Rückkopplungsspannung auf, wobei die Rückkopplungsspannung von der Reglerausgangsspannung abgeleitet wird. Weiter weist das Verfahren ein Erzeugen eines Steuersignals basierend auf der Differenzausgangsspannung und Vorsehen des Laststroms in Abhängigkeit von dem Steuersignal unter Verwendung eines Durchlasstransistors auf. Zusätzlich weist das Verfahren auf ein Erfassen einer Überspannungsangabe, die angibt, dass der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird, und Klemmen der Differenzausgangsspannung auf eine Klemmspannung, wenn die Überspannungsangabe angibt, dass der Durchlasstransistor ausgeschaltet wird.
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In dem vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, entweder direkt, zum Beispiel über Leitungen, oder in anderer Weise verbunden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
- 1a ein beispielhaftes Blockdiagramm eines LDO-Reglers zeigt;
- 1b ein beispielhaftes Blockdiagramm eines LDO-Reglers mit Miller-Kompensation zeigt;
- 1c beispielhafte Messsignale an einem LDO-Regler zeigt;
- 2 ein Blockdiagramm eines beispielhaften LDO-Reglers mit Klemmschaltung zeigt;
- 3 ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften LDO-Reglers mit einer Klemmschaltung zeigt;
- 4 ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften LDO-Reglers mit einer modifizierten Klemmschaltung zeigt;
- 5 beispielhafte Messsignale an einem LDO-Regler mit und ohne Klemmschaltung zeigt; und
- 6 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Reduzieren der Wiederherstellungszeit eines Reglers in Bezug auf eine Überspannungssituation zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie oben dargelegt, können Spannungsregler relativ lange Wiederherstellungszeiten in Bezug auf eine Überspannungsbedingung zeigen. Das vorliegende Dokument behandelt das technische Problem eines Reduzierens der Wiederherstellungszeiten derartiger Regler in Bezug auf eine Überspannungsbedingung.
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Ein typischer LDO-Regler 100 wird in 1a dargestellt. Der LDO-Regler 100-weist eine Ausgangsverstärkungsstufe 103 an dem Ausgang und eine Differenzverstärkungsstufe oder Differenzeingangsstufe 101 (auch als Fehlerverstärker bezeichnet) an dem Eingang auf. Ein erster Eingang (fb) 107 der Differenzeingangsstufe 101 empfängt einen Bruchteil der Ausgangsspannung Vout, die durch den Spannungsteiler 104 bestimmt wird, der die Widerstände R0 und R1 aufweist. Der zweite Eingang (ref) der Differenzeingangsstufe 101 ist eine stabile Spannungsreferenz Vref 108 (auch als die Bandlückenreferenz oder Referenzspannung bezeichnet). Wenn sich die Reglerausgangsspannung Vout relativ zu der Referenzspannung Vref ändert, ändert sich die Treiberspannung (auch als Gate-Signal bezeichnet) an den Durchlasstransistor der Ausgangsverstärkungsstufe durch einen Rückkopplungsmechanismus, der als Hauptrückkopplungsschleife bezeichnet wird, um eine konstante Reglerausgangsspannung Vout beizubehalten.
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Der LDO-Regler 100 von 1a weist weiter eine zusätzliche Zwischenverstärkungsstufe 102 auf, die konfiguriert ist zum Verstärken der Differenzausgangsspannung der Differenzeingangsstufe 101. Somit kann eine Zwischenverstärkungsstufe 102 verwendet werden zum Vorsehen einer zusätzlichen Verstärkung in dem Verstärkungspfad. Weiter kann die Zwischenverstärkungsstufe 102 eine Phasenumkehr vorsehen.
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Zusätzlich kann der LDO-Regler 100 eine Ausgangskapazität Cout (auch als Ausgangskondensator oder Stabilisierungskondensator oder Bypass-Kondensator bezeichnet) 105 parallel zu der Last 106 aufweisen. Der Ausgangskondensator 105 wird zur Stabilisierung der Reglerausgangsspannung Vout in Bezug auf eine Änderung der Last 106 verwendet, insbesondere in Bezug auf eine Änderung des Laststroms lload.
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1b zeigt weitere Details eines LDO-Reglers 100. Die Ausgangsstufe 103 weist typischerweise einen Durchlasstransistor 111 auf, der konfiguriert ist zum Vorsehen des Laststroms 116 bei der Reglerausgangsspannung 115 an die Last 106. Der Durchlasstransistor 111 ist mit der Eingangsspannung oder Versorgungsspannung 117 gekoppelt. Der Durchlasstransistor 111 wird über ein Steuersignal (zum Beispiel ein Gate-Signal oder eine Gate-Spannung) 112 gesteuert, wobei das Steuersignal durch einen Ausgangstreiber 110 erzeugt wird.
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Der LDO-Regler 100 von 1b weist weiter einen Miller-Kondensator 113 auf, der eine Rückkopplung von dem Ausgang (d.h. dem Drain) des Durchlasstransistors 111 an den Ausgang der Differenzeingangsstufe 101 vorsieht. Eine Rückkopplung wird über den Miller-Kondensator 113 insbesondere dann vorgesehen, wenn Änderungen an der Reglerausgangsspannung 115 auftreten, wodurch die Differenzausgangsspannung 114 der Differenzeingangsstufe 101 beeinflusst wird.
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1c zeigt beispielhafte Messsignale an dem LDO-Regler 100 von 1b in Bezug auf eine Überspannungsbedingung. Insbesondere zeigt 1c eine beispielhafte Kurve des Laststroms 116, der Reglerausgangsspannung 115 und der Differenzausgangsspannung 114. Es ist zu sehen, dass, in Bezug auf eine Erhöhung des Laststroms, die Reglerausgangsspannung 115 eine relativ kleine Abnahme unter die Sollspannung 135 (die von der Referenzspannung 108 abhängig ist) zeigen kann. Darüber hinaus ist zu sehen, dass, in Bezug auf eine Reduzierung des Laststroms 116 (während des Zeitintervalls 121), die Reglerausgangsspannung 115 eine Spitze zeigt. Eine solche Situation kann als eine Überspannungsbedingung bezeichnet werden.
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Wie aus 1c zu sehen ist, beginnt die Differenzausgangsspannung 114 nach einem Entfernen einer Last zu steigen. Dies ist typischerweise aufgrund der relativ geringen Bandbreite des LDO-Reglers 100. Es dauert ein gewisses Zeitintervall 121, bis sich der Strom durch den Durchlasstransistor 111 von IMAX zu 0 ändert, und während dieses Zeitintervalls 121 wird der Ausgangskondensator 105 mit dem Strom durch den Durchlasstransistor 111 geladen. Dies führt zu der Erhöhung der Reglerausgangsspannung 115. Da die Reglerausgangsspannung 115 über der Sollspannung 135 ist, ist die Differenzausgangsspannung 114 während der Zeitintervalle 121 und 122 über Null. Dies führt zu einer verringerten Ausgangsspannung der zweiten Stufe (als die Zwischenspannung bezeichnet) und einem erhöhten Ausgang der dritten Stufe (d.h. zu einer Erhöhung der Reglerausgangsspannung 115) während des Zeitintervalls 122. Die Ausgänge der zweiten/dritten Stufe können abnehmen/zunehmen, bis die Ausgänge an Masse beziehungsweise an der Versorgungsspannung 117 gesättigt sind, es sei denn, eine andere Anregung trifft ein. Die Reglerausgangsspannung 115 des LDO-Reglers 100 nimmt während des Zeitintervalls 122 ab, da der Durchlasstransistor 111 vollständig ausgeschaltet ist und da der Laststrom (insbesondere der Strom durch den Widerstandsteiler 104) langsam den Ausgangskondensator 105 entlädt.
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Die Differenzausgangsspannung 114 zeigt typischerweise einen relativ langsamen Anstieg aufgrund einer relativ niedrigen Stromfähigkeit der Differenzeingangsstufe 101 und aufgrund eines relativ großen Miller-Kondensators 113. Sobald die Last 106 vollständig entfernt ist, ist der einzige Entladungspfad für den Ausgangskondensator 105 während der Zeitintervalle 122, 123 über den Widerstandsteiler 104. An dem Ende des Zeitintervalls 122 erreicht die Reglerausgangsspannung 115 die Sollspannung 135, wodurch veranlasst wird, dass die Differenzausgangsspannung 114 entladen wird. Dies kann als das Ende der Überspannungsbedingung angesehen werden. Jedoch kann aufgrund der relativ geringen Stromfähigkeit der Differenzeingangsstufe 101 und aufgrund eines relativ großen Miller-Kondensators 113 die Entladung der Differenzausgangsspannung 114 ein relativ langes Zeitintervall 123 erfordern. Die Ausgänge der zweiten Stufe und der dritten Stufe sind typischerweise noch bei Minimum/Maximum an dem Ende des Zeitintervalls 122 geklemmt.
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Wenn eine andere Lastanforderung vor dem Ende des Zeitintervalls 123 auftritt, sind alle internen Knoten des LDO-Reglers 101 typischerweise immer noch relativ weit entfernt von ihren Betriebspunkten. Insbesondere ist der Durchlasstransistor 111 vollständig ausgeschaltet. Als Ergebnis kann ein Laststrom 116, der von dem LDO-Regler 100 angefordert wird, nur von dem Ausgangskondensator 105 vorgesehen werden, was zu einem relativ großen Einbruch der Reglerausgangsspannung 115 bis zu einem Zeitpunkt führt, an dem der Durchlasstransistor 111 zurück in seinen ursprünglichen Betriebspunkt geht.
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Eine solche Situation kann vermieden werden durch ein Verhindern, dass die Differenzausgangsspannung 114 in Bezug auf eine Überspannungsbedingung wesentlich ansteigt. Eine Zunahme der Differenzausgangsspannung 114 kann verhindert werden durch Klemmen des Ausgangsknotens der Differenzeingangsstufe 101 auf eine Spannung, die nur geringfügig höher ist (zum Beispiel 5-10% oder -10 mV höher) als die durch eine geschlossene Schleife geregelte Betriebsspannung dieses Ausgangsknotens.
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3 zeigt einen beispielhaften LDO-Regler 100 mit einer Klemmschaltung 201, 202, 203. Die Klemmschaltung 201, 202, 203 weist eine Klemmsteuerschaltung 201, 203 auf, die konfiguriert ist zum Erfassen einer Überspannungsbedingung der Ausgangsspannung 115 und die konfiguriert ist zum Auslösen einer Klemmeinheit 202 zum Klemmen der Differenzausgangsspannung 114 auf einen bestimmten Spannungspegel (hier als die Klemmspannung bezeichnet). Die Klemmeinheit 202 wird in 2 als eine Klemmdiode dargestellt, die einen Diodenspannungsabfall zeigt, der der Klemmspannung entspricht.
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3 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften LDO-Reglers 100 mit einer Klemmschaltung 201, 202, 203. Die zweite Verstärkungsstufe 102 kann einen oberen Transistor 321 der zweiten Stufe und einen unteren Transistor 322 der zweiten Stufe aufweisen, die in Serie zwischen der Eingangsspannung 117 und Masse angeordnet sind. Der obere Transistor 321 der zweiten Stufe bildet einen Stromspiegel mit einem Bias-Transistor 302, wodurch ein Bias-Strom von einer Bias-Stromquelle 301 zu dem oberen Transistor 321 der zweiten Stufe kopiert wird (wodurch der Komparatorstrom 353 der zweiten Stufe vorgesehen wird). Die Differenzausgangsspannung 114 der Differenzeingangsstufe 101 wird an das Gate des unteren Transistors 322 der zweiten Stufe angelegt. Eine Erhöhung des Differenzausgangsspannung 114 führt zu einer Zunahme des Stroms durch den unteren Transistor 322 der zweiten Stufe, wodurch der Mittelpunkt zwischen dem oberen Transistor 321 der zweiten Stufe und dem unteren Transistor 322 der zweiten Stufe nach unten gezogen wird (sobald der Strom durch den unteren Transistor 322 der zweiten Stufe den Komparatorstrom der zweiten Stufe übersteigt), d.h. wodurch die Ausgangsspannung 354 der zweiten Stufe 102 reduziert wird.
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Auf eine ähnliche Weise weist die dritte Stufe 103 einen oberen Transistor 331 der dritten Stufe und einen unteren Transistor 332 der dritten Stufe auf, die in Serie zwischen der Eingangsspannung 117 und Masse angeordnet sind. Die Ausgangsspannung 354 der zweiten Stufe 102 wird an das Gate des unteren Transistors 332 der dritten Stufe angelegt. Eine Abnahme der Ausgangsspannung 354 der zweiten Stufe 102 führt zu einem Anstieg des Gate-Signals 112, das an das Gate des Durchlasstransistors 111 angelegt wird (der einen p-Typ-Metalloxid-Halbleiter(MOS)-Transistor aufweist), wodurch der Durchlasstransistor 111 geschlossen wird. Das Gate-Signal 112 kann unter Verwendung eines Hilfstransistors 303 vorgespannt werden.
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Die Klemmschaltung 201, 202, 203 weist eine Erfassungseinheit 203 auf, die konfiguriert ist zum Erfassen einer Überspannungsbedingung. Insbesondere ist die Erfassungseinheit 203 konfiguriert zum Erfassen einer Situation, wenn der Durchlasstransistor 111 vollständig ausgeschaltet wird, aufgrund einer Zunahme des Gate-Signals 112. In dem dargestellten Beispiel weist die Erfassungseinheit 203 einen oberen Erfassungstransistor 341 und einen unteren Erfassungstransistor 342 auf, die in Serie zwischen der Eingangsspannung 117 und Masse angeordnet sind. Die Ausgangsspannung 354 der zweiten Stufe 102 wird an das Gate des unteren Erfassungstransistors 342 angelegt (wie es der Fall ist für den unteren Transistor 332 der dritten Stufe). Weiter bildet der obere Erfassungstransistor 341 einen Stromspiegel mit dem Bias-Transistor 302, wie es der Fall ist für den Hilfstransistor 303, der in Serie mit dem unteren Transistor 332 der dritten Stufe zwischen der Eingangsspannung 117 und Masse angeordnet ist). Somit wird ein Erfassungskomparatorstrom 351 an dem oberen Erfassungstransistor 341 vorgesehen, wobei der Erfassungskomparatorstrom 351 mit einem Strom durch den unteren Erfassungstransistor 342 verglichen wird, der in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung 354 der zweiten Stufe 102 variiert (wie es der Fall ist für den Strom durch den unteren Transistor 332 der dritten Stufe).
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Daher kann der Spannungspegel an dem Mittelpunkt zwischen dem oberen Erfassungstransistor 341 und dem unteren Erfassungstransistor 342 (der als der Erfassungsmittelpunkt 355 bezeichnet wird) als eine Angabe darüber verwendet werden, ob der Durchlasstransistor 111 ausgeschaltet wird oder nicht.
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Der obere Erfassungstransistor 341 und der Hilfstransistor 303 können derart ausgebildet sein, dass der Erfassungskomparatorstrom 351 ein Klemmen der Differenzausgangsspannung 114 vor einem Zeitpunkt auslöst, an dem der Durchlasstransistor 111 vollständig ausgeschaltet ist. Dies kann erreicht werden durch Auswählen des oberen Erfassungstransistors 341, ein größeres Breite-zu-Länge-Verhältnis (zum Beispiel um einen Faktor 2) im Vergleich zu dem Hilfstransistor 303 zu haben. Der untere Transistor 332 der dritten Stufe und der untere Erfassungstransistor 342 können ausgewählt werden, dasselbe Breite-zu-Länge-Verhältnis zu haben.
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Die Klemmschaltung 201, 202, 203 weist weiter eine Auslöseeinheit 201 auf, die konfiguriert ist zum Auslösen der Klemmeinheit 202 zum Klemmen der Differenzausgangsspannung 114 auf eine Klemmspannung in Abhängigkeit von dem Spannungspegel an dem Erfassungsmittelpunkt 355. In dem dargestellten Beispiel weist die Auslöseeinheit 201 die ersten und zweiten Transistoren 343, 344 auf, die den Klemmtransistor 352 auf „ein“ auslösen, wenn der Spannungspegel an dem Erfassungsmittelpunkt 355 über einer vorgegebenen Stromschwelle ist. Als Folge davon wird die Differenzausgangsspannung 114 auf die Gate-Source-Spannung 352 des Klemmtransistors 345 geklemmt. Ansonsten hält die Auslöseeinheit 201 den Klemmtransistor 345 in einem ausgeschalteten Zustand derart, dass die Klemmschaltung 201, 202, 203 keinen Einfluss auf die Differenzausgangsspannung 114 hat.
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In anderen Worten, die Schaltung, die den Mittelpunkt zwischen dem oberen Erfassungstransistor 341 und dem unteren Erfassungstransistor 342 (d.h. der Erfassungsmittelpunkt 355), den unteren Erfassungstransistor 342, den Klemmtransistor 345 sowie die ersten und zweiten Transistoren 343, 344 aufweist, wirkt wie ein Bremsmechanismus an Zeitpunkten, an denen die Differenzausgangsspannung 114 aufgrund eines Ungleichgewichts an dem Eingang des Differenzpaares der Differenzeingangsstufe 101 ansteigt. Als eine Folge des Bremsmechanismus kann die Differenzausgangsspannung 114 nur zunehmen, bis der Strom, der durch den unteren Erfassungstransistor 342 erfasst wird, den Strom Icomp 351 durch den oberen Erfassungstransistor 341 erreicht, wobei Icomp durch die Bias-Stromquelle 301 und das Spiegelverhältnis des Stromspiegels gesetzt wird, der durch die Transistoren 302, 341 gebildet wird.
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Sobald der Strom durch den unteren Erfassungstransistor 342 Icomp 351 erreicht, wird die Zunahme der Differenzausgangsspannung 114 gestoppt. Aufgrund der relativ hohen Verstärkung dieser Rückkopplungsschleife ist die Genauigkeit des Klemmens relativ hoch, und die Klemmspannung kann nahe an dem Betriebspunkt eines Normalbetriebs gesetzt werden.
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In dem dargestellten Beispiel weist die dritte Stufe 103 den Diode-verbundenen PMOS-Transistor 331 und den Hilfstransistor 303 auf, der als eine zusätzliche Stromquelle wirkt und ein Vorspannen der dritten Stufe 103 bei einer Bedingung ohne Last unterstützt. Ohne den Hilfstransistor 303 würde die dritte Stufe 103 keinen Strom zeigen, der bei einer Bedingung ohne Last fließt. Dies könnte eine Instabilität und Genauigkeitsprobleme bei einer Bedingung ohne Last verursachen.
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In dem Fall eines Überspannungsereignisses nimmt die Differenzausgangsspannung 114 zu und die Ausgangsspannung 354 der zweiten Stufe 102 nimmt ab, wodurch die Gate-Spannung 112 für den Durchlasstransistor 111 zunimmt, um sicherzustellen, dass kein Strom in den Ausgang des LDO-Reglers 100 durch den Durchlasstransistor 111 zugeführt wird. In einer derartigen Situation ist der einzige Strom durch den unteren Transistor 332 der dritten Stufe aufgrund des Stroms, der durch den Hilfstransistor 303 vorgesehen wird.
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Sobald jedoch die Ausgangsspannung 354 der zweiten Stufe 102 unter einen bestimmten Pegel fällt, fällt der Strom durch den Hilfstransistor 303 unter seinen normalen Betriebswert. Der Erfassungskomparatorstrom Icomp 351 kann eine Replik des Stroms durch den Hilfstransistor 303 sein. Der obere Erfassungstransistor 341 und der Hilfstransistor 303 können derart ausgebildet sein, dass, wenn der Strom durch den Hilfstransistor 303 unter einen bestimmten Pegel fällt, die Gates der ersten und zweiten Transistoren 343, 344 hoch sind, wodurch der Klemmtransistor 344 eingeschaltet wird und wodurch die Differenzausgangsspannung 114 auf die VGS des Klemmtransistors 345 geklemmt wird. Diese Klemmspannung stellt den stabilen Betriebspunkt während einer Überspannungssituation dar.
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Wie oben angegeben, kann die Größe des unteren Erfassungstransistors 342 dieselbe sein wie die Größe des unteren Transistors 332 der dritten Stufe. Die Größe des oberen Erfassungstransistors 341 kann K mal höher als die Größe des Hilfstransistors 303 sein, mit K > 1.
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Bei einer Überspannungsbedingung ist der Strom an dem Gate des Durchlasstransistors 111 nahe null. Der Strom durch den Hilfstransistor 303 und durch den unteren Transistor 332 der dritten Stufe beginnt geringer zu werden und der Strom durch diesen Zweig wird durch den unteren Erfassungstransistor 342 erfasst. Sobald der Strom durch den unteren Erfassungstransistor 342 geringer wird als der Strom durch den unteren Transistor 332 der dritten Stufe, kann ein Klemmen aktiviert werden. Aufgrund einer Schleife von dem Ausgang der Differenzeingangsstufe 101 zu dem Erfassungsmittelpunkt 355 (über die Zwischenstufe 102 und/oder über die Treiberstufe 203) und zurück zu dem Ausgang der Differenzeingangsstufe 101 (über die ersten und zweiten Transistoren 343, 344), stoppt der Strom durch den unteren Transistor 332 der dritten Stufe an dem Strom durch den oberen Erfassungstransistor 341, indem die Differenzausgangsspannung 114 nicht weiter ansteigen darf. Die Verstärkung dieser Schleife beeinflusst (zum Beispiel bestimmt) die Klemmspannung. Insbesondere bestimmt die Schleife die Gate-Source-Spannung 352 des Klemmtransistors 345 oder setzt diese, wodurch die Spannung gesetzt wird, auf die der Ausgang der Differenzeingangsstufe 101 geklemmt wird.
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4 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften LDO-Reglers 100 mit einem anderen Typ einer Klemmschaltung 201, 202, 203. Insbesondere wird ein anderer Typ einer Erfassungseinheit 203 zum Erzeugen der Überspannungsangabe an einem Erfassungsmittelpunkt 355 verwendet. Die Erfassungsschaltung 203 verwendet Dioden 441, wobei der Diodenspannungsabfall der Schwellenspannung des Durchlasstransistors 111 entsprechen kann. Die Erfassungseinheit 203 weist weiter einen Komparatortransistor 444 auf, der in Serie mit einer Stromquelle 442 zwischen der Gate-Spannung 112 des Durchlasstransistors 111 und Masse angeordnet ist. Die Stromquelle 442 liefert einen Referenz- oder Komparatorstrom Icomp 351. Das Gate des Komparatortransistors 444 ist mit dem Mittelpunkt zwischen den zwei Dioden 441 und einer weiteren Stromquelle 443 verbunden.
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In Bezug auf eine Überspannungssituation nimmt die Gate-Spannung 112 zu, wodurch der Strom durch den Komparatortransistor 444 zunimmt. Sobald dieser Strom über Icomp 351 ist, wird der Erfassungsmittelpunkt 355 zwischen dem Komparatortransistor 444 und der Stromquelle 442 hoch und ein Klemmen wird ausgelöst. In anderen Worten, während eines Überspannungsereignisses, wird die Gate-Spannung 112 durch die Regelschleife des Reglers 100 erhöht, um sicherzustellen, dass der Durchlasstransistor 111 ausgeschaltet ist und dass der Ausgang des Reglers 100 durch die Last 106 entladen werden kann. Ein Klemmsteuerausgang, d.h. die Gates der ersten und zweiten Transistoren 344, 343, ist nur hoch, wenn die Gate-Spannung 112 hoch genug ist, so dass ein Strom, der durch den Komparatortransistor 444 fließt, höher ist als Icomp 351. In einem Normalbetrieb, wenn die Gate-Spannung 112 relativ gering ist, fließt kein Strom durch die Klemmsteuerung, wodurch die Gates der ersten und zweiten Transistoren 344, 343 niedrig gehalten werden.
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5 zeigt beispielhafte Versuchsergebnisse mit und ohne einem Klemmen. Der Laststrom zeigt eine Zunahme auf IMAX an dem Zeitpunkt 501, einen Rückgang auf OA an dem Zeitpunkt 502 und eine erneute Zunahme auf IMAX an dem Zeitpunkt 503. In dem Fall eines Klemmens wird die Differenzausgangsspannung 114 geklemmt (siehe Kurve 521), während die Differenzausgangsspannung 114 wesentlich zunimmt, wenn kein Klemmen verwendet wird (siehe Kurve 522). Als Ergebnis eines Klemmens kann ein Abfall der Reglerausgangsspannung 115 reduziert werden (Kurve 511) im Vergleich zu einem Fall ohne Klemmen (Kurve 512). In anderen Worten, wenn die Differenzausgangsspannung 114 auf einen Wert nahe des normalen Betriebspunkts unter Verwendung der Klemmschaltung 201, 202, 203 geklemmt wird, führt eine Ausgangslastanforderung nach einem Überspannungsereignis zu Abfällen bei der Reglerausgangsspannung 114, die relativ klein sind (vergleichbar mit transienten Lastreaktionen bei normalem Betrieb).
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zum Vorsehen eines Laststroms 116 bei einer Reglerausgangsspannung 115 an eine Last 106. Das Verfahren 600 weist auf ein Vorsehen 601 einer Differenzausgangsspannung 114 basierend auf einer Differenz zwischen einer Referenzspannung 108 und einer Rückkopplungsspannung 107, die von der Reglerausgangsspannung 115 abgeleitet ist. Typischerweise ist die Rückkopplungsspannung 107 proportional zu der Reglerausgangsspannung 115. Weiter weist das Verfahren 600 ein Erzeugen 602 eines Gate-Signals 112 basierend auf der Differenzausgangsspannung 114 auf (typischerweise unter Verwendung eines Ausgangstreibers 110). Zusätzlich weist das Verfahren 600 ein Vorsehen 603 des Laststroms 116 in Abhängigkeit von dem Gate-Signal 112 unter Verwendung eines Durchlasstransistors 111 auf.
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Das Verfahren 600 weist weiter ein Erfassen 604 einer Überspannungsangabe auf, die angibt, dass der Durchlasstransistor 111 ausgeschaltet wird. Weiter weist das Verfahren 600 ein Klemmen 605 der Differenzausgangsspannung 114 auf eine Klemmspannung 352 auf, wenn die Überspannungsangabe angibt, dass der Durchlasstransistor 111 ausgeschaltet wird.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme darstellen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang aufgenommen sind. Weiter sollen alle Beispiele und Ausführungsbeispiele, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt werden, hauptsächlich ausdrücklich nur zu Erläuterungszwecken vorgesehen sein, um dem Leser bei einem Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Weiter sollen alle Aussagen hierin, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, deren Äquivalente umfassen.
