DE112020002140T5

DE112020002140T5 - Elektronische schaltung und sensorsystem

Info

Publication number: DE112020002140T5
Application number: DE112020002140.8T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Nakagawa; Akeo Satoh; Akira Kotabe
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2022-01-13
Also published as: US20220216867A1; JP2020198499A; US12047062B2; WO2020241046A1; JP7403238B2; CN113796009A

Abstract

Es wird eine elektronische Schaltung bereitgestellt, die während der Unterbrechung einer Stromversorgungsleitung einen unterbrochenen Zustand von außen erkennt. Zu diesem Zweck enthält eine elektronische Schaltung: eine Last, die zwischen einer Stromversorgungsleitung und einem Ausgangsanschluss in der elektronischen Schaltung vorgesehen ist; einen Transistor, der zwischen der Last und dem Ausgangsanschluss vorgesehen ist; eine Stromerzeugungsschaltung, die unter Verwendung einer Stromversorgungsspannung an einer Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung Strom erzeugt; und eine Steuerschaltung, die den Transistor unter Verwendung einer Steuerspannung steuert, die sich entsprechend dem von der Stromerzeugungsschaltung erzeugten Strom ändert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung und ein Sensorsystem, und sie bezieht sich zum Beispiel auf eine elektronische Halbleiterschaltung und ein Sensorsystem im Fahrzeug.
Technischer Hintergrund
Eine elektronische Halbleiterschaltung, auf der eine Ausgangsschaltung montiert ist, die ein von einem Sensor oder dergleichen gemessenes Signal ausgibt, wird häufig verwendet. Zum Beispiel wird manchmal die Ausgangsschaltung in einer elektronischen Halbleiterschaltung im Fahrzeug über eine Ausgangsverdrahtung an eine Motorsteuereinheit (ECU) oder dergleichen übertragen. Eine Stromversorgungsleitung ist im Allgemeinen mit der elektronischen Halbleiterschaltung, wie z. B. einem Sensor, verbunden, und die Stromversorgung erfolgt von außen.
PTL 1 offenbart eine herkömmliche Technik in diesem technischen Gebiet. PTL 1 offenbart eine Konfiguration, die darauf abzielt, eine fehlerhafte Erkennung eines Kurzschlusses des Ausgangs zu verhindern, und bei der, wenn sich eine Last in einem offenen Zustand befindet, eine Ausgangsanschlussspannung auf eine Spannung begrenzt wird, die unter Verwendung einer Stromquelle und einer Klemmschaltung erzeugt wird, um eine fehlerhafte Erkennung eines Kurzschlusses zu verhindern.
Zitierliste
Patentliteratur
PTL 1: JP 2016-122965 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
PTL 1 berücksichtigt jedoch nicht den Fall, dass die Stromversorgungsleitung unterbrochen ist.
Wenn die Stromversorgungsleitung unterbrochen wird, ist es notwendig, dass die Unterbrechung auf der ECU-Seite erkannt wird. Genauer gesagt ist es erforderlich, wenn die ECU-Seite über einen Pull-up-Widerstand mit der Stromversorgung verbunden ist, dass eine Ausgangsimpedanz der Ausgangsschaltung während der Unterbrechung der Stromversorgung eine hohe Impedanz annimmt, dass ein Stromzufluss zum Ausgangsanschluss verhindert wird und dass die Ausgangsanschlussspannung eine Spannung annimmt, die im Wesentlichen gleich der Stromversorgungsspannung ist. Da die Ausgangsanschlussspannung auf diese Weise im Wesentlichen gleich der Stromversorgungsspannung wird, kann die ECU-Seite erkennen, dass die Stromversorgungsleitung unterbrochen ist.
Da jedoch während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung ein Strompfad in dem Ausgangsanschluss und der Stromversorgungsleitung in der Ausgangsschaltung vorhanden ist, fließt der Strom manchmal von dem Ausgangsanschluss in die Ausgangsschaltung und die Ausgangsanschlussspannung wird zu einem Zwischenpotential. Um die Unterbrechung der Stromversorgungsleitung auf der ECU-Seite zu erkennen, ist es notwendig, den Stromzufluss und das Zwischenpotential zu unterdrücken, und die Ausgangsimpedanz auf eine hohe Impedanz und die Ausgangsanschlussspannung auf einen hohen Wert einzustellen.
Außerdem verbleibt manchmal, selbst wenn die Stromversorgungsleitung unterbrochen wird, elektrische Ladung in der Stromversorgungsleitung in der Ausgangsschaltung, und die Stromversorgungsspannung fällt nicht auf den Massepegel, oder es dauert manchmal sehr lange, bis die Stromversorgungsspannung abfällt. Da die Stromversorgungsspannung auch dann zum Zwischenpotential wird, wenn die Stromversorgungsleitung unterbrochen ist, ist es schwierig, die Stromversorgungsspannung als Steuerspannung zu verwenden. Selbst wenn also die Stromversorgungsspannung das Zwischenpotential ist, besteht das Problem, dass der Stromzufluss von dem Ausgangsanschluss zur Stromversorgungsleitung in der Ausgangsschaltung und das Zwischenpotential des Ausgangsanschlusses unterdrückt werden müssen, um den hohen Pegel auszugeben.
Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf diese Umstände, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Schaltung und ein Sensorsystem bereitzustellen, die, wenn die Stromversorgungsleitung, die der Halbleiterschaltung zugeführt wird, unterbrochen wird, den Stromzufluss von dem Ausgangsanschluss zur Stromversorgungsleitung in der Ausgangsschaltung und das Zwischenpotential des Ausgangsanschlusses unterdrücken, die Ausgangsimpedanz auf die hohe Impedanz einstellen und die Ausgangsanschlussspannung auf die Spannung einstellen, die im Wesentlichen gleich der Spannung ist, die auf der Seite der externen Schaltung angeschlossen ist.
Lösung des Problems
In Anbetracht des vorstehenden technischen Hintergrunds und der Probleme enthält eine elektronische Schaltung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung: eine Last, die zwischen einer Stromversorgungsleitung und einem Ausgangsanschluss in der elektronischen Schaltung bereitgestellt ist; einen Transistor, der zwischen der Last und dem Ausgangsanschluss bereitgestellt ist; eine Stromerzeugungsschaltung, die Strom unter Verwendung einer Stromversorgungsspannung an einer Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung erzeugt; und eine Steuerschaltung, die den Transistor unter Verwendung einer Steuerspannung steuert, die sich entsprechend dem von der Stromerzeugungsschaltung erzeugten Strom ändert.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung können eine elektronische Schaltung und ein Sensorsystem bereitgestellt werden, die die Genauigkeit der Unterbrechungserkennung verbessern.
Figurenliste

[1] 1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Sensorsystem gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
[2] 2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer herkömmlichen Ausgangsschaltung.
[3] 3 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das die konventionelle Ausgangsschaltung während des Betriebs und während der Unterbrechung einer Stromversorgungsleitung zeigt.
[4] 4 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung der ersten Ausführungsform zeigt.
[5] 5 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das die Ausgangsschaltung während des Betriebs und während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung der ersten Ausführungsform zeigt.
[6] 6 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
[7] 7 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
[8] 8 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
[9] 9 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt.
[10] 10 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Ein Schaltungselement, das jeden Funktionsblock der Ausführungsformen bildet, ist nicht speziell begrenzt, wird aber auf einem Halbleitersubstrat wie Einkristallsilizium durch eine bekannte integrierte Schaltungstechnologie wie einen komplementären MOS-Transistor (CMOS-Transistor) gebildet.
Erste Ausführungsform
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Sensorsystem in 1 ist beispielsweise ein fahrzeuginternes Sensorsystem und umfasst ein Sensorelement 101, eine elektronische Halbleiterschaltung 102 und eine ECU 107.
Das Sensorelement 101 ist ein Element, bei dem sich eine elektrische Eigenschaft in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe ändert und das ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Änderung eines Erfassungsziels ausgibt. Das Sensorelement 101 ist zum Beispiel ein Luftstromsensor oder ein ähnliches Element, das die von einem Motor angesaugte Luftmenge misst, ist aber nicht speziell auf den Luftstromsensor beschränkt. Das heißt, das Sensorelement 101 wandelt die physikalische Größe, wie z. B. eine Luftströmungsrate, eine Temperatur, eine Feuchtigkeit und einen Druck, in das elektrische Signal um und gibt das elektrische Signal aus.
Die elektronische Halbleiterschaltung 102 umfasst eine Stromversorgungsschaltung 103, eine analoge Schaltung 104, einen Prozessor 105 und eine Ausgangsschaltung 106 und enthält zum Beispiel einen einzigen Halbleiterchip. Die elektronische Halbleiterschaltung 102 führt hauptsächlich die Verarbeitung des elektrischen Signals von dem Sensorelement 101 durch und gibt ein Verarbeitungsergebnis als SENT-Signal (Single Edge Nibble Transmission), als Frequenzmodulations-Ausgangssignal oder dergleichen über die Ausgangsschaltung 106 aus. Die Schaltung kann eine Schaltung sein, die eine analoge Signalspannung ausgibt.
Die analoge Schaltung 104 verarbeitet das elektrische Signal von dem Sensorelement 101, z. B. durch Verstärkung, Filterung, Analog-Digital-Wandlung und Digital-Analog-Wandlung. Der Prozessor 105 führt die Verarbeitung digitaler Daten durch, steuert eine Peripherieschaltung und ähnliches. Die Stromversorgungsschaltung 103 erzeugt eine interne Stromversorgung aus einer externen Stromversorgung und verteilt die interne Stromversorgung auf jede Schaltung. Die Ausgangsschaltung 106 empfängt das Verarbeitungsergebnis von der analogen Schaltung 104 oder von dem Prozessor 105 und gibt ein Ausgangssignal (z. B. ein SENT-Signal) VOUT über einen Ausgangsanschluss 112 und eine Ausgangsverdrahtung 109 an die ECU 107 aus. Eine Stromversorgung POWER wird von der ECU 107 oder einer anderen externen Vorrichtung über eine Stromversorgungsleitung 108 und einen Stromversorgungsanschluss 111 zugeführt und über einen Masseanschluss 113 mit Masse GND verbunden. Bezugszeichen 110 bezeichnet eine Masseverdrahtung.
2 ist ein Beispiel für eine herkömmliche Ausgangsschaltung. Eine Ausgangsschaltung 201 umfasst eine Steuerschaltung 202, Lasten 203, 204, den Stromversorgungsanschluss 111 und den Ausgangsanschluss 112. Die Stromversorgungsleitung 108 ist mit dem Stromversorgungsanschluss 111 verbunden, und Strom wird von außen zugeführt, z. B. von der ECU. Eine Ausgangsleitung ist mit dem Ausgangsanschluss 206 verbunden und überträgt das Ausgangssignal an ein externes Steuergerät wie die ECU. Diese Ausgangsleitung ist über einen Pull-up-Widerstand 120 in einer Schnittstellenschaltung der ECU mit einer vorgegebenen Spannung verbunden. Der vorgegebene Pull-up-Widerstand 120 beträgt zum Beispiel 1 kΩ bis einige zehn kΩ. Im Normalbetrieb werden die Lasten 203, 204 von der Steuerschaltung 202 gesteuert, um Daten auszugeben, die ein Sensorsignal oder Ähnliches widerspiegeln.
An dieser Stelle wird die Stromversorgungsleitung 108 manchmal aufgrund von äußerer physischer Gewalt, Alterung oder ähnlichem unterbrochen. 3 zeigt eine Spannungswellenform, wenn die Stromversorgungsleitung aus einem Betriebszustand heraus unterbrochen wird. In 3 zeigt die obere Wellenform die Spannung an dem Stromversorgungsanschluss und die untere Wellenform zeigt die Spannung an dem Ausgangsanschluss. 3 zeigt die Wellenform, wenn die Stromversorgungsleitung zum Zeitpunkt 305 aus dem Betriebszustand heraus unterbrochen wird.
Wenn die Stromversorgungsleitung 108 unterbrochen ist, wird die Ausgangsschaltung 201 nicht mit Strom versorgt. Da die Ausgangsleitung jedoch über den Pull-up-Widerstand 120 an der ECU-Seite an eine vorgegebene Spannung angeschlossen ist, fließt der Strom von dem Ausgangsanschluss zur Stromversorgungsleitung in der Ausgangsschaltung durch die Last, wie in 2 dargestellt. Wenn es sich bei der Last um einen PMOS-FET handelt, fließt Strom manchmal durch eine parasitäre Diode zwischen einem Drain und einem Back-Gate. Der Ausgangswiderstand des Ausgangsanschlusses ist so ausgelegt, dass er etwa einige zehn Ω bis 1 kΩ beträgt, um die Ausgangsleitung anzusteuern oder den Rauschwiderstand zu erhöhen. Da der Widerstand folglich niedriger ist als der des Pull-up-Widerstands, wird die Ausgangsanschlussspannung nicht zu der vorgegebenen Spannung, die hochgezogen wird, sondern zu einem Zwischenpotential (304).
Die elektronische Sensorschaltung muss im Fehlerfall eine Diagnosefunktion aufweisen. Wenn die Stromversorgungsleitung unterbrochen wird, sodass kein Strom an die elektronische Sensorschaltung geliefert wird, muss durch die externe Schaltung erkannt werden, dass die Stromversorgungsleitung unterbrochen wurde. Genauer gesagt kann der Zustand der Unterbrechung erkannt werden, indem das Ausgangssignal auf ein hohes, vom normalen Potential abweichendes Potential gesetzt wird.
Auf der ECU-Seite muss die Ausgangsanschlussspannung, wenn die Stromversorgungsleitung unterbrochen ist, eine bestimmte Spannung sein, um zu erkennen, dass die Stromversorgungsleitung unterbrochen ist. Insbesondere muss der Ausgangswiderstand der Ausgangsschaltung hoch sein, und die Pull-up-Spannung muss im Wesentlichen gleich der Spannung sein, die den Pull-up-Widerstand verbindet. Wenn die Ausgangsanschlussspannung der Pull-up-Spannung entspricht, kann man erkennen, dass sich die Stromversorgungsleitung in dem unterbrochenen Zustand befindet. Wie oben beschrieben, wird die Ausgangsanschlussspannung in der herkömmlichen Schaltung jedoch zu einem Zwischenpotential, und es kann nicht erkannt werden, dass sich die Stromversorgungsleitung in dem unterbrochenen Zustand befindet.
Wenn die Stromversorgungsleitung aus dem Zustand unterbrochen wird, in dem die Sensorschaltung durch die Zufuhr von Strom betrieben wird, wird zudem eine elektrische Ladung in der Stromversorgung der Ausgangsschaltung akkumuliert, wie in 3 dargestellt. Aus diesem Grund sinkt die Spannung in dem Stromversorgungsanschluss von der Stromversorgungsspannung (301) bis zu einem gewissen Grad, aber es dauert eine beträchtliche Zeit, bis sie auf den Massepegel (303) sinkt. Das heißt, die Stromversorgungsanschlussspannung befindet sich auch in einem Zwischenpotentialzustand (302). Da es notwendig ist, dass die ECU-Seite erkennt, dass sich die Stromversorgungsleitung in dem unterbrochenen Zustand befindet, muss die Ausgangsanschlussspannung auf einen hohen Wert ansteigen, ohne auf den Abfall der Stromversorgungsanschlussspannung zu warten. Das heißt, es ist ein Problem, zu erkennen, dass die Stromversorgungsleitung unterbrochen ist, auch wenn die Stromversorgungsanschlussspannung auf dem Zwischenpotential liegt.
4 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung mit einer Ausgangsschaltung in der ersten Ausführungsform zeigt. In 4 umfasst eine elektronische Schaltung 400 eine Last 401, einen Transistor 402, eine Stromerzeugungsschaltung 403, eine Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404, den Stromversorgungsanschluss 111 und den Ausgangsanschluss 112. Die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404 umfasst eine Stromspiegelschaltung mit PMOS-FETs 407, 408, einem Widerstand 409, einem NMOS-FET 410 und einem PMOS-FET 411.
Während des normalen Betriebs erzeugt die Stromerzeugungsschaltung 403 einen Referenzstrom IREF unter Verwendung der Energie von dem Stromversorgungsanschluss 111. Der Referenzstrom wird von der Stromspiegelschaltung gespiegelt und über den Widerstand 409 in eine Spannung umgewandelt. Ein Steuersignal VCTL wird während des Betriebs zu einem hohen Pegel. Da diese Spannung durch den NMOS-FET 410 invertiert wird, wird die Gate-Spannung am Transistor 402 durch ein Signal mit niedrigem Pegel gesteuert, so dass der Transistor 402 eingeschaltet wird. Da außerdem die Gate-Spannung an dem PMOS-FET 411 einen hohen Pegel annimmt, wird der PMOS-FET ausgeschaltet. Dementsprechend wird im Normalbetrieb der Transistor 402 so gesteuert, dass er eingeschaltet ist, die Ausgangsleitung wird von der Last 401 angesteuert, und das Signal wird von dem Ausgangsanschluss 112 ausgegeben.
Nachfolgend wird der Betrieb in dem Fall beschrieben, dass die Stromversorgungsleitung unterbrochen ist. Wenn die Stromversorgungsleitung 108 unterbrochen wird, setzt die elektronische Schaltung den Betrieb für eine bestimmte Zeitspanne durch die Ladung fort, die sich in einer Kapazität auf der Seite der elektronischen Schaltung des unterbrochenen Teils der Stromversorgungsleitung angesammelt hat. In der elektronischen Schaltung sinkt die Stromversorgungsspannung, weil die elektrische Ladung von der Schaltung verbraucht wird, und die Schaltung kann nicht betrieben werden, da die Stromversorgungsspannung sinkt. In der Ausgangsschaltung nimmt der Stromverbrauch schnell ab, wenn der Betrieb der Schaltung eingestellt wird. Insbesondere wird der Betrieb der Schaltung in etwa bei einer Spannung gestoppt, bei der die Stromversorgungsspannung in der elektronischen Schaltung auf in etwa die Schwellenspannung abfällt, die der Anzahl der Stufen entspricht, in denen die Transistoren vertikal gestapelt sind. Wenn der Stromverbrauch sinkt, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Spannung selbst noch weiter sinkt.
Wie oben beschrieben, sinkt der Stromwert eines Referenzstroms IREF, der von der Stromerzeugungsschaltung 403 ausgegeben wird, wenn die Stromversorgungsspannung in der elektronischen Schaltung abfällt, um den Betrieb der Schaltung zu stoppen, und geht gegen Null. Dementsprechend sinkt auch der Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung, der Spannungsabfall am Widerstand 409 nimmt ab, und das Steuersignal VCTL nimmt einen niedrigen Pegel an. Da das Gate-Potenzial des NMOS-FET 410 auf einen niedrigen Pegel fällt, wird die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404 ausgeschaltet. Da außerdem der PMOS-FET 411 eingeschaltet ist, ist die Gate-Spannung am Transistor 402 im Wesentlichen gleich der Ausgangsanschlussspannung. Dementsprechend wird der Transistor 402 ausgeschaltet, die Impedanz zwischen dem Ausgangsanschluss 112 und der Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung erhöht sich, der Stromzufluss von dem Ausgangsanschluss 112 zur Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung kann unterdrückt werden, und somit kann das Zwischenpotential des Ausgangsanschlusses 112 unterdrückt werden. Aus diesem Grund wird das Potenzial des Ausgangsanschlusses 112 zu einer Spannung, die im Wesentlichen der Spannung entspricht, die auf der Seite der ECU 107 hochgezogen wird, und es kann erkannt werden, dass sich die Stromversorgungsleitung in dem unterbrochenen Zustand befindet. Das heißt, der PMOS-FET 411 dient als Schalter, der den Gate-Anschluss des Transistors 402 und die Verdrahtung, mit der der Ausgangsanschluss während der Unterbrechung verbunden ist, verbindet.
5 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das die elektronische Schaltung während des Betriebs und während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung der ersten Ausführungsform zeigt. In 5 sind gleiche Funktionen wie in 3 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung derselben entfällt. In 5 zeigt die obere Wellenform die Spannung an dem Stromversorgungsanschluss, die mittlere Wellenform zeigt den Strom IREF in 4, und die untere Wellenform zeigt die Spannung an dem Ausgangsanschluss. Während des Betriebs wird die Stromversorgungsspannung zugeführt und das Ausgangssignal wird ausgegeben. Außerdem wird ein Referenzstrom IREF (503) erzeugt, und eine Steuerspannung VCTL wird auf einen hohen Pegel gebracht. Wenn die Stromversorgungsleitung unterbrochen wird (305), sinkt die Spannung an dem Stromversorgungsanschluss aufgrund der Stromaufnahme der Schaltung bis zu einem gewissen Grad (502). Aus diesem Grund nimmt der Referenzstrom IREF ab und wird im Wesentlichen Null (503). Dementsprechend wird die Steuerspannung VCTL zu einem niedrigen Pegel, der Transistor 402 wird abgeschaltet, und die Ausgangsanschlussspannung wird zu einer hohen Spannung, die im Wesentlichen der Pull-up-Spannung entspricht.
Wie oben beschrieben, wird der Strom unter Verwendung der an die Stromversorgungsleitung angeschlossenen Spannung in der elektronischen Schaltung erzeugt, und der Transistor wird unter Verwendung der durch den Strom geänderten Spannung gesteuert, so dass das Zwischenpotential des Ausgangsanschlusses während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung unterdrückt werden kann, die Ausgangsimpedanz auf die hohe Impedanz erhöht wird und der Ausgang mit hohem Pegel realisiert werden kann. Darüber hinaus kann der Ausgangsanschluss mit Hilfe des Stroms auch dann auf den hohen Pegel eingestellt werden, wenn die Stromversorgungsanschlussspannung aufgrund der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung während des Betriebs oder dergleichen nicht unter einen bestimmten Pegel fällt.
Auf diese Weise kann die elektronische Schaltung in der ersten Ausführungsform die Spannung auf den Massepegel setzen, selbst wenn die Stromversorgung unterbrochen ist, indem sie die Steuerspannung VCTL mit Hilfe des Pull-down-Widerstands erzeugt.
Obwohl die Last in der ersten Ausführungsform als Transistor beschrieben wurde, ist die Last nicht darauf beschränkt und kann z. B. ein Widerstand sein. Der Widerstand wird als Last verwendet, so dass der Ausgangswiderstand einen im Wesentlichen konstanten Widerstandswert aufweisen kann, ohne von der Ausgangsspannung abhängig zu sein. Die Lagebeziehung zwischen der Last und dem Transistor ist nicht darauf begrenzt.
Der Stromverbrauch kann reduziert werden, indem der Referenzstrom IREF im Standby-Modus abgeschaltet wird, wenn der Betrieb der Schaltung nicht benötigt wird.
Die Stromversorgungsspannung, der Stromwert des Stromspiegels, der Widerstandswert und die Funktionsweise werden im Folgenden beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, da dies ein Beispiel ist. Die Stromversorgungsspannung ist auf 5 V eingestellt. Der Referenzstrom IREF, der zu spiegelnde Strom und der Pull-down-Widerstand werden wie folgt eingestellt. Als Beispiel wird angenommen, dass 10 µA als Referenzstrom IREF verwendet wird. Das Spiegelverhältnis kann 1: 1 oder beispielsweise 1: 4 mit einer vierfachen Verstärkung betragen. Wenn der Spiegelstrom auf 40 µA und der Pull-down-Widerstand auf 300 kΩ eingestellt ist, beträgt die Spannung 12 V, wenn der Strom von 40 µA durch den Pull-down-Widerstand fließt. Da die Stromversorgungsspannung in der Praxis 5 V beträgt, sinkt die Source-Drain-Spannung am PMOS-FET und geht in einen Nicht-Sättigungsbereich über. Die Steuerspannung ist ein Wert nahe der Stromversorgungsspannung und etwas kleiner als 5 V. Das heißt, im Normalbetrieb beträgt die Steuerspannung 5 V, was im Wesentlichen der Stromversorgungsspannung entspricht. Wird hingegen die Stromversorgungsleitung unterbrochen, sinkt die Spannung an dem Stromversorgungsanschluss und der Spiegelstrom nimmt ab. Unter der Annahme, dass die Schwellenspannung am NMOS-FET 0,9 V beträgt, fällt der Strom unter die Schwellenspannung am NMOS-FET, wenn der Strom auf etwa 3 µA sinkt, und der NMOS-FET wird ausgeschaltet.
Wie oben beschrieben, kann die Steuerspannung während des normalen Betriebs auf einen hohen Pegel eingestellt werden, indem das Produkt aus dem Ausgangsstrom des Stromspiegels und dem Pull-down-Widerstand so ausgelegt wird, dass es ausreichend höher ist als die Stromversorgungsspannung, und der Transistor kann sicher eingeschaltet werden.
In der Stromerzeugungsschaltung 403 wird eine Schaltung verwendet, die den Strom ausgibt, wie z. B. die Erzeugung unter Verwendung einer Bandlücken-Referenzschaltung. Darüber hinaus kann die Schaltung, die den Strom unter Verwendung der Spannung erzeugt, die durch Spannungsumwandlung oder ähnliches unter Verwendung eines Reglers als Stromversorgung erhalten wird, anstelle der direkten Verwendung der an den Stromversorgungsanschluss angelegten Spannung verwendet werden.
Die Lagebeziehung zwischen der Last und dem Transistor der ersten Ausführungsform kann umgekehrt werden. Das heißt, die Steuerung kann durch den Einbau eines Transistors zwischen der Last und der Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung erfolgen.
Die Konfiguration, in der die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404 den Stromspiegel und den Widerstand verwendet, wurde beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann die Steuerspannung zum Beispiel durch eine Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung mit einem Operationsverstärker und einem Widerstand erzeugt werden.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der ersten Ausführungsform, da das Ein- und Ausschalten des Transistors unter Verwendung der Steuerspannung gesteuert wird, die sich entsprechend der Änderung des Stroms ändert, der unter Verwendung der Stromversorgungsanschlussspannung erzeugt wird, der Transistor zum Zeitpunkt der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung angemessen gesteuert werden. Dementsprechend kann das Potential mit hohem Pegel ausgegeben werden, wenn die Unterbrechung erzeugt wird, und die Schaltung, in der die Genauigkeit der Unterbrechungserkennung verbessert wird, kann bereitgestellt werden.
Zweite Ausführungsform
6 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung mit einer Ausgangsschaltung in einer zweiten Ausführungsform zeigt. In 6 sind gleiche Funktionen wie in 4 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung derselben entfällt. In 6 umfasst eine elektronische Schaltung 600 die Last 401, den Transistor 402, die Stromerzeugungsschaltung 403, die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404, den Stromversorgungsanschluss 111, den Ausgangsanschluss 112 und eine Substratsteuerschaltung 604. Die Substratsteuerschaltung 604 umfasst PMOS-FETs 601, 602. Wenn der Transistor 402 aus einem PMOS-FET besteht, gibt es parasitäre Dioden zwischen dem Drain-Anschluss und dem Back-Gate-Anschluss sowie zwischen dem Source-Anschluss und dem Back-Gate-Anschluss. Um zu verhindern, dass der Strom durch das Einschalten der parasitären Diode fließt, ist es daher notwendig, den Back-Gate-Anschluss des Transistors 402 mit dem hohen Potenzial zu verbinden. Insbesondere wird der Back-Gate-Anschluss des Transistors 402 so gesteuert, dass er während des Betriebs mit der Stromversorgungsspannung verbunden ist und während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung mit der Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss verbunden ist. Während des Betriebs ist der PMOS-FET 601 eingeschaltet, weil eine Steuerspannung VCTLB auf einem niedrigen Pegel liegt, der Back-Gate-Anschluss des Transistors 402 ist mit der Stromversorgungsspannung verbunden, und die Stromversorgungsspannung wird aufrechterhalten. Wenn die Stromversorgungsleitung unterbrochen wird, weil die Ausgangsspannung höher als die Stromversorgungsspannung wird, wird der PMOS-FET 601 ausgeschaltet, der PMOS-FET 602 wird eingeschaltet, und die Back-Gate-Anschlussspannung am Transistor 402 wird mit der Ausgangsanschlussspannung verbunden.
Darüber hinaus wird die Gate-Spannung am Transistor 402 unter Verwendung des Stroms der Stromerzeugungsschaltung 403 gesteuert, die den Strom unter Verwendung der Energie aus der Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung erzeugt, und unter Verwendung der Spannung, bei der die Strom-Spannungs-Umwandlung durch die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404 durchgeführt wird. Wie oben beschrieben, wird die Back-Gate-Anschlussspannung am Transistor 402 gesteuert, und die Gate-Spannung wird unter Verwendung der Spannung gesteuert, die durch die Stromerzeugungsschaltung 403 und die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404 fließt, so dass die elektronische Schaltung des Ausgangsanschlusses während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung im Zustand hoher Impedanz ist und der hohe Pegel ausgegeben wird.
Dritte Ausführungsform
7 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung mit einer Ausgangsschaltung in einer dritten Ausführungsform zeigt. In 7 sind gleiche Funktionen wie in 4 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung derselben entfällt. In 7 umfasst eine elektronische Schaltung 700 die Lasten 703, 706, den Transistor 402, die Stromerzeugungsschaltung 403, die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404, den Stromversorgungsanschluss 111 und den Ausgangsanschluss 112. Die Lasten 703, 706 sind Stromspiegelschaltungen, bei denen der Ausgang mit einem konstanten Strom angesteuert wird. Die Ausgangsstromspiegelschaltung umfasst NMOS-FETs 704, 705 auf der Senken-Seite als Last 706 und PMOS-FETs 701, 702 auf der Quellen-Seite als Last 703. Die Stromspiegelschaltung ist sowohl auf der Senken- als auch auf der Quellenseite vorhanden, und das Ansteigen und Abfallen des Ausgangssignals wird durch Konstantstromantrieb gesteuert. Die Ausgangslast kann durch Durchführen der Konstantstromausgabe in geeigneter Weise angesteuert werden. Zum Beispiel wird die Ansteuerung mit einem Strom von etwa einigen mA bis etwa 10 mA durchgeführt. Unter der Annahme, dass die Amplitude des Ausgangssignals 5 V und der Ausgangsstrom 5 mA beträgt, wird der Ausgangswiderstand zu 1 kΩ, wenn die Potentialdifferenz 5 V beträgt. Beträgt die Potenzialdifferenz beispielsweise 1 V, so beträgt der Ausgangswiderstand 200 Ω. Der Wert des Ausgangswiderstands ist kleiner als der des Pull-up-Widerstands. Wenn also die Stromversorgungsleitung unterbrochen wird, muss der Transistor 402 ausgeschaltet oder in einen Zustand mit hoher Impedanz gebracht werden. Der Strom wird durch die Stromerzeugungsschaltung 403 erzeugt, die Strom-Spannungs-Umwandlung wird durch die Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 404 durchgeführt, und die Gatespannung am Transistor 402 wird so gesteuert, dass der Transistor 402 so gesteuert wird, dass er während des Betriebs eingeschaltet wird, um den Zustand niedriger Ausgangsimpedanz einzunehmen, und der Transistor 402 wird so gesteuert, dass er während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung ausgeschaltet wird, um den Zustand hoher Ausgangsimpedanz einzunehmen. Auf diese Weise wird, wenn die Stromversorgungsleitung unterbrochen wird, der Stromzufluss zum Ausgangsanschluss unterdrückt, und die Ausgabe des hohen Pegels kann durchgeführt werden.
Vierte Ausführungsform
8 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung mit einer Ausgangsschaltung in einer vierten Ausführungsform zeigt. In 8 sind gleiche Funktionen wie in 4 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung derselben entfällt. 8 unterscheidet sich von 4 darin, dass die Last 801 ein Widerstand ist. Wie oben beschrieben, kann es sich bei der Last nicht um ein aktives Element wie den Transistor, sondern um ein passives Element wie den Widerstand handeln. Darüber hinaus kann eine Konfiguration verwendet werden, in der der Transistor und der Widerstand kombiniert sind.
Fünfte Ausführungsform
9 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung mit einer Ausgangsschaltung in einer fünften Ausführungsform zeigt. In 9 sind gleiche Funktionen wie in 7 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung derselben entfällt. 9 unterscheidet sich von 7 dadurch, dass eine Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 910 eine in Kaskode geschaltete Stromspiegelschaltung 905 enthält. Insbesondere enthält die Stromspiegelschaltung 905 PMOS-FETs 901, 902, 903, 904. Wenn die Stromversorgungsspannung aufgrund der Kaskodenschaltung sinkt, neigt der PMOS-FET dazu, im Nicht-Sättigungsbereich zu arbeiten, der gespiegelte Strom nimmt frühzeitig ab, und das Potenzial der Steuerspannung VCTL sinkt aufgrund des Pull-down-Widerstands. Dementsprechend wird die Gate-Spannung am Transistor 402 durch die Steuerspannung VCTLB gesteuert und abgeschaltet.
Die Anzahl der vertikal gestapelten Stufen erhöht sich durch die Kaskodenschaltung der Stromspiegelschaltung auf diese Weise, und der Strom kann sicher abgeschaltet werden, wenn die Stromversorgungsanschlussspannung während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung abfällt, und die Ausgabe des hohen Pegels kann durchgeführt werden. Die Stromspiegelschaltung unterbricht den Strom früher als die Stromversorgungsfähigkeit der Stromerzeugungsschaltung 403, so dass verhindert werden kann, dass die Stromerzeugungsschaltung aufgrund des Stroms, der von dem Ausgangsanschluss in die Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung fließt, arbeitet.
Sechste Ausführungsform
10 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine elektronische Schaltung mit einer Ausgangsschaltung in einer sechsten Ausführungsform zeigt. In 10 sind gleiche Funktionen wie in 7 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung derselben entfällt. In 10 enthält eine elektronische Schaltung 1000 die Lasten 703, 706, den Transistor 402 und eine Steuerspannungserzeugungsschaltung 1001. Selbst wenn die Stromversorgungsanschlussspannung während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung nicht abfällt, wird die Stromversorgungsanschlussspannung verwendet, indem das Potenzial durch einen als Diode geschalteten PMOS-FET 1002 abgesenkt wird, so dass das Potenzial der Steuerspannung VCTL niedriger als die Schwellenspannung am NMOS-FET 410 eingestellt werden kann. Aus diesem Grund kann die Gate-Spannung am Transistor 402 gesteuert werden, selbst wenn die Stromversorgungsanschlussspannung während der Unterbrechung der Stromversorgungsleitung nicht abnimmt, und der Transistor 402 kann ausgeschaltet werden, um das Zwischenpotential der Ausgangsanschlussspannung zu unterdrücken.
Dieses Element ist nicht auf den PMOS-FET beschränkt, sondern es kann auch eine Konstantspannungsdiode oder ähnliches verwendet werden. Alternativ wird der Widerstand verwendet, und die Steuerung kann über die Spannung erfolgen, die sich aus der Division der Stromversorgungsspannung ergibt.
Obwohl die Ausführungsformen oben beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen sind enthalten. Zum Beispiel sind die oben genannten Ausführungsformen im Detail für die Zwecke des einfachen Verstehens der vorliegenden Erfindung beschrieben, und umfassen nicht notwendigerweise alle beschriebenen Konfigurationen. Darüber hinaus können einige Komponenten in einer Ausführungsform durch Komponenten in einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, und die Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann der Konfiguration einer Ausführungsform hinzugefügt werden. Darüber hinaus kann eine andere Konfiguration zu der Konfiguration jeder Ausführungsform hinzugefügt, daraus entfernt und durch einen Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform ersetzt werden.
Bezugszeichenliste

101: Sensorelement
102: elektronische Halbleiterschaltung
103: Stromversorgungsschaltung
104: analoge Schaltung
105: Prozessor
106, 201: Ausgangsschaltung
400, 600, 700, 800, 900, 1000: elektronische Schaltung
107: ECU
108: Stromversorgungsleitung
109: Ausgangsverdrahtung
110: Masseverdrahtung
111: Stromversorgungsanschluss
112: Ausgangsanschluss
113: Masseanschluss
202: Steuerschaltung
203, 204, 401, 703, 706, 801: Last
402: Transistor
403: Stromerzeugungsschaltung
404, 910: Strom-Spannungs-Umwandlungsschaltung
407, 408, 411, 601, 602, 701, 702, 901, 902, 903, 904, 1002: PMOS FET
409: Widerstand
410, 704, 705: NMOS FET
604: Substratsteuerschaltung
905: Stromspiegelschaltung
1001: Steuerspannungserzeugungsschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016122965 A [0004]

Claims

Elektronische Schaltung, umfassend: eine Last, die zwischen einer Stromversorgungsleitung und einem Ausgangsanschluss in der elektronischen Schaltung bereitgestellt ist; einen Transistor, der zwischen der Last und dem Ausgangsanschluss bereitgestellt ist; eine Stromerzeugungsschaltung, die unter Verwendung einer Stromversorgungsspannung an einer Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung Strom erzeugt; und eine Steuerschaltung, die den Transistor unter Verwendung einer Steuerspannung steuert, die sich in Abhängigkeit von dem durch die Stromerzeugungsschaltung erzeugten Strom ändert.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei sich die Stromversorgungsspannung an der Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung aufgrund einer Unterbrechung einer mit der Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung verbundenen Stromversorgungsleitung ändert, und die Steuerschaltung das Ein- und Ausschalten eines Gate-Anschlusses des Transistors unter Verwendung der Steuerspannung steuert.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Steuerschaltung den Gate-Anschluss des Transistors so steuert, dass der Transistor während des Betriebs der elektronischen Schaltung eingeschaltet ist und dass der Transistor während der Unterbrechung ausgeschaltet ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, wobei der Transistor bei einer vorbestimmten Spannung ausgeschaltet wird, bei der die Stromversorgungsspannung während der Unterbrechung höher als ein Massepegel ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, wobei ein Back-Gate-Anschluss des Transistors während des Betriebs der elektronischen Schaltung mit der Stromversorgungsspannung verbunden ist, und während der Unterbrechung die Steuerung so durchgeführt wird, dass sie mit einer Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss verbunden ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, die ferner eine Stromspiegelschaltung und einen Pull-down-Widerstand umfasst, die die Steuerspannung entsprechend einer von der Stromerzeugungsschaltung erzeugten Stromänderung zwischen der Stromerzeugungsschaltung und dem Transistor ändern.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, wobei der Pull-down-Widerstand zwischen einem Ausgang der Stromspiegelschaltung und einer Masse angeschlossen ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 7, wobei ein Produkt aus einem Entwurfs-Ausgangsstromwert der Stromspiegelschaltung und einem Widerstandswert des Pull-down-Widerstands höher ist als die Spannung, die während des Betriebs an die Stromversorgungsleitung angelegt wird.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, wobei die Stromspiegelschaltung eine Konfiguration aufweist, bei der PMOS-FETs in Kaskode geschaltet sind.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 9, bei der während des Unterbrechens ein Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung schneller abnimmt als der von der Stromerzeugungsschaltung erzeugte Strom.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, die ferner einen Schalter umfasst, der einen Gate-Anschluss des Transistors und eine Verdrahtung verbindet, mit der der Ausgangsanschluss während der Unterbrechung verbunden ist.
Sensorsystem, das umfasst: ein Sensorelement, das ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Änderung eines Erfassungsziels ausgibt; und eine elektronische Schaltung, die das elektrische Signal verarbeitet und ein Verarbeitungsergebnis über eine Ausgangsschaltung ausgibt, wobei die Ausgangsschaltung umfasst: eine Last, die zwischen einer Stromversorgungsleitung und einem Ausgangsanschluss in der elektronischen Schaltung bereitgestellt ist; einen Transistor, der zwischen der Last und dem Ausgangsanschluss bereitgestellt ist; eine Stromerzeugungsschaltung, die unter Verwendung einer Stromversorgungsspannung an der Stromversorgungsleitung in der elektronischen Schaltung Strom erzeugt; und eine Steuerschaltung, die den Transistor unter Verwendung einer Steuerspannung steuert, die sich in Abhängigkeit von dem durch die Stromerzeugungsschaltung erzeugten Strom ändert.
Sensorsystem nach Anspruch 12, wobei das von der Ausgangsschaltung ausgegebene Signal ein SENT-Signal ist.