DE2056079A1 - Elektronischer Schalter - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen GetelUdiaft mbH

Anmelderin:

Amtliches Aktenzeichen:

Böblingen, den 6. November 1970 gg-ba

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket BC 969 002

Elektronischer Schalter

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter, dessen Schaltstrecke eine die Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme verbindende Source-Drain-Strecke eines als Schaltelement verwendeten MOS-FET's ist und der durch ein potentialmäßig unbestimmtes Steuersignal betätigbar ist.

Bei Verwendung von Metall-Oxyd-Silicium-Feldeffekt-Transistoren (MOS-FET) für Schaltzwecke, insbesondere wenn hohe, bipolare Analogspannungen geschaltet werden sollen, ist es von Vorteil, zur Auslösung der Schaltfunktion potentialmäßig nicht festgelegte Steuersignale heranzuziehen. An das Steuersignal ist dann lediglich die Bedingung zu stellen, daß es über der Schwellspannung des Transistors, die beispielsweise 10 Volt beträgt, liegt,um wirksam zu sein. Bei Verwendung von potentialmäßig beispielsweise auf Masse bezogenen Steuersignalen müssen diese jeweils höher sein als der au3 der Summe des zu schaltenden Eingangieignals und der Schwellspannung des Transistors bestehend· Wert. Dieser Wert kann beispielsweise 100 Volt oder mehr betragen. Daraus ist zu ersehen, daß eine potentialmäßig

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nicht fest bezogene Ansteuerung des Schalters insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das zu schaltende Eingangssignal einem unerwünschten und unbestimmten Gleichspannungswert überlagert ist. Bei einem sehr einfachen bekannten Schalter mit einem MOS-FET als Schaltelement und mit potentialmäßig gleitender Ansteuerung wird das von einem Eingang auf einen Ausgang zu schaltende Signal über die Source-Drain-Strecke des Transistors übertragen. Das den Schaltvorgang auslösende Steuersignal wird über die Sekundärwicklung eines Übertragers zwischen Source und Gate des Transistors zugeführt. Diese Schalterart hat den Nachteil, daß ein über der Schwellspannung des Transistors liegendes negatives Eingangssignal bereits in der Lage ist, den Transistor durchzuschalten, obwohl ein Steuersignal nicht angelegt ist. Dies trifft auch zu, wenn an das Substrat des Transistors eine positive Vorspannung angelegt wird.

Das dargelegte Problem wird bei einer weiteren bekannten Schalterart dadurch gelöst, daß zwei in Serie geschaltete MOS-FETs die Schaltstrecke bilden, wobei das ebenfalls nicht potentialmäßig festgelegte Steuersignal zwischen den Gate- und Drain-Anschlüssen angelegt wird. Dieser Schalter hat den Nachteil, daß die Schaltetrecke im durchgeschalteten Zustand den doppelten Durchlaßwiderstand aufweist. Außerdem sind zwei Hochvolt-Transietoren erforderlich. Für viele Anwendungen ist es aber von außerordentlicher Wichtigkeit, daß der Serienwiderstand der Schaltstrecke so klein wie möglich gehalten, daß Undefinierten Gleichspannungen überlagerte, bipolare Spannungen großer Amplitude schaltbar sind und daß trotzdem unter allen Umständen bei nicht anliegendem Steuersignal ein Durchschalten verhindert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalter der eingangs erwähnten Art anzugeben, der die genannten Nachteile nicht aufweist und die dargelegten Forderungen erfüllt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für einen elektronischen Schalter, dessen Schaltstrecke eine die Eingangsklemme mit der

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Ausgangsklemme verbindende Source-Drain-Strecke eines als Schaltelement verwendeten MOS-FET's ist und der durch ein potentialmäßig unbestimmtes Steuersignal betätigbar ist, dadurch gelöst/ daß zusätzlich ein als Steuerelement verwendeter MOS-FET mit zugeordnetem Steuerkreis vorgesehen ist, daß ein erster Anschluß des Steuerkreises mit dem Gate des Steuerelementes und des Schaltelementes verbunden ist, daß der zweite Anschluß des Steuerkreises mit der Source und dem Substrat des Steuerelementes und mit dem Substrat des Schaltelementes verbunden ist und daß die Drain des Steuerelementes mit der Eingangsklemme verbunden ist. Vorteilhaft ist es, wenn das Steuersignal über die Sekundärwicklung eines Übertragers zugeführt wird.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Schalters ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt:

Fig. 1 einen Differentialschalter mit zwei getrennten,

identischen erfindungsgemäßen Schaltern und

Fig. 2 den Verlauf von Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Steuersignal in Abhängigkeit von der Zeit.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält zwei Schalter IO und 12, über die eine analoge, an Eingangsklemmen 14 und 16 angelegte Eingangsspannung V_EING auf eine zwischen Ausgangsklemmen 18 und 20 liegende Last IL· geschaltet wird. Es ist lediglich der Schalter IO im einzelnen dargestellt, da der Schalter 12 spiegelbildlich aufgebaut ist. Die Eingangsspannung ist im betrachteten Beispiel eine Differentialspannung und kann positive oder negative Polarität aufweisen. An der Eingangsklemme 16 liegt zusätzlich eine Undefinierte und unerwünschte Gleichspannung Vq. gegenüber Massepotential.

Der Schalter 10 besteht aus einem als Schaltelement dienendem MOS-

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FET Q., einem als Steuerelement dienenden MOS-FET Q und aus der als Steuerkreis dienenden Sekundärwicklung 22 eines Übertragers. Die Transistoranschlüsse sind mit S für die Source, mit D für die.Drain, mit G für das Gate und mit B für das Substrat bezeichnet.

Solange kein den Schalter betätigendes Steuersignal vorhanden ist, befinden sich die Transistoren Q₁ und Q₂ im gesperrten Zustand. Dieser Zustand ist in Fig. 2 durch den Zeitabschnitt T_Q-T. bezeichnet. Da also in diesem Zustand an der Wicklung 22 kein Steuersignal, d. h., keine Steuerspannung, anliegt, liegt auch zwischen Gate und Source und Gate und Substrat des Transistors Q₂ keine Spannung. Die interne Diodenwirkung zwischen Drain und Substrat des Transistors Q₂ verhindert, daß das Substrat gegenüber der Drain mehr um einen Spannungsabfall an der Diode (etwa 1/2 Volt) negativer ist. Auf diese Weise wird Transistor Q₂ unabhängig von Größe oder Polarität der zu schaltenden Eingangsspannung in gesperrtem Zustand gehalten.

Solange keine Spannung an der Wicklung 22 liegt, gilt für Transistor Q. in entsprechender Weise, daß dessen Gate nicht mehr als um einen Dioden-Spannungsabfall negativer als die positivere Source oder Drain sein kann. Das bedeuetet, daß auch Transistor Q. gesperrt ist. Um den Schalter zu schließen, wird in der Wicklung 22 ein Steuersignal Induziert, das am oberen, mit dem Gate von Transistor Q und Q₂ verbundenen Anschluß gegenüber dem unteren Anschluß um einen Betrag negativer ist, der über dem Schwellwert der Transistoren liegt. Auf diese Weise wird das Gate des Transistors Q₂ gegenüber der Source um die Größe des Steuersignale negativer und der Transistor wird leitend. Sobald der das Steuerelement darstellende Transistor Q₂ leitend ist, wird das Potential des unteren Anschlusses der Wicklung 22 über die Source-Drain-Strecke dieses Transistors an die Source des Transistors Q₁ gelegt. Das bedeutet, daß zwischen Source und Gate des Transistors Q₁ das gesamte Steuersignal anliegt und diesen Transistor durchschaltet. Bei durchge-

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mm C mm

geschaltetem Transistor Q₁ ist der Stromweg zwischen Eingangsklerame 14 und Ausgangsklemme 18 geschlossen. Beim entsprechenden, in Fig. 1 nur angedeuteten Schalter 12 läuft gleichzeitig derselbe Vorgang ab. Eingangs- und Ausgangsspannung und das Steuersignal haben bei durchgeschalteten Schaltern den in Fig. 2 zwischen den Zeitpunkgen T₁ und T₂ dargestellten Verlauf.

Wird zum Zeitpunkt T₂ das Steuersignal abgeschaltet, so springt die Spannung an Wicklung 2 zunächst aufgrund der Gegeninduktivität auf einen Wert entgegengesetzter Polarität und fällt dann gegen den Wert O ab. Dadurch werden die Transistoren Q. und Q₂ wieder in den gesperrten Zustand gesteuert.

Der zusätzliche als Steuerelement dienende Transistor Q₂ stellt die zuverlässige Schaltfunktion des als Schaltelement dienenden Transistors Q. sicher. Bei fehlendem Transistor Q₂ bestände, da es sich um ein potentialmäßig nicht festgelegtes Steuersignal handelt, die Gefahr, daß das Gate des Transistors Q₁ nicht negativ gegenüber Source oder Drain werden würde, sondern daß eher das Substrat positiv werden würde. Die Folge wäre, daß der das Schaltelement bildende Transistor Q. bei auftretendem Steuersignal zumindest anfänglich gesperrt bliebe. Die Funktion des Schalters wäre dann unbestimmt und hinge im wesentlichen von den Streukapazitäten der Schaltung ab.

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Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Elektronischer Schalter, dessen Schaltstrecke eine die
   Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme verbindende Source-Drain-Strecke eines als Schaltelement verwendeten MOS-FET 's ist und der durch ein potentialmäßig unbestimmtes Steuersignal betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein als Steuerelement verwendeter MOS-FET mit zugeordnetem Steuerkreis vorgesehen ist, daß ein erster Anschluß des Steuerkreises mit dem Gate des Steuerelementes und des Schaltelementes verbunden ist, daß der zweite Anschluß des Steuerkreises mit der Source und dem Substrat des Steuerelementes und mit dem Substrat des
   Schaltelementes verbunden ist und daß die Drain des
   Steuerelementes mit der Eingangsklemme verbunden ist.
2. 2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Steuersignal führende Steuerkreis aus der Sekundärwicklung eines Übertragers besteht.

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