DE2259257A1

DE2259257A1 - Verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2259257A1
Application number: DE2259257A
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Kuwabara
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1972-12-04
Publication date: 1973-06-07
Also published as: FR2162159A1; GB1364618A; FR2162159B1; US3824447A

Description

' Verstärkerschaltung

l)ie Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung zum Verstärken einer Spannung auf eine vorgegebene Größe, insbesondere auf eine solche mit kleinen Abmessungen'für niedrige Steuerleistung mit hoher Ausgangsspannung und hohem Wirkungsgrad.

Bisher sind mit einem Transformator ausgerüstete Verstärkerschaltungen bekannt geworden, die" jedoch viel Platz beanspruchen-, so daß sie als Speisequelle, die in einem kleinen Gerät wie einer elektronischen Armbanduhr untergebracht werden soll, nicht geeignet sind. Bekannte Verstärkerschaltungen nach Art eines Spannungs* verdopplers weisen hingegen einen schlechten Wirkungsgrad auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkerschaltung mit kleinen Abmessungen, mit einer hoher im slangsspannung und hohem Wirkungsgrad zn schaffen. ·

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Außerdem soll eine kleinbemessene verstärkerschaltung geschaffen werden, die insbesondere für einen Verbraucher mit niedriger Leistung und hoher Spannung, wie z.B. eine Anzeigetafel mit i'lüssigkristallen geeignet ist.

Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung ist gekennzeichnet durch eine Speisespannungsquelle, eine Eingangsklemme, an die eine Steuerspannung mit einem abwechselnd auftretenden ersten, und zweiten Spannungsniveau anlegbar ist, eine Vielzahl von Kondensatoren, erste Schalter, um die Kondensatoren parallel zur Speisespannungsquelle zu schalten, wenn das erste Spannungsniveau der Steuerspannung an der Eingangsklemme liegt, einen VerstärkerausgangskondensaHor und zweite Schalter zur Hintereinanderschaltung der Kondensatoren untereinander sowie mit dem Verstär-r kerausgangskondensator und der Speisespannungsquelle, wenn das zweite Spannungsniveau der Steuerspannung an der Eingangsklemme liegt, so daß am Verstärkerausgangskondensator eine verstärkte Spannung erzeugt wird.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von zehn i'iguren näher erläutert. Es zeigen

ii'ig. 1 ein Prinzipcchaltbild einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung,

i^(lig. 2 ein weiteres Prinzipschal cbild,

Ji'ig. 3 ein Schaltbild einer ausführungcform einer erfindungsgeiüäßen Verstärkerschaltung,

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!Fig. 4 und 5 Diagramme, die die Zunahme der am Verstärkerausgangskondensator abgegriffenen verstärkten Spannung in Abhängigkeit vom Eingangssignal zeigen,

Fig. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemässen Verstärkerschaltung,

Fig. 7 und 8 Ersatzschaltbilder, der Schaltung nach Fig. 6,

Fig. 9 ein Diagramm, das die Spannung an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 6 darstellt und '

Fig.10 eine Charakteristik, die die Eingangs- und Ausgangskennwerte eines komplementären MOS-FET veranschaulicht, wie er bei vorliegender Erfindung eingesetzt wird.

BAD ORiGiMAL

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Die i'ig. 1 und 2 stellen Prinzipschaltbildor der vorliegenden findung dar. In tfig. 1 sind Kondensatoren C, die alle die gleiche Kapazität aufweisen, parallel zu einer Spannungsquelle mit der Spannung h geschaltet. Zusätzlich sind ein Lastwiderstand Rr und ein Verstärkerausgaiigskondensator C mittels eines Schalters S_o/, parallel an die Spannungsquelle anschaltbar. Wird, wie in l>'ig. 1 dargestellt, der behälter Sp ^ geöffnet, dann werden die parallel geschalteten Kondensatoren C schnell bis zur Spannung h der Spannungsquelle aufgeladen.

Werden die auf die bparmung L· aufgeladenen Kondensatoren C wie in li'ig. 2 dargestellt richtig gepolt in jtteihe geschaltet, dann liegt beim Schließen des Schalters b_?^_ zunächst der Spannungsweat

am Verstärkerausgangskondensator C , nämlich die Summe der Spannungen in den drei in Heine geschalteten Kondensatoren G und der Spannungsquelle des Verstärkers, iralls der Lastvjiderstand R. einen hohen widerstandswert besitzt, v/ird die üpannung au Ver-

stärkerausgangskondensator C zu ττ— x M-, Unter dei· Voraus-

o \/'j υ + o_q

setzung, daß der Wert des VerstarkerauEgangsKondensators O kleiner als C/3 ist, viird die Si;annung am Verstärkeiausgangskondensator auf ein Miveau angehoben, das größer als die Spannung "h der Spannungsquelle des Verstärkers ist.

Bei dei· vorliegenden Erfindung wird das beschriebene Prinzip \erviirkiicht. üie in i'ig. ~'j dargestellte Aucführungsiorh: einer cj·- findungsgemäliexi versüäiicerschaltuiig enthält eine Steuerschaltung

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31 aus einem Impulsgenerator PGG und einem Inverter ΙΉ für elektronische Schalter S₁₁, S₁₂, S₁₃, Q^, S₁₅, S₁₆, S₃₁, S₂₂, S₃₅ und Οολ» eine Spannungsquelle E, Kondensatoren G, einen Verstärkerausgangskondensator G und einen Lastwiderstand E-..

W,enn vom Impulsgenerator PGG ein Signal "0" erzeugt wird, wird von der Steuerschaltung: 3I mittels des Inverters ΙΉ ein Ausgangssignal "1" (im folgenden als erstes Signal bezeichnet,) gebildet und .an die Gates von MQS-FETs (Metalloxid-Feldeffekttransistoren) ^Ö11' ^Ö12* ^S13* ^Si4^r ^15 ^{urL(3: Ö}16 ^^{im fol}S^{eil(iei1 als} erste i'EiDs bezeichnetj gelegt, um jeweils die Verbindung zwischen Drain und Source der ersten i'ESs leitend zu machen. Gleichzeitig wird das Signal "0" des Impulsgenerators PGG (man beachte, daß dies auch das erste Signal der Steuerschaltung $1 ist) unmittelbar an MOS-U¹M¹S S₂₁, S₂₂, S₂^ und S₂^, (im folgenden als zweite J¹ETs bezeichnet) angelegt, um jeweils die Verbindung zwischen Drain und Source dieser Feldeffekttransistoren zu unterbrechen. Hierdurch wird die Schaltung gemäß Fig. 5 äquivalent zu der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, d.h. jeder der Kondensatoren G wird schnell auf die Spannung E der Spannungsquelle aufgeladen.

Wird das Ausgangssignal des Impulsgenerators PGG zu "1" (im folgenden als zweites Signal bezeichnet), dann wechselt der Ausgangswerb des Inverters IN auf "0". Hierdurch wird bei den ersten FETs die Verbindung zwischen Drain und Source unterbrochen. Die zweiten FETs werden hingegen leitend. Somit wird in diesem Zustand die

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Schaltung gemäß JiIg. 3 äquivalent zur Schaltung nach Fig. 2, so daß der Verstärkerausgangskondeiisator G aus den beim ersten Signal aufgeladenen Kondensatoren und der Spannungsquelle E aufgeladen wird.

Anhand der Fig. 4 und 5 werden nun Betrachtungen über die Periode des von der Steuerschaltung 31 gelieferten Signals angestellt. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, jeder Kondensator C von der Spannungsquelle E aufgeladen ist, d.h. wenn der elektronische . Schalter S^^ geöffnet ist, entlädt sich der Ausgangskondensator G_Q mit der Zeitkonstante V^ * C χ B~ , wobei R. den Widerstandswert des Lastwiderstandes bedeutet.

In dem zu Fig. 2 äquivalenten Schaltzustand, d.h. wenn der Schalter S_o/^ geschlossen wird, lädt sich der Kondensator C mit der Ladezeitkonstante t _o « -J-J, ^- χ r auf. wobei r den gesamten Lei-

tungswiderstand der liOS-f'ß'I's bedeutet. &s sollte deshalb, um im Normalzustand den Lastv/iderstand Rj die erforderliche verstärkte Spannung zuführen zu können, die Periode der ersten und der zweiten Signale des Impulsgenerators PGG kurzer als die Summe aus der Ladezeitkonstante f_o und der Entladezeitkonstantef^ sein.

Wie in E'ig. 5 dargestellt, kann ein hoher Verstärkungsgrad verwirklicht v/erden, wenn die Zeitdauer t,. des ersten Signals kleiner gehalten wird als die Zeitdauer tp des zweiten Signals, um die Zeitdauer t. kleiner als die i-ntladezeitkonutante Tx. zu machen.

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In Fig. 6 ist eine xveitere Aus führungs form einer erfindungs gemäß en Verstärkerschaltung dargestellt. Die Schaltung enthält eine Spannungsquelle E als Speisequelle für komplementäre HOS-FETs TL, H₂ und l'U zum Aufladen und Entladen von Kondensatoren C₁, G₀ und G-. Schaltdioden D₁, Dp und D₇ werden leitend gesteuert, wenn die Kondensatoren C., Cp und C₇ aufgeladen werden und sperrend gesteuert, wenn die Kondensatoren G.« G₀ und C₇ entladen werden und der Ausgangskondensator C geladen wird.

Wird ein Schalter S mit einem Pol a verbunden, dann wird die Spannung der Spannungsquelle E an die Eingaiigsklemmen G., G₀ und G₇ der komplementären HOS-FETs I\L, H₂ μηά H₅. angelegt, um die P-Kanal HOS-FETs P^, P₂ und P^ nicht leitend und die N-Kanal HOS-FETs Ii₁, N₀ und N-, leitend zu steuern.

Als Folge hiervon v/erden drei Stromkreise gebildet, die von der positiven Klemme der Spamiungsquelle E über eine Schaltdiode (D₁, D₂, D,),einen N-Kanal HOS-FET (N., N₂, N₇) zur negativen Klemme der Spannungsquelle verlaufen, so daß die Kondensatoren C., C₂ und C- auf die Spannung E aufgeladen werden können. Wenn der Schalter S mit dem Pol a verbunden wird, wird ferner der Ausgangskondensator G über die Schaltdioden.D, und D. aus der Spannungsquelle E aufgeladen. Folglich wird die Spannung, am

Ladekondenoator G nahezu gleich E, weil die Dioden D-, und D,. , ο ο ·

nur einen sehr kleinen Durchlaßwiderstand aufweisen. Fig. 7 stellt cijj au- satzschaltbild der Schaltung nach Ji ig. 6 im Auf lade zustand

^da!* BAD ORIGINAL-

Wenn der Schalter S mit der Klemme b verbunden wird, wird der P-Kanal hOS-PET P. des komplementären iiüS-ii'E'J.¹ IL· leitend gesteuert, während der H-Kanal M)S-I¹El¹ IJ. sperrend gesteuert wird, so daider Ladekondensator CL mit der Spannungsquelle in lteihe geschaltet wird. Gleichzeitig wird der P-Kanal FiOS-i'E'i¹ P^ des komplementären MOS-J?¹ JiI¹ M₂ leitend gesteuert und der N-Kanal ΜΟΒ-ϊΈΤ N₂ sperrend gesteuert, so daß der Ladekondensator Cp in Beine zum Ladekondensator C. und dem P-Kanal IiOS-FET P^ geschaltet wird. Entsprechendes gilt für den P-Kanal M)S-PET P, und den N-Kanal M)S-PET M₇. des komplementären liOS-ϊΕΐ Ii₇,, Eb wird ein Stromkreis gebildet, der von der positiven Klemme der Spannungεquelle E über den P-Kanal M)S-PET P., den Kondensator 0., den P-Kanal MOS-i'ET P,,, den Kondensator C₀, den P-Kanal HOü-i'ET P₇, den Kondensator C_v, die Schaltdiode Dy., den Verstärkerausgangskondensator C zur negativen Klemme der Spannungsquelle E verläuft. Der Verstärkerausgangskondensator C , die Spannungsquelle E und die Ladekondensatoren C^, Cp und C₇ sind somit in Heihe geschaltet. Der Verstärkerausgangskondensator läßt sich nahezu auf die Summe der Spannungen der Kondensatoren C. bis G_y und der Spannungsquelle, d.h. auf die Spannung 4-E aufladen.

8 zeigt das Ersatzschaltbild der Schaltung nach i'ig. 6 in dem Zustand, in dem der Schalter S mit dem Pol b verbunden ist.

Es muß in diesem Zusammenhang bemerkt werden, daß, falls die K&pazität des Verstärkerausgangskondensators C größer als die eines

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der Ladekondensatoren C^, G₂ und O₇. ist;, die Spannung am Ausgangs-Icoiidfciicator G den Wert 4-E nicht erreichen kann, wenn der Schalter ij abwechselnd von a nach b geschwenkt wird.

'3b werden nun die Verhältnisse untersucht, wenn der Schalter S ständig abwechselnd mit den Klemmen a und b verbunden wird. Wird der »Schalter S mit der Klemme a verbunden, so gilt das in Pig. dargestellte Ersatzschaltbild. Demgemäß liegt an der Speiseklemme V-JD1 des komplementären IuOb-S¹ET fL· die Spannung E der Spannungsqueile. Darüberhinaus werden die öpeiseklemmen V-^p ^un(3-komplementären HOS-ü'E'i's Iu- und M₇ mit der Ladespannung zum Aufladen der KondensaUoren C^. und Cp beaufschlagt. Der Verstärkerausgangskondensator C wird von der Spannungsquelle mit einer Zieitkonstante aufgeladen, die durch den Durchlaßwiderstand der Schaltdioden D„ und D^ und die Kapazität des Ausgangskondensators bestimmt ist.

Wird der Schalter S mit der Klemme b verbunden, dann liegt an der Speiseklemme V^,. des komplementären MOS-i'HD 11* die Spannung E. An der Speiseklemme V_DD2 des komplementären MOS-S'E'Ü M₀ liegt die Spannung der Spannungsquelle ü. und des Kondensators G. an. An der Speiseklemme V.^,-, des komplementären MOS-ΡΕΐ M-, liegt die Summe der Spannungen aus Spannungsquelle E und den Ladespannungen der Kondensatoren C. und G_?. Die Spannung am Verstärkerausgangskondensator G wird bestimmt durch die Kapazität der Kondensatoren Gy., Go und G₇. und durch die Kapazität des Ausgangskondensators C

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Sie kann den Wert 4E selbst dann nicht erreichen, wenn die Durchlaß spannung der Schaltdioden D. bis D. vernachläßigt werden könnte.

Wird der Schalter erneub mit der Klemme a verbunden, dann werden die Speiseklemmen ν^τ,ο und V^-ηχ wieder an die Spannungsquelle E gelegt, während die Speisekiemme Vp-jy. unverändert mit der Quelle verbunden bleibt. Die Spannung am Verstärkerausgangskondensator vermindert sich so lange nicht, solange kein Verbraucher angeschlossen ist. Wird der Schalter S wieder mit der Klemme b verbunden, dann ändern sich die Spannungen an den Speiseklemmen jyp und Vj^-,,wie in i'ig. 9 dargestellt, so daß die Spannung am

Verstärkerausgangskondensator C ansteigt. Wird der Schalter S wiederholt betätigt, dann nähert sich die Spannung Eq am Verstärkerausgangskondensator 0 dem Spannungswert 4-E.

In i'ig. 10 sind die Eingangs- und Ausgangskennlinien der komplementären MOS-FEl¹S dargestellt, wobei auf der Abszisse die Eingangsspannung der komplementären hOS-i'El's und auf der Ordinate deren Au ε gang s spannung aufgetragen ist. ±^|lig. 10 läßt erkennen, daß die Eingangs- bzw. Steuerspannung zum Schalten der Komplementären MOS-J¹ETs umso größer ist, je größer die Speisespannung der komplementären HOS-Ji¹ETs ist.

Ist der Schalter S mit der Klemme b verbunden, dann ist der P-Kanal HOS-EET P₂ leitend und der N-Kanal hüS-i'ET Np nicht leitend. 1st der Schalter S Jedoch mit der Klemme a verbunden, dann ist

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der P-Kanal MOS-FET P^ nicht leitend, während der B-Kanal HOS-1''ET i\L leitend ist. Die Spannung der Speiseklemme V-iyrp des komplementären MOS-FET iU ändert sich zufolge der Charakteristik m. der Fig. 10. Nachdem der N-Kanal MOS-FET Np. des komplementären HÜb-FET l^vip leitend gemacht ist, wird der komplementäre KOS-FEiD h₇ in gleicher Weise entsprechend der Kennlinie τα_Λ gemäß Fig. geschaltet.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind drei Ladekondensatoren verwendet. Durch Anwendung von n-Xondensatoren und Schaltelementen kann die Speisespannung um η + 1mal verstärkt werden. Wenn als elektronische Schalter IiOS-FETs benutzt werden, wie bei .der erfindungsgemäßen Ausführungsform, dann können bessere Ergebnisse erwartet werden, als mit üblichen bipolaren Transistoren. HOS-Jj¹IuTs erfordern nur eine kleine Steuerenergie, weil der Eingangsviiderstand sehr groß ist. Darüberhinaus ist der Durchlaßwiderstarid sehr klein, während der Sperrwiderstand sehr groß ist, so daß die Verlustleistung niedrig gehalten wird. Der Wirkungsgrad des Verstärkers ist demzufolge extrem groß. Außerdem kann die Steuerung der Gates vorteilhafterweise mit einer niedrigen Spannung erfolgen, weil die Gates mit Masse verbunden werden.

"Wie erwähnt, besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung in der Anwendung von komplementären MOS-FETs zur Umschaltung der Verbindungen der Ladekondensatoren von einer Parallelschaltung in eine Reihenschaltung zur Spannungsquelle, so daß das Umschalten nur eine geringe Energie erforderlich macht. BAD OR»

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Die Erfindung ist ausserdem wegen der integrierten MOS-PETs, Dioden und Kondensatoren insbesondere für kleinbemessene Verstaxkerschaltungen geeignet. Diese können vorteilhaft für Uhren verwendet werden, die mit einer Flüssigkristall-Anzeige ausgestattet sind, da Flüssigkristalle einen extrem hohen Widerstand aufweisen.

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Claims

72/8755 " Patentansprüche

1. "ν ei ίί barker schaltung zuia Verstärken einer spannung auf eine vorgegebene Gr'öise, gekennzeichnet durch eine üpeisespannungsquelle (E), eine Eingangskieinme, an die eine Steuerspannung mit einem abwechselnd auftretenden ersten und zweiten Spannungsniveau anlegbar ist, eine Vielzahl von Kondensatoren (CJ, erste Schalter (S_x,^ bis S.,-) ,um die Konderißatoren parallel zur Speinespahnurigcquelle zu schalten, wein das erste Spannungsniveau der Steuerspannung an der Eingangsklemme liegt, einen Verstärkerausgangskondensator (C ) und zweiue Schalter (S_0x. bis Sp^.) zur Hintereinanderschaltung der Kondensatoren untereinander sowie mit dem Verstärkerausgangskondensator· (Ci jund der Speisespannurigsquelle, wenn das zweite Spannungsniveau der Steuerspannung an der Eingangski emnie liegt, so daß am Versbärkerausgangskondensa"cqr eine verstärkte Spannung erzeugt wird.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge-

Vc onnaeichnet , daß die Zeit, während der die Spannung des ersten Signals an der Jiirigarigskleirime anliegt, kurzer ist als die Entladezeitkonstante des Verstärkerausgangskondensators.

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3. Verstärkerschaltung nach Arispruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die ersten und die zweiten Schalter als ±''eldeff ekt transisboren ausgebildet sind.

4. Verstäiitersehalturig zum Verstärken einer ßparinurig auf eine vorgegebene Größe, gekennzeichnet durch eine Speisespannungsquelie (^) zum Anlegen einer Spannung an die Speisekleminen eines ernten komplementären ii'eldeffektl'ransictors (Im,,), feiner durch eine .bingangsklerume (Sj, die an eine Gateelektrode (G,,) des komplementären i'eldel'fektl'ransisbors angeschlossen ist, um die Ausgangsgröße des i'eldeffekb-Trarisistoi's zu steuern, wobei an die Eingangsklemme abwechselnd eine Spannung mit einem ersten und einem zweiten lüvesiu angelegt wird, ferner gekennzeichnet durch eine Anzahl von Kondensatoren (C. bis O₇), von denen jeder parallel z\xr kpeisespanriungsqueile liegb, um aufgeladen zu v/erden, wenn die Spannung mit dem ernben Hl ν eau an die l!iingangkleimne angelegt wird und die untereinander und mit der üpeisespannungsquelle in Keine geschalteb sind, wenn die Spannung des zweiben !Niveaus an die Eingangskieiiime taigeleg'ü wii-d und schließlich duixiti einen Versl/ärkeiaus^angskondeiuuibor (C ), der mit den Kondensatoren und der Speisespannungsciuolle in lieihe geschaltet isb, wenn die Spannung mit dem zweiben !Niveau an die Eingangsklemme angelegt ist, so daß aiii Verstäricerausgangskondensator eine verstärkte Spannung erzeugt wird.

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