DE2417994A1 - Kompensationseinrichtung fuer elektronische schaltungen - Google Patents
Kompensationseinrichtung fuer elektronische schaltungenInfo
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Description
Priorität: 16. Januar 1974, Großbritannien, Nr. 2105/74
In der modernen Technologie, bei der MOSI'C-Schaltkreistechnik
für die verschiedensten elektronischen Schaltungen verwendet wird, sind neuerliche Verbesserungen darauf gerichtet, sämtliche
für Kleinrechner erforderlichen Schaltungselemente in ein einzelnes Halbleiterplättchen einzubauen. Als eine Schaltung
dieses Typs, die sich so herstellen läßt, ist eine Taktimpuls-Generatorschaltung
entwickelt worden, die aus einer Anordnung von drei Invertern und dazwischengeschalteten Kondensatoren
in geschlossener Schleife besteht. Diese Schaltung ist in der Patentanmeldung P 23 62 987.0, hinterlegt am 18. Dezember 1973,
offenbart.
Eine gewisse Schwierigkeit, die bei einer derartigen elektronischen
Schaltung auftreten kann, besteht in ihrer Instabilität infolge von Änderungen in der Umgebungstemperatur und der Very?
sorgungsspannung. Außerdem können die Oszillationsperioden dann,
wenn die elektronischen Schaltungen in Form eines MOSIC-Aufbaus
hergestellt werden, zwischen den verschieden fabrizierten Schaltungen aufgrund der Unterschiede in den Kennlinien der einzelnen
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Schaltungen innerhalb weiter Bereiche variieren.
Infolgedessen ist eine gewisse Art von Kompensation erforderlich, um die genannte Instabilität zu vermeiden und Unterschiede
zwischen den in Massen produzierten MOSIC-Impulsgeneratoren hinsichtlich
der Oszillationsperiode zu kompensieren.
Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei Impulsgeneratoren des hier angesprochenen Typs nach
dem Stand der Technik auftreten, zu beseitigen oder wenigstens abzumildern. In Anbetracht des oben geschilderten Standes der
Technik kann eine speziellere Aufgabe der Erfindung darin gesehen
werden, eine Kompensationsschaltung zu schaffen, die Instabilitäten in den elektrischen Eigenschaften einer MOSIC-Schaltung
(insbesondere eines Last-MOSFETs) infolge von Änderungen in der Umgebungstemperatur und vorzugsweise auch infolge von
Schwankungen der Versorgungsspannung zu kompensieren. Ferner sollen Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften kompensiert
werden, die bei in Massen produzierten MOSICs innerhalb
weiter Bereiche streuen können. Zur Aufgabe der Erfindung gehört
es ferner, einen Impulsgenerator vorzusehen, der ein gegenüber Änderungen in den Umgebungsbedingungen der Schaltung stabiles
Tastverhältnis und eine stabile Oszillationsperiode aufweist. Ein solcher Impulsgenerator soll dabei nach der MOSIC-Technik
herstellbar sein, so daß Schwankungen im Tastverhältnis oder der Oszillationsperiode zwischen den verschiedenen MOSICs auf einem
Minimum gehalten werden.
Zur Lösung der genannten Aufgabe arbeitet die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung mit einem hohen Widerstand und einem Paar
von parallel geschalteten MOSFETs, von denen einer ein Transistor des Anreicherungstyps und der andere ein Transistor des Verarmungstyps ist, und die beispielsweise an den Eingang eines Impulsgerierators
angeschlossen sind. Die Drain-Elektroden der betreffenden "MOSFETs sind über den Widerstand an die Energiequelle ange-
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schlossen und außerdem mit der Gate-Elektrode des Verarmungs-Last-MOSFETs
verbunden, der seinerseits mit dem Anreicherungs-MOSFET
verbunden ist. Bei Schwankungen in der Umgebungstemperatur oder Versorgungsspannung werden Schwankungen in den elektrischen
Eigenschaften des Impulsgenerators durch Änderungen in den elektrischen Eigenschaften und Bedingungen der Kompensationsschaltung
kompensiert. In ihrer einfachsten Ausführungsform braucht die Kompensationsschaltung nur einen einzelnen MOSFET
und einen damit verbundenen Y/iderstand zu umfassen und zwischen die zu kompensierende Schaltung und die Energiequelle eingeschaltet
zu werden.
Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher er- ■ läutert. In den Zeichnungen zeigen
Figur 1 eine erfindungsgemäße Grundschaltung, bei der die Kompensationsschaltung
mit einem einzelnen MOSFET und einem Widerstand arbeitet;
Figur 2 eine Variante der Schaltung nach Figur 1 bezüglich der Elektrodenverbindungen des kompensierenden MOSFETs;
Figur-3 eine weitere Variante der Erfindung bezüglich der Elektrodenverbindungen
des kompensierenden MOSFETs;
Figur 4 eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung, wobei nochmals die Elektroden des kompensierenden MOSFETs anders
verbunden sind;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, «..das
mit einem Paar von parallel geschalteten MOSFETs in der Kompensationsschaltung arbeitet;
Figur 6 die Verwendung der vorliegenden Erfindung in einem Impulsgenerator; und
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Figur 7 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise
der Schaltung nach Figur 6.
Gemäß Figur 1 umfaßt die Kompensationsschaltung eine Serienverbindung
aus einem hochohmigen Widerstand 4 mit einem Widerstandswert in der Größenordnung von 50 bis 100 ΚΩ und einem -MOSFET 3,
wobei diese Serienverbindung zwischen eine Energiequelle V„„ und
Erde eingeschaltet ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 4 und dem MOSFET 3 ist an die Gate-Elektrode eines MOSFETs
1 angeschlossen, der zusammen mit einem MOSFET 2 eine Inverterschaltung bildet; der MOSFET 1 bildet dabei die Last für den MOS-FET
2.
Steigt nun die Umgebungstemperatur der Schaltung, so nimmt der durch den MOSFET 1 fließende Strom ab, da die Schwellenspannung
VTH des MOSFETs 1 steigt. In ähnlicher Weise sinkt der Strom
durch den MOSFET 3» so daß der Spannungsabfall am Widerstand 4 abnimmt. Mit anderen Worten steigt die der Gate-Elektrode des
MOSFETs 1 zugeführte Spannung V. Dieser Anstieg in der Gate-Spannung bewirkt einen Anstieg in dem Strom durch den MOSFET 1,
so daß Änderungen in den elektrischen Eigenschaften der die MOS-FETs
1 und 2 enthaltenden Inverterschaltung aufgrund des oben erwähnten, durch den Widerstand 4 und den MOSFET 3 bewirkten Effektes
notwendigerweise kompensiert werden.
Bei der in Figur 2 gezeigten anderen Ausführungsform der Erfindung
handelt es sich bei dem MOSFET 3 um einen Transistor des Anreicherungstyps, dessen Gate-Elektrode an die Versorgungsquelle
VqG angeschlossen ist und der zur Kompensation von Schwankungen
sowohl in der Umgebungstemperatur als auch in der Versorgungsspannung dient. Steigt die Versorgungsspannung VGG, so steigt
auch die Spannung V an der Gate-Elektrode des MOSFETs 1. In ähnlicher
Weise steigt die Spannung an der Gate-Elektrode des MOS-FETs 3, was einen Anstieg in dem· Strom durch den in Serie damit
geschalteten Widerstand 4 bewirkt. Daher nimmt auch der Spannungsabfall am Widerstand 4 zu, wodurch eine kompensierende Abnahme
in der Spannung V an der Gate-Elektrode des MOSFETs 1 bewirkt
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wird. Infolgedessen wird die Spannung V unabhängig von Änderungen in der Versorgungsspannung auf den jeweils vorgeschriebenen
Wert balanciert. Ist im vorliegenden Fall der MOSFET 3 in der gleichen MOSIC-Schaltung unter den gleichen Bedingungen wie der
MOSFET 1 fabriziert worden, so kompensiert die Kompensationsschaltung Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften der
MOSICs.
Bei dem in Figur 3 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel handelt
es sich im Gegensatz zu dem Fall der Figur 2 bei dem MOSFET 3 um einen Transistor des Verarmungstyps, dessen Gate-Elektrode nicht,
wie vorher, an die·Versorgungsspannung angeschlossen sondern
geerdet ist. Diese Anordnung kompensiert Änderungen in den elektrischen
Eigenschaften der Schaltung" aufgrund von Schwankungen in der Umgebungstemperatur. Außerdem kompensiert diese Kompensationsanordnung
Unterschiede in'den elektrischen Eigenschaften zwischen mehreren MOSICs', wenn der MOSFET 3 unter· den gleichen Bedingungen
wie der MOSFET 1 in der gleichen MOSIC-Schaltung fabriziert worden ist.
In dieser Anordnung sollte der Widerstand 4 ferner einen wesentlich
kleineren Temperaturkoeffizient aufweisen als die MOSFETs 1 und 3» wobei für den Widerstand 4 ein Widerstand mit hohem konstanten
oder linearen Wider standswert verwendet werden kann, der getrennt von der MOSIC-Schaltung hergestellt wird.
In den oben erläuterten- Schaltungen nach Figur 2 und 3 werden,
wie gesagt, Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften der verschiedenen, in Massenproduktion hergestellten MOSICs kompen?- ·
siert. Beispielsweise ist die Schwellenspannung Vmrr des MOSFETs 1
in einem MOSIC hoch, und ebenso ist auch die Schwellenspannuijg ν
des MOSFETs 3 in dem MOSIC hoch, was bedeutet, daß der Strom \
durch den MOSFET 3 verhältnismäßig klein ist. Dies bedeutet andererseits, daß die Spannung V ansteigt, da der Spannungsabfall
am Widerstand 4 klein ist; infolgedessen wird eine Abnahme des Stroms durch den MOSFET 1 infolge der hohen Schwellenspannung
VTH-des MOSFETs durch einen Anstieg in der Vorspannung V kompensiert.
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Da, wie oben beschrieben, die elektrischen Eigenschaften der MOSIC-Schaltungen kompensiert werden, lassen sich die obigen
Kompensationsschaltungen in Impulsgeneratoren verwenden, um deren Oszillationsfrequenz zu stabilisieren. Da außerdem durch die
oben beschriebenen Kompensationsschaltungen Unterschiede in den
elektrischen Eigenschaften bei einer Vielzahl von in Massenproduktion hergestellten MOSICs kompensiert werden, schwanken, wenn
diese Kompensationsschaltungen in Impulsgeneratoren der MOSIC-Technik
eingefügt werden, deren Oszillationsperioden nur innerhalb kleinerer Bereiche, so daß sich im wesentlichen gleichmäßige
MOSIC-Impulsgeneratoren in Massenproduktion herstellen
lassen.
Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Gate-Elektrode
des MOSFETs 3 gemäß Figur 4 auch an den Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand 4 und dem MOSFET 1 angeschlossen werden.
Handelt es sich bei.dem MOSFET 1 um einen Transistor des Verarmungstyps,
so kann in der Kompensationsschaltung ein Paar von MOSFETs verwendet werden. Wie in Figur 5 gezeigt, wird dabei ein
MOSFET 5 des Anreicherungstyps "Rücken an Rücken" parallelgeschaltet mit einem ^MOSFET 6 des Verarmungstyps verbunden. Die Gate-Elektrode
des MOSFETs 6 ist geerdet, während die Gate-Elektrode des MOSFETs 5 an die Versorungsspannung V«G angeschlossen ist.
In Figur 6 ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung
in einem praktischen Ausführungsbeispiel eines Impulsgenerators des oben erwähnten Typs gezeigt, wie er etwa
in elektronischen Kleinrechnern verwendet wird. In den beiden strichpunktierten Kästchen sind der Impulsgenerator 22 und die
damit verbundene Kompensationsschaltung 23 dargestellt.
Die Schaltung des Impulsgenerators umfaßt eine Vielzahl von Anreicherungs
- Feldeffekttransistoren 11, 13» 15 mit isoliertem Gate und P-Kanal. Die damit verbundene Kompensationsschaltung 23 umfaßt
einen Anreicherungs-Feldeffekttransistor 19 mit isoliertem Gate'und P-Kanal, der "Rücken an Rücken" mit einem Verarmungs-MOSFET
20 zusammengeschaltet ist. Zwischen die Versorgungsspannung
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V-,,-, und das Transistorpaar der Kompensationsschaltung ist ein
hochohmiger Widerstand 21 mit einem Wert von beispielsweise etwa 50 ΚΩ eingeschaltet.
Zwischen den jeweiligen Transistoren 11-13 und 13-15 einerseits
und Erde andererseits liegen Kondensatoren 17 und 18, die beispielsweise jeweils einen Wert von 0,1 bis -10 pF haben. Weitere
MOSFETs 12, 14 und 16 bilden Lasttransistoren für die jeweiligen MOSFETs 11, 13, 15 und sind mit ihren Gate-Elektroden
gemeinsam an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 21 und dem Transistorpaar 19» 20 angeschlossen.
Sämtliche in Figur 6 gezeigten MOSFETs können in dem gleichen
Halbleiterplättchen aus monokristallinem Silicium gebildet sein, während der Widerstand 21 und die Kondensatoren 17 und 18 extern
an. die MOSIC-Schaltung angeschlossen sein können.
Die Eingangs- und Ausgangsverbindungen für die jeweiligen Inverter
11-12, 13-14 und 15-16 sind zu einer geschlossenen Schleife in Kaskade geschaltet. Die Source-Elektroden der MOSFETs
19, 20, 11, 13 und 15, die Kondensatoren 17 und 18 und die Gate-Elektrode
des Transistors 20 sind geerdet, während die Gate-Elektrode des Transistors 19 und die Drain-Elektroden der Transistoren
12, 14 und 16 an die Versorgungsspannung V„G angeschlossen
sind. Der Ausgang des Impulsgenerators wird an der Drain-Elektrode des Transistors 15 abgenommen.
Im folgenden soll die Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 6 unter Bezugnahme auf Figur 7 erläutert werden.
Zum Zwecke der Erläuterung soll angenommen werden, daß der MQSFET
15 während einer Zeitperiode ti leitend ist, wobei an dem Verbindungspunkt
c, an den die Ausgangsklemme 0 angeschlossen ist, eine Spannung aufgritt, deren Absolutwert kleiner ist als die
Schwellenspannung des MOSFETs 11. Gleichzeitig ist der MOSFET 13 nicht—leitend und der Kondensator 18 lädt sich mit dem durch
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den MOSFET 14 fließenden Strom auf. Während derselben Periode"
ti "beginnt der Kondensator 17 aufzuladen, da der MOSFET 11 nichtleitend
ist.
Erreicht in diesem Zustand während einer Zeitperiode t2 gemäß Figur 7a der Ausgang a der ersten Inverterschaltung einen Absolutwert,
der über dem Schwellenwert des MOSFETs 13 liegt, so beginnt der MOSFET 13 zu leiten. Die in dem Kondensator 18 gespeicherte
Ladung entlädt sich dann über den MOSFET 13.
Erreicht anschließend während einer Zeitperiode t3 gemäß Figur 7b der Ausgang b der Inverterschaltung 13-14 einen Absolutwert, der
unter dem Schwellenwert des MOSFETs 15 liegt, so wird der MOSFET 15 nicht-leitend. Die Spannungsänderung am Ausgang des Inverterpaars
15-16 bzw. an der Ausgangsklemme 0 (dem Verbindungspunkt c) erfolgt rasch, da der Ausgang des MOSFETs 15 nicht mit einem
großen Kondensator verbunden ist. Infolgedessen erreicht der Ausgang c des MOSFETs 15 während einer Zeitperiode t4 gemäß Figur 7c
einen Absolutwert, der über dem Schwellenwert des MOSFETs 11 liegt, so daß der MOSFET 11 leitet.
Wird nun der Ausgang a des MOSFETs 11 während einer Zeitperiode t5 kleiner als der Schwellenwert des MOSFETs 13, so wird der
MOSFET 13 nicht-leitend, während der MOSFET 15 nicht beeinflußt wird. Wird der Ausgang b des MOSFETs 13 während der nächsten
Zeitperiode t6 größer als die Schwellenspannung des MOSFETs 15, so wird der MOSFET 15 leitend und der Ausgang c fällt sofort
auf Erdpotential ab. Wird der Ausgang c des MOSFETs 15 während
der nächsten Zeitperiode t7 kleiner als der Schwellenwert des MOSFETs 11, so wird der MOSFET 11 abgeschaltet und die Spannung
am Ausgang a steigt allmählich. Im Anschluß daran wiederhole^ sich während der Arbeit des Impulsgenerators 22 die oben beschriebenen
Vorgänge.
Der Ausgang des Impulsgenerators an der Klemme 0 hat infolgedessen
die in Figur 7c gezeigte Wellenform.
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Wie oben erwähnt, wird jedoch die Oszillationsperiode des Impulsgenerators 22 durch Schwankungen in der Umgebungstemperatur
und in der Versorgungsspannung beeinträchtigt. Außerdem
haben die zur Bildung eines derartigen Impulsgenerators erzeugten MOSICs unterschiedliche Schwingungsperiode infolge der Unterschiede
in den Schaltungskonstanten der die MOSICs bildenden einzelnen MOSFETs. Um diese Mängel zu beseitigen, ist, wie
oben beschrieben, die Kompensationsschaltung 23 vorgesehen. Da der mit dem MOSFET 19 zusammengeschaltete MOSFET 20 unter den
gleichen Bedingungen wie die MOSFETs 12, 14 und 16 hergestellt worden ist, weist er die gleiche Schwellenspannung Vm1T auf, wie
jene.
Im folgenden soll die kompensierende Wirkung der Kompensationsschaltung
23.untersucht werden. Nimmt die Umgebungstemperatur des Impulsgenerators 22 zu, so nimmt der durch die MOSFETs 12
und 14 fließende Strom ab, was zu einem Anstieg der zur Aufladung der Kondensatoren 17 und 18 erforderlichen Zeit führt. Infolgedessen
steigt auch das Tastverhältnis oder die Periode des Impulsgenerators, bis etwas zur Kompensation dieses Zustands unternommen
wird.
Erfindungsgemäß nimmt jedoch wegen der Kompensationsschaltung der durch die MOSFETs 19 und 20 fließende Strom mit steigender
Umgebungstemperatur ab. Da dann der Spannungsabfall am Widerstand 21 steigt, nimmt auch die an den Gate-Elektroden der MOSFETs
und 14 liegende Gate-Spannung zu, so daß der Strom durch diese Transistoren steigt. Daher wird die sonst auftretende Abnahme
im Tastverhältnis bzw. in der Oszillationsperiode kompensiert.
In ähnlicher Weise tritt bei einer Zunahme in der Versorgungsspannung
V«« ein Anstieg in den jeweiligen Strömen durch die'
MOSFETs 12 und 14 auf. Dieser Anstieg wird jedoch durch eine Zunahme des Spannungsabfalls am Widerstaid 21 kompensiert, da
auch der Strom durch den MOSFET 19 ansteigt. Auf diese Art und Weise wird eine Kompensation von Schwankungen in der Versorgungsspannung bewirkt. . " ,
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Wie ersichtlich, vermittelt die Erfindung eine Kompensation von Schwankungen in der Umgebungstemperatur, der Versorgungsspannung
sowie von Unterschieden in den elektrischen Eigenschaften der einzelnen unterschiedlich hergestellte MOSICs bildenden MOSFETs
unter den gleichen Arbeitsbedingungen, da die MOSFETs der Kompensationsschaltung
unter den gleichen Produktionsbedingungen wie die MOSFETs des Impulsgenerators hergestellt worden sind.
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Claims (9)
- 24179&4Paten tansprüc heM .) Elektronische Kompensationsschaltung mit einer zwischen eine Klemme zum Anschluß an eine Bezugspotentialquelle und eine Klemme zum Anschluß an eine Energieversorgungsquelle eingeschalteten Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch einen dritten Feldeffekttransistor (3, 6), dessen Source-Elektrode an die Bezugspotentialklemme, dessen Gate-Elektrode an eine feste Vorspannungsklemme und dessen Drain-Elektrode an die Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors (1) angeschlossen ist, sowie einen zwischen" die Drain-Elektrode des dritten Transistors (3) und die Energieversorgungsklemme (VGG) eingeschalteten Widerstand (4).(Figur 1 ...5)
- 2. Kompensationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektrode des zweiten Transistors (1) an die Energieversorgungsklemme (VGG) und die Source-Elektrode des ersten Transistors (2) an die Bezugspotentialklemme angeschlossen ist. (Figur 1 ... 5)
- 3. Kompensationsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet , daß die Gate-Elektrode des ■ dritten Transistors (3) an die Energieversorgungsklemme angeschlossen ist. (Figur 2)SÖ983Ö/0816241799
- 4. Kompensationsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Gate-Elektrode des dritten Transistors (3) mit dessen Source-Elektrode verbunden ist. (Figur 4)
- 5. Kompensationsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Gate-Elektrode des dritten Transistors (3, 6) mit dessen Drain-Elektrode verbunden ist. (Figur 3, 5)
- 6. Kompensationsschaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet, durch einen vierten Feldeffekttransistor (5), dessen Drain- und Source-Elektroden mit den Drain- bzw. Source-Elektroden des dritten Transistors (6) verbunden sind und dessen Gate-Elektrode an eine seiner Drain-Elektroden und an die Energieversorgungsklemme angeschlossen ist. (Figur 5)
- 7. Kompensationsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der vierte Transistor (2, 5) Feldeffekttransistoren des Anreicherungstyps mit isolierter Gate-Elektrode und der zweite und der dritte Transistor (1, 6) Feldeffekttransistoren des Verarmungstyps mit isolierter Gate-Elektrode sind. (Figur 5)
- 8. Impulsgenerator». g e k e a^Ii zeichne j^^^ifirch einen ersten, einen zweiten^ai^[^einen dritten Feldeffekttransistor (11, 13, 15) des^^eicherüngsi^p^^it>^olierter Gate-Elektrode, wobei^iie Drain-Elektrode jMs ersten^Transistors (11)509830/0816ORIGINAL INSPECTEDINAOHQEHEIOHTDITTMANN SCHIFF V. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGIIAtJS Q / -1 ΠΛΛ IHitachi, Ltd. . ' .DA-11157 3. September 1974 /QNeue Patentansprüche8. Verwendung der Kompensationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Impulsgenerator, bei dem zu der den ersten und den zwe it en Transistor (11, 12) enthaltenden Serienschaltung v/eitere gleiche Serienschaltungen aus jeweils einem ersten und einem zweiten Transistor (13...16) parallel geschaltet sind, die Gate-Elektroden aller zweiter Transistoren (12, 14, 16)'miteinander verbunden sind,, die Drain-Elektrode des ersten Transistors einer Serienschaltung jeweils an die Gate-Elektrode des ersten Transistors der nächsten Serienschaltung und die Drain-Elektrode des ersten Transistors (15) der letzten Serienschaltung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors (11) der ersten Serienschaltung angeschlossen ist*
- 9. Verwendung der Kompensationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in dem Impulsgenerator nach Anspruch 8, bei dem die Gate-Elektrode des ersten Transistors (13, 15) der zweiten bis letzten Serienschaltung jeweils über einen Kondensator (17» 19) mit der Bezugspotentialklemme verbunden ist.PS/CW . '509830/0816
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