DE2431006A1 - Durch impulse steuerbarer elektronischer schalter - Google Patents

Description

• B E S C H R E I B U N G zu der Patentanmeldung betreffend Durch Impulse steuerbarer elektronischer Schalter Die Erfindung betrifft einen durch Impulse steuerbaren, mit Sperrsohicht-Feldeffekttransistoren aufgebauten Ein-Aus-Schalter.
• Die bisher üblichen elektronischen Schalter dieser Art, aufgebaut aus MOS-Feldeffekttransistoren, besitzen zwar einen sehr hochchmigen Aus-Widerstand, ihr Ein-Widerstand ist für manche AnTendungsfälle, beispielsweise für sogen.
• Sample- and Hold-Schaltungen oder getastete Klemmschaltungen nicht klein genug.
• Es ist desha.lb Aufgabe der Erfindung, einen aus Sserrschicht-Feldeffekttrans istoren aufgebauten elektronischen Schalter zu schaffen, der einen kleinen Ein-Widerstand und einen sehr hohen Aus-Widerstand besitzt Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Schalter der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs. Eine besonders einfache unö zweckmäßige Schaltung für den erfindungsgemäßen Steuerkreis ergibt sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung Ein erfindungsgemä.ßer elektronischer Schalter besitzt einen Ein-Widerstand von etwa 10 Ohm und trotzdem einen extrem hohen Aus-Widerstand in der Größenordnung von 1 Gigaohm. Er eignet sich für Schaltvorgänge mit beispielsweise sehr kurzen Ein-Zeiten von 2 s bis 10 ns und damit verglichen relativ großen Aus-Zeiten bis zu 70 s, also besonders auch für sogen. Saniple- and Hold-Schaltungen, wie sie z.B. in der Fernseh-Meßtechnik zum Abtasten vorbestimmter Signalabschnitte nötig sind. Durch die Verwendung von zwei mit ihren Drain-Source-Strecken in Reihe geschalteten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren als Schalterstrecke ist es möglich, Spannungen beider Polaritäten zu schalten. Gleichzeitig wird erreicht, daß die Spannungsabfälle, die durch die zur Erzielung eines geringen Ein-Widerstandes fließenden Gate-Ströme hervorgerufen werden, sich gegenseitig aufheben. Da erfindungsgemäß der Steuerkreis so ausgebildet sein soll, daß der Gate-Strom jeweils die durch die beiden Transistoren gebildete Schalterstrecke nicht beeinflußt, ist keinerlei PLück-sirlzung auf den Meßkreis zu befürchten, in welchem der elektronische Schalter eingesetzt wird.
• Die Erfindung wird im folgenden an Rand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines vereinfachten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters, Fig. 2 zeigt ein weiteres praktisches Ausführungsbeispiel.
• Nach Fig. 1 wird die eigentliche Schalterstrecke E-A des elektronischen Ein-Aus-Schalters durch zwei selbst leitende Sperrschicht-Feldeffekttransistoren Fl und F2 gebildet. Die Drain-Source-Strecken D-S der beiden Transistoren sind hierbei in Reihe geschaltet1 die die Ansteuerung erfolgt über die parallelgeschalteten Gate-Source-Strecken G-S. Die Sperrspannung wird in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch eine parallel zu diesen Ga'e-Source-Strecken liegende Batterie B erzeugt. Die den Schalter jeweils einschaltenden Impulse S mit einer Puls dauer von beispielsweise nur einer Mikrosekunde werden über einen Trennkondensator C1 den Gate-Anschlüssen G der beiden Transistoren zugeführt. Die Spannungsamplitude dieser Impulse S muß dabei größer sein als die Sperrspannung der Batterie B. Durch die dabei auftretende positive Gate-Spannung beginnt ein Gate-Strom in der Gate-Source-Strecke über die Batterie zu fließen. Hierdurch wird der Ein-Widerstand der Transistoren sehr niedrig. Zur Entkopplung von Batterie und Impulseingang sind noch die nicht näher bezeichneten Entkopplungsaliderstände vorgesehen.
• Selbstverständlich fließt auch der Sperrstrom im Aus-Zustand jeweils nur in dem durch die Batterie B gebildeten und von der eigentlichen Schalterstrecke E-A getrennten Steuerkreis und beeinflußt daher diesen nicht.
• Für den erfindungsgemäßen Schalter, bei dem im Ein-Zustand ein Gate-Strom fließen soll, gibt es die verschiedenartigsten weiteren Realisierungsmöglichkeiten für diesen Steuerkreis. Es ist lediglich erforderlich, daß die eigentliche Schalter-Strecke vom Steuerkreis möglichst gut isoliert ist, der Gate-Strom also nur im Steuerkreis fließen kann. Dies wird in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch die zusätzliche Batterie erreicht. Nachdem dies für praktische Schaltungen oftmals umständlich ist, wird in Fig. 2 eine Schaltung gezeigt, die einerseits diese oben umrissenen Forderungen erfüllt und trotzdem keine gesonderte Speisespannungsquelle zur Erzeugung der Sperrspannung benötigt.
• Bei der Schaltung nach Fig. 2 erfolgt die gute Isolation zwischen Steuerkreis und Schalterstrecke durch einen Übertrager T, die Sperrspannung wird über einen Kondensator C2 unmittelbar aus den über den Ubertrager T eingespeisten Impulsen ableitet. Die beiden wie in Fig. 1 geschalteten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren F1 und F2 sind mit ihren Gate-Anschlüssen G durch einen zur Symmetrierung dienenden Widerstand R1 miteinander verbunden. Die Sekundärwicklung des Übertragers T ist über den Kondensator C2 und einen zwischengeschalteten Widerstand R2 parallel zu den Gate-Source-Strecken G-S der beiden Transistoren geschaitet. Unmittelbar parallel zur Sekundärwicklung liegt noch ein Belastungswiderstand R5. Ein Spannungsbegrenzer in Form der Reihenschaltung einer Zenerdiode Z und einer Diode D1 entlädt den Kondensator C2 unabhängig vom Tastverhältnis des Steuerimpulses auf einen bestimmten Wert. Die zusätzliche Diode D1 verhindert, daß die Zenerdiode in Durchlaßrichtung leitend wird. Außerdem ist parallel zu den Gate-Source-Strecken G-S der beiden Transistoren noch ein weiterer Spannungsbegrenzer in Form zweier in Reihe geschalteter Dioden D2 und D5 geschaltet, die die positive Gate-Spannung auf einen vorbestimmten Wert begrenzen (im vorliegenden Fall auf 1,4 v). Hierdurch wird gewährleistet, daß im Ein-Zustand ein definierter Gate-Strom fließt.
• Wenn an der Primärwicklung des Übertragers T die Impulse S mit einer Amplitude, die größer ist als die durch die Zenerdiode Z bestimmte Maximalspannung, eingespeist werden, werden die Gates G der Feldeffekttransistoren durch die positiven Flanken dieser Impulse ebenfalls positiv, und zwar auf die durch die Dioden D2, D3 bestimmten Werte von beispielsweise 1,4 V begrenzt. Gleichzeitig lädt sich der Kondensator C2 durch den damit fliessenden Gatestrom auf die Spannung dieser Impulse S auf. Nach den Rückflanken der Impulse steht am Übertrager T keine Spannung mehr. Damit liegt dann die Spannung des Kondensators C2 an den Gate-Source-Strecken G-S der beiden Feldeffekttransistoren, d.h. diese sind gesperrt, und zwar wegen der zusätzlichen Zenerdiode Z mit einer auf einen vorbestimmten Wert von beispielsweise 16 Volt begrenzten Sperrspannung. Durch diese Begrenzung der Sperrspannung auf einen Wert unterhalb der Impulsamplitude wird gewährleistet, dass beim nächsten auftretenden Impuls auf jeden Fall wieder die Gate-Spannung mindestens um diesen Spannungsunterschied positiv werden kann. Ohne diese Zenerdiode Z würde der Kondensator C2 nur über die Sperrströme der beiden Gates und der beiden Dioden D2, D) sehr langsam entladen werden. Bei einem schnell nachfolgenden Steuerimpuls an dem Kondensator C2 würde dann noch die Impulsspannung stehen und es könnte dann kein Ladestrom und damit auch kein Gatestrom fliessen. Die Spannung an der Gate-Source-Strecke würde 0 Volt betragen und die Schalterstrecke würde nicht den angestrebten niederohmigen Ein-Widerstand besitzen. Die Zenerdiode Z mit der Diode D1 entlädt aber den Kondensator C2 sehr schnell um ca. 1 Volt, so dass der Kondensator beim nächsten Durchschalten auf jeden Fall wieder um mindestens diesen Betrag aufgeladen werden muss. Auch bei dieser Schaltung nach Fig. 2 fliesst der Sperrstrom jeweils nur in dem Steuerkreis und nicht in der Schalterstrecke und es ist sowohl im Ein-Zustand als auch im Aus-Zustand keinerlei störende Steuerspannung der Schalterstrecke und damit dem diesen enthaltenden Messkreis überlagert.
• Der erfindungsgemässe Schalter eignet sich auch zur Ausbildung als integriertes Schaltelement, beispielsweise in Dünnfilmtechnik und kann dann als einfaches kleines Bauelement wie ein üblicher elektronischer Schalter in jede beliebige Steuer-oder Meßschaltung eingefügt werden.
• Patentansprüche

Claims (4)

1. Patentansprüche 1. Durch Impulse Oteuerbarer, ml 3perrschicht-Feldeffekttransistoren aufgebauter Ein-Aus-Schalter, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (F1, F2) mit ihren Drain-Source-Strecken (D-S) in Reihe als Schalterstrecke (E-A) und mit ihren Gate-Source-Strecken (G-S) parallel an einen derart bemessenen Steuerkreis geschaltet sind, daß bei anliegender Schaltimrulsspannung (S) jeweils ein die Schalterst-recke nicht beeinflussender Gate-Strom fließt.
2. 2. Schalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß der Steuerkreis einen die parallelgeschalteten Gate-Source-Strecken (G-S) speisenden, primärseitig mit den Schaltimpulsen (S) angesteuerten Übertrager (T) und zur Sperrspannungs erzeugung zwischen diesem Übertrager (T) und den Gate-Abschlüssen (G) einen Ladekondensator (C2) umfaßt.
3. 3. Schalter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß parallel zu den Gate-Source-Strecken (G-S) ein die Sperrspannung auf einen vorbestimmten Wert begrenzender Begrenzer (Z, D1) geschaltet ist.
4. 4. Schalter nach Anspruch 2 oder ), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß parallel zu den Gate-Source-Strecken ein die Gate-Spannung bei fließendem Gate-Strom auf einen vorbestimmten Wert begrenzender Spannungsbegrenzer (D2, D3) geschaltet ist.