DE2525057C3 - Spannungsverdopplerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsverdopplersehaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine solche Spannungsverdopplersehaltung ist aus der US-PS 35 29 231 bekannt. Bei der bekannten Spannungsverdopplersehaltung werden Transformatoren zur Stromsteuerung von nichtkomplementären bipolaren Transistoren verwendet. Infolge dieser Transformatoren ist die bekannte Schaltung in ihrem Steuerungsteil aufwendig.

Eine weitere, aus der US-PS 37 90 812 bekannte Spannungsverdopplersehaltung enthält einen Kondensator, der während eines gegebenen Zeitintervalle mittels eines ersten Anreicherungs-Isoliersehieht-Feldeffekttransistors, der die eine Platte des Kondensators mit einem ersten Potential (z, B, +K Volt) verbindet, und eines zweiten Anreicherungs-Isolierschicht-Feldeffekttransistors, der die andere Platte des Kondensators mit einem zweiten Potential (z. B. - KVoIt) verbindet, aufgeladen wird. Eine Spannungsverstärkung wird dadurch erzielt, daß das zweite Potential über einen dritten Anreicherungs-lsolierschicht-FeldeffeWuransistor an die eine Platte des Kondensators gelegt und an der anderen Platte des Kondensators über einen vierten Anreicherungs-Isolierschicht-Feldeffekttransistor ein Potential erzeugt wird, das außerhalb des Bereiches der Versorgungsspannung liegt. Der dritte und der vierte Transistor werden als Gleichrichterdiode betrieben.

Eine Schwierigkeit bei dieser Schaltungsanordnung ergibt sich aus dem Vorhandensein eines Schwellenspannungsabfalls (Vt) an den Transistordioden, wodurch das Potential oder die Spannung an der anderen Platte des Kondensators gegenüber dem zweiten Potential um den genannten Spannungsabfall (Vt) verschoben wird. Auf diese Weise verringert sich die an der anderen Platte des Kondensators erzeugte erhöhte Ausgangsspannung um den Betrag des Schwellenspannungsabfalls, was dann nachteilig ist, wenn die Versorgungsspannung an sich niedrig ist. Der Wirkungsgrad ist dann verhältnismäßig niedrig. Außerdem ist, da die Schaltung im Gegensatz zu der eingangs genannten Schaltung nicht im Gegentaktbetrieb arbeitet, notwendigerweise am Ausgang ein Lade- und Glättungskondensator vorhanden, was einen erhöhten Aufwand bedeutet.

Aus der DE-OS 22 59 257 (insbes. Fig. 6) ist es bei einer Spannungsvervielfacherschaltung mit Transistorschaltern und Kondensatoren, wobei der Vervielfachungsfaktor eine beliebige ganze Zahl größer Eins und damit die Schaltung auch eine Spannungsverdopplersehaltung sein kann, an sich bereits bekannt, als Transistorschalter Anreicherungs- Feldeffekttransistoren eines ersten Kanal-Leitungstyps und eines zweiten zum ersten komplementären Kanal-Leitungstyps zu verwenden und zur Steuerung der Transistoren jeweils eine galvanische Verbindung der Gate-Elektroden zweier zugehöriger komplementärer Transistoren mit einem Steuersignal-Eingangsanschluß vorzusehen. Bei dieser bekannten Schaltung werden die Kondensatoren parallel über Dioden geladen, was einen nachteiligen Einfluß auf die Ausgangsspannung hat und den

so Wirkungsgrad herabsetzt. Auch dort ist wegen des Eintaktbetriebes notwendigerweise ein Lade- und Glättungskondensator am Ausgang vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spannungsverdopplersehaltung der im Oberbegriff des Patentan-Spruchs angegebenen Art so auszugestalten, daß sie einen geringeren Steuerungsaufwand als die eingangs genannte bekannte Schaltung benötigt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Patentanspruchs gelöst.

Durch die Erfindung ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung der Steuersignalschaltung gegenüber der eingangs genannten bekannten Schaltung. Es sind keine Steuertransformatoren mehr erforderlich. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß der zulässige

hi Bereich der Steuersignalfrequenz ausgedehnt ist und daß auch für den Fall eines kontinuierlichen Anstehens des Steuersignals auf dem einen oder dem anderen Wert ein fehlersicherer Betrieb möglich ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich besonders zur Ausführung als integrierte Schaltung,

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltschema einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig.2 ein Diagramm mit in der Schaltung nach F i g. 1 auftretenden Spannungsverläufen.

Bei den hier zur Erläuterung der Erfindung verwendeten Anreicherungs-Isolierschicht-Fekieffekttransistoren handelt es sich um solche, die in einer Siliciummasse (Körper oder Substrat aus Silicium) ausgebildet sind. Die P Kanal-Transistoren (Transistoren vom P-Leitungstyp) sind dabei in einem N-Substrat ausgebildeL Sie sind mit dem Buchstaben P und einer Bezugsnummer bezeichnet und in der Zeichnung an ihrem Substratanschluß mit einem vom Körper des Transistors wegweisenden Pfeil oder an ihrer Source-Elektrode mit einem auf den Körper des Transistors hinweisenden Pfeil versehen. Die N-Kanal-Transistoren (Transistoren vom N-Leitungstyp) sind in P-Wannen ausgebildet,die in das N-Substrat eindiffundiert sind. Sie sind mit dem Buchstaben N und einer Bezu^snuminer bezeichnet und in der Zeichnung entweder an ihrem Substratanschluß mit einem auf den Körper des Transistors hinweisenden Pfeil versehen. Im allgemeinen sollte das Substrat eines P-Kanal-Transistors an das am meisten positive Potential, das der Source- oder Drain-Elektrode des Transistors zugleitet wird, angeschlossen sein, während das Substrat eines N-Kanal-Transistors an das am meisten negative Potential, das der Source- oder Drain-Elektrode des Transistors zugeleitet wird, angeschlossen sein sollte.

Anreicherungs-Isolierschicht-Feldeffekttransistoren sind zweiwegleitend (bidirektional), d. h. sie können Strom in beiden Richtungen leiten. Damit eine Leitung stattfinden kann, muß die anliegende Gate-Source-Spannung (Vcs) die Gate- oder Steuerelektrode gegenüber der Source-Elektrode in Durchlaßrichtung spannen und größer sein als die Schwellenspannung (Vr) des Transir'ors. Ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor kann dadurch einwegleitend (unidirektional) gemacht werden, daß man seine Gate-Elektrode mit seiner Drain-Elektrode zusammenschaltet. Der Isolierschicht-Feldeffekttransistor leitet dann wie eine Diode, indem er bei der einen Polarität der Gate-Source-Spannung Strom durchläßt und bei der entgegengesetzten Polarität der Spannung den Stromfluß sperrt. Die minimale Source-Drain-Spannung eines als Diode geschalteten Isolierschicht-Feldeffekttransistors ist gleich der Schwellenspannung Vr des Transistors. Dies gilt auch dann für einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor, wenft er normalerweise als Source-Folger betrieben wird. Dagegen hat der Isolierschicht-Feldeffekttransistor, wenn er in Source-Schaltung betrieben wird, eine verhältnismäßig niedrige EIN-Impedanz zwischen Source und Drain.

Die Schaltung nach F i g. I enthält eine komplementäre 'Umkehrstufe 71 mit Transistoren P7i und Λ/71 sowie eine komplementäre Umkehrstufe 74 mit Transistoren P74 und /V74. Die Transistoren P7\ und P74 sind mit ihren Source-Elektroden und Substraten an den Leiter 10 angeschlossen, dem + WoIt zugeleitet werden. Die Transistoren /V71 und Λ/74 sind mit ihren Source-Elektroden und Substraten an den Null- oder Masseleiter 14 angeschlossen. Die Drain-Elektroden der Transistoren P7i und /V71 sind an den Ausgangsanschluß 12 angeschlossen, der mit der Platte X des Kondensators C7J sowie mit den Gate-Elektroden der Transistoren P74 und N74 verbunden ist. Bei Zuleitung eines Signals Q an die Gate-Elektroden der Transistoren P7\ und Λ/71 in der Umkehrstufe_71 wird am Anschluß 12 das komplementäre Signal Q erzeugt, das zum Eingang der Umkehrstufe 74 gelangt. Die Umkehrstufe 74 ist mit ihrem Ausgang an die Platte W eines Kondensators C72 angeschlossen. Ein Transistor Λ/72 liegt mit seiner Source-Drain-Strecke zwischen dem Leiter 10 und der Platte K des Kondensators C71, an die außerdem die Gate-Elektrode eines Transistors Λ/73 angeschlossen ist. Der Transistor Λ/73 liegt mit seiner Source-Drain-Strecke zwischen dem Leiter 10 und der Platte Z des Kondensators C72, an die außerdem die Gate-Elektrode des Transistors Λ/72 angeschlossen ist. Ein an die Platte Y angeschlossener Leiter 76 und ein an die Platte Zangeschlossener Leiter 78 führen Impulssignale, die in Fig.2 mit E bzw. D bezeichnet sind.

Diese Impulssignale werden mittels über Kreuz gekoppelter Transistoren P 75 i'"d P 76 in ein Gleichspannungssignal umgewandelt Die Transistoren P75 und P76 liegen mit ihren Kanälen zwischen dem Leiter 80 und der Platte Y bzw. der Platte Z Die Gate-Elektroden der Transistoren P75 und P76iind an die Platten Z bzw. Y angeschlossen. Am Leiter 80 wird eine Gleichspannung von +2V Volt erzeugt. Zum Ausglätten von Schaltimpulszacken kann ein Kondensator C73 zwischen die Leiter 80 und 10 geschaltet sein.

Wenn, wie in F i g. 2 gezeigt, ζ) auf +V Volt (hoch) schaltet, so wird der Transistor A/71_eingeschaltet, und Q geht auf 0 Volt (niedrig). Durch Q niedrig wird der Transistor P74 eingeschaltet, und das Potential der Platte W von C72 schaltet von 0 Volt auf + WoIt. Es kann vorausgesetzt werden, daß die Spannung von Z anfänglich -I- V Volt oder dicht bei diesem Wert betragen hat. Da die Spannung an einem Kondensator sich nicht augenblicklich ändern kann, wird an der Platte Z ein positiv gerichtetes Signal erzeugt, das von + V Volt auf + 2 V Volt ansteigt. Diese Spannung gelangt zur Gate-Elektrode des Transistors N 72. wodurch dieser eingeschaltet wird und die Platte Y von C71 an + V Volt anklemmt. Wenn Q negativ schaltet, wird der Transistor Λ/71 ausgeschaltet und der Transistor P71 eingeschaltet. Durch das Einschalten des Transistors P7\ wird das Potential der Platte X von C71 gegen + V Volt gedruckt. Das Potential von X gelangt zu den Gate-Elektroden der Transistoren P74 und Λ/74. wodurch P74 ausgeschaltet und Λ/74 eingeschaltet werden.

Beim Einschalten des Transistors N 74 wird die Spannung der Platte W von + VVoIt auf 0 Volt und die Spannung der Platte Z von +2V Volt auf + V VoSt geschaltet. Durch die zur Gate-Elektrode des Transisiors /V 72 gelangende Spannung + VVoIt wird dieser Transistor ausgeschaltet, da seine Source-Elektrodc und sein Substrat ebenfalls auf + VVoIt liegen. Gleichzeitig wird die zur Platte X gelangende positiv gerichtete Spannungsstufe von 0 auf +V Volt über den Kondensator C7ⁱ weitergekoppelt, und die Spannung der Platte Y geht von +VVoIt auf +2VVoIt. Die Spannung +2VVoIt gelangt zur Gate-Elektrode von Λ/73, wodurch dieser Transistor eingeschahet und die Platte Z an +V Volt angeklemmt werden. Es

hi werden daher in den Leitern 76 und 78 Signale Eb/v, D von der in Fig ? gezeigten Art erzeugt, deren Amplitude zwischen + VVoIt und +2 VVoIt wechselt. Wenn die Schaltung nach F i g. 1 anfänglich mit

Betriebsenergie gespeist wird, so sind die Substrate der Transistoren /V 72 und /V73 mit dem Leiter 10 verbunden, der mit + V Volt beaufschlagt ist. Die mit den anfänglich ungeladenen Platten Kund Zverbundenen diffundierten Gebiete der Transistoren N 72 bzw. Λ/73 bilden zusammen mit ihren Substraten durchlaßgespannic Dioden. Diese Dioden leiten einen Strom, der bewirkt, daß die Platten Zund/oder ^anfänglich auf ein Potential dicht bei + V Volt aufgeladen werden (in Wirklichkeit ist die Spannung annähernd gleich + V Volt minus 1 Vm Spannungsabfall). Dadurch wird die .Schaltwirkung der Schaltung sowie die [Erzeugung von Impulssignalcn unmittelbar bei eingabe der Steuerimpulse Q sichergestellt. Sobald Impulssignale zugeleitet werden, werden die mit den Platten K und Z verbundenen diffundierten Gebiete nicht negativer als + V Volt, und die Diodenwirkung tritt nicht mehr auf und ist nicht mehr erforderlich.

Die Impiilssignale /: und U werden mitteis der Transistoren P75 und P7S in eine Gleichspannung von + 2VVoIt umgewandelt. Wenn D den Wert +2VVoIt hat. dann hat fden Wert + V Volt. Der Transistor P76 ist bei + V Volt an seiner Gate-Elektrode voll eingeschaltet und koppelt +2VVoIt vom Leiter 78 auf den Leiter 80. Während dieses Zeitintervalls ist der Transistor P75 gesperrt. Wenn if den Wert +2VVoIl hat, besitzt D den Wert + VVoIt. Die Verhältnisse sind dann gerade umgekehrt, so daß nun der Transistor P75 + 2V Volt vom Leiter 76 auf den Leiter 80 koppelt, während der Transistor P 76 gesperrt ist.

Die Schaltung nach Fig. I erzeugt somit eine Impulsspannuni D oder Iiaußerhalb des Bereiches der

to speisenden Betriebsspannung sowie eine Gleichspannung + 2 V, die größer ist als die speisende Betriebsspannung.

In der Schallung nach I'ig. 1 arbeiten die Transistoren /V 72 und N 73 im Source-Folgerbetrieb, wenn sie die Platten K bzw. Z auf + V Voll aufladen. Jedoch werden, wenn diese Transistoren im Source-Folgerbeirieb arbeiten, ihre Gate-Elektroden auf 2V Volt übersteuert. Folglich können diese Transistoren die Spannung der Platten V und Zan die voiien + V'Voii im Leiter 10 anklemmen. Als Folge davon kann die Spannung der Platten Kund Z von + VVoIt auf +2V Volt wechseln.

Hierzu 1 Blatt Zcichnunccn

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Spannungsverdopplersehaltung mit einem ersten und einem zweiten Transistorschalter zum wahlweisen Verbinden einer ersten Platte eines ersten Kondensators mit einem ersten bzw. einem zweiten Eingangsanschluß, an welche Eingangsanschlüsse die zu verdoppelnde Eingangsglejchspannung angelegt ist, mit einem dritten und einem vierten Transistorschalter zum wahlweisen Verbinden der zweiten Platte des ersten Kondensators mit einem Ausgangsanschluß bzw. dem ersten Eingangsanschluß, mit einem fünften und einem sechsten Transistorschalter zum wahlweisen Verbinden der zweiten Platte eines zweiten Kondensators mit dem Ausgangsanschluß bzw. dem ersten Eingangsanschluß, mit einem siebten und einem achten Transistorschalter zum wahlweisen Verbinden der ersten Platte des zweiten Kondensators mit dem ersten bzw. »lern zweiten Eingangsanschluß, und mit einer Steuerschaltung, die abhängig von einem ersten Wert eines Eingangssignals den ersten, den dritten, den sechsten und den achten Transistorschalter schließt und den zweiten, den vierten, den fünften und den siebten Transistorschalter öffnet, und abhängig von einem zweiten Wert des Steuersignals die Zustände der Transistorschalter umkehrt, so daß eine gegenüber der Eingangsgleichspannung verdoppelte Ausgangsgleichspannung am Ausgangsanschluß bezogen auf den zweiten Eingangsanschluß erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gradzahligen Transistorschalter Anreicherungs-Isolierscnicht-Feldeffekttransistoren eines ersten Kanal-Leitungstyps (N 71, N 72, N 73, Λ/74) und die ungradzahligen Transistorschalter Anreicherungs-Isolierschicht-Feldeffekttransistoren eines zweiten zum ersten komplementären Kanal-Leitungstyps (PTX, P74, P75, P76) sind und daß die Steuerschaltung eine erste galvanische Verbindung der Gate-Elektroden des ersten und des zweiten Transistors (P7i, Λ/71) mit einem Steuersignaleingangsanschluß, eine zweite galvanische Verbindung der ersten Platte (X) des ersten Kondensators (C7i) mit den Gate-Elektroden des siebten und des achten Transistors (P74, Λ/74), eine dritte galvanische Verbindung der zweiten Platte (Y) des ersten Kondensators mit den Gate-Elektroden des fünften und des sechsten Transistors ff 76, Λ/73) und eine vierte galvanische Verbindung der zweiten Platte (Z) des zweiten Kondensators (C72) mit den Gate-Elektroden des dritten und des vierten Transistors (P 75, N 72) aufweist.