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Konstantspannungsschaltung Die Erfindung betrifft eine Konstantspannungsschaltung.
. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Konstantspannungsschaltung, die einen
Feldeffekttransistor (im folgenden FET) mit isoliertem Steuerbereich (im folgenden
zusammengefasst kurz MISFET) verwendet.
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Seit langem ist eine Konstantspannungsschaltung bekannt, bei der ein
Widerstand und eine Zenerdiode in Reihe geschaltet sind, wobei die Ausgangsspannung
über die Zenerdiode abgenommen wird. Diese Schaltung basiert darauf, dass beim Anlegen
und allmählichen Erhöhen einer Sperrspannung an der Zenerdiode von einem bestimmten
Spannungswert an schlagartig ein Strom zu fliessen beginnt, wobei die über die Zenerdiode
abgegriffene Ausgangsspannung konstant bleibt. Der Reihenwiderstand ist bei dieser
Schaltung zur Begrenzung des durch die Zenerdiode fliessenden Stromes erforderlich.
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Andererseits sind mit der jüngsten Entwicklung der FET auch zahlreiche
integrierte Schaltungen, die FET enthalten, bekannt geworden. Insbesondere bei solchen
Schaltungen treten jedoch erhebliche Konstantspannungsprobleme auf. So ist es heute
beispielsweise gebräuchlich, Taktimpulsgeneratoren unter Verwendung von FET als
integrierte Schaltungen herzustellen.
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Dabei lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass die Ausgangsimpulsfrequenz
eine Funktion der Versorgungsspannung ist und daher in ihrer Konstanz an diese gekoppelt
ist. Bei einer solchen Schaltung stellt also die Schwankung der Versorgungsspannung
ein schwieriges Problem dar.
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Zur Unterdrückung der Speisespannungsabhängigkeit im zuvor beschriebenen
Beispiel könnte man beispielsweise die eingangs beschriebene Konstantspannungsschaltung
zwischen die Speisespannungsquelle und den Taktgenerator schalten. Die bekannte
Schaltung sieht jedoch eine Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes vor,
was zu Schwierigkeiten bei der Integration der Schaltung auf einem Halbleiterplättchen
führt.
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Zur Realisation dieser Schaltung sind zahlreiche zusätzliche Herstellungsverfahrensstufen
erforderlich, die die Kosten für die integrierte Schaltung spürbar erhöhen. Ein
weiteres Problem liegt dabei darin, dass bei der industriellen Grossserienfertigung
herstellungsbedirigt die Betriebsspannungen der integriert hergestellten Dioden
um bis zu 50 % schwanken können. Dadurch wird eine zuverlässig und reproduzierbar
herstellbare Taktfrequenz nicht mehr einstellbar.
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Der Erfindung liegt angesichts dieses Standes der Technik die Aufgabe
zugrunde, eine Konstantspannungsschaltung zu schaffen, die problemlos und preiswert
in der Halbleitertechnik integrierbar ist und auch bei grösseren Versorgungsspannungsschwankungen
eine ausgezeichnete Konstanz der Ausgangsspannung zeigt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Konstantspannungssschaltung vorgeschlagen,
die erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch eine mit einer Speisespannung beaufschlagte
Reihenschaltung aus einem Sperrschichtkanal-Feldeffekttransistor und Widerstandselementen,
durch einen Abgriff zwischen dem Sperrschichtkanal-Feldeffekttransistor und den
Widerstandselementen
für den Ausgangsanschluss und durch einen Widerstandswert
der Widerstandselemente, der den durch den Sperrschichtkanal-Feldeffekttransistor
fliessenden Strom so begrenzt, dass dieser im Konstantstrombereich der Transistorkennlinie
liegt.
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Zusammengefasst schafft die Erfindung also eine Konstantspannungsschaltung,
bei der eine Versorgungsspannung an eine Reihenschaltung gelegt wird, die aus einem
Sperrschichtkanal-FET und einem Widerstandsbauelement besteht. Dieses Widerstandsbauelement
ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise ein im Verstärkungsmode
arbeitender FET. Ein Verknüpfungspunkt zwischen dem Sperrschichtkanal-FET und dem
Widerstandsbauelement, nach der Weiterbildung der Erfindung also ein Verknüpfungspunkt
zwischen dem Sperrschichtkanal-FET und dem im Verstärkungsmode arbeitenden FET,
dient als Abgriffpunkt für den Ausgangsanschluss der Konstantspannungsschaltung.
Dabei wird der Widerstand des Widerstandsbauelementes so eingestellt, dass der über
den Sperrschichtkanal-FET fliessende Strom in dem durch einen konstanten Strom gekennzeichneten
Bereich der Strom-Spannungs-Kennlinien dieses FET liegt Dadurch tritt am Ausgangsanschluss
stets eine konstante Spannung auf, und zwar selbst dann, wenn die Speisespannung
in grösserem Umfang schwankt.
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In der zuvor beschriebenen Weise führt insbesondere die Verwendung
eines im Verstärkungsmode arbeitenden FET als Widerstandsbauelement zu ausgezeichneten
Ergebnissen.
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Sowohl der Stand der Technik als auch die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
sind im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 Strom-Spannungs-Kennlinien
zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung; Fig. 3 einen
unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung aufgebauten Taktimpulsgenerator
und Fig. 4 eine Konstantspannungsquelle nach dem Stand der Technik.
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In der Fig. 4 ist die eingangs beschriebene Konstantspannungsschaltung
nach dem Stand der Technik gezeigt. Der Widerstand R und die Zenerdiode Dz sind
in Reihe zur Speisespannungsquelle geschaltet. Die Ausgangsspannung wird über die
Zenerdiode abgegriffen. Diese Schaltung weist die zuvor beschriebenen Nachteile
auf.
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In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
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Ein im Sperrschichtmode arbeitender p-Kanal-FET M1 und ein im yerstärkungsmode
arbeitender p-Kanal-FET M2 sind in Reihe geschaltet. Die Senke des FET M1 ist mit
dem Versorgungsspannungsanschluss VDD verbunden. Quelle und Steuerelektrode des
FET M1 sind kurzgeschlossen. Die Quelle des FET M2 ist geerdet oder liegt an einem
anderen Bezugspotential. Die Steuerelektrode ist zur Senke kurzgeschlossen. Der
Verbindungspunkt zwischen dem FET Ml und dem FET M2 dient gleichzeitig als Abgriff
für die Ausgangsspannung Vout.
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Solange VDD-Vout > VthD, arbeitet der FET M1 im Sättigungsbereich,
so dass über den FET M1 ein konstanter Strom fliesst.
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In der vorstehenden Gleichung ist dabei VthD die Schwellenspannung
des FET Ml. Ferner sei VG1 die Steuerspannung am FET M1 und VS1 die Quellenspannung
des FET M1 sowie ßl das
Verhältnis W/L, wobei W die Breite und L
die Länge des Kanals ist. Für diesen FET M1 ist dann der Strom 11 = -(ßl/2)(VGl-VSl-VthD)2
(1) Da jedoch beim FET Mi die Steuerelektrode und die Quelle kurzgeschlossen sind,
ist VGl = VS1. Die Gleichung (1) wird damit zu I1 = -(ßl/2)(VthD)2 (2) Ferner sei
VG2 die Steuerspannung des FET M2, VS2 die Quellenspannung des FET M2, VthE die
Schwellenspannung des FET M2 und ßd das Verhältnis W'/L' zwischen der Breite W'
und der Länge L' des Kanals des FET M2. Der über den FET M2 fliessende Strom I2
ist dann 2 12 = -(f3d/2)(VG2-V52-VthE) (3) Wenn,wie in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung angenommen, die Quelle des FET M2 geerdet ist, gilt VS2 = O. Die Gleichung
(3) wird damit zu I2 = -(ßd/2)(VG2-VthE)2 (4) Weiterhin ist beim FET M2 die Steuerelektrode
mit der Senke kurzgeschlossen, wobei die an der Steuerelektrode auftretende Spannung
gleich der Ausgangsspannung Vout ist.
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Gleichung (4) wird damit zu I2 = -(ßd/2)(Vout - VthE)2 (5) Der FET
M1 und der FET M2 sind in Reihe zueinander geschaltet.
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Über beide Bauelemente fliesst also der gleiche Strom, so dass also
I1 = 12. Aus den Gleichungen (2) und (5) folgt damit
2 2 -(f3l/2>(VthD)
= -(ßd/2)(Vout-VthE) (6) Schliesslich erhält man aus der Gleichung (6) für die Ausgangsspannung
Vout folgenden Ausdruck: Vout = VthE + (nR)1/2(-VthD) (7) In der Gleichung (7) ist
ßR = ßl/ßd. Die Gleichung (7) zeigt die Wirkungsweise der Konstantspannungsschaltung
der Erfindung, indem Vout unabhängig von der Versorgungsspannung VDD ist. Die Ausgangsspannung
ist allein eine Funktion der Schwellenspannungen der beiden FET und der geometrischen
Abmessungen dieser beiden Bauelemente.
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Diese Verhältnisse sind graphisch in den in Fig. 2 gezeigten Kennlinien
näher erläutert. Die Kurven M1 und M2 beziehen sich auf die Kennlinien der FET M1
und FET M2.
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Die Ausgangsspannung Vout der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist durch
den Schnittpunkt der beiden FET-Kennlinien bestimmt. Die Lage dieses Schnittpunktes
wird durch Festlegen des Wertes für die Grösse ßR (Gleichung 7) eingestellt.
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Wählt man ßR so, dass der Schnittpunkt der beiden Kennlinien im Konstantstrombereich
der Kennlinien für den FET M1 liegt, dann ist Vout konstant. Die konstante Ausgangsspannung
kann durch eine Vergrösserung der Werte für ßR in der in Fig. 2 gezeigten Weise
von BR1 bis ßR3 erzielt werden.
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Selbst wenn also in der in Fig. 2 gezeigten Weise die Versorgungsspannung
vom Wert VDD1 über den Wert VDD2 zum Wert VDD3 driftet, bleibt die Ausgangsspannung
Vout unabhängig von diesen Versorgungsspannungsschwankungen konstant. In der ebenfalls
aus Fig. 2 ersichtlichen Weise kann eine konstante Ausgangs spannung Vout jedoch
dann nicht mehr erhalten werden,
wenn der Wert für ßR einmal für
eine bestimmte konstante Ausgangsspannung Vout festgelegt ist und die Versorgungsspannung
unter diesen Grenzwert abfällt, wie das beispielsweise für die Versorgungsspannung
VDD4 in Fig. 2 dargestellt ist. In der Praxis stellt man daher den Wert für ßR so
ein, dass der Versorgungsspannungswert VDD1 in Fig. 2 gleich der kleinsten möglichen
Versorgungsspannung ist.
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In der Fig. 3 ist die Verwendung der Konstantspannungsschaltung der
Erfindung für einen Taktimpulsgenerator gezeigt.
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Zwischen dem Anschluss für die Ausgangs spannung Vout der Konstantspannungsschaltung
der Erfindung und Erde liegen drei Inverter (M3, M6; M4, M7; M5, M8) in Kaskadenschaltung,
wobei der Ausgang der Endstufe dieser Inverterkaskade auf den Eingang der ersten
Stufe gegeben ist.
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Die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung liefert am Ausgangsanschluss
eine Signalfrequenz, die von der Versorgungsspannung VDD unabhängig ist, die also
auch bei Veränderungen der Versorgungsspannung VDD konstant bleibt. Diese Wirkung
kann dadurch weiter verbessert werden1 dass man vorzugsweise einen Quellenfolger
oder eine entsprechende Schaltung ausgangsseitig mit der Konstantspannungsquelle
verbindet, um eine Impedanzumsetzung zu erzielen.
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Die Erfindung ist vorstehend unter Verwendung eines im Verstärkungsmode
arbeitenden FET als Widerstandselement peschrieben. Sie ist jedoch nicht auf diese
Ausbildung beschränkt. Statt des im Verstärkungsmode arbeitenden FET können beispielsweise
auch ein im Sperrmode arbeitender FET oder ein einfacher Widerstand eingesetzt werden.
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Vorzugsweise ist die Konstantspannungsschaltung jedoch in der beschriebenen
Weise ausgebildet, wodurch sie in besonders einfacher und billiger Weise in Halbleiterschaltungen
zu integrieren
ist, die aus FET aufgebaut sind.