DE2812908A1

DE2812908A1 - Spannungsvervielfacherschaltung

Info

Publication number: DE2812908A1
Application number: DE19782812908
Authority: DE
Inventors: John Flackett Dickson
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Plessey Semiconductors Ltd
Priority date: 1977-03-25
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1978-09-28
Also published as: GB1593863A; US4214174A; JPS6148190B2; DE2812908C2; JPS53124947A

Description

- 3 Patentanwälte 2 8 1 ? 9 O 8

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl -Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: P 2363 22.März 1978

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS AG
Gartenstrasse 2
6300 Zug,Schweiz

Sparmungsvervielfacherschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsvervielfacherschaltung r

In der Patentanmeldung P 26 39 554.0 ist eine Spannungsvervielfacher schaltung beschrieben, die sich besonders gut für den Aufbau als Festkörperschaltung eignet und Vorteile gegenüber anderen ähnlichen Ausführungen von Spannungsverviel=· facherschaltungen bietet. In der erwähnten Patentanmeldung ist ein als Festkörperschaltung ausgebildeter Spannungsvervielfacher beschrieben, der sich für einen Aufbau in MOS-oder MNOS-Technologie eignet und bei dem anstelle einfacher Dioden von Transistoren Gebrauch gemacht wird, die als Dioden geschaltet sinde In der Gleichung (5) auf Seite 9 dieser Anmeldung ist angegeben, daß eine Spannungsvervielfachung eintritt, wenn gilt:

S- ν- ^Iqut > ο (1) ^D (c c)f

c + c_s ν ^D (c + c_s)f

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wobei Ίφ die Taktspannung und V₀ die Diodendurchlaßspannung sind ο

Für den Fall, daß als Diode geschaltete Transistoren verwendet werden, wird die Diodendurchlaßspannung V₀ die Transistorschwellenspannung Vm, so daß die Gleichung (1) folgendermaßen umgeschrieben werden kann:

- V_n. - >0 (2)

Cj. η P ^x fn χ η \ ψ ö S

Durch Umordnen der Gleichung (2) ergibt sich, daß die Spannungsvervielfachung unter der folgenden Voraussetzung eintritt:

Eine genauere Lösung würde auch die Zunahme der Schwellenspannung V_T mit der Source-Substrat-Vorspannung berücksichtigen.

Aus der Gleichung (3) läßt sich jedoch trotzdem erkennen, daß gelten muß: V^^V™, damit die Spannungsvervielfachung eintritt. Typischerweise liegt die wirksame Transistorschwellenspannung Vm in der Größenordnung von 5V, und es hat sich gezeigt, daß eine Taktspannung V^ von etwa 7-8 V erforderlich ist₀ Es gibt jedoch viele Anwendungsfälle, in denen eine maximale Betriebsspannung von beispielsweise 5 V erforderlich ist₀ Bei diesen Anwendungsfällen ist der Spannungsvervielfacher nach der oben erwähnten Patentanmeldung P 26 39 554.0 nicht funktionsfähig.

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Mit Hilfe der Erfindung soll eine Spannungsvervielfacherschaltung geschaffen werden, die auf der in der oben erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Schaltung basiert und Transistoren enthält, Jedoch bei niedrigeren Spannungen arbeitet.

Nach der Erfindung ist eine Spannungsvervielfacherschaltung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Schaltungseingang und einem Schaltungsausgang mehrere Transistoren in Serie geschaltet sind, daß erste und zweite Eingangsleitungen vorgesehen sind,zwischen die eine Wechselspannungsdifferenz angelegt ist, daß aufeinanderfolgende Verbindungspunkte zwischen benachbarten Transistoren über Kapazitäten abwechselnd an die erste und an die zweite Eingangsleitung angeschlossen sind, und daß die Steuerelektrode, beispielsweise die Gate-Elektrode oder die Basis-Elektrode jedes Transistors an einem Verbindungspunkt zwischen zwei benachbarten Transi« stören angeschlossen ist, der dem Schaltungsausgang näher als der eine Transistor liegt und der über eine der Kapazitäten mit der Eingangsleitung verbunden ist, mit der auch der eine Transistor verbunden ist»

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Transistoren Feldeffekttransistoren, beispielsweise MOS-Feldeffekttransistoren oder MNOS-Feldeffekttransistoren sein; sie können auch bipolare Transistoren sein«,

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Transistoren mit Hilfe einer Diodenvorrichtung abgeschlossen, die vorzugsweise von einem als Diode geschalteten Transistor gebildet ist. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß der Ausgang der Diodenvorrichtung

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über eine Kapazität mit einer entsprechenden Eingangsleitung und auch mit der Steuerelektrode des letzten Transistors verbunden ist.

Vorteilhafterweise ist zur Abgabe des Ausgangssignals der Schaltung eine mit dem letzten Transistor verbundene weitere Diodenvorrichtung vorgesehen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Schaltungseingang mit einer der beiden Eingangsleitungen verbunden sein, und voriieilhafterweise kann an die beiden Eingangsleitungen jeweils eines von zwei gegenphasigen Taktsignalen angelegt sein.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein Schaltbild einer Spannungsvervielfacherschaltung, die die Grundlage der oben erwähnten Patentanmeldung P 26 39 554.0 bildet, bei der als Diode geschaltete Transistoren angewendet sind,

Fig.2 ein SchaltbiMeiner Spannungsvervielfacherschaltung nach der Erfindung, bei der Feldeffekttransistoren verwendet sind,

Fig_e3 ein Schaltbild einer Abschlußschaltung für die Spannungsvervielfacherschaltung von Fig.2 und

Fig.4 ein Schaltbild einer Spannungsvervielfacherschaltung nach der Erfindung, die den Schaltungen von Fig.2 und Fig.3 gleicht, jedoch von bipolaren Transistoren Gebrauch macht.

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In Fig.1 ist eine Spannungsvervielfacherschaltung dargestellt, wie sie in der Patentanmeldung P 26 49 554.0 beschrieben ist; bei dieser Schaltung werden Dioden in Form von Feldeffekttransistoren benützt, die als Diode geschaltet sind.Die Schaltung enthält vier Transistoren 1, 2, 3 und 4, deren Gate-und Source-Elektroden miteinander verbunden sind, so daß sie als Diode arbeiten; die als Diode geschalteten Transistoren 1, 2, 3 und 4 liegen in Serie zwischen einem Eingang 5 und einem Ausgang 6. Abwechselnde Verbindungspunkte zwischen benachbarten Transistoren 1, 2, 3 und 4 sind über Kapazitäten 7 mit einer von zwei Bezugstaktleitungen 01 und 02 verbunden, an denen gegenphasige Taktsignale anliegen. Die Wirkungsweise der Vervielfacherschaltung ist in der oben erwähnten Patentanmeldung ausführlich beschrieben. Wie dieser Beschreibung zu entnehmen ist₉ kann der Eingang 5 ein eigener Eingang sein, wie er in Fig.1 dargestellt ist, oder er kann mit ©iner der Bezugstaktleitungen 01 oder 02 verbunden sein,, Da die Transistoren 1, 2, 3 und 4 jeweils als Diode geschaltet sind, ist der an ihnen auftretende Spannungsabfall jeweils gleich der Schwellenspannung V™; wie gezeigt worden ist, muß für das Eintreten der Spannungsvervielfachung die Schwellenspannung V_T größer als V^ seIn₉ wenn Vλ die an die Taktleitungen 01 und 02 angelegte Taktspannung ist. Typischerweise hat die Schwellenspannung V_T einen Wert in der Größenordnung von 5V^ so daß eine Takt= spannung V^ von beispielsweise 7-8 V erforderlich ist_o

Damit die Taktspannung, die für ein Arbeiten des Spannungsvervielf achers mit beispielsweise 5V erforderlich ist, herabgesetzt werden kann, muß der wirksam© Spannungsabfall

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an den Transistoren 1, 2, 3 und 4 erniedrigt werden; dies kann dadurch erreicht werden, daß sie als Transistoren, und nicht als Dioden betrieben werden, und daß die Tatsache ausgenutzt wird, daß eine fortschreitende Vergrößerung der Spannung zwischen dem Eingang 5 und dem Aisgang 6 auftritt. Es sollte daher möglich sein, die Gate-Elektrode jedes der Transistoren 1, 2, 3 und 4 mit einem Punkt z_u verbinden, an dem eine höhere Spannung vorhanden ist, so daß sie weiter in den Durchlaßbereich geschaltet werden, was zu einer Reduzierung des an ihnen auftretenden Spannungsabfalls führt. Eine derart aufgebaute Schaltung ist in Fig.2 dargestellt; diejenigen Bauelemente, die den Bauelementen der Schaltung von Fig.1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden. In dieser Schaltung sind die Transistoren 1, 2, 3 und 4 nicht als Dioden, sondern als Transistoren geschaltet, und die Gate-Elektrode jedes Transistors ist am Verbindungspunkt zwischen zwei benachbarten Transistoren angeschlossen, der näher beim Ausgang liegt und somit eine höhere Spannung aufweist, als die Source Elektrode, was bewirkt, daß dieser Transistor weiter in den Durchlaßbereich ausgesteuert wird. Die Verbindungspunkte zwischen benachbarten Transistoren 1, 2, 3 und 4 sind jedoch abwechselnd jeweils einer anderen Taktleitung 01 und 02 zugeordnet, so daß zwischen benachbarten Verbindungspuökten eine Phasendifferenz auftritt. Auf Grund dieser Tatsache muß die Gateelektrode eines Transistors an dem Verbindungspunkt zwischen zwei Transistoren angeschlossen werden, der der gleichen Taktspannung zugeordnet ist. Auf diese Weise zeigt sich, daß die Gate-Elektrode eines Transistors mit dem übernäehsten Verbindungspunkt zwischen zwei Transistoren verbunden ist, wie die Schaltung von Fig.2 zeigt, obgleich in der Theorie auch ein Anschluß am viertnächsten Verbindungs-

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punkt, am sechstnächsten Verbindungspunkt usw. möglich ist» In der Schaltung von Fig.2 ist also die Gate-Elektrode des Transistors 1 am Verbindungspunkt zwischen den Transistoren und 3 angeschlossen, und die Gate-Elektrode des Transistors ist am Verbindungspunkt zwischen den Transistoren 3 und 4 angeschlossen usw.

Bei einer solchen unter Bezugnahme auf Fig.2 beschriebenen Schaltung zeigt sich, daß eine Selbstbegrenzung eintritt, da unabhängig von einer zunehmenden Taktspannung der wirksame Spannungsabfall, an jedem der Transistoren 1, 2, 3 und 4 gleich der Hälfte der Schwellenspannung, d.h«, V_T/2 ist_e Bei einer Schaltung, bei der der Anschluß der Gate-Elektrode am jeweils viertnächsten Verbindungspunkt vorliegt, hat der Spannungsabfall an jedem Transistor jeweils den Wert V„,/4; Entsprechendes gilt für die weiteren möglichen Anschlußverbindungen.

Für die in Fig.2 dargestellte Spannungsvervielfacherschaltung kann gezeigt werden, daß die Spannungsvervielfachung eintritt, wenn gilts V^>V_T/2; typischerweise ergibt eine Taktspannung von etwa 4-5 V befriedigende Ergebnisse„

Eine Schwierigkeit bei der in Fig_e2 dargestellten SOannungs®= vervielfacherschaltung besteht darin? daß sie so abgeschlossen werden muß, daß die Gate-Elektrode des letzten der Transistoren 1, 2, 3 und 4 richtig angeschlossen verden kann. Dies kann wie in Fig.3 ausgeführt werden, indem ein weiterer Transistor 8 verwendet wird, der in Serie zu den Transistoren 1, 2, 3 und 4 geschaltet ist und mit der passenden Taktleitung über eine Kapazität 7 verbunden ist, während jedoch die Gate-= und Source-Elektroden dieses Transistors 8 miteinander verbunden sind,

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so daß er als Diode arbeitet.

Die Gate-Elektrode des letzten der Transistoren 1, 2, 3 und 4, also des Transistors 4, ist dann mit der Drain-Elektrode des Transistors 8 verbunden, die über eine Kapazität 7 auch mit der Taktleitung 01 verbunden ist. Ein Ausgangssignal der Schaltung von Fig.3 kann an der Drain-Elektrode des Transistors 8 abgenommen werden, doch wird es vorzugsweise vom Verbindungspunkt zwischen den Transistoren 4 und 8 über einen weiteren Transistor 9 abgenommen, dessen Source- und Gate-Elektroden miteinander verbunden sind, so daß er als eine Diode zur Bildung des Schaltungsausgangs 6 arbeitet.

Die bisher unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 betrachtete Spannungsvervielfacherschaltung ist mit Feldeffekttransistoren beschrieben worden, und sie kann vorteilhafterweise in Form einer Festkörperschaltung unter Anwendung der MOS- oder MNOS-Technologie ausgeführt werden. Die Schaltungen nach den Figuren 2 und 3 können jedoch auch unter Anwendung der Bipolartechnologie ausgeführt werden; eine in dieser Form ausgeführte Schaltung ist in Fig.4 dargestellt. Die Teile der Schaltung von Fig.4, die Teilen der Schaltungen nach den Figuren 2 und 3 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden. Da diese Schaltung genau so wie die Schaltungen der Figuren 2 und 3 arbeitet, wird keine weitere Erläuterung für notwendig erachtet, abgesehen davon, daß darauf hingewiesen wird, daß der Spannungsabfall an jedem der in Serie geschalteten Transistoren, mit Ausnahme der Transistoren 8 und 9 den Wert V_BE/2 hat, wobei V_BE die übliche Basis-Emitter-Spannung istο In diesem Fall tritt die Spannungsvervielfachung ein, wenn gilt: V^ >^v _BE/2.

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Ein spezieller Anwendungsfall der unter Bezugnahme auf Fig.2
beschriebenen Spannungsvervielfacherschaltung mit der Abschlußschaltung vein Figo3 ist die Anwendung in Geräten zur automatischen Anrufwiederholung , die vorzugsweise in MNOS-Form aufgebaut sind und mit einer normalen Versorgungsspannung von
etwa 5V arbeiten müssen.

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Leerseite

Claims

Patentanwälte 2 6 Ί 2 ü Q 8

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl -Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: P 2363 22.März 1978

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS AG
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Patentansprüche

1. Spannungsvervielfacherschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Schaltungseingang und einem Schaltungsausgang mehrere Transistoren in Serie geschaltet sind, daß erste und zweite Eingangsleitungen vorgesehen sind, zwischen die eine Wechselspannungsdifferenz angelegt ist, daß aufeinanderfolgende Verbindungspunkte zwischen benachbarten Transistoren über Kapazitäten abwechselnd an die erste und an die zweite Eingangsleitung angeschlossen sind,und daß die Steuerelektrode,beispielsweise die Gate-Elektrode oder die Basis-Elektrode jedes Transistors an einem Verbindungspunkt zwischen zwei benachbarten Transistoren angeschlossen ist, der dem Schaltungsausgang näher als der eine Transistor liegt und der über eine der Kapazitäten mit der Eingangsleitung verbunden ist, mit der auch der eine Transistor verbunden ist»

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2ο Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Feldeffekttransistoren sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren bipolare Transistoren sind.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Transistoren mit einer Diodenvorrichtung abgeschlossen sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenvorrichtung aus einem als Diode geschalteten Transistor besteht, wobei der Ausgang der Diodenvorrichtung über eine Kapazität mit einer entsprechenden Eingangsleitung und auch mit der Steuerelektrode des letzten Transistors verbunden ist.

6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Diodenvorrichtung vorgesehen ist, die zur Bildung des Schaltungsausgangs mit dem letzten Transistor verbunden ist.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungseingang mit der ersten oder der zweiten Eingangsleitung verbunden ist.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Eingangsleitungen jeweils eines von zwei gegenphasigen Taktsignalen angelegt ist»

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