DE2812908C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsvervielfacher
schaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der DE-OS 26 39 554 ist eine derartige Spannungsver
vielfacherschaltung beschrieben, die sich besonders gut für
den Aufbau als Festkörperschaltung eignet und Vorteile gegenüber
anderen ähnlichen Ausführungen von Spannungsvervielfacher
schaltungen bietet. In der erwähnten Druckschrift ist
ein als Festkörperschaltung ausgebildeter Spannungsverviel
facher 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 sind. In der Gleichung (5) auf Seite 9 dieser Druck
schrift ist angegeben, daß eine Spannungsvervielfachung eintritt,
wenn gilt:
wobei f die Taktfrequenz, C der Taktkopplungskondensator, C S
die Streukapazität, V Φ die Taktspannung und V D die
Diodendurchlaßspannung sind.
Für den Fall, daß als Diode geschaltete Transistoren verwendet
werden, wird die Diodendurchlaßspannung V D die Transistor
schwellenspannung V T , so daß die Gleichung (1) folgendermaßen
umgeschrieben werden kann:
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 Φ < V T , damit die Spannungsvervielfachung
eintritt. Typischerweise liegt die wirksame Transistor
schwellenspannung V T in der Größenordnung von 5 V, und es
hat sich gezeigt, daß eine Taktspannung V Φ von etwa 7-8 V
erforderlich ist. Es gibt jedoch viele Anwendungsfälle,
in denen eine maximale Betriebsspannung von beispielsweise
5 V erforderlich ist. Bei diesen Anwendungsfällen ist der
Spannungsvervielfacher nach der oben erwähnten
DE-OS 26 39 554 nicht funktionsfähig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsverviel
facherschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei der
in vielen Anwendungsfällen zur Verfügung stehenden niedrigen Betriebsspannung
von 5 V einwandfrei arbeitet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Spannungsvervielfacherschaltung,
die die Grundlage der DE-OS 26 39 554 bildet, bei der als Diode geschaltete
Transistoren angewendet sind,
Fig. 2 ein Schaltbild einer Spannungsvervielfacherschaltung
nach der Erfindung, bei der Feldeffekttransistoren
verwendet sind,
Fig. 3 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.
In Fig. 1 ist eine Spannungsvervielfacherschaltung darge
stellt, wie sie in der DE-OS 26 39 554
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 Φ 1 und Φ 2
verbunden, an denen gegenphasige Taktsignale anliegen.
Die Wirkungsweise der Vervielfacherschaltung ist in
der oben erwähnten Patentanmeldung ausführlich beschrieben.
Wie dieser Beschreibung zu entnehmen ist, kann der
Eingang 5 ein eigener Eingang sein, wie er in Fig. 1
dargestellt ist, oder er kann mit einer der
Bezugstaktleitungen Φ 1 oder Φ 2 verbunden sein.
Da die Transistoren 1, 2, 3 und 4 jeweils als Diode
geschaltet sind, ist der an ihnen auftretende Spannungs
abfall jeweils gleich der Schwellenspannung V T ; wie gezeigt
worden ist, muß für das Eintreten der Spannungsvervielfachung
die Schwellenspannung V T kleiner als V Φ sein, wenn
V Φ die an die Taktleitungen Φ 1 und Φ 2 angelegte
Taktspannung ist. Typischerweise hat die Schwellenspannung
V T einen Wert in der Größenordnung von 5 V, so daß eine
Taktspannung V Φ von beispielsweise 7-8 V erforderlich ist.
Damit die Taktspannung, die für ein Arbeiten des Spannungs
vervielfachers mit beispielsweise 5 V erforderlich ist,
herabgesetzt werden kann, muß der wirksame Spannungsabfall
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 Ausgang 6
auftritt. Es sollte daher möglich sein, die Gate-Elektrode
jedes der Transistoren 1, 2, 3 und 4 mit einem Punkt zu
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 Spannungs
abfalls 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 5
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 Φ 1 und Φ 2
zugeordnet, so daß zwischen benachbarten Verbindungspunkten
eine Phasendifferenz auftritt. Auf Grund dieser Tatsache
muß die Gateelektrode eines Transistors an dem Verbindungs
punkt zwischen zwei Transistoren angeschlossen werden, der
der gleichen Taktspannung zugeordnet ist. Auf diese Weise
zeigt sich, daß die Gate-Elektrode eines Transistors mit
dem übernächsten Verbindungspunkt zwischen zwei Transistoren
verbunden ist, wie die Schaltung von Fig. 2 zeigt, obgleich
in der Theorie auch ein Anschluß am viertnächsten Verbindungs
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 2
und 3 angeschlossen, und die Gate-Elektrode des Transistors 2
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.
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 T /4;
Entsprechendes gilt für die weiteren möglichen Anschluß
verbindungen.
Für die in Fig. 2 dargestellte Spannungsvervielfacherschaltung
kann gezeigt werden, daß die Spannungsvervielfachung
eintritt, wenn gilt: V Φ < V T /2; typischerweise ergibt eine
Taktspannung von etwa 4-5 V befriedigende Ergebnisse.
Eine Schwierigkeit bei der in Fig. 2 dargestellten Spannungsverviel
facherschaltung besteht darin, daß sie so abgeschlossen
werden muß, daß die Gate-Elektrode des letzten der Transistoren
1, 2, 3 und 4 richtig angeschlossen werden 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,
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 Φ 1 verbunden ist. Ein Ausgangs
signal 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 Fig. 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
Fig. 2 und 3 können jedoch auch unter Anwendung der Bipolar
technologie 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 Fig. 2 und 3
entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen
worden. Da diese Schaltung genau so wie die Schaltungen
der Fig. 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 der Wert V BE /2 hat, wobei V BE die übliche Basis-Emmitter-
Spannung ist. In diesem Fall tritt die Spannungsvervielfachung
ein, wenn gilt: V Φ < V BE /2.
Ein spezieller Anwendungsfall der unter Bezugnahme auf Fig. 2
beschriebenen Spannungsvervielfacherschaltung mit der Abschluß
schaltung von Fig. 3 ist die Anwendung in Geräten zur automatischen
Anrufwiederholung, die vorzugsweise in MNOS-Form aufgebaut
sind und mit einer normalen Versorgungsspannung von
etwa 5 V arbeiten müssen.
Claims (6)
1. Spannungsvervielfacherschaltung mit mehreren zwischen
einem Schaltungseingang und einem Schaltungsausgang in Serie
geschalteten Transistoren, wobei jeweils deren Steuerelektrode,
beispielsweise die Gate-Elektrode oder die Basis-
Elektrode, den jeweiligen Transistor ständig in den Durchlaß
zustand schaltet, sowie mit ersten und zweiten Eingangs
leitungen, zwischen die eine Wechselspannungsdifferenz angelegt
ist, wobei aufeinanderfolgende Verbindungspunkte zwischen
benachbarten Transistoren über Kapazitäten abwechselnd
an die erste und an die zweite Eingangsleitung angeschlossen
sind, dadurch gekennzeichnet, a) daß die Steuerelektrode eines
jeden Transistors (1-4) an einem Verbindungspunkt zwischen
zwei benachbarten Transistoren angeschlossen ist, der dem
Schaltungsausgang (6) näher als der eine Transistor liegt
und der über eine der Kapazitäten (7) mit derjenigen Eingangs
leitung ( Φ₁ oder Φ₂) verbunden ist, mit der auch der eingangs
spannungsseitige Anschluß des einen Transistors verbunden ist,
b) daß die mehreren Transistoren mit einer Diodenvorrichtung
(8) abgeschlossen sind, wobei die Diodenvorrichtung aus einem
als Diode geschalteten Transistor besteht und der Ausgang
der Diodenvorrichtung über eine Kapazität (7) mit einer
entsprechenden Eingangsleitung ( Φ₁) und auch mit der Steuer
elektrode des letzten Transistors (4) verbunden ist.
2. 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 Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine weitere Diodenvorrichtung (9) vorgesehen ist,
die zur Bildung des Schaltungsausgangs (6) mit dem letzten
Transistor (4) verbunden ist.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungseingang (5) mit der
ersten ( Φ₁) oder der zweiten ( Φ₂) Eingangsleitung verbunden
ist.
6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Eingangsleitungen
( Φ₁, Φ₂) jeweils eines von zwei gegenphasigen Taktsignalen
angelegt ist.
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Representative=s name: PRINZ, E., DIPL.-ING. LEISER, G., DIPL.-ING., PAT. |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: PLESSEY SEMICONDUCTORS LTD., SWINDON, WILTSHIRE, G |
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8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: PRINZ, E., DIPL.-ING. LEISER, G., DIPL.-ING. SCHWEPFINGER, K., DIPL.-ING. BUNKE, H., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. DEGWERT, H., DIPL.-PHYS., PAT.-ANWAELTE, 8000 MUENCHEN |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |