DE2851789C2

DE2851789C2 - Schaltung zum Schalten und Übertragen von Wechselspannungen

Info

Publication number: DE2851789C2
Application number: DE2851789A
Authority: DE
Inventors: Willy Ing.(Grad.) 7103 Schwaigern Minner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Aumovio Microelectronic GmbH
Priority date: 1978-11-30
Filing date: 1978-11-30
Publication date: 1981-10-01
Also published as: IT7927080A0; IT1125619B; JPS5575348A; US4316101A; DE2851789A1

Description

aufweist, wobei f„ die untere Grenzfrequenz der zu übertragenden Wechselspannung iZ/tcist

4. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Source- oder an den Drainanschluß des MOS-FeIdeffekttransistors (Ti) eine Gleichspannung (Uae) angelegt ist die so groß gewählt und so gepolt wird, daß bei der im ON-Betrieb des Transistors übertagenen maximalen Wechselspannung ({/«cw), die die Source- und Drainzone umgebenden pn-Übergänge stets gesperrt bleiben.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Source- bzw. Drainanschluß angelegte Gleichspannung den Wert

aufweist, wobei liACmax der Effektivwert der zu übertragenden maximalen Wechselspannung ist.

6. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Gateanschluß des MOS-Transistors (Ti) die schaltbare Strecke eines Steuertransistors (7₂) angeschlossen ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor (T₂) ein MOS-Transistor ist, daß der Drainanschluß dieses Transistors (T₂) mit dem Gateanschluß des die Wechselspannung übertragenden MOS-Transistors (Ti) verbunden ist, und daß zwischen die Verbindung der beiden Transistoren und den Mittelanschluß der Reihenschaltung aus der Kapazität c. und dem Vorwiderstand (Rv ή ein weiterer Vorwiderstand (Ryi) geschaltet ist,

8, Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zum An- oder Abschalten von Lautsprechern.

Die Anmeldung betrifft eine Schaltung zum Schalten und Übertragen von Wechselspannungen mit einem MOS-Transistor, nach den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruches 1. Diese Schaltung ist aus der DE-AS 21 08 101 bekannt, bei der neben weiteren Gleichstromstrecken zwischen die Source- bzw. Drain- und die Gateelektrode eines Feldeffekttransistors eine Diode geschaltet ist

MOS-Transistoren mit einem vom Halbleiterkörper

isolierten Gateanschluß ersetzen auf vielen Anwendungsgebieten ein Relais. Der MOS-Schalttransistor benötigt keine Steuerleistung, arbeitet mit Schaltgeschwindigkeiten von einigen usec und ist prellfrei. In der F i g. 1 ist im Schnitt ein für die Schaltung und

Übertragung von Wechselspannungen geeigneter N-MOS-Transistor 1 dargestellt Ein gleitendes Substrat 8 enthält zwei »»+-dotierte, von eurer Oberflächenseite in den Halbleiterkörper eingebrachte Zonen 2 und 3, die Source und Drain bilden und daher mit einem Source- und Drain-Anschlußkontakt 4 bzw. 5 versehen sind. Das Gebiet zwischen den beiden n⁺-leitenden Halbleiterzonen 2 und 3 ist mit einer Oxidschicht 9 bedeckt auf der der den Gateanschluß bildende Metallkontakt 6 angeordnet ist Wenn an den

J5 Gate-Metallkontakt ein entsprechend positives Potential angelegt wird, invertiert die ursprüngliche p-Leitfähigkeit im Kanalbereich zwischen Source und Drain, und es entsteht zwischen der Source- und der Drainzone der η-leitende Kanal 7. Wenn die Gatespannung, bezogen auf den SourrcanschiuB, beispielsweise 6—18 V beträgt, ist die Verbindung zwischen der Source- und der Drainzone über den entstandenen n-Leitungskanal sehr niederohmig (einige ß). Wird die Gatespannung auf etwa 0 V zurückgenommen, so daß ein η-leitender Kanal zwischen Source und Drain nicht entstehen kann und die beiden η+-leitenden Halbleiterzonen durch das p-leitende Substratmaterial voneinander getrennt sind, liegt der Sperrwiderstand bei einigen 10 kß.

Wenn an den Drain- oder an den Sourceanschluß eine Wechselspannung angelegt wird und diese in ihrer Spitzenamplitude größer als die Flußspannung des zwischen der Source- bzw. Drainzone und dem Substrat bestehenden pn-Überganges ist, so wird diese Diode

leitend, und es entstehen bei der Übertragung der Wechselspannung im leitenden Zustand zwischen Drain und Source merkliche Verzerrungen. Dies ist der Fall, wenn die Wechselspannung in ihrer Spitzenamplitude den Wert von 0,4—0,7 V übersteigt. Um die genannten

to Verzerrungen bei der Übertragung der Wechselspannung zu vermeiden, muß der Wechselspannung L/^eine Gleichspannung t/ocüberlagert werden.

Eine entsprechende Schaltung zeigt die F i g. 2. Die in dieser und in den weiteren Schaltungsfiguren dargestellte ten Dioden kennzeichnen die pn-Übergänge zwischen dem Substrat eines N-MOS-Transistors nach F i g. 1 und der Source- bzw. Drain-Zone. Diese Dioden sollen bei der Übertragung von Wechselspannungen über den

Feldeffekttransistor stets gesperrt bleiben, An die Drain-Elektrode des Transistors 71 wird beispielsweise über den Generatorwiderstand flound die Kapazität Q eine Wechselspannung U*c angelegt, deren zeitlicher Verlauf sich aus dem Spannungsdiagramm der Fig,3 ■> ergibt. Zur Überlagerung dieser Wechselspannung mit einer Gleichspannung im eingeschalteten ON-Zustand des Transistors 7Ί wird beispielsweise an den Fußpunkt des Lastwiderstands Rl eine Gleichspannungsquelle t/pcangeschlossen. Das Substrat des Transistors 7] liegt in an Masse, während der Gateanschluß des Transistors Ober den Vorwiderstand Ry an die die Gatespannung liefernde Spannungsquelle Ugs angeschlossen ist Da im eingeschalteten Zustand die Verbindung zwischen Drain und Source sehr niederohmig ist, Oberträgt sich ι's das Gleichspannungspotential am Sourceanschluß auf den Drainanschluß und überlagert sich somit der Wechselspannung Uac

Damit eine Durchschaltung der pn-Übergänge des Feldeffekttransistors sicher verhindert wird, muß die ^o Gleichspannung Upc etwa der vorhandenen Spitzenwechselspannung ^2 U_AC entsprechen oder größer sein. Im leitenden Zustand des Transistors 71 wird dem Gateanschluß eine positive Gleichspannung 'das über den Vorwiderstand Rv zugeführt Dabei kann der -'"> Vorwiderstand Rv einige 1OkQ groß sein, da ein MOD-Schalttransistor zur Ansteuerung keine Wirkleistung benötigt Um stets ein sicheres Durchschalten des Feldeffekttransistors sicherzustellen, muß zwischen dem Gate- und dem Sourceanschluß stets eine m Mindestspannung Ucm vorhanden sein, die beispielsweise 6 V beträgt. Damit diese Mindestspannung eingehalten wird, muß die Spannung Ugsgemäß dem Diagramm der Fig.3den Wert

Ug

sein. Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 soll die Spitzenspannung der zu übertragenden Wechselspannung beispielsweise 6 V betragen. Dann muß, um w ein Durchsteuern der pn-Übergänge zu verhindern, auch Udc mindestens 6 V groß sein. Da die zum Durchschalten des Transistors erforderlichs Spannung Ucm gleichfalls beispielsweise 6 V beträgt, ergibt sich, daß die Spannung Ucs etwa 18 V betragen muß. Die geschilderten Verhältnisse ergeben sich im einzelnen aus der F i g. 3.

Bei diesem Vorgang muß berücksichtigt werden, daß der Widerstand des leitenden Kanals, der vielfach auch als ÄovWiderstand bezeichnet wird, selbst vom Momentanwert der Spannungsdifferenz Uom zwischen dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß abhängig ist, so dal> der durch den Schalter fließende Wechselstrom beeinflußt wird und es zur Verformung bzw. Verzerrung der Wechselspannung kommen kann. Für die Ausgangswechselspannung i/₀</rgilt:

U₁

•in

AR₀ Ri.

60 ,= 18 V, und es ist leicht verständlich, daß hieraus störende Verzerrunger, und Oberwellenbildungen entstehen.

Ein weiterer Nachteil der Schaltungsanordnung gemäß der F i g, 2 liegt darin, daß die Gate-Substrat-Spannung Ugs gemäß dem Diagramm der Fig. 3 etwa 18 V groß sein muß, wenn eine Spitzen-Spjtzen-Wechselspannung üblicher Größe von Uss-12 V übertragen werden soll. Vielfach ist in Geräten nur eine Betriebsgleichspannung von ca. 12 V vorhanden, von der zwar leicht kleinere Spannungen, aber nur mit großem technischen Aufwand größere Spannungen abgeleitet werden können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der bei der Wechselspannungsübertragung Verzerrungen vermieden werden und die Spannung zwischen dem Gate- und dem Substratanschluß möglichst klein gewählt werden kann. Die Schaltung soll ferner eine Verbesserung der aus der DC-AS 21 08 101 bekannten Schaltung darstellen.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaitur g der mit Hilfe der im Kennzeichen des Anspruches 1 enthaltenen Merkmalen gelöst

Der Kondensator wird beispielsweise zwischen den Draina^schluß und den Gateanschluß des Feldeffekttransistors geschaltet, doch ist auch eine Schaltung zwischen den Sourceanschluß und den Gateanschluß möglich, da im eingeschalteten Zustand des Transistors die Verbindung zwischen Source und Drain niederohmig ist, so daß die Wechselspannung über den Kondensator C in jedem Fall auf den Gateanschluß übertragen wird. Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt unter Verhinderung störender Gleichstromstrecken eine optimale Betriebsweise beim Übertragen und Schalten von Wechselspannungen.

Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird im folgenden noch anhand der Fig.4—7 näher erläutert In der Fig.4 ist die Prhizipschaltung nach der Erfindung dargestellt. Die Drain-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors T₁ ist über den Kondensator Ci mit dem Gateanschluß verbunden, der seinerseits Ober den Vorwiderstand Rv an einen Schalter angeschlossen ist, über den dieser Vorwiderstand Rv entweder mit Massepotential oder mit der Spannungsquelle Ugs verbunden wird, je nachdem, ob ein Übertragungskanal zwischen Drain und Source des Transistors gebildet werden soll oder nicht.

Der kapazitive Widerstand der Kapazität Ci soll für die untere Grenzfrequenz höchstens dem Vorwiderstand Äventsprechen. Es gilt dann:

wobei ARon die Veränderung des Ron-Widerstandes, verursacht durch unterschiedliche Gleichspannungen Ugm zwischen dem Gate- und dem Sourceanschluß bezeichnet. Bei dem in der Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Äo<v-Widerstand bei der Spannung Ucm=6\ j:,wa doppelt so groß wie bei 2rr /„ Ci

wobei /„ die unjere Grenzfrequenz bezeichnet. Bei dieser Dimensionierung des kapazitiven Widerstandes wird die durch die Kapazität verursachte Phasendrehung die für den Betrieb des MOS-Feldeffekttransistor£ zulässigen Werte iiicht überschreiten. Die der Wechselspannung Uac zu überlagernde Gleichspannung Upc wird wiederum, wie dies auch bei der Schaltung nach F i g. 2 der Fall war, an den Fußpunkt des Lastwiderstandes Rl, der mit dem Sourceanschluß verbunden ist, angelegt.

Die Spannungsverhältniase ergeben sich bei einer Schaltung gemäß der Fig.4 aus dem Diagramm der F i g. 5. Die Spannung Udc ist wiederum so gewählt, daß

bei einer vorhandenen Wechselspannung Um die Source- und Drainumgebenden pn-Übergänge stets gesperrt bleiben. Dies ist der Fall, wenn Ui_x wenigstens den Wert von /2 · Uac aufweist. Wenn gleiche Spannungsverhältnisse wie nach dem Diagramm der Fig.3 gewählt werden, bedeutet dies bei einer Gleichspannung i/or=6 V eine Spitzenspitzenspannung Uss der Wechselspannung Um von 12 V. Die Gate-Substrat-Spannung U_c,s des Feldeffekttransistors muß gleichfalls nur 12 V betragen, da dem Gate selbst über den Kondensator C₂ die Wechselspannung Um aufgestockt wird, so daß der Momentanwert der Spannungsdifferenz Uc.\i zwischen der Galespanniing und der Sourcespannung konstant und so groß bleibt, daß der Transistor stets im sicher durchgeschaltetcn Zustand arbeitet. Da Lh.μ konstant ist. können Oberwellen- und Übertragungsverzerrungen nicht auftreten. Außerdem ist die größte notwendige Gleichspannung U(,s nicht größer als die Spitzenspitzenspannung iAsder Wechselspannung U._u.

Es sei bemerkt, daß der Kondensator C₂ aufgrund der im ON-Betrieb niederohmigen Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors Ti auch zwischen Source und Gate geschaltet werden kann. Ferner kann die Gleichspannung Uix gleichfalls direkt auf den Drainanschluß gegeben werden.

Für den Sperrbetrieb mit extrem hochohmigem Kanalwiderstand vergrößert der extern zugeschaltete Kondensator Ci die interne Kapazität des Schalters zwischen Drain und Gate. Dadurch wird der dynamische Sperrwiderstand Ron des MOS-Feldeffekttransistors um den Faktor 2 reduziert. Zur Verhinderung dieses nachteiligen Effekts wird eine Schaltung gemäß der F i g. 6 verwende!.

Bei der Schaltung nach F i g. 6 wird die Spannung Ucs für den ON-Betrieb des Transistors dem Gateanschluß des Transistors T, über die Vorwiderstände Ri/und R\_: zugeführt. Die Wechselspannung bezieh! der Gate;inschluß über den Kondensator C2. der an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände R\, und R\_: angeschlossen ist. Der kapazitive Widerstand von G für die untere Grenzfrequenz ist wiederum

2-fC: '

zu wählen. Die Abschaltung des MOS-Transistors, also der OFF-Betrieb. wird dadurch bewirkt, daß der Gateanschluß direkt auf Null-Potential bzw. auf Masse gelegt wird. Dies geschieht über die in der Fig. 6 dargestellte und -71 das Gate angeschlossene Steuerleitung.

Der ON-Betrteb wird dadurch eingestellt, daß das Gate vom Masseanschluß getrennt wird, so daß über die Widerstände Rv, und Rvi am Gate die Spannung Ucs wirksam wird. Die Abschaltung des MOS-Transistors T· über die genannte Steuerleitung hat den Vorteil, daß die Kapazität C₂ nicht mehr auf das Gate durchgreifen kann und der Sperrwiderstand Rqff nicht mehr verändert wird.

Ein für die Integration geeigneter Schaltungsbaustein -. ist in der F i g. 7 dargestellt. Die in der F i g. 6 vorhandene Steuerleitung wird mit Hilfe eines zusätzlichen Transistors T₂ entkoppelt. Der Gateanschluß des Schalttransistors 7Ί ist über den integrierten Widerstand Rv2iind über den externen Widerstand Rv, mit der

in Spannungsquelle Ucs verbunden. Andererseils wird der Gateanschluß des Transistors 7Ϊ mit dem Drainanschluß des Endtransistors T₂ einer Steuerlogik verbunden. Die Kapazität C₂ ist entsprechend der F i g. 6 geschaltet.

Die Galeanschluß'eitung des Endtransistors Tj bildet

: ·, die Steuerleitung zum An- und Abschalten des Transistors 71. Bei entsprechendem Potential am Gateanschluß des Transistors T₂, der durch dieses Potential gesperrt bleibt, arbeitet der Transistor Ti im ON-Betrieb. wobei dem Gateanschluß des Transistors

j" /1 neben der Gleichspannung U(,% die überlagerte Wechselspannung Um über den Kondensator C₂ zugeführt wird. Der Kanalwiderstand Ro\ bleibt praktisch konstant. Die Gleichspannung U_t,s ist bei einem Ausführungsbeispiel richtig dimensioniert, wenn

r> gilt

U,.s = 6 V + U_1x .

U₁₁

Wenn an der Steuerleitung des Transistors T₂ das Potential so verändert wird, daß der Transistor T₂

i-i durchschaltet, wird der Transistor 7Ί gesperrt und die Wechselspannung Uac kann nicht mehr auf den Sourceanschluß übertragen werden. Die Wechselspannung Um kann nicht oder nur unwesentlich auf das Gate des Transistors 7Ί durchgreifen, da das Widersiandsver-

Hi hältnis R\> zum differentiellen Widerstand des Logiktransistors T₂ sehr groß gewählt werden kann. Der integrierbare Teil der Schaltung ist in der F i g. 7 durch Hip {jpstrirhpltp I inie 10 angedeutet.

Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich insbe-

: · sondere zum An- und Abschalten von Lautsprechern. In diesem FaM wird gemäß F i g. 8 der Schaltungsteil 11 aus der Fig. 7 entsprechend der Schaltung nach Fig.8 abgeändert. Der Reihenschaltung aus dem Vorwiderstand Rt und der Spannungsquelle Uix ist der

.•ι Lautsprecher L parallel geschaltet, wobei die beiden Stromzweige gleichstrommäßig durch die Kapazität Cj getrennt sind.

Der Schaltungsteil 11 gemäß Fig.7 bzw. gemäß der F i g. 8 ist an den Ausgangsanschluß des Feldeffekttran-

Vi sistors Tj, also an die Source-Elektrode angeschlossen. Der Vorwiderstand R\ ist vorzugsweise wesentlich hochohmiger als der dem Lautsprecher zugehörige Lastwiderstand.

HivT/u 3 Bin!! Zcichnunucn

Claims

Patentansprüche;

1. Schaltung zum Schalten und Übertragen von Wechselspannungen mit einem MOS-Transistor, dessen die Source- und Drainzonen umgebende pn-Obergänge im durchgesteuerten Zustand des Transistors in Sperrichtung vorgespannt und Schaltungsmittel vorgesehen sind, durch die sich die Gatespannung im durchgesteuerten Zustand des Transistors im wesentlichen synchron mit der zu Obertragenden Wechselspannung verändert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Übertragungsstrecke des MOS-Transistors (T₁) und den Gateanschluß eine Kapazität (,Ci) geschaltet ist, und daß die Spannungsverhältnisse derart gewählt sind, daß die momentane Potentialdifferenz zwischen der Gatespannung (Ugs) und der zu übertragenden Wechselspannung (U_Ac) der für das Durchschalten des Transistors erforderlichen Schal tsptnnung (/7cm) entspricht

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (C₂) zwischen den Drainanschluß und den Gateanschluß des MOS-Feldeffekttransistors (Γι) geschaltet ist

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Gaieanschluß des MOS-Feldeffekttransistors (Ti) mit einem Pol der die Gate-Gleichspannung (Ugs) liefernden Spannungsquelle über einen Widerstand (Rv, Rv \) verbunden ist, und daß die Kapazität zwischen dem Gateanschluß und dem Source- bzw. Drainanschluß den Wert