DE3546208A1 - Monolithisch integrierte steuerschaltung hohen wirkungsgrades fuer die umschaltung von transistoren - Google Patents
Monolithisch integrierte steuerschaltung hohen wirkungsgrades fuer die umschaltung von transistorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für die Umschaltung
von Transistoren und insbesondere eine monolithisch integrierte Steuerschaltung für die Umschaltsteuerung von bipolaren oder
auch Feldeffekt-Transistoren, die beispielsweise in Tonaufnahme-
oder Tonwiedergabevorrichtungen verwendet werden können.
Steuerschaltungen für die Umschaltung von Leistungstransistoren
haben im allgemeinen eine Endstufe, die im Gegentakt arbeitet, um mit hohem Wirkungsgrad der Last einen Stromfluß liefern zu
können, der zu unterschiedlichen Zeiten entgegengesetzte Richtungen
haben kann. Auf diese Weise kann man hohe Umschaltgeschwindigkeiten
erzielen, indem man beispielsweise das Ausschalten der Transistoren mittels Herausziehens der in ihnen gespeicherten
Ladungen beschleunigt.
Figur 1 zeigt das bekannte Schaltungsschema dieser Bauart, das
allgemein gebräuchlich ist, um sowohl bipolare als auch Feldeffekt - Transistoren zu steuern.
Die Schaltung hat einen ersten bipolaren NPN-Transistor Ql, dessen
Basisanschluß über einen ersten Widerstand Rl mit einer Umschal
tsignalquel Ie SW verbunden ist.
Der Emitteranschluß dieses Transistors ist an den negativen Pol
-V einer Speisespannungsquelle angeschlossen, während der KoI-1ektoranschluß
über einen Konstantstromgenerator Al mit dem positiven Pol +V dieser Speisespannungsquelle verbunden ist.
Die Schaltung hat außerdem einen zweiten bipolaren NPN-Transistor Q2 und einen dritten bipolaren NPN-Transistor Q3.
Der Basisanschluß des Transistors Q2 ist mit dem Kollektoranschluß
des Transistors Ql verbunden, während der Emitteranschluß von Q2 mit dem Basisanschluß des Transistors Q3 verbunden
ist.
Die Kollektoranschlüsse der beiden Transistoren Q2 und Q3 sind
beide an den positiven Pol +V angeschlossen.
Mit dem Emitteranschluß des Transistors Q2 ist die Anode und
mit dem Basisanschluß von Q2 ist die Kathode einer ersten Diode Dl verbunden.
Mit dem Emitteranschluß des Transistors Q3 ist die Anode und
mit dem Basisanschluß von Q3 ist die Kathode einer zweiten Diode D2 verbunden.
Zwischen den Emitteranschluß und den Basisanschluß des Transistors
Q3 ist ein zweiter Widerstand R2 eingesetzt. Der Emitteranschluß des Transistors Q3 bildet den Ausgangsanschluß OUT
der Schaltung.
Nachstehend wird die Funktion der in Figur 1 gezeigten Schaltung untersucht.
Die von der Umschaltsignalquelle SW gelieferten Umschaltsignale
bestimmen übergänge der Spannung Vjn, die über den Widerstand
Rl an den Basisanschluß des Transistors Ql angelegt und beispielsweise
auf das Potential des negativen Poles ~V'CC bezogen ist, von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel und umgekehrt.
Wenn der Pegel der Spannung Vt^ hoch ist, arbeitet der Transistor
Ql bei Sättigung und nimmt den gesamten Strom auf, der von dem Generator Al geliefert wird, wodurch der Tranistor Q2
und damit auch der Transistor Q3 gesperrt bleibt, welcher damit keinen Strom an die Last abgibt.
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Da der Transistor Q3 gesperrt ist, ist der Pegel der Spannung V0UT am Ausgangsanschluß, bezogen auf das Potential des negativen
Poles -V , niedrig.
Die Dioden Dl und D2 gestatten während der ausgeschalteten Phase
den Abzug von Ladungen von der mit dem Ausgangsanschluß verbundenen
und in der Figur nicht gezeigten Last, die insbesondere ein Leistungstransistor sein kann.
Wenn der Pegel der Spannung Vj., aufgrund eines von der Signalquelle
SW abgegebenen Umschaltsignales sinkt, wird der Transistor Ql abgeschaltet, so daß der gesamte, von dem Generator
Al gelieferte Strom an den Transistor Q2 abgegeben wird, der in den leitenden Zustand eintritt. Auch der von dem Transistor Q2
gesteuerte Transistor Q3 beginnt zu leiten, wodurch er Strom an die Last liefert, die mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden
ist. Der Pegel der Spannung VQ|jT am Ausgang steigt, sobald der
Transistor Q3 nicht mehr gesperrt ist.
Die Dimensionierung des Konstantstromgenerators Al ist so ausgelegt,
daß sich ein Stromfluß einstellt, der nicht nur ausreichend ist, um schnell den leitenden Zustand der zuvor gesperrten
Transistoren Q2 und Q3 herbeizuführen, sondern auch, um eine schnelle Umschaltung des Transistors Ql vom Sättigungszustand
in den Sperrzustand aufgrund einer schnellen Aufladung der äquivalenten Kapazität zwischen Kollektor und Emitter dieses
Transistors zu gestatten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithisch integrierte
Steuerschaltung für die Umschaltung von Leistungstransistoren zu schaffen, deren Gesamtwirkungsgrad größer ist als
bei den bekannten Steuerschaltungen.
Diese Aufgabe wird bei der Steuerschaltung der angegebenen Gattung
erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchenund
aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zeigen:
Figur 1 das Schaltungssehema einer bekannten Steuerschaltung,
die oben bereits beschrieben wurde und zur Umschaltung
von Leistungstransistoren dient,
die oben bereits beschrieben wurde und zur Umschaltung
von Leistungstransistoren dient,
Figur 2 das Schaltungsschema einer Steuerschaltung gemäß der
Erfindung für die Umschaltung von Leistungstransistoren .
Erfindung für die Umschaltung von Leistungstransistoren .
In den Figuren sind für einander entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, die im Fall der erfindungsgemäßen
Schaltung mit Strichen versehen sind.
Wie Figur 2 zeigt, hat die Steuerschaltung gemäß der Erfindung
einen ersten bipolaren NPN-Transistor Ql', dessen Basisanschluß
über einen ersten Widerstand Rl' an eine Umschaltsignalquelle
SW' angeschlossen ist.
Die Umschaltsignalquelle SW' kann in einfacher Weise auch ein
Schaltungsmittel zur Kopplung mit einem außerhalb der integrierten
Schaltung angeordneten Umschaltsignalgenerator sein.
Die Schaltung hat ferner einen zweiten, einen dritten und einen vierten bipolaren NPN-Transistor Q2', Q3' und Q4'.
Die Kollektoranschlüsse der Transistoren Q2' und Q3' sind mit
dem positiven Pol +V einer Speisespannungsquelle verbunden,
an deren negativen Pol -V der Emitteranschluß des ersten Transistors
Ql' angeschlossen ist. Der Basisanschluß des Transistors
Q2' ist über einen Stromgenerator Al' an den positiven Pol +V angeschlossen; der Stromgenerator Al* ist außerdem mit
dem Kollektoranschluß des Transistors Q4' verbunden. Der Stromgenerator
Al* kann auch einfach eine Widerstand sein, der zwischen den positiven Pol +V und den Basisanschluß des Transistors
Q2' eingesetzt ist. In idealer Weise kann er schließlich auch ein Konstantstromgenerator sein.
Der Emitteranschluß des Transistors Q2' ist mit dem Basisanschluß
des Tranistors Q3' in einem Schaltungsknoten N' verbunden,
mit dem über einen zweiten Widerstand R2' auch der Kollektoranschluß
des Transistors Ql" und der Emitteranschluß des Transistors Q4' verbunden sind.
Der Kollektoranschluß des Transistors Ql* ist über eine Diode
D' und einen dazu parallel geschalteten, dritten Widerstand R3'
mit dem Emitteran-schluß des Transistors Q3* verbunden.
Die Anode der Diode D' ist mit dem Emitteranschluß des Transistors
Q3" verbunden, während ihre Kathode an den Kollektoranschluß des Transistors Ql' angeschlossen ist.
Der Basisanschluß des Transistors Q4" ist über einen vierten Widerstand
R4" im Schaltungsknoten N' mit dem Basisanschluß des
Transistors Q3' verbunden.
Der Emitteranschluß des Transistors Q3* bildet einen Ausgangsanschluß
OUT' der Schaltung, an den eine nicht gezeigte Last, typischerweise ein Leistungstransistor, angeschlossen wird.
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dargestellten Steuerschaltung erläutert.
Die von der Umschaltsignalquelle SW' abgegebenen Umschaltsignale
bestimmen übergänge der Spannung Vj^, die über den Widerstand
Rl' an dem Basisanschluß des Transistors Ql' anliegt und beispielsweise auf das Potential des negativen Poles -V bezogen
ist, von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel und umgekehrt.
Wenn der Pegel der Spannung V*», hoch ist, arbeitet der Transistor
Ql* bei Sättigung und nimmt den gesamten Strom auf, der durch die Transistoren Q2', Q3' und Q4' fließt.
Der von dem Generator Al* gelieferte Strom hält den Transistor
Q2', der sowohl den Transistor Q3' als auch den Transistor Q4'
an der Basis versorgt, im leitenden Zustand.
Obwohl der Transistor Q4' an der Basis über den Widerstand R4',
der in einer praktischen Ausführung der Schaltung einen ziemlich großen Wert haben muß, gespeist wird, überwiegt das Leiten
dieses Transistors, weil der Transistor Q3', der in einer Stromspiegelschaltung
mit dem Transistor Q4' gekoppelt ist, trotz seiner direkten Versorgung an der Basis durch den Transistor
Q2' wegen der von dem Emitterwiderstand R3' und der dazu parallel geschalteten Diode D' aufgeprägten Vorspannungsbedingungen
praktisch nicht in der Lage ist zu leiten. Der Transistor Q4' begrenzt den leitenden Zustand des Transistors Q2', indem er einen
beträchtlichen Teil des von dem Generator Al' gelieferten
Stroms aufnimmt, und reduziert folglich den leitenden Zustand
des Transistors Q3 praktisch auf Null.
- 10 BAD ORIGINAL
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- ίο -
Auf diese Weise wird die unnötige Verlustleistung vermieden,
die sonst durch den Speisestrom verursacht wird, der über den Transistor Q3' von dem Transistor Ql* bei Sättigung aufgenommen
wird.
Der bei Sättigung arbeitende Transistor Ql' verhindert nicht
nur, daß die Last gespeist wird, sondern für den Fall, daß die Last ein Transistor ist, zieht er auch die in diesem Transistor
gespeicherten Ladungen ab, wodurch ein sehr schnelles Abschalten erreicht wird. Außerdem ist es im Fall der Umschaltsteuerung
eines Leistungstransistors von besonderer Bedeutung, daß
der Pegel der Spannung Vgy-j- am Ausgangsanschluß, bezogen auf
das Potential des negativen Poles -V1 abfällt, sobald der
Transistor Ql' gesättigt ist.
Obwohl bei diesen Bedingungen die Versorgungsstromaufnahme über den Transistor Q3' praktisch Null ist, ist dieser Transistor
niemals gesperrt, so daß er in der folgenden Phase sofort hohe Ströme leiten kann. Wenn nämlich der Pegel der Spannung Vjn aufgrund
eines von der Signalquelle SW' erzeugten Umschaltsignales
abfällt, schaltet sich der Transistor Ql' aus, so daß er den Anstieg des Spannungspegels am Ausgangsanschluß OUT' ermöglicht.
Da der Transistor Ql' nicht mehr leitet, wird der gesamte
Strom, der durch die Transistoren Q2', Q3' und Q4' fließen kann, zu der Last geleitet, die mit dem Ausgangsanschluß OUT'
verbunden ist.
Wenn daher die Last ein Leistungstransistor ist, der mittels
seines Basis- oder Gate-Anschlusses an diesen Ausgangsanschluß
der Steuerschaltung gemäß der Erfindung angeschlossen ist, kann
er wegen des sofort erhöhten zugeführten Stromflusses sehr schnell aus dem ausgeschalteten Zustand in den leitenden Zustand
umschalten.
- 11 BAD ORIGINAL
Der Sperrzustand des Transistors Ql' bewirkt nämlich den Abfluß des Emitterstromes des Transistors Q4' über den Widerstand R3'
zur Last; das Emitterpotential des Transistors Q4' wird damit
höher als das Emitterpotential des Transistors Q3', weshalb dieser
Transistor Q3', der im Gegensatz zu dem Transistor Q4' keinen in Reihe mit seinem eigenen Basisanschluß geschalteten Widerstand
hat, unmittelbar in stark leitenden Zustand gelangt, während sich das Ausmaß des Leitens des Transistors Q4' praktisch
auf Null verringert.
Der Transistor Q4' nimmt von dem Stromgenerator ΑΓ keinen
Strom mehr auf, so daß der Transistor Q2', der an der Basis mit dem gesamten Strom des Generators Al' gespeist wird, den Transistor
Q3' in seinen Zustand maximalen Leitens steuern kann.
Wenn der Pegel der Spannung V1n wieder niedrig wird, bewirkt
die Sättigung des Transistors Ql' wieder die sofortige Unterbrechung des Stromflusses an der Last.
Die Verringerung der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors
Ql* bewirkt bei den anderen Transistoren die zuerst beschriebene Funktion.
Mit einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung kann man für einen
mit dieser verbundenen Leistungstransistor eine maximale Umschal tfrequenz erreichen, die größer ist als die mit einer eingangs
beschriebenen, bekannten Schaltung erreichbare Frequenz; dies ist der Tatsache zu verdanken, daß der Transistor Ql' direkt
mit dem Ausgangsanschluß OUT^ verbunden und der Transistor
Q3' niemals gesperrt ist.
Wenn nämlich der Transistor Ql' vom Sättigungszustand in den Sperrzustand umschaltet, wird der Strom, der zum Aufladen der
äquivalenten Kapazität zwischen Kollektor und Emitter dieses
Transistors erforderlich ist, von dem Generator Al' nicht direkt zugeführt, sondern über die Transistoren Q2' und Q3', die
- 12 BAD ORIGINAL
_ i2.:_:. :- ' .s...:." ^^546208
den Strom erheblich verstärken.
Damit ist bei gleichbleibender Dimensionierung des Stromgenerators
Al' im Vergleich zum Stromgenerator Al der bekannten Schaltung
der Abschaltübergang des Transistors Ql' schneller als der
Abschaltübergang des Transistors Ql der bekannten Schaltung, der dort direkt mit dem Generator Al verbunden ist. Daraus ergibt
sich eine weitere, vorteilhafte Zunahme der Umschaltgeschwindigkeit
zugunsten der Schaltung nach der Erfindung.
Gleichzeitig wird in einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung
jede unnütze Versorgungsenergieaufnahme innerhalb dieser Schaltung
vermieden, denn wenn der Transistor Ql bei Sättigung arbeitet, dann greift der Transistor Q4' automatisch ein, um den leitenden
Zustand des Transistors Q3* drastisch zu begrenzen. Auf diese Weise wird, da jede überflüssige Verlustleistung in Form
von Wärme vermieden wird, die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert, in die die Schaltung eingebaut ist, wobei außerdem
wirtschaftlichere Systeme zur Wärmeableitung eingesetzt werden
können.
Bei einer Schaltung gemäß der Erfindung ist der Gesamtwirkungsgrad,
unter dem die Kombination aus dem Energiewirkungsgrad, der Zuverlässigkeit und der maximal erreichbaren Umschal tfre.-quenz
verstanden wird, höher als bei bekannten Schaltungen.
Es muß daher festgehalten werden, daß man, um die Eigenschaften
der Umschaltgeschwindigkeit beizubehalten, wenn MOS- (Metal-Oxide-Semiconductor)
Feldeffekt-Leistungstransistoren mit einer
sehr hohen Gate-Kapazität gesteuert werden sollen, die Größen der Widerstände R2', R3' und R4' sehr genau so auslegen muß,
daß während des Umschaltüberganges des an die Schaltung angeschlossenen
Leistungstransistors in den leitenden Zustand der
Transistor Q4' dazu neigt, sich abzuschalten, wodurch man zuläßt, daß die Ladung dieser Kapazität nur von der Gesamtverstärkung
der Transistoren Q2' und Q3' geregelt wird.
- 13 -
über das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel der
Erfindung hinaus sind selbstverständlich Abänderungen möglich,
ohne dadurch den Erfindungsgedanken zu verlassen. So kann beispielsweise
in der Schaltung der Figur 2 der bipolare Transistor Ql" ohne weitere Änderungen der Schaltung durch einen Feldeffekttransistor
ersetzt werden.
Al
- Leerseite
Claims (8)
- PatentansprücherL·, Monolithisch integrierte Steuerschaltung für die Umschaltung von Transistoren, die einen ersten Transistor (Ql'), einen zweiten Transistor (Q2') und einen dritten Transistor (Q3') aufweist, von denen jeder einen ersten Anschluß, einen zweiten Anschluß und einen Steueranschluß hat, wobei der Steueranschluß des ersten Transistors (Ql') mit einer Umschaltsignalquelle (SW) verbunden ist, der Steueranschluß des zweiten Transistors (Q2') über einen Stromgenerator (AT) an einen ersten Anschluß (+V ) einer Speisespannungsquelle angeschlossen ist, der Steueranschluß des dritten Transistors (Q3') mit dem ersten Anschluß des zweiten Transistors (Q2') verbunden ist, der zweite Anschluß des zweiten Transistors (Q2') und der zweite Anschluß des dritten Transistors (Q3') beide mit dem ersten Anschluß (+V ) der Speisespannungsquelle verbunden sind, der zweite Anschluß des ersten Transistors (QT) mit dem ersten Anschluß des dritten Transistors (Q3') verbunden ist, der einen Ausgangsanschluß der Schaltung bildet, und der erste Anschluß des ersten Transistors (QT) an den zweiten Anschluß (-V) der Speisespannungsquelle angeschlossen ist, gekennzei chnet
durch einen vierten Transistor (Q4') mit einem ersten Anschluß, einem zweiten Anschluß und einem Steueranschluß, welche mit demzweiten Anschluß des ersten Transistors (Ql'), dem Steueranschluß des zweiten Transistors (Q2') bzw. - über einen ersten Widerstand (R4) - mit dem Steueranschluß des dritten Transistors (Q3') verbunden sind, wobei der zweite Anschluß des ersten Transistors (Ql*) über einen zweiten Widerstand (R2*) an den Steueranschluß des dritten Transistors (Q3') sowie über eine Widerstandseinrichtung (D', R3') an den ersten Anschluß des dritten Transistors (Q3*) angeschlossen ist. - 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung eine Diode (D') ist.
- 3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung ein dritter Widerstand (R3') ist.
- 4. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung eine Diode (D') und einen parallel dazu geschalteten, dritten Widerstand (R3) aufweist.
- 5. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Ql'), der zweite Transistor (Q2'), der dritte Transistor (Q3") und der vierte Transistor (Q4') bipolare NPN-Transistören sind, von denen der erste Anschluß, der Steueranschluß und der zweite Anschluß jeweils der Emitter, die Basis bzw. der Kollektor sind.
- 6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Ql') ein Feldeffektransistor ist, dessen erster Anschluß, Steueranschluß und zweiter Anschluß Source, Gate bzw. Drain sind.
- 7. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator (Al*) ein Widerstand ist.
- 8. Monolithisch integrierte Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1-7 aufweist.
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