DE3546208C2 - Monolithisch integrierte Steuerschaltung hohen Wirkungsgrades für die Umschaltung von Transistoren - Google Patents

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 Tonaufnah­ me- 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 Rich­ tungen haben kann. Auf diese Weise kann man hohe Umschaltge­ schwindigkeiten erzielen, indem man beispielsweise das Ausschal­ ten der Transistoren mittels Herausziehens der in ihnen gespei­ cherten Ladungen beschleunigt.

Fig. 1 zeigt das bekannte Schaltungsschema dieser Bauart, das allgemein gebräuchlich ist, um sowohl bipolare als auch Feldef­ fekt-Transistoren zu steuern.

Die Schaltung hat einen ersten bipolaren NPN-Transistor Q1, des­ sen Basisanschluß über einen ersten Widerstand R1 mit einer Um­ schaltsignalquelle SW verbunden ist.

Der Emitteranschluß dieses Transistors ist an den negativen Pol -V_cc einer Speisespannungsquelle angeschlossen, während der Kol­ lektoranschluß über einen Konstantstromgenerator A1 mit dem po­ sitiven Pol +V_cc dieser Speisespannungsquelle verbunden ist.

Die Schaltung hat außerdem einen zweiten bipolaren NPN-Tran­ sistor Q2 und einen dritten bipolaren NPN-Transistor Q3.

Der Basisanschluß des Transistors Q2 ist mit dem Kollektoran­ schluß des Transistors Q1 verbunden, während der Emitteran­ schluß von Q2 mit dem Basisanschluß des Transistors Q3 verbun­ den ist.

Die Kollektoranschlüsse der beiden Transistoren Q2 und Q3 sind beide an den positiven Pol +V_cc angeschlossen.

Mit dem Emitteranschluß des Transistors Q2 ist die Anode und mit dem Basisanschluß von Q2 ist die Kathode einer ersten Diode D1 verbunden.

Mit dem Emitteranschluß des Transistors Q3 ist die Anode und mit dem Basisanschluß von Q3 ist die Kathode einer zweiten Dio­ de D2 verbunden.

Zwischen den Emitteranschluß und den Basisanschluß des Tran­ sistors Q3 ist ein zweiter Widerstand R2 eingesetzt. Der Emit­ teranschluß des Transistors Q3 bildet den Ausgangsanschluß OUT der Schaltung.

Nachstehend wird die Funktion der in Fig. 1 gezeigten Schal­ tung untersucht.

Die von der Umschaltsignalquelle SW gelieferten Umschaltsignale bestimmen Übergänge der Spannung V_IN, die über den Widerstand R1 an den Basisanschluß des Transistors Q1 angelegt und bei­ spielsweise auf das Potential des negativen Poles -V_cc bezogen ist, von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel und umge­ kehrt.

Wenn der Pegel der Spannung V_IN hoch ist, arbeitet der Tran­ sistor Q1 bei Sättigung und nimmt den gesamten Strom auf, der von dem Generator A1 geliefert wird, wodurch der Transistor Q2 und damit auch der Transistor Q3 gesperrt bleibt, welcher damit keinen Strom an die Last abgibt.

Da der Transistor Q3 gesperrt ist, ist der Pegel der Spannung V_OUT am Ausgangsanschluß, bezogen auf das Potential des negati­ ven Poles -V_cc, niedrig.

Die Dioden D1 und D2 gestatten während der ausgeschalteten Pha­ se den Abzug von Ladungen von der mit dem Ausgangsanschluß ver­ bundenen und in der Figur nicht gezeigten Last, die insbesonde­ re ein Leistungstransistor sein kann.

Wenn der Pegel der Spannung V_IN aufgrund eines von der Signal­ quelle SW abgegebenen Umschaltsignales sinkt, wird der Tran­ sistor Q1 abgeschaltet, so daß der gesamte, von dem Generator AI 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 V_OUT am Ausgang steigt, sobald der Transistor Q3 nicht mehr gesperrt ist.

Die Dimensionierung des Konstantstromgenerators A1 ist so ausge­ legt, daß sich ein Stromfluß einstellt, der nicht nur ausrei­ chend ist, um schnell den leitenden Zustand der zuvor gesperr­ ten Transistoren Q2 und Q3 herbeizuführen, sondern auch, um eine schnelle Umschaltung des Transistors Q1 vom Sättigungszu­ stand in den Sperrzustand aufgrund einer schnellen Aufladung der äquivalenten Kapazität zwischen Kollektor und Emitter die­ ses Transistors zu gestatten.

Aus der nachveröffentlichten Offenlegungsschrift DE-A1-35 39 379 der dazugehörigen älteren Patentanmeldung ist eine monolithisch integrierte Steuerschaltung für die Umschaltung von Transistoren bekannt, die eine Steuerschaltung aufweist, welche mit einer Umschaltsignalquelle gekop­ pelt ist, entsprechend deren Umschaltsignalen die Steuerschaltung die Umschaltung wenigstens eines mit ihr verbundenen Transistors be­ stimmt. Die Steuerschaltung weist eine Stromquelleneinrichtung zur Versorgung des Transistors mit einem starken Stromfluß auf. Eine Schaltungseinrichtung für die Begrenzung des Stromes, die mit einer bezüglich des Einschaltbefehls des bei der Umschaltung gesteuerten Transistors vorbestimmten Verzögerung aktiviert wird, begrenzt den von der Stromquelleneinrichtung gelieferten Strom auf einen Pegel, der mindestens erforderlich ist, um den Transistor auf der erreichten Leitfä­ higkeit zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithisch in­ tegrierte Steuerschaltung für die Umschaltung von Leistungstran­ sistoren zu schaffen, deren Gesamtwirkungsgrad größer ist als bei den bekannten Steuerschaltungen.

Diese Aufgabe wird bei der Steuerschaltung der angegebenen Gat­ tung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü­ chen und aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltungsschema einer bekannten Steuerschaltung, die oben bereits beschrieben wurde und zur Umschaltung von Leistungstransistoren dient,

Fig. 2 das Schaltungsschema einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung für die Umschaltung von Leistungstransisto­ ren.

In den Figuren sind für einander entsprechende Bauteile diesel­ ben Bezugszeichen verwendet, die im Fall der erfindungsgemäßen Schaltung mit Strichen versehen sind.

Wie Fig. 2 zeigt, hat die Steuerschaltung gemäß der Erfindung einen ersten bipolaren NPN-Transistor Q1′, dessen Basisanschluß über einen ersten Widerstand R1′ an eine Umschaltsignalquelle SW′ angeschlossen ist.

Die Umschaltsignalquelle SW′ kann in einfacher Weise auch ein Schaltungsmittel zur Kopplung mit einem außerhalb der integrier­ ten 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_cc einer Speisespannungsquelle verbunden, an deren negativen Pol -V_cc der Emitteranschluß des ersten Tran­ sistors Q1′ angeschlossen ist. Der Basisanschluß des Tran­ sistors Q2′ ist über einen Stromgenerator A1′ an den positiven Pol +V_cc angeschlossen; der Stromgenerator A1′ ist außerdem mit dem Kollektoranschluß des Transistors Q4′ verbunden. Der Strom­ generator A1′ kann auch einfach ein Widerstand sein, der zwi­ schen den positiven Pol +V_cc und den Basisanschluß des Tran­ sistors Q2′ eingesetzt ist. In idealer Weise kann er schließ­ lich auch ein Konstantstromgenerator sein.

Der Emitteranschluß des Transistors Q2′ ist mit dem Basisan­ schluß des Transistors Q3′ in einem Schaltungsknoten N′ verbun­ den, mit dem über einen zweiten Widerstand R2′ auch der Kollek­ toranschluß des Transistors Q1′ und der Emitteranschluß des Transistors Q4′ verbunden sind.

Der Kollektoranschluß des Transistors Q1′ ist über eine Diode D′ und einen dazu parallel geschalteten, dritten Widerstand R3′ mit dem Emitteranschluß des Transistors Q3′ verbunden.

Die Anode der Diode D′ ist mit dem Emitteranschluß des Tran­ sistors Q3′ verbunden, während ihre Kathode an den Kollektoran­ schluß des Transistors Q1′ angeschlossen ist.

Der Basisanschluß des Transistors Q4′ ist über einen vierten Wi­ derstand R4 im Schaltungsknoten N mit dem Basisanschluß des Transistors Q3′ verbunden.

Der Emitteranschluß des Transistors Q3′ bildet einen Ausgangsan­ schluß OUT′ der Schaltung, an den eine nicht gezeigte Last, ty­ pischerweise ein Leistungsgenerator, angeschlossen wird.

Nachfolgend wird die Funktion der erfindungsgemäßen, in Fig. 2 dargestellten Steuerschaltung erläutert.

Die von der Umschaltsignalquelle SW′ abgegebenen Umschaltsigna­ le bestimmen Übergänge der Spannung V_IN, die über den Wider­ stand R1′ an dem Basisanschluß des Transistors Q1′ anliegt und beispielsweise auf das Potential des negativen Poles -V_cc bezo­ gen ist, von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel und um­ gekehrt.

Wenn der Pegel der Spannung V_IN hoch ist, arbeitet der Tran­ sistor Q1′ bei Sättigung und nimmt den gesamten Strom auf, der durch die Transistoren Q2′, Q3′ und Q4′ fließt.

Der von dem Generator A1′ 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 ziem­ lich großen Wert haben muß, gespeist wird, überwiegt das Leiten dieses Transistors, weil der Transistor Q3′ , der in einer Strom­ spiegelschaltung 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 paral­ lel 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 ei­ nen beträchtlichen Teil des von dem Generator A1′ gelieferten Stroms aufnimmt, und reduziert folglich den leitenden Zustand des Transistors Q3 praktisch auf Null.

Auf diese Weise wird die unnötige Verlustleistung vermieden, die sonst durch den Speisestrom verursacht wird, der über den Transistor Q3′ von dem Transistor Q1′ bei Sättigung aufgenommen wird.

Der bei Sättigung arbeitende Transistor Q1′ 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 Abschal­ ten erreicht wird. Außerdem ist es im Fall der Umschaltsteue­ rung eines Leistungstransistors von besonderer Bedeutung, daß der Pegel der Spannung V_OUT am Ausgangsanschluß, bezogen auf das Potential des negativen Poles -V_cc, abfällt, sobald der Transistor Q1′ 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 V_IN auf­ grund eines von der Signalquelle SW′ erzeugten Umschaltsignales abfällt, schaltet sich der Transistor Q1′ aus, so daß er den An­ stieg des Spannungspegels am Ausgangsanschluß OUT′ ermöglicht.

Da der Transistor Q1′ 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 Zu­ stand umschalten.

Der Sperrzustand des Transistors Q1′ 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 die­ ser Transistor Q3′, der im Gegensatz zu dem Transistor Q4′ kei­ nen in Reihe mit seinem eigenen Basisanschluß geschalteten Wi­ derstand hat, unmittelbar in stark leitenden Zustand gelangt, während sich das Ausmaß des Leitens des Transistors Q4′ prak­ tisch auf Null verringert.

Der Transistor Q4′ nimmt von dem Stromgenerator A1 keinen Strom mehr auf, so daß der Transistor Q2′ , der an der Basis mit dem gesamten Strom des Generators A1′ gespeist wird, den Tran­ sistor Q3′ in seinen Zustand maximalen Leitens steuern kann.

Wenn der Pegel der Spannung V_IN wieder niedrig wird, bewirkt die Sättigung des Transistors Q1′ wieder die sofortige Unterbre­ chung des Stromflusses an der Last.

Die Verringerung der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors Q1′ bewirkt bei den anderen Transistoren die zuerst beschriebe­ ne Funktion.

Mit einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung kann man für ei­ nen mit dieser verbundenen Leistungstransistor eine maximale Um­ schaltfrequenz erreichen, die größer ist als die mit einer ein­ gangs beschriebenen, bekannten Schaltung erreichbare Frequenz; dies ist der Tatsache zu verdanken, daß der Transistor Q1′ di­ rekt mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden und der Transistor Q3′ niemals gesperrt ist.

Wenn nämlich der Transistor Q1′ 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 A1′ nicht di­ rekt zugeführt, sondern über die Transistoren Q2′ und Q3′, die den Strom erheblich verstärken.

Damit ist bei gleichbleibender Dimensionierung des Stromgenera­ tors A1′ im Vergleich zum Stromgenerator A1 der bekannten Schal­ tung der Abschaltübergang des Transistors Q1′ schneller als der Abschaltübergang des Transistors Q1 der bekannten Schaltung, der dort direkt mit dem Generator A1 verbunden ist. Daraus er­ gibt sich eine weitere, vorteilhafte Zunahme der Umschaltge­ schwindigkeit zugunsten der Schaltung nach der Erfindung.

Gleichzeitig wird in einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung jede unnütze Versorgungsenergieaufnahme innerhalb dieser Schal­ tung vermieden, denn wenn der Transistor Q1 bei Sättigung arbei­ tet, dann greift der Transistor Q4′ automatisch ein, um den lei­ tenden 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 Gesamtwirkungs­ grad, unter dem die Kombination aus dem Energiewirkungsgrad, der Zuverlässigkeit und der maximal erreichbaren Umschaltfre­ quenz verstanden wird, höher als bei bekannten Schaltungen.

Es muß daher festgehalten werden, daß man, um die Eigenschaften der Umschaltgeschwindigkeit beizubehalten, wenn MOS-(Metal-Oxi­ de-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 ange­ schlossenen Leistungstransistors in den leitenden Zustand der Transistor Q4′ dazu neigt, sich abzuschalten, wodurch man zu­ läßt, daß die Ladung dieser Kapazität nur von der Gesamtverstär­ kung der Transistoren Q2′ und Q3′ geregelt wird.

Über das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung hinaus sind selbstverständlich Abänderungen möglich, ohne dadurch den Erfindungsgedanken zu verlassen. So kann bei­ spielsweise in der Schaltung der Fig. 2 der bipolare Transi­ stor Q1′ ohne weitere Änderungen der Schaltung durch einen Feld­ effekttransistor ersetzt werden.

Claims (7)

1. Monolithisch integrierte Steuerschaltung für die Umschaltung von Transistoren,

• a) die einen ersten Transistor (Q1′), einen zweiten Transistor (Q2′) und einen dritten Transistor (Q3′) aufweist,
• b) von denen jeder einen ersten Anschluß, einen zweiten Anschluß und einen Steueranschluß hat,
• c) wobei der Steueranschluß des ersten Transistors (Q1′) mit einer Umschaltsignalquelle (SW) verbunden ist, der Steueranschluß des zweiten Transistors (Q2′) über einen Stromgenerator (A1′) an einen ersten Anschluß (+V_cc) 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_cc) der Speisespannungsquelle verbunden sind, der zweiten Anschluß des ersten Transistors (Q1′) über eine Widerstandseinrichtung (D′, R3′) mit dem ersten Anschluß des dritten Transistors (Q3′) verbunden ist, der einen Ausgangsanschluß der Schaltung bildet, und der erste Anschluß des ersten Transistors (Q1′) an den zweiten Anschluß (-V_cc) der Speisespannungsquelle angeschlossen ist, und
• d) die einen vierten Transistor (Q4′) mit einem ersten Anschluß, einem zweiten Anschluß und einem Steueranschluß, aufweist,
• e) dessen erster Anschluß mit dem zweiten Anschluß des ersten Transistors (Q1′), dessen zweiter Anschluß mit dem Steueranschluß des zweiten Transistors (Q2′) und dessen Steueranschluß über einen ersten Widerstand (R4′) mit dem Steueranschluß des dritten Transistors (Q3′) verbunden ist, wobei der zweite Anschluß des ersten Transistors (Q1′) über einen zweiten Widerstand (R2′) an den Steueranschluß 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 (Q1′), der zweite Transistor (Q2′), der dritte Transistor (Q3′) und der vierte Transistor (Q4′) bipolare NPN-Transistoren sind, bei denen je der erste Anschluß der Emitter, der Steueranschluß die Basis und der zweite Anschluß der Kollektor ist.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Q1′) ein Feldeffekttransistor ist, dessen erster Anschluß der Sourceanschluß, dessen Steueranschluß der Gateanschluß und dessen zweiter Anschluß der Drainanschluß ist.

7. Steuerschaltung nach nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stromgenerator (A1′) ein Widerstand ist.