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Die
Erfindung geht aus von einer Schaltung zur Überwachung der Versorgungsspannung
einer integrierten Schaltung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus "DATABOOK, C-MOS
Microprocessors, Memories, Pe ripherals", RCA Solid State, Sommerville, New
York, 1984, S. 215-217, ist es bekannt, mit Hilfe eines Schmitt-Triggers
eine Resetschaltung auszuführen
und damit bei einem Mikroprozessor eine Software-Start-Up-Prozedur
zu starten. Dabei überwacht
der Schmitt-Trigger
einen zugeführten
Spannungspegel und schaltet bei Unterschreiten einer minimalen Spannung
das am Ausgang des Schmitt-Triggers anliegende Spannungssignal in
einen anderen Spannungszustand um. Daraufhin veranlaßt eine
Auswerteschaltung eine Software-Start- Up-Prozedur.
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Aus
der
DE 41 31 417 C1 ist
eine Schaltung zur Überwachung
der Versorgungsspannung einer integrierten Schaltung bekannt, bei
der ermittelt wird, ob die Versorgungsspannung oberhalb oder unterhalb
eines bestimmten Spannungswertes liegt. Die Spannung wird von einer
Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie geliefert und über einen Spannungsteiler
einem Schmitt-Trigger zugeführt, der
ein Ausgangssignal liefert, das erkennen lässt, ob die Versorgungsspannung
oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Spannungswertes liegt.
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Aus
der US-PS 5 027 006 ist eine Schaltungsanordung zur Detektion von
Spannungseinbrüchen
für eine
integrierte Schaltung bekannt, die eine Schwellwertschaltung umfasst,
an deren Eingang die zu überwachende
Versorgungsspannung anliegt. Der Schwellwertschaltung zugeordnet
ist eine Schaltungsanordnung mit wenigstens einem Widerstand und
einem Kondensator. Die Schwellwertschaltung wird ebenfalls mit Hilfe
der zu überwachenden
Versorgungsspannung versorgt, wobei zusätzlich Mittel vorgesehen sind,
die die Spannungsversorgung gegenüber kurzzeitige Spannungseinbrüche schützt.
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Aufgabe der
Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung
der Versorgungsspannung einer integrierten Schaltung so auszugestalten,
dass kurzzeitige Spannungseinbrüche
ohne Folgen bleiben, dass sie jedoch von der Schaltungsanordnung
erkannt werden. Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Schaltung zur Überwachung der Versorgungsspannung
einer integrierten Schaltung gemäß Anspruch
1.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Schaltung
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß der
Schmitt-Trigger mit der gleichen Versorgungsspannung, die Schmitt-Trigger überwacht
wird, versorgt wird, wobei jedoch die Spannungsversorgung des Schmitt-Triggers vor kurzzeitigen
Spannunseinbrüchen
geschützt
ist.
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Auch
nach Abfall der Versorgungsspannung bleibt der Schmitt-Trigger noch
eine ausreichende Zeit mit genügend
hoher Versorgungsspannung versorgt.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Schaltung möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, durch Anordnung eines zweiten Kondensators zwischen
einem Pfad der Versorgungsspannung und der Mittenabzapfung des Spannungsteilers
kurzzeitige Spannungsschwankungen in der Versorgungsspannung für den Schmitt-Trigger
erkennbar zu machen.
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Eine
weitere Verbesserung der Schaltung besteht darin, die Schaltung überprüfbar zu
machen, indem parallel zum Spannungsteiler eine Serienschaltung
bestehend aus einem dritten und einem vierten Transistor angeordnet
ist, wobei zwischen dem dritten und dem vierten Transistor eine
Steuerleitung abgezweigt ist, und dem Eingang des Schmitt-Triggers
zugeführt
ist. Der dritte und vierte Transistor sind jeweils über weitere
Steuerleitungen getrennt ansteuerbar.
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Mit
Hilfe des dritten und vierten Transistors wird über Umschaltvorgänge die
Funktionsweise der Spannungsversorgung nach einem Spannungsabfall überprüft. Somit
ist die Funktionsfähigkeit
der Schaltung überprüfbar. Damit
ist gewährleistet,
daß die Spannungsversorgung
des Schmitt-Triggers beim Abfall der Versorgungsspannung gesichert
ist.
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Durch
die Integration auf einem Chip. ist es möglich, alle Verbindungen der
Spannungsversorgung der integrierten Schaltung mitzutesten.
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Insbesondere
werden die Leitungen auf der Trägerplatte,
die Leitfähigkeit
der Lötstellen
sowie die korrekte Verbindung der Verbindungsdrähte zum Chipgehäuse mit überwacht.
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Die
Genauigkeit der Spannungsüberwachung
wird dadurch erhöht,
indem die Schaltung mit dem Schmitt-Trigger zusammen mit der integrierten Schaltung
auf einem Chip integriert ist. So werden genau die Störungen der
Versorgungsspannung nachgewiesen, welche sich trotz des Tiefpaßverhaltens
der Versorgungsleitungen bis auf den Chip fortpflanzen.
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Eine
besonders vorteilhafte Realisierung des Schmitt-Triggers wird erreicht,
indem der Schmitt-Trigger aus zwei parallelen Verarbeitungszweigen
besteht, wobei in einem ersten Verarbeitungszweig ein erster Inverter
angeordnet ist, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines ersten NAND-Gatters
verbunden ist. In dem zweiten Verarbeitungszweig ist ein zweiter
Inverter angeordnet, dessen Ausgang mit einem dritten Inverter verbunden
ist. Der Ausgang des dritten Inverters ist einem ersten Eingang
eines zweiten NAND-Gatters zugeführt.
Der Ausgang des zweiten NAND-Gatters ist dem zweiten Eingang des
ersten NAND-Gatters zugeführt.
Der Ausgang des ersten NAND-Gatters, der gleichzeitig den Ausgang
des Schmitt-Triggers darstellt, ist mit dem zweiten Eingang des
zweiten NAND-Gatters verbunden. Auf diese Weise wird ein einfacher
Aufbau des Schmitt-Triggers erreicht.
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Die
Empfindlichkeit des Schmitt-Triggers gegenüber Spannungseinbrüchen wird
dadurch erhöht, daß die NAND-Gatter
asymmetrisch ausgelegt sind, d.h., daß ein NAND-Gatter große n-Transistoren
und das andere NAND-Gatter große
p-Transistoren enthält.
Durch diese Dimensionierung wird erreicht, daß bei den Schaltvorgängen, bei
denen der Schmitt-Trigger das Ausgangssignal aufgrund eine Spannungsabahme umschaltet,
dieser schnell schaltet, und bei den Schaltvorgängen, bei denen der Schmitt-Trigger
das Ausgangssignal aufgrund von Spannungszunahmen umschaltet, dieser
langsam schaltet. Zudem wird dadurch die Resistenz gegen Überspannungen
erhöht.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen 1 eine Schaltung zur Überwachung der Versorgungsspan nung
und 2 einen schematischen Aufbau eines Schmitt-Triggers.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
eine Spannungsquelle 1, die eine Versorgungsspannung für eine integrierte
Schaltung liefert. Die integrierte Schaltung ist in diesem Ausführungsbeispiel
nicht dargestellt. Ein Pfad der Versorgungsspannung ist mit einer
Serienschaltung, aus einem ersten und einem zweiten Transistor 2, 3,
verbunden, wobei die Transistoren als Feldeffekttransistor (FET)
ausgebildet sind. Parallel zu der Serienschaltung des ersten und
des zweiten Transistors 2, 3 ist ein Spannungsteiler
aus einer Serienschaltung aus einem dritten und einem vierten als
FET ausgebildeten Transistor 4, 5 angeordnet.
Der Spannungsteiler 4, 5 kann jedoch aus beliebigen
widerstandsbehafteten Bauelementen aufgebaut sein. So ermöglichen
z.B. ohmsche Widerstände
eine höhere
Genauigkeit des Spannungsteilers. Feldeffekttransistoren werden
verwendet, da damit nur ein geringer Flächenbedarf auf der integrierten
Schaltung notwendig ist.
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Zwischen
dem ersten und dem zweiten Transistor 2, 3 ist
eine Steuerleitung 17 abgezweigt, die mit den Steuereingängen des
dritten und vierten Transistors 4, 5 und einer
Mittenabzapfung 10 des Spannungsteilers 4, 5 verbunden
ist. Parallel zu dem dritten Transistor 4 ist eine zweite
Kapazität 8 mit
einem Pfad der Versorgungsspannung und der Mittenabzapfung 10 verbunden.
Nach der Abzweigung des zweiten Kondensators 8 ist in dem
Pfad der Versorgungsspannung ein Widerstand 6 angeordnet.
Der Ausgang des Widerstands 6 ist mit einem ersten Kondensator 7,
der mit dem zweiten Pfad der Versorgungsspannung verbunden ist,
zugeführt.
Parallel zu dem ersten Kondensator 7 ist ein Schmitt-Trigger 9 mit
seinen Spannungseingängen
mit der Versorgungsspannung verbunden. Die Mittenabzapfung 10 ist
mit dem Eingang 13 des Schmitt-Triggers 9 verbunden,
der einen Signalausgang 14 aufweist.
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Die
von der Spannungsquelle 1 gelieferte Versorgungsspannung
wird der integrierten Schaltung und der in 1 dargestellten
Schaltung mit Schmitt-Trigger 9 zugeführt. Dabei ermittelt der Spannungsteiler 4, 5 aus
der zugeführten
Versorgungsspannung eine zu der zugeführten Versorgungsspannung proportionale
Spannung. Der Spannungsteiler ist so ausgebildet, daß eine Versorgungsspannung,
die groß genug
ist, um die integrierte Schaltung sicher zu versorgen, in eine Spannung transformiert
wird, die in dem Hysteresebereich des Schmitt-Triggers 9 liegt.
Der Spannungsteiler 4, 5 führt über die Mittenabzapfung 10 die
proprotionale Spannung an den Eingang 13 des Schmitt-Trigges 9.
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Der
Schmitt-Trigger 9 wird zugleich von der Versorgungsspannung
mit Strom versorgt. Der Spannungsteiler 4, 5 ist
so ausgebildet, daß bei
Abfall der Versorgungsspannung unter einen für die integrierte Schaltung
notwendigen Wert, die dem Eingang 13 des Schmitt-Triggers 9 zugeführte Spannung
unter einen festgelegten minimalen Spannungswert fällt, die
außerhalb
des Hysteresebereiches des Schmitt-Trig gers 9 liegt. Der
Schmitt-Trigger 9 schaltet bei Abfall der Versorgungsspannung
unter einen für
die integrierte Schaltung notwendigen Wert die am Ausgang 14 anliegende
Spannung auf einen zweiten festgelegten Spannungswert um. Der Ausgang 14 des
Schmitt-Triggers 9 ist mit einer Auswerteschaltung verbunden,
die ein Umschalten des Ausgangssignals feststellt und entsprechende
Systemreaktionen veranlaßt.
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Sinkt
nun die Versorgungsspannung ab, so verhindert der parallel zum Schmitt-Trigger 9 angeordnete
erste Kondensator 7 und der in Serie zum Schmitt-Trigger 9 und
zum ersten Kondensator 7 geschaltete Widerstand 6,
daß die
Spannungsversorgung für
den Schmitt-Trigger 9 zusammenbricht. Dadurch wird erreicht,
daß der
Schmitt-Trigger 9 noch für eine ausreichend lange Zeit
funktionsfähig
ist.
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Die
erste Kapazität 7 ist
entsprechend folgender Formel auszulegen: C >> 1/VS Is t, wobei IS der Umladestrom des Schmitt-Triggers 9,
T die Gesamtzeit für
den Umladevorgang und VD die anliegende
Versorgungsspannung bezeichnet. Die Kapazität C hat bei CMOS-Prozesses
typischerweise einen Wert von einigen Pikofarad. Der Widerstand 6 muß mindestens
so groß gewählt werden,
daß bei
einem Abfall der Versorgungsspannung die Ladung des ersten Kondensators 7 über den
Schmitt-Trigger 9 und nicht über den Widerstand 6 abfließt. Zur
Abschätzung
kann folgende Formel verwendet werden: R >> (VD·T)/T Is t,wobei
R die Größe des Widerstandes 6,
VD die Versorgungsspannung, T die Gesamtzeit
für den
Umladevorgang und IS den Umladestrom des
Schmitt-Triggers 9 bezeichnet. Der Widerstand 6 kann
beispielsweise in der Größenordnung
von 10 kOhm dimensioniert sein. Bei der Wahl der Größe des Widerstandes 6 ist
darauf zu achten, daß der
Widerstand 6 klein genug gewählt wird, so daß die erste
Kapazität 7 bei Berücksichtigung
der Ruheströme
des Schmitt-Triggers 9 genügend aufgeladen wird.
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Anstelle
des Widerstandes kann prinzipiell auch eine in Durchlaßpolarität betriebene
Diode angeordnet sein.
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Treten
nun kurzzeitige schnelle Spannungsschwankungen auf, so werden diese über die
zweite Kapazität 8 direkt
an den Eingang 13 des Schmitt-Triggers 9 geführt. Damit
sind diese kurzzeitigen Spannungsänderungen für den Schmitt-Trigger 9 meßbar. Bei
der Realisierung der zweiten Kapazität 8 ist darauf zu
achten, daß diese
eine mögliehst
kleine Parasitärkapazität gegen
Masse. aufweist. Mit der zweiten Kapazität 8 wird das Zeitverhalten
der Schaltung verbessert. Kurzzeitige Spannungsschwankungen werden über die
zweite Kapazität 8 ohne
Zeitverzögerung
an den Schmitt-Trigger 9 geleitet: Das korrekte Funktionieren
der in 1 dargestellten Schaltung mit dem Schmitt-Trigger 9 wird
durch die parallel zum Spannungsteiler 4, 5 angeordnete
Serienschaltung des dritten Transistors 2 und des vierten
Transistors 3 überprüft. Der
vierte Transistor 3 ist zwischen Masse und dem Eingang 13 des
Schmitt-Triggers 9 angeordnet.
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Zudem
ist der vierte Transistor 3 mittels einer Steuerleitung 12 ansteuerbar.
Wird nun über
die Steuerleitung 12 der vierte Transistor 3 geöffnet, so sinkt
die am Eingang 13 des Schmitt-Triggers 9 anliegende
Spannung auf Masse und der Schmitt-Trigger 9 schaltet daraufhin
am Ausgang 14 das anliegende Spannungssignal um. Bei Abschalten,
des vierten Transistors 3 schaltet der Schmitt-Trigger 9 das
an sei nem Ausgang 14 anliegende Spannungssignal wieder
um. Durch Überprüfung des
Ausgangs 14 wird die Funktion des Schmitt-Triggers 9 festgestellt.
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Darüber hinaus
kann das Funktionieren der Versorgungsspannungspuf ferung, d.h.
der Widerstand 6 und die, erste Kapazität 7, durch abwechselndes
Schalten des dritten Transistors 2 mittels einer weiteren
Steuerleitung 11 und des vierten Transistors 3 mittels
der Steuerleitung 12 überprüft werden.
Die Pufferung der Versorgungsspannung ist nur dann gewährleistet,
wenn der Schmitt-Trigger 9 nur bis zu einer bestimmten
Anzahl von Umschaltungen hintereinander korrekt funktioniert, da
die erste Kapazität 7 durch
die Umschaltvorgänge
des Schmitt-Triggers 9 schneller entladen wird, als über den
Widerstand 6 an Ladungen zufließen kann. Ist der Widerstand 6 kurzgeschlossen,
so entlädt
sich die erste Kapazität 7 nicht
so schnell und der Schmitt-Trigger 9 funktioniert für mehr Umschaltungen
als bei einem angepaßten
Widerstand 6. Zeigt der Widerstand 6 einen zu
großen
Widerstand, so funktioniert der Schmitt-Trigger 9 für weniger
Umschaltungen. Funktioniert die erste Kapazität 7 nicht, so zeigt
sich dieses auch in der Anzahl der vom Schmitt-Trigger 9 hintereinander
ausgeführten
Umschaltungvorgängen.
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Die
Umschaltvorgänge
laufen außerdem
nur dann korrekt ab, wenn der erste Transistor 4 und der zweite
Transistor 5 des Spannungsteilers weder die Leitwerte Null
noch die Widerstände
Null haben. Das einzige in 1 dargestellte
nicht testbare Bauelement ist die zweite Kapazität 8. Diese kann jedoch mit
Hilfe einer geschickten Leitungsführung testbar gemacht werden:
Führt man
die Versorgungsspannung und den Eingangsstrom des Schmitt-Triggers 9 durch
den zweiten Kondensator 8 hindurch, so geht ein Abriß des zweiten
Kondensators notwendiger Weise mit einer Fehlfunktion der Schaltung
im Testbetrieb einher.
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2 zeigt
einen Schmitt-Trigger 9, dessen Eingang 13 sich
in zwei Verararbeitungszweige teilt. In dem ersten Verarbeitungszweig
ist ein erster Inverter 21 angeordnet, dessen Ausgang mit
einem ersten Eingang eines ersten, NAND-Gatter 24 verbunden ist.
Der Ausgang des ersten NAND-Gatters 24 bildet den Signalausgang 14 des
Schmitt-Triggers 9. In dem zweiten Verarbeitungszweig sind
ein zweiter Inverter 22 und ein, dritter Inverter 23 in
Serie geschaltet. Der Ausgang des dritten Inverters 23 ist
mit einem ersten Eingang eines zweiten NAND-Gatters 25 verbunden.
Der Ausgang an des zweiten NAND-Gatters 25 ist mit dem
zweiten Eingang des erste NAND-Gatters 24 verbunden. Der
Ausgang des ersten NAND-Gatters 24 ist an den zweiten Eingang
des zweiten NAND-Gatters 25 geführt.
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Eine
besondere Ausgestaltung des Schmitt-Triggers 9 wird erreicht,
indem der Schmitt-Trigger 9 nach dem in 2 dargestellten Schaltplan
aufgebaut ist. Dabei ist zu beachten, daß der Schmitt-Trigger 9 asymmetrisch
aufgebaut ist, d h. daß das
Schalten von dem Zustand 1 auf 0 leichter erfolgt als von 0 auf
1. Dies wird dadurch erreicht, daß die Transistoren, die im
Schmitt-Trigger 9 für
den Schaltvorgang von 1 auf 0 zuständig sind, als schnelle Transistoren
ausgebildet sind und die Transastoren, die für den Schaltvorgang von 0 auf
1 zuständig sind,
als langsame Transistren ausgebildet sind
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Durch
die Integration des Schmitt-Triggers auf der integrierten Schaltung
wird verhindert, daß Spannungseinbrüche, welche
nicht bis in die integrierte Schaltung vordringen, zur Abschaltung
des Systems führen.
Dadurch wird die Systemverfügbarkeit
gesteigert. Zudem zeigen Versorgungsleitungen, Bonddraht und Bondpat
einen ausgesprochenen Tiefpaßcharakter,
was dazu führt,
daß viele,
insbesondere kurzzeitige, Störimpulse
gar nicht erst bis auf die integrierte Schaltung vordringen. Die
Integration der Schaltung mit Schmitt-Trigger 9 mit der
zu überwachenden
integrierten Schaltung ermöglicht eine
ge naue Sensibilitätsabstimmung.
So kann z.B. die Schwellspannung eines Gatters, also diejenige Spannung,
oberhalb derer das Gatter den Eingangspegel als logische 1 interpretiert,
bei verschiedenen Herstellungsprozessen bis zu +– 30% variieren: Durch die
Integration auf nur einem Chip varriiert die Schwellspannung der Überwachungsschaltung
jedoch stets in gleicher Richtung und ähnlicher Größe wie die Schwellspannung
der zu überwachenden
Logikgatter. Da die Schwankungen der elektrischen Eigenschaften
inherhalb einer integrierten Schaltung typischerweise deutlich unter
10% bleiben, kann die Span nungsüberwachung
entsprechend genau auf die zu überwachenden
Logikgatter abgestimmt werden.
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Die
Folge ist, daß die
integrierte Schaltung nur beiden Spannungseinbrüchen abgeschaltet oder zurückgesetzt
wird, die sicher zu einer Fehlreaktion der integrierten Schaltung
führen
würden.
Dadurch wird die Systemverfügbarkeit
deutlich erhöht.
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Die
in 1 dargestellte Schaltung ist mit wenig Flächenaufwand
in modernen MOS-Prozessen zu realisieren. Die Schaltung erlaubt
es, Versorgungsspannungseinbrüche
schon im ca. 1 Nanosekundenbereich nachzuweisen. Sie hat ferner
den stabilen Endzustand "Spannung
nicht da", so daß längere Spannungseinbrüche bei
der Versorgungsspannung garantiert gefunden werden. Die Schaltung
ist zudem resistent gegen Überspannungsimpulse.