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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung einer
konstanten Spannung und insbesondere eine Schaltung, in
welcher ein weiter Spannungbereich mit einer
stabilisierten Charakteristik erzeugt wird.
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Eine Schaltung zur Erzeugung einer konstanten Spannung wird
gewöhnlich für die Versorgung einer Halbleiter-Anordnung
mit einer vorbestimmten Spannung verwendet, welche sich von
einer extern eingegebenen Spannung unterscheidet. Ein Typ
einer konventionellen Schaltung für die Erzeugung einer
konstanten Spannung enthält einen ersten und einen zweiten
MOS Feld-Effekt-Transistor vom p-Typ (nachfolgend mit "P-
MOSFET" bezeichnet), die in Reihe verbunden sind. In der
Schaltung sind die Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode
des ersten P-MOSFETs mit der Source-Elektrode und dem
Substrat-Potential des zweiten P-MOSFETs verbunden, die
Source-Elektrode und das Substrat-Potential des ersten P-
MOSFET mit der ersten Eingangs-Spannungs-Klemme verbunden,
und die Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode des zweiten
P-MOSFETs mit der zweiten Eingangs-Spannungs-Klemme
verbunden, wobei ein Verbindungspunkt zwischen der Gate-Elektrode
und der Drain-Elektrode des ersten P-MOSFETs und die
Source-Elektrode und das Substrat-Potential des zweiten P-
MOSFETs mit der Ausgangs-Klemme für eine konstante Spannung
verbunden ist.
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Im Betrieb werden die erste und die zweite Spannung V&sub1; und
V&sub2; (V&sub1; > V&sub2;) an die erste beziehungsweise zweite Eingangs-
Spannungs-Klemme angelegt. Der Strom im ersten P-MOSFET
wird verringert, um die Ausgangs-Spannung an der Ausgangs-
Klemme für eine konstante Spannung zu erhöhen und wird
"null",
wenn die Ausgangs-Spannung auf einem Wert zwischen
V&sub1; - VT1 und der Spannung V&sub1; liegt, wobei VT1 die
Schwellen-Spannung des ersten P-MOSFETs ist. Andererseits wird
der Strom des zweiten P-MOSFETs "null", wenn sich die
Ausgangs-Spannung zwischen der Spannung V&sub2; und einem Wert V&sub2; +
VT2 liegt, wobei VT2 die Schwellen-Spannung des zweiten
P-MOSFETs ist, und sie wird zum Erhöhen der
Ausgangsspannung erhöht. Wenn die Ströme des ersten und des zweiten P-
MOSFETs einander gleich sind, erhält man an der Ausgangs-
Klemme für die konstante Spannung eine bestimmte Ausgangs-
Spannung in einem stabilisierten Zustand. Durch die
Gleichung (1) wird die stabilisierte Ausgangs-Spannung Vs
bestimmt.
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Vs = V&sub2; + VT2 +{(V&sub1;- VT1 )+ VT2 )} x gm1/(gm1+gm2) ...
(1)
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wobei gm1 die Übertragungs-Steilheit des ersten P-MOSFETs
und gm2 die Übertragungs-Steilheit des zweiten P-MOSFETs
ist.
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Bei der konventionellen Schaltung zur Erzeugung einer
konstanten Spannung besteht jedoch der Nachteil, daß der
Bereich der Ausgangs-Spannung eng ist, wie aus Gründen, die
später beschrieben werden, verständlich wird.
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Weiterhin besteht der Nachteil, daß die Ausgangs-Spannung
Vs entsprechend mit den Schwellen-Spannungen VT1 und VT2,
die sich in Abhängigkeit von den Bedingungen des
Herstellungs-Prozesses der MOSFETs ändern, schwankt, wie aus der
Gleichung (1) verständlich wird,.
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GB 2 073 519 bezieht sich auf eine
Zwischenpotential-Generator-schaltung, die eine große Strom-Belastbarkeit
besitzt. Die Schaltung enthält einen ersten und einen zweiten
MOSFET, die in Reihe geschaltet sind und den gleichen
Leitungstyp
besitzen, und eine erste und eine zweite
Spannungs-Quelle, die mit den jeweiligen MOSFETs verbunden
sind. Die Ausgangs-Spannung dieser Schaltung besitzt eine
Breite, die äquivalent zum Instabilitäts-Faktor der
Schaltung ist und von den Schwellen-Spannungen innerhalb der
Schaltung abhängt.
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Zweifellos kann diese Schaltung keine hochgenaue Ausgangs-
Spannung erzeugen, die für die Anwendungen der vorliegenden
Erfindung geeignet ist.
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Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Schaltung für die Erzeugung einer konstanten Spannung
bereitzustellen, die einen großen Bereich konstanter
Ausgangs-Spannung besitzt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
eine Schaltung für die Erzeugung einer konstanten Spannung
bereitzustellen, in welcher eine konstante Spannung erzeugt
wird, ohne durch die Schwellen-Spannungen der MOSFETs
beeinflußt zu werden.
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Demgemäß stellt die Erfindung eine Schaltung zur Erzeugung
einer konstanten Spannung bereit, bestehend aus einem
ersten und einem zweiten MOSFET, welche in Reihe geschaltet
und vom gleichen Leitungstyp sind; Mitteln zur Vorspannung
des ersten und des zweiten MOSFETs; und einer ersten und
zweiten Spannungsquelle, die mit dem ersten beziehungsweise
dem zweiten MOSFET verbunden sind; gekennzeichnet dadurch,
daß die Mittel zur Vorspannung jeweils zwischen der Gate-
Elektrode und der Drain-Elektrode des ersten und des
zweiten MOSFETs angeschlossen sind und einen dritten und
vierten MOSFET vom gleichen Leitungstyp enthalten, und zur
Erzeugung einer Potentialdifferenz gleich der
Schwellenspannung jeweils des ersten und des zweiten MOSFETs dienen,
wodurch ein großer Bereich der stabilisierten
Ausgangsspannung
an dem Verbindungspunkt des ersten und zweiten MOSFETs
erzeugt wird.
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Die Erfindung soll detaillierter in Verbindung mit den nur
als Beispiel beiliegenden Zeichnungen erläutert werden;
wobei,
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Fig. 1 ein Schaltbild einer konventionellen Schaltung zur
Erzeugung einer konstanten Spannung darstellt, die zwei in
Reihe verbundene P-MOSFETs enthält,
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Fig. 2 bis 4 grafische Darstellungen sind, die die Ströme
der beiden P-MOSFETs jeweils bezogen auf die
Ausgangs-Spannungen der konventionellen Schaltung zeigen,
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Fig. 5 ein Schaltbild einer Schaltung zur Erzeugung einer
konstanten Spannung in einem ersten Ausführungsbeispiel
entsprechend der Erfindung darstellt,
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Fig. 6 eine grafische Darstellung ist, die die Ströme der
beiden in Reihe verbundenen P-MOSFETs in der Schaltung des
ersten Ausführungsbeispiels bezogen auf die
Ausgangs-Spannung der Schaltung zeigt, und
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Fig. 7 ein Schaltbild der Schaltung zur Erzeugung einer
konstanten Spannung in einem zweiten Ausführungsbeispiel
entsprechend der Erfindung zeigt.
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Vor der Erläuterung einer Schaltung zur Erzeugung einer
konstanten Spannung in einem ersten und zweiten
Ausführungsbeispiel entsprechend der Erfindung, soll die
obenerwähnte konventionelle Schaltung zur Erzeugung einer
konstanten Spannung in Verbindung mit den Fign. 1 bis 4
erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt einen Aufbau der konventionellen Schaltung, in
welcher der erste und der zweite P-MOSFET M&sub1; und M&sub2; in
Reihe verbunden sind. In der Schaltung ist die
Drain-Elektrode und die Gate-Elektrode des ersten P-MOSFETs M&sub1;
jeweils mit der Source-Elektrode und dem Substrat-Potential
des zweiten P-MOSFETs M&sub2; verbunden, die Source-Elektrode
und das Substrat-Potential des ersten P-MOSFETs M&sub1; ist mit
der ersten Eingangs-Spannungs-Klemme VEIN1, die
Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode des zweiten P-MOSFETs ist mit
der zweiten Eingangs-Spannungs-Klemme VEIN2 verbunden, und
der Verbindungspunkt zwischen der Gate-Elektrode und der
Drain-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1; und die Source-Elektrode
und das Substrat-Potential des P-MOSFETs M&sub2; ist mit der
Ausgangs-Klemme VAUS verbunden.
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Fig. 2 zeigt die Stromflüsse durch die P-MOSFETs M&sub1; und M&sub2;
in der Schaltung zur Erzeugung einer konstanten Spannung
bezogen auf die Ausgangs-Spannung an der Ausgangs-Klemme
VAUS. Wenn die Schwellen-Spannungen des ersten und des
zweiten P-MOSFETs M&sub1; und M&sub2; gleich VT1 und VT2 und die an
die Eingangs-Klemmen VEIN1 und VEIN2 angelegten Eingangs-
Spannungen gleich V&sub1; und V&sub2; sind, fließt, wie vorher
erläutert wurde, kein Strom durch den ersten P-MOSFET M&sub1;, wenn
sich die Ausgangs-Spannung im Bereich von V&sub1;- VT1 bis V&sub1;
erstreckt, und es fließt ein Strom durch den ersten P-
MOSFET M&sub1; umgekehrt proportional zur Ausgangs-Spannung,
wenn sie sich unterhalb V&sub1;- VT1 befindet, während kein
Strom durch den zweiten P-MOSFET M&sub2; fließt, wenn sich die
Ausgangs-Spannung im Bereich von V&sub2; bis V&sub2;+ VT2 erstreckt,
und es fließt ein Strom durch den zweiten P-MOSFET M&sub2;
proportional zur Ausgangs-Spannung, wenn sie sich oberhalb
V&sub2;+ VT2 befindet. Wenn die durch die P-MOSFETs M&sub1; und M&sub2;
fließenden Ströme einander gleich sind, erhält man an der
Ausgangs-Klemme VAUS die stabilisierte Ausgangs-Spannung
Vs. Der Pegel der stabilisierten Ausgangs-Spannung Vs wird
gemäß der obenerwähnten Gleichung (1) bestimmt.
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Es wird jetzt angenommen, daß die Eingangs-Spannung V&sub1; 10 V
, die Eingangs-Spannung V&sub2; 5 V, die Schwellen-Spannungen
VT1 und VT2 -1 V, und das Verhältnis der Übertragungs-
Steilheiten gm1 und gm2 2/1 betragen. Demgemäß zeigen die
Linien M&sub1; und M&sub2;, welche die Ströme durch die ersten und
zweiten P-MOSFETs M&sub1; und M&sub2; in Bezug auf die an der
Ausgangs-Spannungs-Klemme VAUS erhaltene Ausgangs-Spannung
darstellen, den in Fig. 3 gezeigt Verlauf, so daß die
stabilisierte Ausgangs-Spannung Vs 8 V beträgt. Bei dieser
Anordnung ändern sich die Linien M&sub1; und M&sub2;, wie in Fig. 4
gezeigt, wenn sich die Schwellen-Spannungen VT1 und VT2 des
ersten und des zweiten P-MOSFETs M&sub1; und M&sub2; von -1 V auf
- 0,5 V ändern, so daß sich die stabilisierte
Ausgangs-Spannung Vs von 8 V auf 8,17 V verändert. Das ist einer der
obenerwähnten Nachteile. Weiterhin wird aus Fig. 2 klar
verständlich, daß der Bereich der Ausgangs-Spannung an der
Ausgangs-Klemme VAUS eng ist. Das ist der andere Nachteil.
Diese Nachteile werden in einer Schaltung zur Erzeugung
einer konstanten Spannung entsprechend der Erfindung
überwunden.
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Als nächstes soll in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 eine
Schaltung zur Erzeugung einer konstanten Spannung bei einem
ersten Ausführungsbeispiel entsprechend der Erfindung
erläutert werden.
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Fig. 5 zeigt die Schaltung zur Erzeugung einer konstanten
Spannung, welche die P-MOSFETs M&sub1;&sub1;, M&sub1;&sub2;, M&sub1;&sub3; und M&sub1;&sub4;
enthält. In der Schaltung sind die P-MOSFETs M&sub1;&sub1; und M&sub1;&sub2; in
Reihe zwischen die erste und die zweite Eingangs-Spannungs-
Klemme VEIN1 und VEIN2 geschaltet, die Source-Elektrode und
das Substrat-Potential des P-MOSFETs M&sub1;&sub3; ist mit der Drain-
Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub1;, die Gate-Elektrode und die
Drain-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub3; ist mit der
Gate-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub1;, die Source-Elektrode und das
Substrat-Potential des P-MOSFETs M&sub1;&sub4; ist mit der
Drain-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub2;, die Gate-Elektrode und die Drain-
Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub4; ist mit der Gate-Elektrode des
P-MOSFETs M&sub1;&sub2; und ein Verbindungspunkt der P-MOSFETs M&sub1;&sub1;
und M&sub1;&sub2; ist mit der Ausgangs-Klemme VAUS verbunden.
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Im Betrieb werden die Eingangs-Spannungen V&sub1; und V&sub2; an die
erste und die zweite Eingangs-Spannungs-Klemme VEIN1 und
VEIN2 angelegt. Es wird jetzt angenommen, daß die
Schwellen-Spannungen der P-MOSFETs M&sub1;&sub1;, M&sub1;&sub2;, M&sub1;&sub3; und M&sub1;&sub4; einander
gleich sind und "VTH" betragen. Damit ergibt sich die Gate-
Spannung des P-MOSFETs M&sub1;&sub1; bei Anwesenheit des P-MOSFETs
M&sub1;&sub3; wie folgt.
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VG11 = VD11 - VTH ... (2)
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wobei VD11 die Drain-Spannung des P-MOSFETs M&sub1;&sub1; ist. Dann
fließt durch den P-MOSFET M&sub1;&sub1; ein Strom, wie er durch die
Linie M&sub1;&sub1; in Fig. 6 angezeigt wird und der umgekehrt
proportional zur Drain-Spannung VD11 ist, welche gleich der
Ausgangs-Spannung an der Ausgangs-Spannungs-Klemme VAUS
ist, wobei die Ausgangs-Spannung unterhalb der ersten
Eingangs-Spannung V&sub1; liegt. Andererseits ergibt sich die Gate-
Spannung VG12 des P-MOSFETs M&sub1;&sub2; bei Anwesenheit des P-
MOSFETs M&sub1;&sub4; wie folgt:
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VG12 = VD12 - VTH ... (3)
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wobei VD12 die Drain-Spannung des P-MOSFETs M&sub1;&sub2; darstellt.
Dann fließt ein Strom durch den P-MOSFET M&sub1;&sub2;, wie er durch
die Linie M&sub1;&sub2; in Fig. 6 gezeigt wird und der proportional
zur Source-Spannung ist, welche der Ausgangs-Spannung
entspricht, wobei die Ausgangs-Spannung oberhalb der zweiten
Eingangs-Spannung V&sub2; liegt. Die stabilisierte Ausgangs-
Spannung Vs ergibt sich aus dem Kreuzungspunkt der Linien
M&sub1;&sub1; und M&sub1;&sub2; und wird in Übereinstimmung mit der Gleichung
(4) bestimmt.
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Vs = V&sub2; + (V&sub1;-V&sub2;) x gm11/(gm11+gm12) ... (4)
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wobei gm11 die Übertragungs-Steilheit des P-MOSFETs M&sub1;&sub1; und
gm12 die Übertragungs-Steilheit des P-MOSFETs M&sub1;&sub2;
darstellt.
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Wie aus der Gleichung (4) verständlich wird, kann die
Ausgangs-Spannung an der Ausgangs-Klemme VAUS in dem Bereich
zwischen den Spannungen V&sub1; und V&sub2;, die an die erste und
zweite Eingangs-Spannungs-Klemmen VEIN1 und VEIN2 angelegt
werden, durch Wahl der Übertragungs-Steilheiten gm11 und
gm12 beliebig eingestellt werden. Mehr noch, unter der
Bedingung, daß die Schwellen-Spannungen der P-MOSFETs M&sub1;&sub1;,
M&sub1;&sub2;, M&sub1;&sub3; und M&sub1;&sub4; einander gleich sind, verändert sich die
Ausgangs-Spannung nicht, selbst wenn sich die Schwellen-
Spannungen ändern.
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In Fig. 7 wird eine Schaltung zur Erzeugung einer
konstanten Spannung bei einem zweiten Ausführungsbeispiel
entsprechend der Erfindung gezeigt, worin gleiche Teile mit den
gleichen Bezugssymbolen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet sind. In der Schaltung sind die ersten und
zweiten P-MOSFETs M&sub1;&sub1; und M&sub1;&sub2; in Reihe zwischen die erste und
die zweite Eingangs-Spannungs-Klemme VEIN1 und VEIN2
geschaltet, Source-Elektrode und Substrat-Potential des P-
MOSFETs M&sub1;&sub3; sind mit der Drain-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub1;
verbunden, die Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode des
P-MOSFETs M&sub1;&sub3; sind mit der Gate-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub1;
verbunden, die Source-Elektrode und das Substrat-Potential
des P-MOSFETs M&sub1;&sub4; sind mit der Drain-Elektrode des P-
MOSFETs M&sub1;&sub2; verbunden und die Gate-Elektrode und die Drain-
Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub4; sind mit der Gate-Elektrode des
P-MOSFETs M&sub1;&sub2; verbunden. In der Schaltung ist ferner die
Drain-Elektrode eines MOSFETs vom Verarmungstyp (N-Typ) M&sub1;&sub5;
mit dem Verbindungspunkt zwischen der Gate-Elektrode des P-
MOSFETs M&sub1;&sub1; sowie der Gate-Elektrode und der
Drain-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub3; verbunden, die Gate-Elektrode und
die Source-Elektrode des MOSFETs vom Verarmungstyp (N-Typ)
M&sub1;&sub5; sind über die Massepotential-Klemme VG1 mit
Massepotential verbunden, die Drain-Elektrode des MOSFETs vom
Verarmungstyp (n-Typ) M&sub1;&sub6; ist mit dem Verbindungspunkt zwischen
der Gate-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub2; sowie der
Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub4; verbunden,
die Gate-Elektrode und die Source-Elektrode des MOSFETs vom
Verarmungstyp (n-Typ) M&sub1;&sub6; sind über die Masse-Potential-
Klemme VG2 mit Massepotetial verbunden, und der
Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten P-MOSFETs
M&sub1;&sub1; und M&sub1;&sub2; ist mit der Ausgangs-Spannungs-Klemme VAUS
verbunden.
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Im Betrieb ergibt sich dieselbe Charakteristik der
Ausgangs-Spannung an der Ausgangs-Klemme VAUS, wie im ersten
Ausführungsbeispiel. Mehr noch, von dem Verbindungspunkt
zwischen der Gate-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub1; sowie der
Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub3;
und von dem Verbindungspunkt zwischen der Gate-Elektrode
des P-MOSFETs M&sub1;&sub2; sowie der Gate-Elektrode und der Drain-
Elektrode des P-MOSFETs M&sub1;&sub4; fließen winzige Ströme über die
MOSFETs vom Verarmungstyp (n-Typ) M&sub1;&sub5; und M&sub1;&sub6; zu den
Massepotential-Klemmen VG1 beziehungsweise VG2, gegenüber denen
die an die Eingangs-Klemmen VEIN1 und VEIN2 angelegten
Spannungen V&sub1; und V&sub2; schwanken, so daß sich die
Gate-Elektroden der P-MOSFETs M&sub1;&sub1; und M&sub1;&sub2; in einem potentialfreien
Zustand befinden, wodurch eine Betriebsinstabilität der
Schaltung verhindert wird.
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In einer Schaltung zur Erzeugung einer konstanten Spannung
entsprechend der Erfindung sind, wie oben erläutert, ein
erster und ein zweiter MOSFET des gleichen Leitungstyps in
Reihe zwischen eine erste und eine zweite Spannungs-Quelle
geschaltet, und es sind Mittel zur Vorspannung zwischen der
Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode jedes der MOSFETs
vorgesehen, wobei die Mittel zur Vorspannung eine
Potentialdifferenz erzeugen, die gleich der Schwellen-Spannung
jedes MOSFETs ist, so daß ein großer Bereich der Ausgangs-
Spannung erzeugt werden kann und die
Ausgangs-Spannungs-Charakteristik konstant ist, selbst wenn sich die
Schwellen-Spannung beim Herstellungsprozeß der
Halbleiter-Anordnung ändert.