DE69108424T2

DE69108424T2 - Spannungsgesteuerter Widerstand.

Info

Publication number: DE69108424T2
Application number: DE69108424T
Authority: DE
Inventors: Gerard Bret
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1991-01-25
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2011-01-26
Also published as: US5300834A; EP0441716A1; FR2657736A1; EP0441716B1; JPH04213211A; DE69108424D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltungen mit variablem Widerstand, wobei der Widerstandswert durch ein elektrisches Signal, insbesondere durch eine Spannung gesteuert wird.
Eine Schaltung mit einem variablen Widerstand wird im allgemeinen aus einem Dipol gebildet, dessen Widerstandswert oder Impedanz einen vorgegebenen Wert als Funktion einer elektrischen Größe, beispielsweise einer Spannung, annimmt, welche an Steueranschlüsse der Schaltung angelegt wird.
Die Schaltungen mit variablem Widerstand werden häufig in vielen elektronischen Vorrichtungen eingesetzt. Sie werden beispielsweise dazu verwendet, einen Strom oder eine Spannung zu steuern, um eine Verstärkung oder eine Dämpfung einzustellen, oder um Filterparameter einzustellen.
Eine Schaltung mit variablem Widerstand kann realisiert werden, indem man einen MOS-Transistor verwendet. Bei einem MOS-Transistor variiert der Widerstandswert zwischen den beiden Hauptelektroden als eine Funktion der an die Steuerelektrode angelegten Spannung. Mit anderen Worten, der Widerstandswert zwischen dem Drain und der Source eines MOS- Transistors variiert als eine Funktion der Spannung, welche zwischen dem Gate und der Source angelegt wird. Ein einfacher MOS-Transistor kann daher zufriedenstellend einen variablen spannungsgesteuerten Widerstand bilden. Eine solche variable Widerstandsanordnung arbeitet nur dann richtig, wenn der MOS-Transistor immer im linearen Bereich der Drain-Source-Stromkennlinie bleibt, welche eine Funktion der Drain-Source-Spannung ist. Wenn die Drain-Source-Spannung einen bestimmten Wert, abhängig von den physischen Eigenschaften des MOS-Transistors überschreitet, wird der lineare Bereich der Kennlinie verlassen, und die Schaltung geht in den Sättigungsbereich, in dem sich der Drain-Source-Strom nicht proportional zur Drain-Source-Spannung ändert. Daraus folgt, daß ein MOS-Transistor nur verwendet werden kann, um einen variablen spannungsgesteuerten Widerstand aufzubauen, wenn die maximale Spannung, welche an die Anschlüsse des variblen Widerstands angelegt werden kann, d.h. die Spannung zwischen den Drain und der Source, unterhalb einer Spannung bleibt, die dem Beginn der Sättigung des MOS-Transistors entspricht.
Bei vielen modernen elektronischen Schaltungen werden jedoch in einer einzige integrierten Schaltung eine große Anzahl unterschiedlicher Funktionen realisiert. Insbesondere ist es zur Zeit möglich, in ein und demselben Chip bipolare Transistoren und MOS-Transistoren anzuschließen. Bei bestimmten Anwendungen können die bipolaren Transistoren hohe Spannungen, beispielsweise in der Größenordnung von 50 Volt, aushalten, und die MOS-Transistoren können nur erheblich niedrigere Spannungen aushalten, beispielsweise in der Größenordnung von 5 Volt. Man versteht also, daß es in solchen integrierten Schaltungen nicht möglich ist, einen MOS- Transistor dazu zu verwenden, einen variablen Widerstand aufzubauen, wenn dieser dazu bestimmt ist, mit einem Teil der von den bipolaren Transistoren gebildeten Schaltung verbunden zu werden, welche erheblich höhere Spannungen liefern können.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist, diese Schwierigkeit zu überwinden.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine spannungsgesteuerte variable Widerstandsschaltung mit einem MOS-Transistor, bei dem eine der Hauptelektroden mit einem gemeinsamen Anschluß verbunden ist, wobei eine Steuerspannung zwischen seiner Steuerelektrode und dem gemeinsamen Anschluß angelegt wird.
Erfindungsgemäß umfaßt die Schaltung:
- einen Ohm'schen Spannungsteiler, welcher zwischen einem ersten Anschluß und dem gemeinsamen Anschluß angeschlossen ist, und
- eine Folgeschaltung, deren Eingang den Ausgang des Spannungsteilers aufnimmt und deren Ausgang mit der anderen Hauptelektrode des MOS-Transistors verbunden ist,
wobei sich der Widerstandswert zwischen dem ersten Anschluß und dem gemeinsamen Anschluß als Funktion der Steuerspannung verändert.
Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt die Schaltung ferner:
- einen Operationsverstärker, bei dem der eine Eingang mit dem Ausgang des Spannungsteilers verbunden ist und bei dem der andere Eingang mit der Hauptelektrode des MOS-Transistors verbunden ist, und
- einen Transistor, bei dem die Steuerelektrode mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, die eine der Hauptelektroden mit den ersten Anschluß verbunden ist und die andere Hauptelektrode mit der anderen Hauptelektrode des MOS-Transistors verbunden ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der MOS-Transistor vom NMOS-Typ und der Transistor ist ein bipolarer Transistor vom NPN-Typ.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der MOS-Transistor vom PMOS-Typ, und der Transistor ist ein bipolarer Transistor vom PNP-Typ.
Diese sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in weiteren Einzelheiten in der folgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert, welche eine Ausführungsform einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der Figur bildet die Schaltung mit dem variablen Widerstand 1 einen Bipol, welcher zwei Anschlüsse A und B aufweist. Eine Spannung V kann zwischen den Anschlüssen A und B angelegt werden, und der Widerstandswert R tritt zwischen den Anschlüssen A und B auf und ist ein variabler Widerstand, welcher über eine an die Schaltung 1 zwischen einem Steueranschluß C und dem Anschluß B angelegte Spannung VC gesteuert wird.
Die Schaltung mit dem variablen Widerstand 1 umfaßt einen MOS-Transistor 2, dessen Source S mit einer Leitung 3 verbunden ist, die an den Anschluß B angeschlossen ist, dessen Drain D mit dem Emitter eines bipolaren NPN-Transistors 4 verbunden ist und dessen Gate G mit dem Steueranschluß C verbunden ist. Zwischen den Anschlüssen A und B ist ein Ohm'scher Spannungsteiler angeordnet, der aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen R1 und R2 aufgebaut ist. Die Leitung, welche die beiden Widerstände verbindet, bildet den Ausgang 5 des Ohm'schen Spannungsteilers, der auf einem Potential V1 liegt. Der Ausgang 5 des Teilers ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 6 verbunden, des sen invertierender Eingang über eine Leitung 7 mit dem Drain D des MOS-Transistors verbunden ist. Der Ausgang 8 des Operationsverstärkers 6 ist mit der Basis des Transistors 4 verbunden, dessen Kollektor mit dem Anschluß A verbunden ist, und dessen Emitter mit dem Drain D des MOS- Transistors verbunden ist. Ein Widerstand 10 kann zwischen den Anschlüssen C und B vorgesehen werden, wenn das Steuersignal ein Strom ist.
Die Schaltung mit dem variablen Widerstand 1 arbeitet auf folgende Weise. Wenn eine Spannung V zwischen den Anschlüssen A und B angelegt wird, stellt sich eine niedrigere Spannung V1 am Ausgang 5 des Ohm'schen Spannungsteilers R1 und R2 ein. Der Wert der Widerstände R1 und R2 wird so gewählt, daß die Spannung V1 für den maximalen Wert der Spannung V niedriger bleibt als die höchste Drain-Source-Spannung innerhalb des linearen Arbeitsbereichs des MOS-Transistors 2. Der Verstärker 6 und der Transistor 4 sind als eine Folgeschaltung aufgebaut, d.h. der Transistor 4 läßt einem Strom zwischen dem Kollektor und dem Emitter fließen, so daß die Emitterspannung V2, welche an den Drain D des MOS-Transistors angelegt wird, im wesentlichen gleich der Spannung V1 bleibt. Man erkennt dann, daß die Spannung V2 sich als Funktion der Eingangsspannung V ändert, wobei sie immer innerhalb des Bereiches bleibt, der dem linearen Betrieb des MOS-Transistors 2 entspricht. Die zwischen dem Gate des MOS-Transistors und dem Anschluß B angelegte Steuerspannung VC steuert also auf eine vorgegebene Weise den Widerstandswert zwischen dem Drain und der Source des MOS- Transistors, weil letzterer immer innerhalb seines linearen Arbeitsbereichs bleibt.
Eine einfache Rechnung zeigt, daß der äquivalente Widerstandswert R, der zwischen den Anschlüssen A und B auftritt, folgender ist:
R = R1+R2/(1+R2/Rm)
wobei R1 und R1 die Werte der Widerstände R1 und R2 sind, und Rm ist der Wert des Widerstands zwischen dem Drain und der Source des MOS-Transistors. Letzterer hängt von der Steuerspannung VC ab.
Man erkennt, daß die Schaltung mit dem variablen Widerstand gemäß dieser Erfindung an ihren Anschlüssen eine Spannung V aushalten kann, die wesentlich höher als die Spannung V2 ist, welche die MOS-Transistoren aushalten können. Wenn beispielsweise die Spannung V2, welche der MOS- Transistor 2 zwischen seinem Drain und seiner Source aushalten kann, so daß dieser noch iinmer innerhalb seines linearen Arbeitsbereiches bleibt, 5 Volt beträgt, und wenn die maximale Spannung zwischen den Anschlüssen A und B 50 Volt ist, genügt es, die Werte von R1 und R2 so zu wählen, daß (R1+R2)/R2=10 gilt. Selbstverständlich müssen der bipolare Transistor 4 sowie die Komponenten des Verstärkers 6 eine derartige Spannung V aushalten können. In der Praxis gibt es viele Anwendungen, beispielsweise bei integrierten Schaltungen, bei denen auf ein und demselben Chip bipolare Transistoren und MOS-Transistoren vorgesehen werden, bei denen man bevorzugt bipolare Transistoren realisiert, welche hohe Spannungen aushalten, sowie MOS-Transistoren, welche nur wesentlich geringere Spannungen aushalten. Die Erfindung kann für solche Schaltungen vorteilhaft eingesetzt werden.
Die Wahl der Werte der Widerstände R1 und R2 wird nicht nur unter Berücksichtigung des oben angegebenen Verhältnisses (R1+R2)/R2 getroffen, sondern auch unter Berücksichtigung des Wertes R1+R2, der wesentlich größer sein muß als der Wert R, damit der Widerstandswert R der Schaltung innerhalb eines großen Bereiches als eine Funktion der Steuerspannung VC variieren kann. Wenn der Verstärker 6 einen hohen Verstärkungswert hat, kann man zumindest für den Widerstand R1 in der Praxis einen hohen Wert wählen.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird vorgesehen, daß der Anschluß A auf einer positiven Spannung liegt und der Anschluß B auf einer negativen Spannung. In diesem Fall ist der Transistor 4 vom NPN-Typ. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine ähnliche Schaltung aufzubauen, bei welcher der Anschluß A auf einer negativen Spannung liegt, in diesem Fall ist der Transistor 4 ein PNP-Transistor. Man kann ferner vorsehen, eine Folgeschaltung 6, 4 aufzubauen, die nur aus MOS-Transistoren besteht. In diesem Fall kann die Schaltung mit dem variablen Widerstand gemäß dieser Erfindung beispielsweise in einer integrierten Schaltung eingesetzt werden, welche in MOS-Technik aufgebaut ist.
Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise in einer Frequenzfilterschaltung angewendet werden, deren Frequenz oder Güte einstellbar ist. In diesem Fall verwendet man im allgemeinen mehrere variable Widerstände, um die Zeitkonstanten des Filters zu verwirklichen. Die variablen Widerstände müssen sehr ähnliche oder besser korrelierte elektrische Eigenschaften aufweisen. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn alle variablen Widerstände einer Filterschaltung in ein und derselben integrierten Schaltung verwirklicht werden, was leicht erreicht werden kann, indem die Schaltungen mit variablem Widerstand gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Claims

1. Spannungsgesteuerte variable Widerstandsschaltung mit einem MOS-Transistor (2), bei dem eine der Hauptelektroden (S) mit einem gemeinsamen Anschluß (B) verbunden ist, wobei eine Steuerspannung (VC) zwischen seiner Steuerelektrode (G) und dem gemeinsamen Anschluß angelegt ist, gekennzeichnet durch

- einen ohm'schen Spannungsteiler (R1, R2), welcher zwischen einem ersten Anschluß (A) und den gemeinsamen Anschluß (B) angeschlossen ist, und

- einer Folgeschaltung (6, 4), deren Eingang den Ausgang (5) des Teilers (R1, R2) aufnimmt und deren Ausgang (8) mit der anderen Hauptelektrode (D) des MOS-Transistors verbunden ist,

wobei sich der Widerstand zwischen dem ersten Anschluß (A) und dem gemeinsamen Anschluß (B) als Funktion der Steuerspannung (VC) verändert.

2. Variable Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgeschaltung folgende Merkmale aufweist:

- einen Operationsverstärker (6), bei dem der eine Eingang (+) mit dem Ausgang (5) des Teilers (R1, R2) verbunden ist und bei dem der andere Eingang (-) mit der anderen Hauptelektrode (D) des MOS-Transistors verbunden ist, und

- einen Transistor (4), bei dem die Steuerelektrode mit dem Ausgang (8) des Verstärkers verbunden ist, die eine der Hauptelektroden mit dem ersten Anschluß (A) verbunden ist und die andere Hauptelektrode mit der anderen Hauptelektrode (D) des MOS-Transistors verbunden ist.

3. variable Widerstandsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Transistor (2) ein NMOS-Typ ist und der Transistor (4) ein bipolarer NPN-Transistor ist.

4. Variable Widerstandsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Transistor (2) ein PMOS-Typ ist und der Transistor (4) ein bipolarer PNP-Transistor ist.

5. Variable Widerstandsschaltung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Form einer integrierten Schaltung realisiert ist, welche bipolare Komponenten und MOS-Komponenten auf demselben Chip vereinigt.