NL8503551A

NL8503551A - Monolithisch geintegreerd, met hoog rendement werkend stuurcircuit voor het schakelen van transistoren.

Info

Publication number: NL8503551A
Application number: NL8503551A
Authority: NL
Original assignee: Sgs Microelettronica Spa
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1985-12-23
Publication date: 1986-07-16
Also published as: US4698519A; DE3546208C2; IT8424275A0; IT1221009B; DE3546208A1

Description

Ξ 3099-27 Ned hm/hv u 4 : P & C ..........

SGS MICROELETTRONICA S.p.A.

Korte aanduiding: Monolithisch geïntegreerd, met hoog rendement werkend stuurcircuit voor het schakelen van transistoren.

De uitvinding heeft betrekking op stuurcircuits voor het schakelen van transistoren, meer in het bijzonder op een monolithisch geïntegreerd stuur-5 circuit voor het gecontroleerd schakelen van vermogenstransistoren, zowel van het bipolaire als het veldeffect-type, voor gebruik bijv. in audio-inrichtingen.

Stuurcircuits voor het gecontroleerd schakelen van vermogenstransistoren bevatten in het algemeen een eindtrapversterker van het balanstype 10 met het doel aan de belasting met een hoge mate van rendement een stroom te leveren, die op diverse tijdstippen tegengestelde richtingen kan hebben. Op deze wijze kunnen hoge schakelsnelheden verkregen worden, die bijv. het uitschakelen van transistoren versnellen door de daarin opgeslagen ladingen te extraheren.

15 Fig. 1 van de tekening toont een bekend circuit van dit type, dat gewoonlijk gebruikt wordt om zowel bipolaire als veldeffect-transistoren te sturen.

Het schakelschema van fig. 1 bevat een eerste bipolaire righ-transistor , die met zijn basis-aansluitklem is gekoppeld door middel van een 20 eerste weerstand met een schakelsignaalbron weergegeven in de figuur door middel van een blok SW.

De emitter- en de collector-aansluitklemmen van deze transistor zijn verbonden, resp. met de negatieve pool -V van een netspanningsgenerator,

CC

en door middel van een constante stroomgenerator A^, met de positieve pool 25 +Vcc van dezelfde spanningsgenerator.

Het circuitschema bevat een tweede bipolaire transistor Q^ en een derde bipolaire transistor , beide van het rïprï-type.

De basis- en emitter-aansluitklem van de transistor zijn verbonden, resp. met de collector-aansluitklem van de transistor en met de basis- 30 aansluitklem van de transistor Q^.

De collector-aansluitklemmen van de transistoren en Q3 zijn beide verbonden met de positieve pool +vcC-

Met de emitter- en de basis-aansluitklem van de transistor zijn verbonden, resp. de anode en de kathode van een eerste diode D^.

35 Met de emitter- en de basis-aansluitklem van de transistor Q3 zijn verbonden, resp. de anode en de kathode van een tweede diode D^.

Een tweede weerstand R3 is geplaatst tussen de emitter- en de basis- aansluitklem van de transistor Q_. De emitter-aansluitklem van de transis- 3 tor Q3 vormt een uitgangsklem UIT van het circuit.

40 Vervolgens onderzoeken we de werking van het in fig. 1 weergegeven, Λ fJ >4 · v ^ V v «3 i -2- 3 v bekende circuit.

De door de bron SW geleverde schakelsignalen geven aanleiding tot inschakelverschijnselen van de spanning V aangelegd aan de basis-aansluit- 5 klem van de transistor Q via de weerstand R^, en bijv. aangelegd aan de potentiaal van de negatieve pool -V vanaf een "hoog" naar een "laag" niveau, cc en vice versa.

Wanneer het niveau van de spanning V hoog is, werkt de transistor in de verzadiging en absorbeert alle stroom geleverd door de generator 10 , waardoor transistor uitgeschakeld blijft en dientengevolge transistor Q3, die daardoor geen stroom levert aan de belasting.

Aangezien transistor is uitgeschakeld, is het niveau van de spanning V ^ aan de uitgangsklem, aangelegd aan de potentiaal van de negatieve pool -V , laag. c c 15 De dioden en staan de extractie toe van ladingen tijdens de uitschakelfase uit de belasting aangesloten op de uitgangsklem en niet weergegeven in de figuur en welke, in het bijzonder, een vermogenstransistor kan zijn..

Wanneer het niveau van de spanning V daalt als gevolg van een scha-20 kelsignaal, ontspringend in de bron SW, wordt transistor uitgeschakeld, dus wordt alle stroom geleverd door de generator A^ geleverd aan transistor Q^, die geleidend wordt. De transistor Q^, gedreven door transistor begint eveneens te geleiden, waarbij stroom geleverd wordt aan de belasting, verbonden met de uitgangsklem UIT. Het niveau van de uitgangsspanning V 25 stijgt zodra transistor Q3 de UIT-toestand verlaat.

De constante stroomgenerator A^ is zo ontworpen, dat hij een geschikte stroom doet vloeien, niet alleen om een snelle geleiding van de transis-toren en Q3, die eerder uitgeschakeld waren, te veroorzaken maar ook om transistor in staat te stellen snel te worden geschakeld vanuit de ver-30 zadigde toestand naar de CJIT-toestand dankzij een snelle lading van de equivalente capaciteit tussen collector en emitter van de transistor.

De onderhavige uitvinding beoogt het verschaffen van een monolithisch geïntegreerd stuurcircuit voor het schakelen van vermogenstransistoren, waarvan het totale rendement hoger zal zijn dan dat van de bekende stuur-35 circuits.

Dit oogmerk wordt bereikt door middel van het stuurcircuit voor het schakelen van transistoren gedefinieerd en gekenmerkt in de conclusies, die aan de onderhavige beschrijving gehecht zijn.

De uitvinding zal hieronder aan de hand van een in de figuren der 40 bijgaande tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht.

··. ·-. j , ' Λ * - · . ’% · **, t

J -v U J

-3-

Fig. 1 geeft het schema van een bekend stuurcircuit zoals hierboven beschreven voor het schakelen van vermogenstransistoren; en

Fig. 2 toont het schema van een stuurcircuit, waarin de uitvinding 5 is belichaamd voor het schakelen van vermogenstransistoren.

In de figuren worden gelijke onderdelen aangegeven met dezelfde ver-wijzingscijfers.

Het schema bevat een stuurcircuit voor het schakelen volgens de uitvinding en zoals weergegeven in fig. 2 bevat een eerste bipolaire tran-10 sistor Q' van het npn-type, die met zijn basis-aansluitklem gekoppeld is via een eerste weerstand R* met een sc'nakelsignaalbron, in de figuur weergegeven door een blok aangeduid met het symbool SW'.

De schakelsignaalbron SW' kan eveneens een eenvoudig circuit zijn voor het koppelen met een schakelsignaalgenerator buiten de geïntegreerde 15 schakeling.

Dit schakelschema omvat een tweede (Q'2)/ een derde (Q'^)# en een vierde bipolaire transistor (Q'4), alle van het npn-type.

De collector-aansluitklemnen van de transistoren Q‘2 en Q'3 zijn aangesloten op de positieve pool + V van een netspanningsgenerator,

CC

20 met de negatieve pool -V. waarvan de emitter-aansluitklem van de eerste '

CC

transistor Q'^ in plaats daarvan verbonden is.

De basis-aansluitklem van de transistor Q'2 is aangesloten op de positieve pool +V door middel van een stroomgenerator A1.; deze is eveneens CC ·-* i verbonden met de collector-aansluitklem van de transistor Q'4- Deze stroom- 25 generator A'^ kan eveneens een eenvoudige weerstand zijn, aangebracht tussen de positieve pool +vcC en de basis-aansluitklem van de transistor Q'2. In het ideale geval kan het een constante stroomgenerator zijn.

De emitter-aansluitklem van de transistor 0' is verbonden met de 2 basis-aansluitklem van de transistor Q'3 in een circuit-knooppunt N', in 30 welk punt eveneens met de aansluitklemmen zijn verbonden, door middel van een tweede weerstand R'2, de collector-aansluitklem van de transistor Q'^ en de emitter-aansluitklem van de transistor Q'4-

De collector-aansluitklem van de transistor Q'^ is verbonden met de emitter-aansluitklem van de transistor Q'3 door middel van een diode 35 D' en een derde weerstand R'^, die parallel aan elkaar geschakeld zijn.

De anode en de kathode van de diode D' zijn verbonden, resp. met de emitter-aansluitklem van de transistor Q* en met de collector-aansluit-klem van de transistor Q1^.

De basis-aansluitklem van de transistor Q'4 is verbonden met de 40 basis-aansluitklem van de transistor Q'3 in het circuit-knooppunt N' door * ··* -ι-j -jx 4 i j i -4- middel van een vierde weerstand R'^.

De emitter-aansluitklem van de transistor Q'^ vormt een uitgangsklem UIT' van het circuit, waarmede een in de figuur niet-weergegeven belasting 5 (in een typerend geval een vermogenstransistor) is verbonden.

Thans wordt de werking beschreven van een stuurcircuit, waarin de uitvinding is belichaamd, onder verwijzing naar het schakelschema van fig. 2.

De door de bron SW' geleverde schakelsignalen geven aanleiding tot inschakelverschijnselen van de spanning aangelegd via weerstand R' ^ 10 aan de basis-aansluitklem van de transistor Q'^ en aangelegd bijvoorbeeld aan de potentiaal van de negatieve pool -V , vanuit een "hoog" naar een

CC

"laag" niveau, en vice versa.

Wanneer het niveau van de spanning hoog is, werkt de transistor Q'j in de verzadiging en absorbeert alle stroom, die vloeit door transis-15 toren Q'2, Q'3 en Q^.

De stroom geleverd door generator A' ^ houdt de transistor Q'^ ingeschakeld. Hij bekrachtigt in de basis zowel de transistor Q'^als de transistor q-4.

Ofschoon de transistor Q'^ bekrachtigd wordt in de basis via weerstand 20 R'4, die in een uitvoeringsvorm van het circuit een vrij hoge waarde moet hebben, is het in hoofdzaak deze transistor die de stroom moet geleiden, omdat de transistor Q1 gekoppeld met de transistor Q' volgens een stroom-spiegelconfiguratie, zelfs ofschoon deze rechtstreeks bekrachtigd wordt in de basis door transistor Qf^, praktisch niet de stroom kan geleiden wegens 25 de voorinstel-condities opgelegd door de weerstand van de emitter R' ^ en door de diode D’ die daarmede parallel geschakeld is.

De transistor begrenst de geleiding van de transistor Q'2, door een aanzienlijk gedeelte van de door de generator A' ^ geleverde stroom te absorberen en daardoor de geleidbaarheid van de transistor Q’^ praktisch 30 tot nul te reduceren.

Op deze wijze vermijdt men door middel van transistor Q'^ de nutteloze verspilling van energie, die anders veroorzaakt wordt door de toevoer-stroom geabsorbeerd door de verzadigde transistor Q'^.

De verzadigingstransistor Q1^ voorkomt niet alleen dat de belasting 35 wordt bekrachtigd, maar ook zal hij, als het een transistor is, de daarin opgeslagen ladingen extraheren, waardoor de transistor zeer snel kan worden uitgeschakeld. Bovendien, en dit is zeer belangrijk wanneer een vermogenstransistor door sturing geschakeld wordt, zal het niveau van de spanning aan. de uitgangsklem, aangelegd aan de potentiaal van de negatieve pool 40 “V dalen zodra de transistor Q'^ verzadigd wordt.

..cc;; 3 s 1 -5-

Ofschoon in dergelijke omstandigheden de absorptie van de netstroom via transistor Q’3 praktisch nul is, wordt deze transistor nooit uitgeschakeld, zodat hij onmiddellijk hoge stromen in de volgende fase kan ge-5 leiden. In feite, wanneer het niveau van de spanning V daalt als gevolg van een schakelend signaal, dat ontsprongen is in de bron SW', zal de transistor Q' uitgeschakeld worden, waardoor het spanningsniveau aan de uit-gangsklemmen UIT' begint te stijgen.

Aangezien de transistor Q'^ nu niet langer geleidend is, wordt alle 10 stroom, die kan vloeien door transistoren QQ'^ en Q'4 geleverd aan de belasting, die verbonden is met de uitgangsklem UIT1.

Daardoorjwanneer de belasting een vermogenstransistor is}verbonden door middel van zijn eigen basis- of "poort"-aansluitklem met de genoemde uitgangsklem van het stuurcircuit, waarin de uitvinding is beliahaamd, kan 15 laatstgenoemde zeer snel schakelen vanuit de UIT-toestand naar de IN-toestand dankzij de onmiddellijk stijgende stroom van geleverde voedingsstroom.

In feite dwingt de UIT-toestand van de transistor Q'^ de ontlaad-stroom van de emitter van transistor Q1 JfnacLr^e belasting via weerstand R'^; de emitter-potentiaal van de transistor Q'4 wordt dus hoger dan de 20 emitter-potentiaal van de transistor Qr en dus wordt het niveau van de transistor Q'^, die in tegenstelling tot transistor Q'4 geen weerstand bezit die in serie geschakeld is met zijn basis-aansluitklem, onmiddellijk opgeheven naar hoge niveaus van geleiding, terwijl het geleidingsniveau van de transistor 2'4 tot praktisch nul gereduceerd wordt.

• 25 De transistor Q'4 absorbeert niet meer stroom uit de stroomgenerator A*^, dus kan de transistor Q'^, bekrachtigd in de basis door alle stroom van de generator A'^, de transistor Q'^ naar zijn maximale geleidbaarheid drijven.

Wanneer het spanningsniveau V opnieuw laag is, zal de verzadiging 30 van de transistor Q'^ onmiddellijk de stroming van de elektrische stroom naar de belasting tot stilstand brengen.

Het verlagen van de collector-emitterspanning van de transistor Q' veroorzaakt in de andere transistoren de hierna te beschrijven werking.

Met een stuurcircuit volgens de uitvinding kan men een maximale 35 schakelfrequentie verkrijgen voor een vermogenstransistor die daarmee verbonden is, welke hoger is dan die, welke kan worden verkregen met het eerder beschreven bekende circuit, juist vanwege het feit dat de transistor Q'^ rechtstreeks verbonden is met de uitgangsklem UIT' en transistor Q'^ nooit uitgeschakeld wordt.

40 Uiteraard wanneer de transistor Q'^ schakelt vanuit de verzadiging naar : ^ 1

s -V V I

• V V

nóde UIT-toestand, wordt de stroom nodig voor het laden van de equivalente capaciteit tussen collector en emitter van de transistor, geleverd door generator A' niet rechtstreeks maar eerder via transistoren Q'^ en Q*^, die 5 de stroom daarvan aanzienlijk versterken.

Daardoor aangezien de dimensionering van de stroomgenerator A^ ten opzichte van de stroomgenerator A^ van het circuit van de bekende constructie gelijk is, is het uitschakelverschijnsel van transistor sneller dan hfet uitschakelverschijnsel van de transistor van het bekende circuit, 10 welke transistor in plaats daarvan rechtstreeks verbonden is met de generator A^. Als gevolg hiervan is er een verdere voordelige toename van de schakelsnelheid ten gunste van het circuit, waarin de uitvinding is belichaamd.

Tegelijkertijd vermijdt men in een stuurcircuit, dat de uitvinding belichaamt, elke nutteloze vermogensdissipatie over en binnen het circuit, 15 omdat, wanneer de transistor in de verzadiging werkt, de transistor Q’^ automatisch tussenbeide komt teneinde op drastische wijze de geleidbaarheid van de transistor te beperken. Om/cilze wijze elke onnodige energiedissi-patie in de vorm van warmte te elimineren, wordt de operationele betrouwbaarheid van de inrichting, die het circuit bevat, verbeterd, ook naarmate 20 meer economische systemen worden gebruikt om de opgewekte hitte te dissi-peren.

Het totale rendement van een circuit volgens de uitvinding, bedoeld als een. combinatie van energie-rendement, operationele betrouwbaarheid en maximale schakelfrequentie, is dus hoger dan wat bereikbaar is met circuits 25 van bekende constructie.

Men dient echter op te merken, dat teneinde de eigenschappen te handhaven van schakelsnelheid wanneer veldeffect-vermogenstransistoren van het MOS (metaaloxide-halfgeleider)-type worden aangedreven, die een zeer hoge poortcapaciteit bezitten, is het noodzakelijk de waarden te berekenen van 30 weerstanden R'^, R' ^ en R'^ met een hoge mate van precisie, zodat tijdens de inschakel-verschijnsélen naar de in-toestand van de vermogenstransistor verbonden met het circuit, de transistor Q'4 zal worden uitgeschakeld, waardoor de lading van de capaciteit kan worden geregeld enkel door de totale versterking van transistoren Q' en Q' .

Δ o 35 Ofschoon slechts een enkele uitvoeringsvorm van de uitvinding is weergegeven en beschreven, zal het duidelijk zijn uiteraard dat de uitvinding niet daartoe beperkt is, aangezien vele wijzigingen daarin kunnen worden aangebracht, en het is daarom beoogd alle wijzigingen die vallen binnen de beschermingsomvang van de uitvinding daaronder te laten vallen.

40 Zo kan in het schakelschema weergegeven in fig. 2, de bipolaire • 5 5 1 5 -7- transistor Q1< eenvoudig worden vervangen door een veldeffect-transistor zonder verdere wijzigingen in het schakelschema.

10 15 20 25 30 35 . . j ïi 40

Claims

1. Monolithisch geïntegreerd stuurcircuit voor het schakelen van tran-5 sistoren, bevattende een eerste, tweede en derde transistor (resp. Q' , Q12, Q'^), welke transistoren elk een eerste, een tweede en een stuur-aansluitklem bezitten, waarbij de stuur-aansluitklem van de eerste transistor (Q* ^) is gekoppeld met een bron van schakelsignalen (SW'), de stuur-aansluitklem van de tweede transistor (Q^) is gekoppeld met een eerste 10 aansluitklem (+V ) van een netspanningsgenerator door middel van een cc stroomgenerator (A1 ; en de stuur-aansluitklem van de derde transistor (Q’^) is verbonden met de eerste aansluitklem van de tweede transistor (Q^); terwijl de tweede aansluitklem van de tweede transistor (Q^) en de tweede aansluitklem van de derde transistor (Q'beide verbonden zijn met de 15 eerste aansluitklem (+V ) van de netspanningsgenerator; waarbij de tweede cc aansluitklem van de eerste transistor (Q'^) gekoppeld is met de eerste aansluitklem van de derde transistor (Q'-j) en een uitgangsklem van het circuit vormt; terwijl de eerste aansluitklem van de eerste transistor (Q' verbonden is met een tweede aansluitklem (-V ) van de netspanningsgenerator, cc 2.0 gekenmerkt door een vierde transistor (Q1^) voorzien van een eerste, een tweede en een stuur-aansluitklem resp. verbonden met de tweede aansluitklem van de eerste transistor (Q'^), met de stuur-aansluitklem van de tweede transistor (Q^) en, via een eerste weerstand (R4) , met de stuur-aansluitklem van de derde transistor (Q'^), waarbij de tweede aansluitklem van de eerste 25 transistor (Q1verbonden is met de stuuraansluitklem van de derde transistor (Q'^) via een tweede weerstand, en verbonden is met de eerste aansluitklem van de derde transistor via een resistief element (Dr , R'^)..

2. Stuurcircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het resistie-ve element een diode (D*) is.

3. Stuurcircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het resistie-ve element een derde weerstand (R1^) is.

4. Stuurcircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het resistieve element een diode (Dr) bevat en een derde weerstand (R'^) , welke beide onderdelen met elkaar parallel geschakeld zijn.

5. Stuurcircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste, de tweede, de derde en de vierde transistor (resp. Q' ^, Q^, Q'^ en 0*4) bipolaire npn-transistoren zijn, waarbij de eerste, de stuur- en de tweede aansluitklem van elk ervan resp. de emitter, de basis en de collector is.

6. Stuurcircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste 40 transistor (Q1 ^) een veldeffecttransistor is, waarvan de eerste aansluitklem, £ . · ^ i o .5 1 τ -9- resD. de stuur-aansluitklem en de tweede aansluitklem/de ""source", de poort en de "drain" zijn.

7. Stuurcircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stroomgene-5 rator (A1^) bestaat uit één weerstand. 10 15 20 25 30 35 40 ' ï J 3 1