SE441559B - Fasttillstandsomkopplare - Google Patents

Description

v:@15ea-1 2 att tillverkas på en enda kiselchip för överföring av signaler mellan två kretsar som måste vara elektriskt isolerade från varandra. Bland dylika optiska kopplingsorgan kan nämas en ljusemitteringsdiod och fotokänsliga transistorer som är så utformade att en ingångsspänning matas till LED-uttagen. Den resulterande LED-ljusutgångssignalen tillslår därefter de foto- känsliga transistorerna och åstadkommer då en elektrisktisole- rad utgångsspänning vid fototransistorutgången från ingångs- spänningen. Dessa optiska kopplingsorgan är allmänt kända och de är mera ingående beskrivna i "Modern Microelectronics", som är utgiven av Research and Education Association, andra upplagan, 1974, sid 512 och 313.

Föreliggande uppfinning kan med fördel utnyttjas i MOS- -kretsar som är framställda i enlighet med allmänt kända di- elektriska isolationsförfaranden som är beskrivna mera i detalj exempelvis i den ovannämnda "Modern Microelectronics", andra upplagan, l974, sid 425-454. Enligt ett särskilt välkänt fram- ställningsförfarande, där V-formade krökar etsas in i ytan på den av metalloxid bestående halvledarkärnan (VMOS), hålls den vertikala skillnaden mellan två diffusionsskikt (kanallängden) kort, dvs. några få u. Detta utgör ett exempel på en MOS-logik- teknik som är lämplig då det gäller att framställa kretsen en- ligt föreliggande uppfinning. De tidigare kända optiska kopp- lingsorganen kan inte integreras enligt denna teknik. Eftersom dessa framställningsmetoder är allmänt kända kommer de inte att beskrivas i detalj här, utan i stället hänvisas till den ovannämda "Modern Microelectronics" då det gälleren beskriv- ning av tillvägagångssättet i anslutning till VMOS.

Den beskrivna kretsen, som saknar de tidigare förekomman- de optiska kopplingsorganen resp. transformatorerna, kan också framställas i integrerade kretsar (LSI) i stor skala till- sammans med andra organ, och nämnda krets är särskilt väl lämpad och gynnsam ur kostnadssynpunkt då den utnyttjas i så- dana LSI-kretsar som är avsedda att framställas i stora mängder, exempelvis signalgeneratordelen hos telefonledningskretsar av typen som är beskriven i det amerikanska patentet 4161 633. '799156P1 En kombinerad högspänningsomkopplare och kapacitivt kopplad drivkrets för ett integrerat kretsrelä kommer nu att beskrivas, i vilket man uppnår avskiljning eller isolering av ingångsstyrspäïnningen i förhållande till relaets utgångshög- spänning medelst ett par anpassade kondensatorer och en EXKLUSIV/ELLER-grind som påverkas enbart av en ingångsdrivsig- nal som är ur fas. De anpassade kopplingskondensatorerna, vilka drivs i mottakt, ger upphov till en signal vid utgången från en logikgrind, varvid nämnda signal, då den matas till grindarna hos ett par MOS-transistorer och tillslàr dessa, medför att man erhåller en högspänningsomkoppling vid transis- torernas utgångar. Nämnda EXKLUSIV/ELLER-grind är inte påverk- bar av en ingångsdrivsignal som ligger i fas, och reläet kommer således inte att utsättas för oavsiktlig omkoppling som förorsakas genom att isoleringen från omkopplarutgången i förhållande till styringângen blir felaktig. Den kombinerade omkopplaren och kapacitiva drivkretsen kan framställas i sin helhet på en enda kiselohip i VMOS-konfiguration utan att man behöver optiska kopplingsorgan eller transformatorer.

Uppfinningen beskrives i detalj i det följande under hänvisning till bifogade figur, vilken visar ett kopplingsschema över en högspänningsomkopplare och en kapacitivt kopplad drivkrets i enlighet med föreliggande uppfinning.

I figuren är den kombinerade högspänningsomkopplaren och kapacitvt kopplade drivkretsen generellt visad vid . En klocksignal på 5 MHz eller någon annan lämplig signal kopplas genom en NAND-grind i ingángslogikretsen 12 och driver ett par anpassade kondensatorer 28 och i den kapacitivt kopplade drivkretsen 14 så att en likspänning som tillförs i den tillförda klocksignaltakten kommer att kopplas till kretsens högspänningsomkopplardel 16. De anpassade kondensatorerna 28 och 30 kan sásom ett exempel ha kapacitansen 10 pF, och deras tidskonstanter ' kan uppgå till ca l0“4. Ingångslogikretsen l2, den kapacitivt kopplade drivkretsen 14 och högspänningsomkoppla- 1a@1sss-1 4 ren 16 kan vara utformade pâ en enda kiselchip, till vilken klocksignalen med frekvensen 5 MHz matas genom att en omkoppla- re 18 ställs i tillslaget läge eller till vilken en pulsad likströmsignal vid omkopplarens 18 styrsignalingâng kan föras, varvid frekvensen hos nämnda pulsade likströmsignal exempelvis kan,ha frekvensen 100 Hz eller lägre. Till den ena av NAND- -grindens 20 logikingångar kopplas klocksignalen med frekven- sen 5 Mz och till dess andra logikingång 24 kopplas en signal som är antingen låg (0 volt) eller hög (15 volt) så att om- kopplaren 16 tillslås resp. frånslås. En likspänningskälla 22 på 15 volt kopplas till NAND-grinden 20 vid den avsedda spänningsingången för det aktuella organet. En pulsad omkopp- lingsoperation vid en styrsignalfrekvens erhålls vid pulsstyr- signalingången till omkopplaren 18.

När omkopplaren 18 är tillslagen kommer den vid 22 på- iagda iikspërmingen på 15 voit att kopplas internt i NAND- -grinden till logikingången 24 hos NAND-grinden 20. När spänningen 15 volt är pålagd NAND-grinden 20 på ledningen 26 uppträder klocksignaltakten på 5 Mz vid utgången från NAND- -grinden 20, varjämte denna signal kopplas till paret anpassa- de kondensatorer 28 och 50, varvid drivspänningen kopplas direkt till den anpassade kondensatorn 28 (i fas) och inverte- ras av inverteraren 52 innan den kopplas (ur fas) till den andra anpassade kondensatorn 50. De, anpassade kopplings- kondensatorerna 28 och 50, vilkas kapacitansvärden ligger inom l0-pF-intervallet, har till uppgift att kapaoitivt koppla den till iogikkretsen 12 förda ingangssiæaien med en spänningsnivå som är bestämd av likspänningskällan 22 till en 'diodbryggkrets 54 som inkluderar fyra dioder som är anordnade på det visade sättet. Härigenom kommer ingângslikspänningen effektivt att avkopplas från spänningen på diodbryggsidan hos kondensatorerna 28 och 50, varigenom man utför funktionen som tidigare har utförts av ett optiskt kopplingsorgan, nämligen elektrisk isolering. Den till NAND-grinden 20 och inverteraren 52 förda spänningen på 15 volt likspänning, vilken kopplas till diodbryggan 54, kopplas också till en EXKLUSIV/ELLER- -grind 56, som drivs av utgångssignalen från diodbryggan 54.

Kbndensatorn 58 filtrerar ingångssignalen som matas till 7991563- EXKLUSIV/ELLER-grinden 56 av diodbryggan 54 och ger därvid upp- hov till en helvågslikriktare som matas av en fyrkantingångs- våg 1 klocksignaltakten 5 MHz. 8 En likspänning tillhandahålls vid högspänningsomkoppla- rens 16 grindelektroder på följande sätt. EXKLUSIV/ELLER- -grindens 56 utgång är hög (TILL) endast när de båda logik- ingångssignalerna 40 och 42 till nämnda grind från diod- bryggan 54 ligger ur fas, dvs. när den ena ingångssignalen är hög (en logisk etta) och den andra ingångssignalen är låg (en logisk nolla). När utgàngssignalen från EXKLUSIV/ELLER-grinden 56 är hög (en logisk etta) kopplas denna utgångssignal genom dioden 44, uppladdningskondensatorn 46 och högspänningstill- slagningstransistorerna 48 och 50. På detta sätt bildas en bana med ringa resistans mellan utgångsuttagen 52 och 54 vid kollektorerna hos de respektive transistorerna 48 och 50.

Transistorerna 48 och 50 kan exempelvis bestå av VMOS-transis- torer av typen VMP22, vilkas styr-, emitter- och kollektoran- slutningar är visade, eller dessa transistorers» motsvarighet, varvid de nämnda transistorerna tillverkas av Siliconex Corporation och har förmåga att uppnå 90 volt. Denna förmåga kan ökas till en utgångsspänning av mellan 400 och 500 volt genom att man varierar transistorparametrarna, och det skall framhållas att exemplet med 90 volt endast är valt ur åskådlig- görande synpunkt.

Arbetssättet hos högspänningsomkopplaren och den kapaci- tiva drivkretsen 10 kommer nu att beskrivas då det gäller fallet när ingångssignalen på ledningen 24 till NAND-grinden är låg (noll volt), dvs. när omkopplaren 18 är frånslagen.

Under dessa betingelser utgörs utgångssignalen från NAND- -grinden 20 av en likspänning på 15 volt utan klockpåverkan, varvid nämnda spänning blockeras av kondensatorerna 28 och 50.

Restladdningen hos kondensatorerna 28 och 50 förbrukas i de respektive motstånden 56 och 58 i form av läckströmmar. Kbnden- satorn 46 urladdas genom motståndet 60, varigenom transisto- rerna 48 och 50 påläggs en spänning mellan styrelektrod och emitter uppgående till noll volt, vilket medför att transisto- _rerna 48 och 50 frånslås resp. att man erhåller en bana med 75991568 -1 6 stor resistans mellan uttagen 52 och 54 vid kollektorerna hos de respektive transistorerna 48 och 50. _ En godtycklig ström som kopplas till kondensatorerna 28 och 50 från transistorernas 48 och 50 utgångsuttag 52 resp. 54 resulterar i samma spänningsförskjutning över kondensatorer- na 28 och 50, varigenom man erhåller i fas liggande signaler vid ingångsuttagen 40 och 42 hos EXKLUSIV/ELLER-grinden 56.

Eftersom, såsom har nämnts ovan, EXKLUSIV/ELLER-grinden 36 endast får en utgängssignal såsom gensvar på ingångssignaler som ligger ur fas kommer EXKLUSIV/ELLER-grinden 56 att bli okänslig för den i fas liggande signalen som tillförs till densamma vid ingängarna 40 och 42. Det är således uppenbart att utgångsspänningen som uppträder på högspänningsomkoppla- rens uttag 52 och 54 inte kommer att ha någon inverkan på om- kopplarens arbetssätt, eftersom denna endast tillslås av driv- ning som är ur fas. Då således EXKLUSIV/ELLER-grinden 56 arbetar kommer den att upprätthålla elektrisk isolering av omkoppla- rens 16 utgångsspänning för alla spänningar under transistorer- W nas 48 och 50 och under kondensatorernas 28 och 50 nedbryt- ningsgräns, vilken såsom har nämnts ovan kan ligga inom inter- vallet 400-500 volt. Eftersom alla de aktiva komponenterna kan utgöras av MOS-transistorer, vilka kan tillverkas i enlighet med allmänt kända tillverkningsmetoder, kan man genom att utnyttja konventionella dielektriska isolationsförfaranden framställa hela kretsen på en enda kiselchip. En (i förhållan- de till jord) isolerad,svävande, omkopplad likspänning kan så- ledes erhållas vid uttagen 52 och 54.

Ehuru uppfinningen har beskrivits ovan i samband med en föredragen utföringsform skall det framhållas att ytterligare utföringsformer, modifikationer och tillämp- ningar som kan bli uppenbara för en fackman skall anses innefattas i uppfinningstanken sådan denna är uttryckt _i bifogade patentkrav.

Claims (9)

1. w- 7961568-1 PATENTKRÅV l. Fasttillståndsomkopplare (10) med ingångslogikorgan (12) för att selektivt koppla en ingångsspänning till en utgång från nämnda ingångslogikorgan (12) vid en förutbe- stämd frekvens och organ (l4) för att kapacitivt koppla nämnda spänning med förutbestämd frekvens till ett par logikingångar (40 och 42), på ett grindorgan, k ä n n e - t e c kun a d därav, att nämnda spänning med en förutbestämd frekvens på en av nämnda logikingàngar (40) ligger ur fas med: den andra spänningen med nämnda förutbestämda frekvens pá den andra logikingàngen (42), att grindorgan (36) som är påverkbara i beroende av spänningarna på nämnda logikingàngar (40, 42) har en utgângssignal när spänningarna på nämnda logikingångar (40, 42) ligger ur fas, och att omkopplingsorgan (16), kopplat till utgångssignalen från nämnda grindorgan (36) ger upphov till antingen en högspän- ningsutgángssignal (vid uttagen 52 och 54) eller en ström- ledningsbana med liten resistans vid sin utgång, i överens- stämmelse med utgångssignalen från nämnda grindorgan (36) på så sätt att nämnda högspänningsutgàngssignal (vid uttagen 52 och 54) är elektriskt isolerad från nämnda ingângslogik- organ (l2).

2. Omkopplare (10) enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda ingångslogikorgan (12) innefattar en grindkrets (20) för att koppla en likspänning (22) från ~ sin ingång till sin utgång vid nämnda förutbestämda fre- kvens.

3. Omkopplare (10) enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda organ (14) för att kapacitivt koppla nämnda spänning innefattar en första kapacitans (28) som är kopplad till utgången från nämnda ingàngslogikorgan (12) och till den ena av nämnda logikingångar (40) till nämnda grindorgan (36) och en inverterare (32) som är kopplad till utgången från nämnda ingångslogikorgan (12) och till en andra kapacitans (30), varvid utgången från 10 19a15sa-1 8 ~ - -- --- -- c- .. nämnda andra kapacitans (30) är kopplad till den andra ingången bland nämnda logikingångar (42) hos nämnda grind- (36) och andra kapacitanser så att utgångssignalerna från nämnda första (28, 30) organ kommer att ligga ur fas med varandra.

4. Omkopplare (10) enligt' krav 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att diodbryggorgan (34) är kopplade till utgángarna från nämnda första och andra kapacitanser (28, 30) för att upprätthålla förutbestämda spänningsniväer vid logikin- gångarna (40, 42) till nämnda grindorgan (36). enligt krav3, k ä n n e t e c k n a d (36) inkluderar en EXKLUSIV/ 5..

5. Omkopplare (10) därav, att nämnda grindorgan ELLER-grind (36). k ä n n e t e c k n a d

6. Omkopplare (10) enligt krav 3, därav, »att nämnda omkopplingsorgan (l6) innefattar ett par omkopplingstransistorer (48, 50) som tillslàs genom närvaro av utgângssignalen hos nämnda grindorgan (36) och frånslâs genom frånvaro av utgângssignalen från nämnda grindorgan (36).

7. Omkopplare (10) enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d att nämnda. omkopplingstransistorer (48, 40) utgörs av MOS-transistorer, styrelektroder (G, G) kopplade till utgången från nämnda grindorgan (36) och vilka är anordnade, att åstadkomma antingen 'en bana med därav, vilkas är stor resistans eller en bana. med liten resistans mellan (D, D) utgångssignal från nämnda grindorgan (36). sina kollektorer såsom gensvar på närvaro av en k ä n n e t e c k n a d (48, 50) (10) nämnda

8. Omkopplare enligt krav 7, därav, att VMOS-transistorer. omkopplingstransistorer är k ä n n e t e c k n a d därav, (12), för att kapacitivt koppla nämnda spänning (14) med förut- bestämd frekvens, nämnda grindorgan (36) och nämnda omkopp- lingsorgan (16) är belägna på en enda kiselchip.

9. Omkopplare (10) enligt krav 3, att nämnda ingångslogikorgan nämnda organ