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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Ausgangsschaltungen entsprechend
dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er aus der
WO 00/27032 A1 bekannt ist,
und insbesondere eine Ausgangsschaltung, die zum schnellen Abschalten
einer Ausgangsspannung eines sich aus einem n-Kanal-MOS-Transistor (nMOS)
zusammensetzenden Source-Folgers geeignet ist.
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Die
WO 00/27032 A1 beschreibt
eine Ausgangsschaltung mit einem Source-Folger, welcher sich aus
einem n-Kanal-MOS-Transistor mit einem an eine Stromquelle angeschlossenen
Drainanschluss sowie einem an einen Ausgangsanschluss angeschlossenen
Sourceanschluss zusammensetzt. Dabei wird über den Source-Folger über den
Ausgangsanschluss eine Ausgangsspannung an eine Last angelegt, wenn
der Gateanschluss unter Spannung gesetzt wird. Ein Spannungsdetektor
bestimmt dabei, ob die Ausgangsspannung über einem bestimmten Spannungspegel
oder unter diesem Pegel liegt.
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In
Ausgangsschaltungen wird ein Source-Folger, der sich aus einem nMOS
zusammensetzt, in manchen Fällen
als Schalter auf der Hochspannungsseite verwendet. Der Source-Folger
wird eingeschaltet, wenn eine Spannung an dessen Gateanschluss geliefert
wird, die gleich oder höher als
eine Versorgungsspannung Vcc zuzüglich
einer Schwellenspannung α des
Gateanschlusses ist. Der Source-Folger
ist andererseits abgeschaltet, wenn der Gateanschluss vollständig entladen
ist. Zur schnellen Abschaltung des Source-Folgers ist es notwendig, einen Entladeschaltkreis
zur Entladung des Gateanschlusses mit hoher Geschwindigkeit einzusetzen.
Des Weiteren ist, wenn der Source-Folger beispielsweise als Leistungsschalter
in einem Auto verwendet wird, eine Entfernung zwischen einem Regelschaltkreis
des Leistungsschalters und einer Last relativ lang. Dies kann eine
Spannungsdifferenz zwischen einem Massepegel des Regelschaltkreises des
Leistungsschalters und dem Massepegel der Last verursachen. Daher
ist ein Entladeschaltkreis zum Kurzschließen des Gateanschlusses und
des Sour ceanschlusses des Source-Folgers erforderlich, um den Source-Folger vollständig abzuschalten.
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6 zeigt
ein Beispiel einer intern bekannten Ausgangsschaltung. Die Ausgangsschaltung setzt
sich aus einem Gateanschluss-Treiberschaltkreis 1,
einem Source-Folger 2, einem Entladeschaltkreis 3 sowie
einem Entladeschaltkreis 4 zusammen. Der Gateanschluss-Treiberschaltkreis 1 erzeugt
Regelsignale "a" und "b" entsprechend einem Eingangssignal "in". Der Source-Folger 2 setzt
sich aus einem Anreicherungs-nMOS zusammen. Bei Anlegung des Regelsignals "b" an seinen Gateanschluss wird er eingeschaltet,
während
eine erste Versorgungsspannung Vcc zur Lieferung einer Ausgangsspannung
Vo über
seinen Sourceanschluss an eine Last, die nicht gezeigt ist, an seinen
Drainanschluss angelegt wird.
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Der
Entladeschaltkreis 3 setzt sich aus einem Strombegrenzer 5 und
einem Anreicherungs-nMOS 6 zusammen. Der Drainanschluss
des nMOS 6 ist mit dem Gateanschluss des Source-Folgers 2 über den
Strombegrenzer 5 verbunden. Der nMOS 6 wird eingeschaltet,
wenn das Regelsignal "a" an seinen Gateanschluss
angelegt wird, während eine
zweite Versorgungsspannung Vdd an seinen Sourceanschluss angelegt
wird. Der Strombegrenzer 5 setzt sich aus einem Widerstand
und dergleichen zusammen, um den Strom des nMOS 6 zu begrenzen.
Der Entladeschaltkreis 4 setzt sich aus einem Anreicherungs-nMOS
zusammen. Der Drainanschluss des Entladeschaltkreises 4 ist
mit dem Gateanschluss des Source-Folgers 2 verbunden, und
der Sourceanschluss ist mit dem Sourceanschluss des Source-Folgers 2 verbunden.
Der nMOS des Entladeschaltkreises 4 wird eingeschaltet,
wenn das Regelsignal "a" an seinen Gateanschluss
angelegt wird.
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7 ist
eine Zeittafel zur Erklärung
des Betriebs des Schaltkreises von 6. Die vertikale
Achse repräsentiert
die Spannung, und die horizontale Achse ist die Zeitachse. Der Betrieb
der Ausgangsschaltung wird nachfolgend mit Bezug auf 7 beschrieben.
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Zum
Zeitpunkt t1 verändern
sich das Eingangssignal "in" und das Regelsignal "a" von einem hohen Spannungspegel (beispielsweise
einer ersten Versorgungsspannung Vcc) auf einen niedrigen Pegel
(beispielsweise eine zweite Versorgungsspannung Vdd), und das Regelsignal "b" verändert
sich von einem niedrigen Pegel auf einen Pegel Vcc + α, wobei α z. B. die
Gate-Schwellenspannung
des Source-Folgers 2 ist, und eine Spannungszunahme zum Einschalten
des Source-Folgers 2. Zum Zeitpunkt t2 verändert sich
eine Gatespannung G des Source-Folgers 2 von einem niedrigen
Pegel auf einen Pegel Vcc + α.
Der Source-Folger 2 wird
daher eingeschaltet, um durch seinen Sourceanschluss eine Ausgangsspannung
Vo auszugeben, die nahezu identisch mit der ersten Versorgungsspannung
Vcc ist. Der Entladeschaltkreis (nMOS) 4 wird dadurch abgeschaltet.
Der nMOS 6 des Entladeschaltkreises 3 ist ebenfalls
abgeschaltet.
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Zum
Zeitpunkt t3 verändern
sich das Eingangssignal "in" und das Regelsignal "a" von einem niedrigen Spannungspegel
auf einen hohen Spannungspegel, und die Seite der Gateanschluss-Regelschaltung 1 zur
Ausgabe des Regelsignals "b" weist eine hohe
Impedanz auf. Der nMOS 6 des Entladeschaltkreises 3 wird
eingeschaltet, und der Gateanschluss des Source-Folgers 2 wird
durch den Strombegrenzer 5 und den nMOS 6 entladen.
Zum Zeitpunkt t4 nach einer Verzögerungszeit
td ab t3 beginnt die Ausgangsspannung Vo abzufallen, wenn die Gatespannung
G des Source-Folgers 2 auf den selben Pegel wie die erste
Versorgungsspannung Vcc abfällt.
Anschließend,
zum Zeitpunkt t5, wird der Entladeschaltkreis 4 eingeschaltet,
wenn die Ausgangsspannung Vo einen Pegel der ersten Versorgungsspannung
Vcc abzüglich
der Gate-Schwellenspannung h des Entladeschaltkreises (nMOS) 4 erreicht. Der
Gateanschluss des Source-Folgers 2 wird somit auch durch
den Entladeschaltkreis 4 entladen. Zum Zeitpunkt t6 ist
die Entladung beendet und die Gate-Spannung G fällt auf einen niedrigen Pegel
ab, und die Ausgangsspannung Vo nimmt dadurch einen niedrigen Pegel
an. Ein Ausgangsstrom Io verändert sich
auf die selbe Weise wie die Ausgangsspannung Vo.
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Ein
herkömmlicher
Leistungsschalter für
ein Auto weist im Allgemeinen die in 8 gezeigte
Konfiguration auf. Der Leistungsschalter 10 setzt sich
aus einem Eingangsanschluss 11, einem Gate-Treiberschaltkreis 12,
einem Source-Folger 13 sowie einem Ausgangsanschluss 14 zusammen.
Der Leistungsschalter 10 ist so konfiguriert, dass er die
erste Versorgungsspannung Vcc sowie die zweite Versorgungsspannung
Vdd empfängt,
und die zweite Versorgungsspannung Vdd aktiv verwendet.
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In
letzter Zeit ist es oft erforderlich, eine Ausgangsschaltung in
einem Paket mit einer kleinen Anzahl von Anschlussstiften zu konfigurieren,
um die Paketgröße zu reduzieren.
In einem derartigen Fall wird ein Leistungsschalter mit der in 9 gezeigten Konfiguration
verwendet. Der Leistungsschalter 10A ist lediglich für den Empfang
der ersten Versorgungsspannung Vcc konfiguriert, und weist einen
an eine externe Vorrichtung 20 angeschlossenen Eingangsanschluss 11 auf.
Die externe Vorrichtung 20 schließt einen Regelanschluss 21 und
einen nMOS 22 ein. In dem Leistungsschalter 10A wird
der Source-Folger 13 eingeschaltet, wenn ein Regelsignal
in den Regelanschluss 21 zum Einschalten des nMOS 22 eingegeben
wird, und der Eingangsanschluss 11 nimmt dadurch den niedrigen
Pegel (die zweite Versorgungsspannung Vdd) an. Die zweite Versorgungsspannung
Vdd wird dann über
den Eingangsanschluss 11 an den Leistungsschalter 10A angelegt.
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Ein
weiteres Beispiel für
eine Ausgangsschaltung dieser Art wird in der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 03-198421 vorgestellt. Diese Ausgangsschaltung weist
einen Schalterschaltkreis auf, der den Gate- und den Sourceanschluss
des Source-Folgers als Schaltkreis kurzschließt, um den Source-Folger abgeschaltet
zu halten. Somit wird der Source-Folger auch dann nicht eingeschaltet,
wenn eine negative Spannung an den Ausgangsanschluss angelegt wird.
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Die
vorstehend beschriebenen herkömmlichen
Ausgangsschaltungen weisen jedoch die folgenden Probleme auf.
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In
der Ausgangsschaltung von 6 wird der
Gateanschluss des Source-Folgers 2 von t3, wenn sich das
Regelsignal "a" vom niedrigen auf
den hohen Pegel verändert,
bis t5, wenn der Entladeschaltkreis (nMOS) 4 eingeschaltet
wird, durch den Entladeschaltkreis 3 entladen. Da die Entladung
in dieser Zeitperiode langsam erfolgt, ist die Verzögerungszeit
td von t3 bis t4, wenn die Ausgangsspannung Vo abzufallen beginnt,
lang. Dies hat das Problem zur Folge, dass die Ausgangsschaltung
nicht die Anforderung eines sehr schnellen Schaltens des Source-Folgers 2 erfüllen kann.
Andererseits verursacht ein zu schnelles Schalten Rauschen in der
ersten Versorgungsspannung Vcc. Daher ist ein derartiges Abschalten
des Source-Folgers 2 notwendig, dass sich die Ausgangsspannung
Vo relativ langsam verringert. Weiter ist ein Paket mit einer großen Anzahl
von Anschlussstiften erforderlich, da der Entladeschaltkreis 3 mit
Masse verbunden ist. Dies bewirkt, dass die Ausgangsschaltung nicht
für einen Leistungsschalter
mit der in 9 gezeigten Konfiguration verwendbar
ist.
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Wenn
aus irgendeinem Grund ein Kurzschluss in der Last auftritt, wird
darüber
hinaus die Ausgangsspannung Vo auf dem Pegel Vdd (zweite Versorgungsspannung)
gehalten, wie es in 10 gezeigt ist. In diesem Fall
fließt
ein übermäßig starker Strom
in den Source-Folger 2, welcher ein Versagen des Source-Folgers 2 verursachen
kann. Es ist daher bevorzugt, die Verzögerungszeit td zu verkürzen.
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Des
Weiteren wird in dem in 9 gezeigten Leistungsschalter 10A,
wenn der nMOS 22 der externen Vorrichtung 20 abgeschaltet
ist, die zweite Versorgungsspannung Vdd nicht an den Leistungsschalter 10A angelegt.
Es ist daher erforderlich, eine Ausgangsschaltung zu konfigurieren,
welche die zweite Versorgungsspannung Vdd nicht benötigt, während der
Source-Folger 2 abgeschaltet ist.
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Des
Weiteren weist die in der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 03-198421 beschriebene Ausgangsschaltung das Problem
auf, dass der Source-Folger derart schnell abgeschaltet wird, dass
Rauschen in der Versorgungsspannung auftreten kann.
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Gemäß dieser
Erfindung weist eine Ausgangsschaltung Folgendes auf: einen Source-Folger, welcher
sich aus einem n-Kanal-MOS-Transistor
mit einem an eine Stromquelle angeschlossenen Drainanschluss sowie
einem an einen Ausgangsanschluss angeschlossenen Sourceanschluss
zusammensetzt, und der über
den Ausgangsanschluss eine Ausgangsspannung an eine Last anlegt,
wenn ein Gateanschluss entsprechend einem eingegebenen Einschaltsignal
unter Spannung gesetzt oder aufgeladen wird, einen Spannungsdetektor,
der bestimmt, ob die Ausgangsspannung auf einem ersten Spannungspegel
liegt, der im Wesentlichen identisch mit einem Spannungspegel der
Stromquelle ist, oder auf einem zweiten Spannungspegel, der niedriger
als der erste Spannungspegel ist, einen ersten Entladeschaltkreis,
der den Gateanschluss des Source-Folgers entsprechend einem eingegebenen
Abschaltsignal entlädt,
wenn die Ausgangsspannung den ersten Spannungspegel aufweist, und
die Entladung des Gateanschlusses des Source-Folgers beendet, wenn die
Ausgangsspannung vom ersten Spannungspegel auf den zweiten Spannungspegel
abfällt,
sowie einen zweiten Entladeschaltkreis, der den Gateanschluss des
Source-Folgers entsprechend dem Abschaltsignal langsamer als der
erste Entladeschaltkreis entlädt,
wenn die Ausgangsspannung vom ersten Spannungspegel auf den zweiten
Spannungspegel abfällt.
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Wenn
die Ausgangsspannung den ersten Spannungspegel aufweist, der im
Wesentlichen identisch mit einer Versorgungsspannung ist, entlädt der erste
Entladeschaltkreis erfindungsgemäß den Gateanschluss
des Source-Folgers basierend auf einem Abschaltsignal. Nachdem die
Ausgangsspannung auf den zweiten Spannungspegel gesunken ist, entlädt der zweite
Entladeschaltkreis den Gateanschluss des Source-Folgers langsamer
als der erste Entladeschaltkreis. Es ist daher möglich, eine Verzögerungszeit
von der Eingabe eines Abschaltsignals bis zu einer Veränderung
der Ausgangsspannung zu verkürzen
und einen scharfen Abfall der Ausgangsspannung zu verhindern, wenn
der Source-Folger abgeschaltet
wird, wodurch ein Auftreten von Rauschen in der Versorgungsspannung
vermieden wird. Weiter besteht kein Bedarf an anderen Versorgungsspannungen,
wie beispielsweise Masse, wenn der Gateanschluss des Source-Folgers
entladen wird, da der erste und zweite Entladeschaltkreis zwischen dem
Gate- und dem Sourceanschluss des Source-Folgers angeschlossen sind.
Es ist daher möglich, die
Ausgangsschaltung dieser Erfindung für einen Leistungsschalter zu
verwenden, an welchen keine andere Versorgungsspannung angelegt
wird. Weiter ist es möglich,
eine unerwünschte
Unterbrechung der Entladung des Gateanschlusses des Source-Folgers zu
verhindern, da der zweite Entladeschaltkreis einen Verarmungs-nMOS
aufweist, der entsprechend einem Abschaltsignal eingeschaltet wird.
Darüber
hinaus fällt
die Ausgangsspannung nicht scharf ab, da der Gateanschluss des Source-Folgers
bei Konstantstrom mit Hilfe einer Konstantstromvorrichtung entladen
wird, um einen relativ langsamen Abfall der Ausgangsspannung zu
ermöglichen,
wodurch Rauschen in der Versorgungsspannung vermieden wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung
mit den anliegenden Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1 ein
Schaltkreisdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer Ausgangsschaltung gemäß der ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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2 eine
Zeittafel zur Erklärung
des Betriebs der Ausgangsschaltung von 1;
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3 ein
Schaltkreisdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer Ausgangsschaltung gemäß der zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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4 ein
Schaltkreisdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer Ausgangsschaltung gemäß der dritten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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5 eine
Zeittafel zur Erklärung
des Betriebs der Ausgangsschaltung von 4;
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6 ein
Schaltkreisdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer herkömmlichen
Ausgangsschaltung zeigt;
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7 eine
Zeittafel zur Erklärung
des Betriebs der Ausgangsschaltung von 6;
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8 ein
Blockdiagramm, das einen herkömmlichen
Leistungsschalter für
ein Auto zeigt;
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9 ein
Blockdiagramm, das einen weiteren herkömmlichen Leistungsschalter
für ein
Auto zeigt; und
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10 eine
weitere Zeittafel zur Erklärung des
Betriebs der Ausgangsschaltung von 6.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Erfindung wird nun nachfolgend mit Bezug auf erläuternde Ausführungsformen
beschrieben. Für
Fachleute in der Technik ist es offensichtlich, dass viele alternative
Ausführungsformen
unter Verwendung der Lehre der vorliegenen Erfindung erzielt werden
können,
und dass die Erfindung nicht auf die für Veranschaulichungzwecke dargestellten
Ausführungsformen
beschränkt
ist.
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Ausführungsform
1
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1 ist
ein Schaltkreisdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer
Ausgangsschaltung gemäß der ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt. Die Ausgangsschaltung setzt sich aus einem Gate-Treiberschaltkreis 31,
einem Source-Folger 32,
einem Entladeschaltkreis 33, einem Spannungsdetektor 34 und
einem Entladeschaltkreis 35 zusammen. Der Gate-Treiberschaltkreis 31 setzt
sich aus einer Vielzahl von Transistoren und Logikschaltkreisen
zusammen und erzeugt Regelsignale "a" und "b" gemäß einem
Eingangssignal "in". Der Source-Folger 32 setzt
sich aus einem Anreicherungs-nMOS zusammen. Der Drainanschluss des nMOS
des Source-Folgers 32 ist mit einer Stromquelle (Versorgungsspannung
Vcc) verbunden, und sein Sourceanschluss ist an einen Ausgangsanschluss
To angeschlossen. Wenn der Gateanschluss des Source-Folgers 32 durch
ein Regelsignal "b" unter Spannung gesetzt
wird, legt die Ausgangsschaltung über den Ausgangsanschluss To
eine Ausgangsspannung Vo an eine nicht dargestellte Last an. Der
Spannungsdetektor 34 setzt sich aus einem Anreicherungs-nMOS 34a zusammen
und bestimmt, ob die Ausgangsspannung Vo den ersten Spannungspegel
aufweist, welcher im Wesentlichen identisch mit dem Spannungspegel
der Stromquelle (Versorgungsspannung Vcc) ist, oder sie einen zweiten Spannungspegel
aufweist, welcher niedriger als der erste Spannungspegel ist. In
dieser Ausführungsform wird
der nMOS 34a eingeschaltet, wenn die Ausgangsspan nung Vo
den zweiten Spannungspegel erreicht, welcher mindestens um den Wert
der Gate-Schwellenspannung des nMOS 34a niedriger als die
Versorgungsspannung Vcc ist. Der Spannungsdetektor 34 hält dadurch
den Betrieb des Entladeschaltkreises 33 an.
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Der
Entladeschaltkreis setzt sich aus einem Kondensator 36 und
einem Anreicherungs-nMOS 37 zusammen. Der Entladeschaltkreis 33 entlädt den Gateanschluss
des Source-Folgers 33 entsprechend einem Abschaltsignal
(Regelsignal "a"), wenn die Ausgangsspannung
Vo den ersten Spannungspegel aufweist, und beendet die Entladung
des Gateanschlusses des Source-Folgers 32, wenn die Ausgangsspannung
Vo vom ersten Spannungspegel auf den zweiten Spannungspegel abfällt. In
dieser Ausführungsform
wird der Kondensator 36 mit der Ausgangsspannung Vo geladen
oder unter Spannung gesetzt, wenn das Regelsignal "a" einen niedrigen Pegel aufweist und
der Source-Folger 32 die Ausgangsspannung Vo ausgibt. Die
Ausgangsspannung wird an den Kondensator 36 über eine
Diode geliefert, die zwischen dem Sourceanschluss des nMOS 34a und
dem Drainanschluss des nMOS 34a derart angeschlossen ist,
dass die Drainanschlussseite die Kathode darstellt. Der Kondensator 36 addiert
dann zur Erzeugung eines Regelsignals "c" die
Ausgansspannung Vo zum Regelsignal "a".
Auf diese Weise wird der Kondensator 36 mit dem Gateanschluss
des nMOS 37 verbunden und bildet eine Bootstrap-Schaltung,
welche die Entladung des Gateanschlusses des Source-Folgers 32 früher in Gang
setzt als dies der Entladeschaltkreis 35 tut. Der nMOS 37 wird
durch das an den Gateanschluss angelegte Regelsignal "c" ein- bzw. ausgeschaltet. In dieser
Ausführungsform
entlädt
der nMOS 37 den Gateanschluss des Source-Folgers 32 basierend
auf einem Abschaltsignal (Regelsignal "c"),
um den Source-Folger 32 von EIN auf AUS zu schalten, wenn
die Ausgangsspannung Vo im Wesentlichen identisch mit der Versorgungsspannung
Vcc ist.
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Der
Entladeschaltkeis 35 setzt sich aus einem Strombegrenzer 38 und
einem Anreicherungs-nMOS 39E zusammen. Der Drainanschluss des
nMOS 39E ist mit dem Gateanschluss des Source-Folgers 32 über den
Strombegrenzer 38 verbunden, und der Sourceanschluss des
nMOS 39E ist mit dem Sourceanschluss des Source-Folgers 32 verbunden.
Der nMoS 39E wird durch das an seinen Gateanschluss angelegte
Regelsignal "a" ein- bzw. ausgeschaltet.
Der Strombegrenzer 38 wird beispielsweise durch einen Widerstand
gebildet, und begrenzt den Strom des nMOS 39E. Der nMOS 39E entlädt dadurch
den Gateanschluss des Source-Folgers 32 basierend auf dem
Abschaltsignal (Regelsignal "a") langsamer als der
nMOS 37, wenn die Ausgangsspannung Vo auf einen Pegel fällt, der
um den Wert der Gate-Schwellenspannung
des nMOS 39E niedriger ist als die Versorgungsspannung
Vcc. Somit entlädt
der Entladeschaltkreis 35 den Gateanschluss des Source-Folgers 32 basierend
auf dem Abschaltsignal (Regelsignal "a")
langsamer als der Entladeschaltkreis 33, wenn die Ausgangsspannung Vo
vom ersten Spannungspegel auf den zweiten Spannungspegel fällt. In
dieser Ausführungsform
ist die Gate-Schwellenspannung des nMOS 39E auf einem Pegel
eingestellt, der identisch mit oder niedriger als die Gate-Schwellenspannung
des nMOS 34a ist.
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2 ist
eine Zeittafel zur Erklärung
des Betriebs der Ausgangsschaltung von 1. Die vertikale
Achse stellt die Spannung und die horizontale Achse die Zeit dar.
Der Betrieb der Ausgangsschaltung dieser Ausführungsform wird nachfolgend
mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Bei
t1 verändern
sich das Eingangssignal "in" und das Regelsignal "a" vom hohen Pegel (beispielsweise der
Versorgungspannung Vcc) auf einen niedrigen Pegel (beispielsweise
Massepegel), und das Regelsignal "b" verändert sich
vom niedrigen Pegel auf Vcc + α,
wobei α beispielsweise
eine Gate-Schwellenspannung des Source-Folgers 32 ist, und
eine Spannungszunahme zum Einschalten des Source-Folgers 32.
Bei t2 verändert
sich eine Gatespannung G des Source-Folgers 32 von einem
niedrigen Pegel auf Vcc + α.
Der Source-Folger 32 wird dabei zur Ausgabe über seinen
Sourceanschluss einer Ausgangsspannung Vo, die nahezu der Versorgungsspannung
Vcc entspricht, eingeschaltet. Der Kondensator 36 wird über eine
an den nMOS 34a angeschlossene zusätzliche Diode mit der Ausgangsspannung
Vo geladen. Das Regelsignal "c" weist somit den
Pegel der Ausgangsspannung Vo auf. Der nMOS 37 ist ausgeschaltet.
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Bei
t3 verändern
sich das Eingangssignal "in" und das Regelsignal "a" vom niedrigen auf einen hohen Pegel
(die Versorgungsspannung Vcc), und die das Regelsignal "b" ausgebende Seite der Gate-Regelschaltung 31 weist
eine hohe Impedanz auf. Das Regelsignal "c" weist
einen Pegel auf, bei dem die Ausgangsspannung Vo zum Regelsignal "a" addiert wird. Der nMoS 37 wird
dadurch eingeschaltet, und der Gateanschluss des Source-Folgers 32 wird
durch den nMOS 37 entladen. Bei t4 beginnt nach einer Verzögerungszeit
td ab t3 die Ausgangsspannung Vo zu fallen, wenn die Gatespannung
G auf den selben Pegel fällt
wie die Versorgungsspannung Vcc. Dann wird bei t5, wenn die Ausgangsspannung
Vo einen Pegel der Versorgungsspannung Vcc abzüglich der Gate-Schwellenspannung
h des nMOS 34a erreicht, der nMOS 34a eingeschaltet.
Der nMOS 37 wird dadurch abgeschaltet, wodurch die Entladung
durch den nMOS 37 beendet wird. Gleichzeitig wird der nMOS 39E eingeschaltet,
wenn die Ausgangsspannung Vo einen Pegel des Regelsignals "a" abzüglich
der Gate-Schwellenspannung h des nMOS 39E erreicht. Der
Gateanschluss des Source-Folgers 32 wird auf diese Weise
durch den Strombegrenzer 38 und den nMOS 39E entladen. Diese
Entladung erfolgt langsamer als die Entladung durch den nMOS 37.
Bei t6 ist die Entladung beendet, und die Gateanschlussspannung
G fällt
auf einen niedrigen Pegel, und die Ausgangsspannung Vo nimmt dadurch
einen niedrigen Pegel an. Ein Ausgangsstrom Io verändert sich
auf die selbe Art und Weise wie die Ausgangsspannung Vo.
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Wie
oben beschrieben, entlädt
der nMOS 37 in der ersten Aus führungsform, wenn die Ausgangsspannung
Vo im Wesentlichen den selben Pegel wie die Versorgungsspannung
Vcc aufweist, den Gateanschluss des Source-Folgers 32 basierend
auf dem Abschaltsignal (Regelsignal "c"),
um den Source-Folger 32 von EIN auf AUS zu schalten. Danach wird,
wenn die Ausgangsspannung Vo auf einen Pegel fällt, der um den Wert der Gate-Schwellenspannung
h der nMOS 34a und 39E niedriger als die Versorgungsspannung
Vcc ist, der nMOS 34a eingeschaltet und der nMOS 37 abgeschaltet.
Zu diesem Zeitpunkt wird der nMOS 39E eingeschaltet, um
den Gateanschluss des Source-Folgers 32 langsamer zu entladen
als dies der nMOS 37 tut. Auf diese Weise wird eine Verzögerungszeit
td von der Eingabe des Abschaltsignals (Regelsignal "a") bis zu einer Veränderung der Ausgangsspannung
Vo verkürzt.
Des Weiteren wird, da die Sourceanschlüsse der nMOS 37 und 39E mit
dem Sourceanschluss des Source-Folgers 32 verbunden sind,
die Massespannung (die zweite Versorgungsspannung) nicht benötigt, wenn
die Entladung des Gateanschlusses des Source-Folgers 32 erfolgt.
Die Ausgangsschaltung dieser Ausführungsform ist daher für einen
Leistungsschalter mit der in 9 gezeigten
Konfiguration verwendbar.
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In
der ersten Ausführungform
ist die Gate-Schwellenspannung des nMOS 39E gleich oder
niedriger als die Gate-Schwellenspannung des nMOS 34a eingestellt.
Ohne diese Einstellung kann die Entladung des Gateanschlusses des
Source-Folgers 32 für
den Moment ausgesetzt werden, da der nMOS 39E ausgeschaltet
ist, wenn der nMOS 37 bei t5 ausgeschaltet wird. Die unerwünschte Unterbrechung
der Entladung kann vermieden werden, indem der nMOS 39E durch
einen Verarmungs-nMOS ersetzt wird. Dieser Fall wird nachfolgend
als zweite Ausführungsform
beschrieben.
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Ausführungform
2
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3 ist
ein Schaltkreisdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer
Ausgangsschaltung gemäß der zweiten
erfin dungsgemäßen Ausführungsform
zeigt. Gleiche Bauelemente wie die in der die erste Ausführungsform
zeigenden 1 sind mit den selben Bezugszeichen
bezeichnet.
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In
dieser Ausgangsschaltung ist der Entladeschaltkreis 35 aus 1 durch
einen Entladeschaltkeis 35A ersetzt, welcher wie aus 3 ersichtlich eine
unterschiedliche Konfiguration aufweist. Der Entladeschaltkreis 35A weist
einen nMOS 39D anstelle des nMOS 39E aus 1 auf.
Der nMOS 39D ist vom Verarmungstyp und wird eingeschaltet,
wenn das Abschaltsignal (Regelsignal "a")
im Aktivmodus ist oder einen hohen Pegel aufweist. Die Ausgangsschaltung
dieser Ausführungsform
ist mit Ausnahme des oben Gesagten identisch mit der von 1.
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Der
Betrieb der Ausgangsschaltung dieser Ausführungsform unterscheidet sich
von dem Betrieb der ersten Ausführungsform
auf folgende Weise.
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Bei
t3 in 2, wenn sich das Regelsignal "a" von
einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel verändert, wird der nMOS 39D eingeschaltet.
Auf diese Weise ist, wenn der nMOS 37 bei t5 abgeschaltet wird,
die Entladung des Gateanschlusses des Source-Folgers 32 durch
den nMOS 39D bereits in Gang gesetzt. Dadurch wird eine
unerwünschte
Unterbrechung der Entladung verhindert.
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Wie
oben beschrieben, weist der nMOS 39D, da er in dieser Ausführungsform
bei t3 eingeschaltet wird, zusätzlich
zu den Vorteilen der ersten Ausführungsform
den Vorteil auf, dass er eine unerwünschte Unterbrechung der Entladung
des Gateanschlusses des Source-Folgers 32 vermeidet.
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In
der ersten und der zweiten Ausführungsform
wird die Spannung zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss
des nMOS 39E in 1 oder des nMOS 39D in 3 nach
t5 groß.
Die Ausgangsspannung Vo fällt
dadurch ab, wodurch ein Rauschen in der Versorgungsspannung Vcc
verursacht werden kann. Das Rauschen kann vermieden werden, indem
die Ausgangsspannung Vo relativ langsam verringert wird. Dieser
Fall ist nachfolgend als eine dritte Ausführungsform gezeigt.
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Ausführungsform
3
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4 ist
ein Schaltkreisdiagram, das eine elektrische Konfiguration einer
Ausgangsschaltung gemäß der dritten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt. Gleiche Bauelemente wie die in der die zweite Ausführungsform
zeigenden 3 sind mit den selben Bezugszeichen
bezeichnet.
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In
dieser Ausgangsschaltung ist der Entladeschaltkreis 35A aus 3 durch
einen Entladeschaltkreis 35B ersetzt, welcher gemäß Darstellung in 4 eine
unterschiedliche Konfiguration aufweist. Der Entladeschaltkreis 35B weist
einen nMOS 40 zwischen dem Sourceanschluss des nMOS 39D von 3 und
dem Sourceanschluss des Source-Folgers 32 auf. Der nMOS 40 ist
vom Verarmungstyp. Der Gateanschluss und der Sourceanschluss des
nMOS 40 sind miteinander verbunden und bilden eine Konstantstromvorrichtung.
Die Ausgangsschaltung dieser Ausführungsform ist mit Ausnahme
des oben Gesagten identisch mit der aus 3.
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Der
Betrieb der Ausgangsschaltung unterscheidet sich von dem der Ausgangsschaltung
der zweiten Ausführungsform
folgendermaßen:
Wie
in 5 gezeigt, wird der Gateanschluss des Source-Folgers 32 auch
dann bei Konstantstrom durch den nMOS 40 entladen, wenn
die Spannung zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss
des nMOS 39D nach t5 groß wird, und die Ausgangsspannung
Vo fällt
linear und relativ langsam ab. Somit fällt die Ausgangsspannung Vo
nicht scharf ab, wodurch ein Auftreten von Rauschen in der Versorgungsspannung
Vcc verhin dert wird.
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Wie
oben beschrieben, wird in der dritten Ausführungform die Entladung des
Gateanschlusses des Source-Folgers 32 immer bei Konstantstrom durch
den nMOS 40 ausgeführt,
wodurch es möglich wird,
dass die Ausgangsspannung Vo relativ langsam abfällt. Die dritte Ausführungsform
bietet somit zusätzlich
zu den Vorteilen der ersten und zweiten Ausführungform den Vorteil, dass
sie einen scharfen Abfall der Ausgangsspannung Vo vermeidet, um Rauschen
in der Versorgungsspannung Vcc zu verhindern.
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Nachfolgend
werden bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen
ausführlich
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Jedoch ist eine spezifische
Schaltkreiskonfiguration nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise
sind die Gate-Schwellenspannung des nMOS 39E von 1 und
die Gate-Schwellenspannung
des nMOS 34a nicht zwingend identisch, obwohl sie hier
auf den selben Wert eingestellt sind. Die Unterbrechung des Gateanschlusses
des Source-Folgers 32 tritt nicht auf, solange die Gate-Schwellenspannung
des nMOS 39E nicht die Gate-Schwellenspannung des nMOS 34a überschreitet.
Weiter wird der Strombegrenzer 38 nicht unbedingt durch
einen Widerstand gebildet, sondern kann auch von einer Konstantstromvorrichtung
gebildet werden, wobei der Gateanschluss und der Sourceanschluss
eines Verarmungs-nMOS miteinander verbunden sind. Darüber hinaus
kann die Ausgangsschaltung der in 4 gezeigten
dritten Ausführungsform
den Strombegrenzer 38 möglicherweise
nicht aufweisen, da sie die die durch den nMOS 40 gebildete
Konstantstromvorrichtung aufweist. Obwohl die vorstehend genannten Ausführungsformen
eine einzelne Ausgangsschaltung beschreiben, ist es möglich, eine
Vielzahl von (beispielsweise vier) Ausgangsschaltungen zur Ausbildung
einer Brückenschaltung
zu kombinieren, was nahezu die selben Vorteile liefert. Obwohl die
das Regelsignal "b" ausgebende Seite
des Gate-Treiberschaltkreises 31 in den 1, 3 und 4 über den
Strombegrenzer 38 mit dem Gateanschluss des Source-Folgers 32 verbunden
ist, kann sie auch über einen
anderen Widerstand, der nicht gezeigt ist, usw. angeschlossen werden.
Dieser Widerstand stellt eine geeignete Zeitkonstante während der
Ladung des Gateanschlusses ein, indem er mit einem Kondensator des
Gateanschlusses des Source-Folgers 32 verbunden wird.
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Es
ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
vorstehend beschriebene Ausführungsform
beschränkt
ist, welche modifiziert und verändert
werden kann, ohne vom Schutzumfang und der Idee der Erfindung abzuweichen.