DE2728945C3

DE2728945C3 - Halbleiter-Schalteinheit mit 4-Elektroden-PNPN-Schaltern

Info

Publication number: DE2728945C3
Application number: DE2728945A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Yokohama Ohhinata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-06-27
Publication date: 1982-03-11
Also published as: DE2728945B2; US4232234A; JPS534458A; DE2728945A1; JPS564064B2

Description

2. Halbleiter-Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwei derartige 4-Elektroden-PNPN-Schalter

— gegenparallel geschaltet sind und dadurch

— einen Zweirichtungsschalter bilden (Fig.4, 5).

3. Halbleiter-Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Strom-Umschalter (14)

- wenigstens zwei Dioden (ZT₁, D₃, D₆) aufweist, deren Kathoden zusammengeschaltet und an den Ausgangsanschluß der Konstantstrom-Senke (13) angeschlossen sind

(Fig. 2).

4. Halbleiter-Schalteinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Stromquelle (15)

- wenigstens einen PN PN-Transistor «?«) mit zwei Kollektoren aufweist, die jeweils mit dem Kathoden-Steueranschluß (G*, Gk') einer der beiden gegenparallel geschalteten PNPN-Schalter (1, Y) verbunden sind

(F ig. 4).

5. Halbleiter-Schalteinheit nach Anspruch I oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Strom-Umschalter (24; 34)

- einen PNP-Transistor ((J₅; Q·,') aufweist

- dessen Kollektor mit dem Anoden-

Steueranschluß (COdes PNPN-Schalters,

- dessen Emitter mit der Stromquelle (15) und

- dessen Basis mit dem Ausgangsanschluß ■, der Konstantstrom-Senke verbunden sind

(F ig. 3).

6. Halbleiter-Schalteinheit nach Anspruch 5 mit 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der PNP-Transistor (Q₅) ίο — zwei Kollektoren aufweist,

- die jeweils mit dem Anoden-Steueranschluß (Ga, Ga) einer der beiden gegenparallel geschalteten PNPN-Schalter (1, V) verbunden sind

(F ig. 4).

7. Halbleiter-Schalteinheit nach Anspruch 5 mit 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der PNP-Transistor (Q₅')

— einen einzigen Kollektor aufweist, der mit dem Anoden-Steueranschluß (G_A, G_A') der

beiden gegenparallel geschalteten PNPN-Scha!ter(i, {') verbunden ist (F ig. 5).

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schalteinheit

nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sie ist insbesondere in einer Fernsprechvermittlungsanlage oder dergleichen anwendbar, wobei ihr(e) 4-Elektroden-PNPN-Schalter ein kontinuierliches Wechselstromsignal leiten kann (können).

In einer herkömmlichen Halbleiter-Schalteinheit mit 4-Elektroden-PNPN-Schaltern zum Schalten eines Wechselstromsignales sind zwei derartige PNPN-Schalter antiparallel verbunden, um einen Zweirichtungsschalter zu bilden, und von einer zugeordneten

■ίο Ansteuereinrichtung wird Svrom u\ die Kathoden-Steueranschlüsse dieser beiden PNPN-Schalter eingespeist, damit das Wechselstromsignal geleitet werden kann. Jedoch hat die herkömmliche Halbleiter-Schalteinheit mit diesem Aufbau den Nachteil, daß die Ansteuerspannung den Maximalwert der Signalspannung des übertragenen Wechselstromsignales abhängig vom Lasizustand überschreiten muß.

Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde von den Erfindern bereits eine verbesserte Halbleiter-Schaltein heit mit einem 4-Elektroden-PNPN-Schalter zum

Schalten eines Wechselstromsignales entwickelt. Diese

verbesserte Halbleiter-Schalteinheit hat den in F i g. 1 dargestellten Aufbau, von dem die Erfindung ausgeht.

Die bereits entwickelte Halbleiter-Schalteinheit in

F i g. I hat eine Konstantstrom-Quelle 2, bestehend aus Transistoren Q\ und Qi, einen Widerstand R\ und Koppeldioden Dw eine Konstantstrom-Senke 3 aus einem Transistor Q₃, einem Widerstand /?₂ und Koppeldioden D₅; einen 4-EIekt:'odiin*PNPN-Schalter 1; einen Strom-Umschalter 4 aus Dioden D\, D\ und D₂; und Dioden D₁ und Dj', in dieser bereits entwickelten Halbleiter-Schalteinheit verteilt der .'»trom-Umschalter 4 den Ausgangsstrom der Konstantstrom-Quelle 2 zum Kathoden-Steueranschluß G_K des I'NPN-Schalters I und zur Konstantstrom-Senke 3 abhängig vom Potential an der Kathode des PNPN-Schf.lters 1. Wenn das Potential an der Kathode K des I'NPN-Schalters 1 negativ gegen Masse (aber positiv gegen die Anode) ist,

fließt Strom in den Kathoden-Steueranschluß G_K und schaltet den PNPN-Schalter ι ein, während bei positivem Potential an der Kathode K gegen Masse (aber negativem gegen die Anode A) Strom aus dem Anoden-SteueranschluD G_A fließt, wodurch der PNPN- ; Schalter 1 eingeschaltet wird. Obwohl dies in F i g. 1 nicht dargestellt ist, sind die Dioden D,' und D₃' mit dem Kathoden- bzw. Anoden-Steueranschluß eines anderen PNPN-Schalters verbunden, der antiparallel zum gezeigten PNPN-Schalter 1 angeordnet ist. Ferner ist |_U ein elektronisches Steuerglied vorhanden, das in F i g. 1 jedoch als aus einer Spannungsquelle £,, einem Schalter SW\ und einem Widerstand Äi bestehend gezeigt ist, um das Verständnis des Betriebs der Schaltung zu erleichtern. ,

Obwohl.die bereits entwickelte Halbleiter-Schalteinheit die Nachteile der herkömmüchen Schalteinheiten zufriedenstellend Oberwindet, hat sie noch den Mangel, daß zahlreiche ihrer Bauelemente während der Integration in einer integrierten Schaltung elektrisch ->o voneinander isoliert werden müssen, und so die gewünschte hohe Integrationsdichte nicht erzielt werden kann. Zum Beispiel können bei den an einem Ende zusammengeschalteten Dioden D_u D\ und D₂ deren Anoden in einem gemeinsamen P-Ieitenden Halbleiterbereich gebildet werden, jedoch müssen deren Kathoden in unabhängigen N-leitenden Halbleiterbereichen vorgesehen vorgesehen werden. Weiterhin ist in diesem Fall eine hohe Durchbruchsspannung für diese Dioden D\, D\ und Di erforderlich, da die jo Spannung der Last manchmal an diesen Dioden D₁, D₁' und D₂ liegt

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiter-Schaltcinheit mit einem ein Wechselstromsignal schaltenden PNPN-Schalter anzugeben, der zuverlässig ji durch eine einige Steuerspannungsquelle geringer Spannung einschaltbar sein soll, selbst wenn er in einem mit Wechsel-Spannung betriebenen Lastkreis eingebaut ist; die Halbleiter-Schalteinheit soll dabei wirtschaftlich arbeiten sowie einfach aufgebaut und in eine integrierte Schaltung hoher Integrationsdichte integrierbar sein.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Bei der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinheit ist also die Stromquelle mit der Konstantstrom-Senke über den Strom-Umschalter verbunden, so daß die Stromquelle wegen der Konstantstrom-Senke als Konstantstrom-Schaltung arbeitet.

Insbesondere bei Vorsehen von Dioden in der Konstantstrom-Senke und eines Transistors in der Stromquelle wird der Basis-Strom des Transistors der Stromquelle dieser Dioden konstantgehalten, indem das Potential an der Basis des betreffenden Transistors der Stromquelle konstantgehalten wird, so daß ein konstanter Strom am Emitter dieses Transistors auftritt. Da bekanntlich der Kollektor-Strom eines Transistors in einer festen Beziehung zum Emitter-Strom steht, nämlich gleich dem Produkt eines Stromverstärkungs-Faktors β entsprechend der Transistor-Kennlinie mit dem Basis-Strom ist, wird deshalb im Ergebnis auch der Kollektor-Strom konstant gehalten, der vom Transistor der Stromquelle in den Kathoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters eingespeist wird (vgl. im übrigen weiter unten die Erläuterung von F i g. 2).

Die Erfindung gibt also eine Halbleiter-Schalteinheit mit wenigstens einem PNPN-Schalter zum Schalten eines Wechselstromsignais an, bei der der in den Lastkreis eingebaute PNPN-Schalter zuverlässig durch eine einzige Steuerspannungsquelle geringer Spannung einschaltbar ist Das Ansteuerglied steuert den PNPN· Schalter mit einem konstanten Strom an, ohne unnötig Energie zu verbrauchen und Rauschen zu erzeugen, und hat einen einfachen Schaltungsaufbau. Die erfindungsgemäße Halbleiter-Schalteinheit ist einfach aufgebaut und kann wirtschaftlich vorteilhaft in die gewünschte integrierte Schaltungsform integriert werden. Weiterhin kann die Stromquelle selbst in eine Konstantstromquelle umgewandelt werden, was allerdings zu einem etwas komplizierteren Aufbau führt

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 ein Schaltbild einer von den Erfindern bereits entwickelten Halbleiter-Schalteinheit mit einem 4-Elektroden-PNPN-Schalter, von der die Erfindung ausgeht;

Fig.2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinheit;

F i g. 3 ei& Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig.4 ein Schaltbild eines dritten Auiführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig.5 ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig-2, die ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinheit zeigt sind vorgesehen eine Konstantstrom-Senke 13 aus im wesentlichen einem Widerstand R₂, Koppeldioden D₅ und einem NPN-Transistor O3; ein Strom-Umschalter 14 aus Dioden Dj, £V und De; eine Stromquelle 15 in der Form eines PNP-Transistors Q* mit zwei Kollektoren; und ein 4-Elektroden-PNPN-Schalter 1 mit einem Anoden-Steueranschluß Ga und einem Kathoden-Steueranschluß Gk- Die Halbleiter-Schalteinheit hat weiterhin ein Steuerglied mit einer Spannungsquelle £Ί, einem Schalter SW₂ und einem Widerstand Ry. Dieses Steuerglied ist vereinfachend mit dem Schalter SW^ und dem Widerstand Ri dargestellt um das Verstandes für den Betrieb der Schaltung der F i g. 1 zu erleichtern. Tatsächlich ist das Steuerglied jedoch eine elektronische Schaltung. Die Spannungsquelle E\ gibt eine Spannung von z. B. 5 V ab, die für die gewünschte Integration dieses Steuergliedes geeignet ist

Im Betrieb ist der Schalter SWi geschlossen, wodurch Strom von der Spannungsquelle E\ zur Basis des Transistors Qj und zu den Dioden D5 in der Konstantstrom-Senke 13 über den Widerstand A₃ geleitet wird, so daß die Konstantstrom-Senke 13 zum Einschalten des PNPN-Schalters 1 erregt wird. Da das Potential an der Basis des Transistors Qi im wesentlichen durch die Dioden D₅ konstantgehalten wird, tritt ein konstanter Strom am Emitter des Transistors Qs auf. Entsp; jc-hend zieht der Kollektor des Transistors Qi konstanten Strom. Damit arbeitet die Schaltung 13 als Konstantstrom-Senke.

Wenn die Anode A und die Kathode K des PNPN-Schalters 1 beide hohes positives Potential gegen Masse haben, wobei das Potential an der Anode höher ist als an der Kathode, fließt Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors φ in der Konstantslrom-Senke 13 von der Anode A des PNPN-Schalters 1 durch den Anoden-Steueranschluß Ga und durch die Diode D₃ im Strom-Umschalter 14, über den Transistor Q₁ nach Masse, wodurch der PNPN-Schalter 1 eingeschaltet wird. In diesem Zeitpunkt wirkt die Diode D₆ im Strom-Umschalter 14 sperrend, und die Stromquelle 15 ist nicht erregt, da das

Potential am Kollektor des Transistors Qi auf einen Pegel nahe dem Potential an der Anode A des PNPN-Schalters 1 ansteigt.

Wenn andererseits die Anode A und die Kathode K des PNPN-Schalters 1 beide negatives Potential gegen Masse haben, wobei das Potential an der Kathode höher ist als an der Anode, wirkt im Strom-Umschalter 14 nunmehr die Diode D₃ sperrend und konstanter Strom fließt in den Kollektor des Transistors Qi im Stromsenken-Konstantstromglied 13 von der Spannungsquelle E₁ über den Transistor Q,, der die Stromquelle 15 bildet, und über die Diode D₆ im Strom-Umschalter 14, wodurch die Basis des Transistors Qa angesteuert wird. Als Ergebnis fließt konstanter Strom in den Kathoden-Steueranschluß Gk des PNPN-Schaiters 1 von einem der Kollektoren des Transistors <?«, so daß dieser eingeschaltet wird. Obwohl in Fig. 2 nicht dargestellt, sondern nur angedeutet, können die Diode Di und ein Dioden Dj, Dj' und D₆ in Fig. 2 sind nicht elektrisch voneinander isoliert, sondern sind im gleichen einkristallinen Halbleiterbereich gebildet, wodurch ein elektrisch gleichwertiger Transistor Qi gebildet wird. Dieüer PNP-Transistor Qi muß aus dem gerade beschriebenen Grund keine Stromverstärkungsfunktion ausüben. Wenn die Anode A des PNPN-Schalters 1 in F i g. 3 auf einem hohen positiven Potential ist, fließt Strom in die Konstantstrom-Senke 13 vom Anoden-Steueranschluß Ga des PNPN-Schalters 1 durch den Kollektor und die Basis des Transistors Q,. In dieser Zeit arbeitet der Transistor Qi in der Weise, in der die dargestelilte Beziehung zwischen dem Kollektor und dem Emitter genau umgekehrt ist. Das heißt, der Transistor Qi wirkt im wesentlichen als einfache Diode, da er keinen Strom zur Basis des Transistors Qt speisen kann, der die Stromquelle 15 bildet. Wenn andererseits der PNPN-Schalter 1 durch dessen Kathoden-Steueranschluß Gk

allUCICf rVirilCfllUI UC3 1 I <III3I31UI 3 1^/4 Mill UCIII /AIIUUClI* Steueranschluß bzw. einem Kathoden-Steueranschluß eines anderen PNPN-Schalters verbunden sein, erforderlich ist dies jedoch nicht.

Daraus folgt, daß die Konstantstrom-Senke 13 solange konstanten Strom zieht, wie der Schalter SW₂ geschlossen ist, und daß der Strom-Umschalter 14 den Stromweg abhängig vom Potential an der Anode bzw. der Kathode des PNPN-Schalters 1 umschaltet, während die Stromquelle 15 während der Zeitdauer erregt ist, in der die Anode und die Kathode des PNPN-Schalters 1 negatives Potential gegen Masse haben. Deshalb fließt der Steueranschluß-Strom zum PNPN-Schalter 1, ohne dessen Potential entgegenwirken zu müssen, weshalb die Ansteuerquelle E\ für diese Halbleiter-Sichalteinheit keine hohe Spannung haben muß.

Bei der Integration der Halbleiter-Schalteinheit in eine integrierte Schaltung ist im allgemeinen ein NPN-Transistor die Grundkomponente und nicht der PNP-Transistor, zumal dessen Stromverstärkungsfaktor gering ist. Insbesondere ist bei Verwendung bei einer hohen Spannung der Stromverstärkungsfaktor des PNP-Transistors kleiner als Eins. Die Anoden-Steueranschluß-Empfindlichkeit des PNPN-Schalters ist kleiner als die Kathoden-Steueranschluß-Empfindlichkeit. Wenn deshalb die Stromstärke der Konstantstrom-Senke 13 beim Schaltungsaufbau der Fig.2 so gewählt ist, daß sie an die Anoden-Steueranschluß-Empfindlichkeit des PNPN-Schalters 1 angepaßt ist, kann die Stärke des Stromes, der in den Kathoden-Steueranschluß Gk eingespeist wird, kleiner sein, da die Kathoden-Steueranschluß-Empfirdlichkeit besser als die Anoden-Steueranschluß-Empfindlichkeit ist. Damit kann der PNP-Transistor Qa ein Transistor mit kleinem Stromverstärkungsfaktor sein. Weiterhin können zahlreiche Kollektoren für den PNP-Transistor Q_t vorgesehen werden. Der in F i g. 2 dargestellte Schahungsaufbau ist daher sehr vorteilhaft, da die Anzahl der Schaltungs-Bauelemente kleiner als bei F i g. 1 ist und die Schalteinheit einfacher in die gewünschte integrierte Schaltungsform integriert werden kann.

Fig.3 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halb'eiter-Schalteinheit Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist eine Abwandlung des ersten Ausfühningsbeispiels nach F i g- 2, von dem es sich lediglich durch den Aufbau des Strom-Umschalters unterscheidet. Bei der Schalteinheit der Fig.3 dient ein PNP-Transistor Q₅ mit zwei Kollektoren als Strom-Umschalter 24. Das heißt, die

cingcäCHcmci iSt, Siclicft ucf ι Γάΐι5'ι5ΐυΓ v^-j U'Cll Transistor Q* in der Stromquelle 15 über den Emitter des dargestellten Zustandes. In diesem Fall fließt konstanter Strom auch über den Kollektor des Transistors Qi, wodurch ein Rückfluß des Stromes zum Anoden-Steueranschluß G_A des PNPN-Schalters 1 bewirkt wird. Jedoch ist es möglich, jeden wesentlichen nachteiligen Einfluß durch diesen Strom zu verhindern, indem die Schaltung so ausgelegt wird, daß der StrorR«2rstärkungsfaktor des Transistors Qi möglichst klein ist. Obwohl das Ausführungsbeispiel der F i g. 3 der Schaltungsanordnung und dem Betrieb des Ausführungsbeispiels drr Fig. 2 gleicht, kann das erstere leichter in die gewünschte inttgrierte Schaltungsform als das letztere integriert werden, da die einer hohen Spitzen-Sperrspannung ausgesetzten Dioden vollkommen unnötig sind.

Fig.4 zeigt eine Anwendung des Ausführungsbeispiels der F i g. 3, bei der ein Stromfluß in Vorwärts- und Rückwärts-Richtung ermöglicht wird. In Fig.4 sind die Anoden und Kathoden von zwei PNPN-Schaltern 1 und Γ antiparallel geschaltet, um einen Zweirichtungsschalter zu bilden. Die Anoden-Steueranschlüsse Ga und GΆ der PNPN-Schalter 1 und Γ, die den Zweirichtungsschalter bilden, sind jeweils mit den einzelnen Kollektoren des Transistors Qi verbunden, der den Strom-Umschalter 24 dargestellt, und die Kathoden-Steueranschlüsse Gk und G'*der PNPN-Schalter 1 und Γ sind jeweils mit den einzelnen Kollektoren des Transistors Qt verbunden, der die Stromquelle 15 bildet, so daß ein Wechselstrom zwischen den Anschlüssen B und C fließen kann. Der Betrieb der in Fig.4 dargestellten Schalteinheit ist leicht aus der zu F i g. 3 gegebenen Beschreibung verständlich. Es ist auch sofort ersichtlich, daß das in F i g. 2 dargestellte Ausfühningsbeispiel auf eine Anordnung nach F i g. 4 angewendet werden kann, so daß ein Stromfluß in Vorwärts- und in Rückwärts-Richtung möglich ist

Fig.5 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-SchalteinheiL Das Ausführungsbeispiel der Fig.5 gleicht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig.4 mit der Ausnahme, daß die Anoden-Steueranschlüsse Ga und G¹A der PNPN-Schalter 1 und 1', die den Zweirichtungsschalter bilden, kurzgeschlossen und gemeinsam mit dem einzigen Kollektor eines Transistors Qs' verbunden sind, der einen Strom-Umschalter 34 bildet. Der in Fig. 5 dargestellte Aufbau kann erhalten werden, wenn die beiden PNPN-Schalter 1 und Γ im gleichen einkristallinen Halbleiterbereich gebildet

werden, so daß sie im wesentlichen an den Teilen entsprechend ihren Anoden-Steueranschlüssen zusammengeschaltet sind. Bei Integration ist so das Ausführiingsbeispiel der Fig. 5 wegen weiterer Erhöhung der Integrationsdichtc besonders vorteilhaft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Halbleiter-Schalteinheit

- mit wenigstens einem 4-Elektroden-PNPN-Schalter

- mit je einem Kathoden-Steueranschluß und je einem Anoden-Steueranschluß,

- mit einer Stromquelle zum Einspeisen von Strom in den Kathoden-Steueranschluß der PNPN-Schalter,

- mit einer Konstantstrom-Senke und

- mit einem Strom-Umschalter, gekennzeichnet durch

- einen im Strom-Umschalter (14; 24; 24; 34) vorgesehenen Stromweg-Umschalter zum wahlweisen Schalten

— des aus dem Anoden-Steueranschluß (Ga) des PNPN-Schalters (1) fließenden Stroms bzw.

— des «Se Stromquelle (15) ansteuernden Stroms

- in die Konstantstrom-Strecke (13)

— je nach dem am PNPN-Schalter (1) liegenden Potential (F ig. 2; 3; 4; 5);

- wobei der Stromweg-Umschalter mindestens einen ersten, einen zweiten und einen dritten Anschluß aufweist, von denen angeschlossen sind:

— der erste Anschluß an den Ausgangsanschluß der Konstantstrom-Senke

;i3).

— der zweite Ansch'-jß an den Steueranschluß der Stromquelle (15) und

— der dritte Anschluß an den Anoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters