-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
-
Eine
Anordnung mit einer Stromquelle und einem zu dieser in Reihe geschalteten
Schalter ist in 2 gezeigt.
Die in der 2 gezeigte
Anordnung enthält
vier in Reihe geschaltete Transistoren P1, P2, N1 und N2,
-
– wobei
der erste Transistor P1 ein PMOS-Transistor ist, dessen Source-Anschluß mit dem
positiven Pol VDD einer die Anordnung mit Energie versorgenden Versorgungsspannung
verbunden ist, und welcher durch ein Signal icp_refp gesteuert wird,
-
– wobei
der zweite Transistor P2 ein PMOS-Transistor ist, dessen Source-Anschluß mit dem
Drain-Anschluß des
ersten Transistors P1 verbunden ist, und welcher durch ein Signal
upq gesteuert wird,
-
– wobei
der dritte Transistor N1 ein NMOS-Transistor ist, dessen Drain-Anschluß mit dem
Drain-Anschluß des
zweiten Transistors P2 verbunden ist, und welcher durch ein Signal
down gesteuert wird, und
-
– wobei
der vierte Transistor N2 ein NMOS-Transistor ist, dessen Drain-Anschluß mit dem
Source-Anschluß des
dritten Transistors N1 verbunden ist, dessen Source-Anschluß mit dem
negativen Pol VSS einer die Anordnung mit Energie versorgenden Versorgungsspannung
verbunden ist, und welcher durch ein Signal ipc_refn gesteuert wird.
-
Das
den Transistor P2 steuernde Signal upq ist das Ausgangssignal eines
durch einen PMOS-Transistor P3 und einen NMOS-Transistor N3 gebildeten Inverters INV1,
welcher ein ihm zugeführtes
Signal incr invertiert.
-
Das
den Transistor N1 steuernde Signal down ist das Ausgangssignal eines
durch einen PMOS-Transistor P4 und einen NMOS-Transistor N4 gebildeten Inverters INV2,
welcher das ihm zugeführte
Ausgangssignal eines durch einen PMOS-Transistor P5 und einen NMOS-Transistor
N5 gebildeten Inverters INV3 invertiert, welcher seinerseits ein
ihm zugeführtes
Signal decr invertiert.
-
Die
Transistoren P1 und N2 werden durch die sie steuernden Signale icp_refp
bzw. icp_refn so angesteuert, daß durch sie jeweils eine Stromquelle gebildet
wird, wobei die von diesen Stromquellen abgegebenen Ströme durch
die die Transistoren steuernden Signale icp_refp bzw. icp_refn auf
die jeweils gewünschten
Werte einstellbar sind. Die Transistoren P1 und N2 werden im folgenden
der besseren Verständlichkeit
halber auch als Stromquellen P1 und N2 bezeichnet.
-
Die
Transistoren P2 und N1 werden durch die sie ansteuernden Signale
upq und down (incr und decr) so angesteuert, daß durch sie jeweils ein Schalter
gebildet wird, wobei diese Schalter in Abhängigkeit von den Signalen upq
bzw. down geöffnet
und geschlossen werden können.
Die Transistoren P2 und N1 werden im folgenden der besseren Verständlichkeit
halber auch als Schalter P2 und N1 bezeichnet.
-
Die
Anordnung weist einen Ausgangsanschluß 0 auf, welcher mit einer
zwischen den Schaltern P2 und N1 liegenden Stelle verbunden ist,
und über
welchen ein Ausgangssignal icp ausgegeben wird.
-
Aus
dem vorstehend beschriebenen Aufbau der Anordnung wird deutlich,
daß über den
Ausgangsanschluß O
wahlweise der von der Stromquelle P1 erzeugte Strom, oder der von
der Stromquelle N2 erzeugte Strom, oder kein Strom ausgegeben wird.
Genauer gesagt
- – wird der von der Stromquelle
P1 erzeugte Strom ausgegeben, wenn und so lange der Schalter P2 geschlossen
ist (der den Schalter bildende Transistor P2 sich im leitenden Zustand
befindet),
- – wird
der von der Stromquelle N2 erzeugte Strom ausgegeben, wenn und so
lange der Schalter N1 geschlossen ist (der den Schalter bildende
Transistor N1 sich im leitenden Zustand befindet), und
- – wird
kein Strom ausgegeben, wenn beide Schalter P2 und N1 geöffnet sind
(die die Schalter bildenden Transistoren P2 und N1 sich im sperrenden
Zustand befinden).
-
Die
in der 2 gezeigte Anordnung
ist eine universell einsetzbare Stromquelle. Durch sie kann zu beliebigen
Zeitpunkten für
eine beliebige Dauer ein beliebig großer Strom ausgegeben werden.
-
Dies
gilt allerdings nur in der Theorie. In der Praxis können Probleme
auftreten, die die Einsatzmöglichkeiten
der Anordnung einschränken.
Diese Probleme bestehen darin, daß mitunter für eine gewisse
Zeit nach dem Schließen
der Schalter P2 und N1 ein Strom ausgegeben wird, der höher oder
niedriger als der eigentlich auszugebende Strom (als der von den
Stromquellen P1 bzw. N2 abgegebene Strom) ist; die Erfahrung zeigt,
daß der
nach dem Schließen
der Schalter ausgegebene Strom für
eine gewisse Zeit um bis zu mehrere hundert μA höher oder niedriger sein kann
als der eigentlich auszugebende Strom.
-
Dies
hat unter anderem zur Folge, daß die
in der 2 gezeigte Anordnung
nicht verwendbar ist,
- – wenn sehr kurze Stromimpulse
definierter Größe benötigt werden,
beispielsweise wenn ein Strom von 10 μA für eine Dauer von 0,5 ns oder weniger
benötigt
wird, und/oder
- – wenn
(unabhängig
von der Dauer, während
welcher die Anordnung einen Strom ausgibt) größere Abweichungen des von der
Anordnung ausgegebenen Stromes von dem eigentlich auszugebenden
Strom unzulässig
sind.
-
-
Das
in der
US 3,982,172
A beschriebene System enthält eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Durch das in der
US 3,982,172 A beschriebene
System lassen sich die vorstehend genannten Probleme jedoch nicht
vollkommen lösen.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Anordnung
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auf einfache Art und Weise
erreicht werden kann, daß der
von dieser ausgegebene Strom stets, insbesondere auch unmittelbar
nach dem Schließen
des Schalters wunschgemäß groß ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in Patentanspruch 1 beanspruchte Anordnung gelöst.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der
folgenden Beschreibung, und den Figuren entnehmbar.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Figuren näher
erläutert.
Es zeigen
-
1 den Aufbau der im folgenden
näher beschriebenen
Anordnung mit einer Stromquelle und einem zu dieser in Reihe geschalteten
Schalter, und
-
2 den Aufbau einer herkömmlichen
Anordnung mit einer Stromquelle und einem zu dieser in Reihe geschalteten
Schalter.
-
Die
in folgenden unter Bezugnahme auf die 1 beschriebene
Anordnung ist im betrachteten Beispiel Bestandteil einer integrierten
Schaltung, kann aber auch durch eine normale, d.h. nicht integrierte
Schaltung realisiert werden.
-
Die
beschriebene Anordnung basiert auf der in der 2 gezeigten und eingangs unter Bezugnahme
darauf beschriebenen Anordnung. Komponenten, die mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind, sind identische oder einander entsprechende
Komponenten.
-
Die
in der 1 gezeigte Anordnung
enthält außer den
in der Anordnung gemäß 2 enthaltenen Komponenten
zusätzlich
- – eine
erste Steuereinrichtung, welche dafür sorgt, daß das Potential, das sich bei
geöffnetem Schalter
P2 am stromquellenseitigen Anschluß desselben, genauer gesagt
an einem in der 1 mit
dem Bezugszeichen SP bezeichneten, zwischen der Stromquelle P1 und
dem Schalter P2 liegenden Knotenpunkt einstellt, den Wert aufweist,
den es aufweisen würde,
wenn der Schalter P2 bei ansonsten unveränderten Bedingungen geschlossen
wäre und
von dem von der Stromquelle P1 abgegebenen Strom durchflossen werden
würde,
und
- – eine
zweite Steuereinrichtung, welche dafür sorgt, daß das Potential, das sich bei
geöffnetem Schalter
N1 am stromquellenseitigen Anschluß desselben, genauer gesagt
an einem in der 1 mit
dem Bezugszeichen SN bezeichneten, zwischen der Stromquelle N2 und
dem Schalter N1 liegenden Knotenpunkt einstellt, den Wert aufweist,
den es aufweisen würde,
wenn der Schalter N1 bei ansonsten unveränderten Bedingungen geschlossen
wäre und
von dem von der Stromquelle N2 abgegebenen Strom durchflossen werden
würde.
-
Die
erste Steuereinrichtung enthält
neben einer Reihe von weiteren Bauelementen einen PMOS-Transistor
P8, welcher identische Eigenschaften aufweist wie der den Schalter
P2 bildende Transistor P2. Da, wie nachfolgend noch näher erläutert wird,
dieser Transistor P8 wie der Transistor P2 so angesteuert wird,
daß er
als Schalter wirkt, wird er im folgenden auch als Schalter P8 bezeichnet.
-
Der
Transistor P8 ist sourceseitig mit dem Knotenpunkt SP verbunden,
und ist mit den restlichen Komponenten der ersten Steuereinrichtung
so verschaltet, daß er
in Phasen, in welchen der durch den Transistor P2 gebildete Schalter
geöffnet
ist, von dem Strom durchflossen wird, von welchem der Schalter P2
bei den herrschenden Bedingungen durchflossen werden würde, wenn
er geschlossen wäre.
Weil dieser Strom im stationären
Zustand genau der von der Stromquelle P1 abgegebene Strom ist, wird
der Knotenpunkt SP durch den Transistor P8 automatisch auf das Potential
gebracht, das dieser aufweisen würde,
wenn der Schalter P2 von dem von der Stromquelle P1 erzeugten Strom
durchflossen werden würde.
-
Im
Gegensatz hierzu tritt bei herkömmlichen Anordnungen
nach Art der 2 in Phasen,
in welchen der Schalter P2 geöffnet
ist, am stromquellenseitigen Anschluß desselben unweigerlich ein
Potentialanstieg auf. Dies liegt daran, daß die Stromquelle P1 auch nach
dem Öffnen
des Schalters P2 einen Strom abgibt. Der weiter fließende Strom
hat zur Folge, daß sich
in dem zwischen der Stromquelle und dem Schalter verlaufenden Leitungsabschnitt
eine erhöhte
Ladungsmenge sammelt, und dies hat wiederum zur Folge, daß das sich
am Knotenpunkt SP einstellende Potential ansteigt. Das erhöhte Potential,
genauer gesagt die diese Potentialerhöhung verursachende erhöhte Ladungsmenge
bewirkt, daß bei einem
Schließen
des Schalters P2 nicht nur der von der Stromquelle P1 abgegebene
Strom fließt,
sondern zusätzlich
ein aus dem Abbau der erhöhten
Ladungsmenge resultierender Zusatzstrom fließt, wobei es von der Kapazität des zwischen
der Stromquelle und dem Schalter verlaufenden Leitungsabschnittes
abhängt,
wie schnell der Zusatzstrom abklingt.
-
Dadurch,
daß bei
der Anordnung gemäß 1 das sich am stromquellenseitigen
Anschluß des
Schalters P2 einstellende Potential auf einen bestimmten Wert gebracht
bzw. auf einem bestimmten Wert gehalten wird, kann sich in dem zwischen
der Stromquelle P1 und dem Schalter P2 verlaufenden Leitungsabschnitt
keine erhöhte
Ladungsmenge sammeln, und folglich auch kein Zusatzstrom beim Schließen des
Schalters fließen.
-
Dies
hat den positiven Effekt, daß der
Schalter P2 dann, wenn er geschlossen wird, von Beginn an von dem
von der Stromquelle P1 abgegebenen Strom, also genau von dem Strom,
von welchem er durchflossen werden soll, durchflossen wird.
-
Der
Transistor P8 wird durch ein Signal up angesteuert, welches komplementär zu dem
den Transistor T2 steuernden Signal upq verläuft. Das Signal upq ist das
Ausgangssignal eines durch einen PMOS-Transistor P6 und einen NMOS-Transistor
N6 gebildeten Inverters INV4. Der Inverter INV4 erhält das vom
Inverter INV1 erzeugte Signal upq als Eingangssignal erzeugt daraus
das zum Signal upq inverse Signal up.
-
Durch
die komplementäre
Ansteuerung der Transistoren P2 und P8 ist der Transistor P8 nur
leitend (ist der dadurch gebildete Schalter nur geschlossen), wenn
und so lange der Transistor P2 sperrt (wenn der dadurch gebildete
Schalter geöffnet
ist); im leitenden Zustand des Transistors P2 (im geschlossenen
Zustand des dadurch gebildeten Schalters) sperrt der Transistor
P8 (ist der dadurch gebildete Schalter geöffnet) und kann somit keinen
Einfluß auf die
in der Anordnung herrschenden Zustände und ablaufenden Vorgänge nehmen.
-
Der
den Transistor P8 durchfließende
Strom über
einen zum Transistor P8 in Reihe geschalteten NMOS-Transistor N9,
einen zum Transistor N9 in Reihe geschalteten NMOS-Transistor N10,
und einen zum Transistor N10 parallel geschalteten NMOS-Transistor
N11 zum negativen Pol VSS der die Anordnung mit Energie versorgenden
Versorgungsspannung.
-
Die
Transistoren N10 und N11 sind dem Transistor N2 entsprechende, d.h.
die selben Eigenschaften wie der Transistor N2 aufweisende Transistoren,
und werden auch wie der Transistor N2 durch das Signal icp_refn
angesteuert. Damit bildet die Transistor N10 und N11 der Stromquelle
N2 entsprechende Stromquellen.
-
Der
Transistor N9 wirkt als Diode.
-
Die
Transistoren N9 bis N11 haben auch noch weitere Funktionen, auf
welche später
noch genauer eingegangen wird.
-
Die
erste Steuereinrichtung enthält
neben den bisher beschriebenen Komponenten derselben noch Mittel,
welche dafür
sorgen, daß der
Transistor P8 genau von dem Strom durchflossen wird, von welchen
der Transistor P2 durchflossen werden würde, wenn er gerade leitend
wäre (wenn
der dadurch gebildete Schalter geschlossen wäre).
-
Dies
wird im betrachteten Beispiel dadurch erreicht, daß durch
die erwähnten
Mittel dafür
gesorgt wird, daß das
sich am Drain-Anschluß des Transistors
P8 einstellende Potential so groß ist wie das Potential, das
sich am Drain-Anschluß des
Transistors P2 einstellen würde,
wenn er gerade leitend wäre
(wenn der dadurch gebildete Schalter geschlossen wäre).
-
Dies
wird im betrachteten Beispiel durch einen Spannungsfolger oder eine
wie ein Spannungsfolger wirkende Einrichtung erreicht. Der Vollständigkeit
halber sei angemerkt, daß als
Spannungsfolger Schaltungen bezeichnet werden, die einen Eingangsanschluß und einen
Ausgangsanschluß aufweisen,
und bei welchen die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung
ist.
-
Dieser
Spannungsfolger wird im betrachteten Beispiel durch einen NMOS-Transistor
N8 und den bereits erwähnten
NMOS-Transistor N9 gebildet.
-
Vom
Transistor N8
- – ist der Drain-Anschluß mit dem
positiven Pol VDD der die Anordnung mit Energie versorgenden Versorgungsspannung
verbunden,
- – ist
der Gate-Anschluß mit
dem Ausgangsanschluß 0
der Anordnung verbunden, und
- – ist
der Sourceanschluß
- – mit
dem Sourceanschluß des
Transistors N9 verbunden, und
- – über die
Transistoren N10 und N11 mit dem negativen Pol VSS der die Anordnung
mit Energie versorgenden Versorgungsspannung verbunden.
-
Vom
Transistor N9
- – ist der Drain-Anschluß mit dem
Drain-Anschluß des
Transistors P8 verbunden,
- – ist
der Gate-Anschluß mit
dem Drain-Anschluß verbunden,
und
- – ist
der Sourceanschluß
- – mit
dem Sourceanschluß des
Transistors N8 verbunden, und
- – über die
Transistoren N10 und N11 mit dem negativen Pol VSS der die Anordnung
mit Energie versorgenden Versorgungsspannung verbunden.
-
Der
Eingangsanschluß des
durch die Transistoren N8 und N9 gebildeten Spannungsfolger ist der
Gate-Anschluß des
Transistors N8, und der Ausgangsanschluß des Spannungsfolgers ist
der Drain-Anschluß des
Transistors N9.
-
Es
dürfte
einleuchten, daß auch
anders realisierte Spannungsfolger zum Einsatz kommen können. Beispielsweise
wäre denkbar,
als Spannungsfolger einen Operationsverstärker zu verwenden, von welchem
der Ausgangsanschluß und
der invertierende Eingangsanschluß miteinander verbunden sind.
-
In
diesem Zusammenhang sei jedoch darauf hingewiesen, daß im allgemeinen
der in der Anordnung gemäß 1 verwendeten Spannungsfolger-Realisierung
der Vorzug zu geben ist. Ein so realisierter Spannungsfolger arbeitet
maximal schnell und ohne Stabilitätsprobleme. Bei rückgekoppelten Operationsverstärkern kommt
es hingegen häufig
zu Stabilitätsproblemen.
Diese können
zwar durch eine entsprechende Kompensation des Operationsverstärkers beseitigt
werden, doch hat eine Kompensation zur Folge, daß der Operationsverstärker langsamer
auf Veränderungen
reagiert. Deshalb und weil sowohl das Vorsehen eines Operationsverstärkers als
auch die Maßnahmen
zur Kompensation mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden sind,
ist die Verwendung eines rückgekoppelten
Operationsverstärkers
als Spannungsfolger im allgemeinen nicht die optimale Lösung.
-
Mit
Hilfe des Spannungsfolgers wird das sich am Drain-Anschluß des Transistors
P8 einstellende Potential auf den Wert des sich am Ausgangsanschluß 0 der
Anordnung (und damit auch am Drain-Anschluß des Transistors P2) einstellenden Potentials
gebracht.
-
Dadurch
stellen sich an sämtlichen
Anschlüssen
des Transistors P8 exakt die Potentiale ein, die sich am Transistor
P2 einstellen würden, wenn
dieser sich im leitenden Zustand befände. Dies hat zur Folge, daß der Transistor
P8 genau von dem Strom durchflossen wird, von welchem auch der Transistor
P2 durchflossen werden würde,
wenn er sich im leitenden Zustand befände.
-
Dadurch
wird der Knotenpunkt SP stets, d.h. sowohl in Phasen in welchen
der Schalter P2 geschlossen ist, als auch in Phasen, in welchen
der Schalter P2 geöffnet
ist, von dem selben Strom, genauer gesagt von dem von der Stromquelle
P1 abgegebenen Strom durchflossen. Dies hat zur Folge, daß weder
das Öffnen
noch das Schließen
des Schalters P2 Veränderungen
des sich am Knotenpunkts einstellenden Potentials zur Folge haben
kann, und daß der
Schalter S2 nach dem Schließen
desselben sofort von dem Strom durchflossen wird, von welchem er
durchflossen werden soll.
-
Die
zweite Steuereinrichtung besteht aus PMOS-Transistoren P7, P9, P10,
P11, und P12, sowie aus NMOS-Transistoren N7 und N12, und ist analog
zur ersten Steuereinrichtung aufgebaut, so daß auf eine Beschreibung verzichtet
werden kann.
-
Die
in der 1 gezeigte Anordnung
läßt sich
in verschiedenerlei Hinsicht modifizieren. Beispielsweise ist es
möglich,
anstelle der vorliegend verwendeten Transistoren andere Transistoren,
beispielsweise Bipolar-Transistoren oder sonstige Transistoren zu
verwenden. Selbstverständlich
können auch
die Stromquellen und/oder die Schalter anders als bei der Anordnung
gemäß 1 realisiert werden.
-
Die
vorstehend beschriebene Anordnung ermöglicht es unabhängig von
den Einzelheiten der praktischen Realisierung, daß der von
der Anordnung ausgegebene Strom stets, insbesondere auch bereits
unmittelbar nach dem Schließen
der Schalter P2 und N1 wunschgemäß groß ist, genauer
gesagt exakt der von den Stromquellen P1 bzw. N2 abgegebene Strom
ist.
-
- decr
- Steuersignal
zur Schaltersteuerung
- down
- Steuersignal
zur Schaltersteuerung
- downq
- Steuersignal
zur Schaltersteuerung
- icp
- aus
der Anordnung ausgegebener Strom
- icp_refn
- Steuersignal
zur Stromeinstellung
- icp_refp
- Steuersignal
zur Stromeinstellung
- incr
- Steuersignal
zur Schaltersteuerung
- INVx
- Inverter
- Nx
- NMOS-Transistoren
- O
- Ausgangsanschluß
- Px
- PMOS-Transistoren
- up
- Steuersignal
zur Schaltersteuerung
- upq
- Steuersignal
zur Schaltersteuerung
- VDD
- Potential
des positiven Pols der die Anordnung mit
-
- Energie
versorgenden Versorgungsspannung
- VSS
- Potential
des negativen Pols der die Anordnung mit
-
- Energie
versorgenden Versorgungsspannung