DE3634070C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Schaltungsanordnung geht aus dem US-Buch von Edwin S. Oxner "Power FETs and Their Applications", Seite 249, hervor.

Derartige, auch als "Analogschalter" bezeichnete Schaltungsanordnungen werden beispielsweise dazu verwendet, analoge Spannungen, unter denen auch nachrichtentechnische Signale verstanden sein sollen, von einer Quelle (Spannungsquelle) zu einem Empfänger oder Verbraucher durchzuschalten.

Aus der US-PS 45 00 802 geht ein Analogschalter mit zwei MOSFETs hervor, die über ihre Sources und ihre Gates verbunden sind. An die Sources ist außerdem ein ohmscher Widerstand angeschlossen, über den dann ein aus einer Spannungsquelle über einen weiteren MOSFET kommender Strom fließt, wenn der Analogschalter "geöffnet" werden soll. Zum Betrieb dieses bekannten Analogschalters wird also von außen zuzuführende Energie benötigt. Er hat den weiteren Nachteil, daß er nicht universell einsetzbar ist, sondern nur dann, wenn die Last nicht am Bezugspotential (Masse) liegt.

Ein weiterer, mit zwei MOSFETs arbeitender Analogschalter geht aus der DE-OS 33 46 158 hervor. Auch dieser bekannte Analogschalter arbeitet nicht leistungslos. Es muß vielmehr für einen zwischen den Gates und Sources liegenden Fotospannungsgenerator und für einen zwischen den gleichen Elektroden angeordneten Optokoppler Lichtenergie eingekoppelt werden.

Bei dem bekannten Analogschalter nach dem eingangs erwähnten US-Buch von Oxner wird eine Spannung nach Maßgabe einer Steuerspannung (Control) durchgeschaltet, die an die beiden zusammengeführten Gates der beiden MOSFETs angelegt wird. Durch Veränderung der Steuerspannung liegen die Gates der beiden Transistoren entweder auf Bezugspotential oder Betriebspotential. Wenn die beiden Gates am Bezugspotential liegen, bei dem es sich beispielsweise um "Masse" handelt, sind sie ständig gesperrt, weil die Spannung zwischen den Gates und den Sources der beiden Transistoren deren Schwellspannung (thresholdspannung) nicht übersteigt. Die mit diesem bekannten Analogschalter zu schaltenden Spannungen sind in ihrer Höhe auf die Betriebs- oder Versorgungsspannung bzw. den Logikpegel beschränkt. Er ist daher nur begrenzt einsetzbar. Außerdem kann auch dieser Analogschalter nicht leistungslos betrieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs geschilderten Art so weiterzubilden, daß bei einfachem Aufbau auch oberhalb der Betriebsspannung des zugehörigen Geräts liegende Spannungen geschaltet werden können.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Durchschaltung einer Spannung ist mit dieser Schaltungsanordnung besonders einfach, da durch die Steuerspannung der Steuertransistor lediglich so beeinflußt werden muß, daß er entweder stromdurchlässig oder stromundurchlässig ist. Zur Veränderung des Schaltzustandes des Steuertransistors wird keine wesentliche Energie benötigt und es fließt bei stromdurchlässigem Steuertransistor nur ein sehr niedriger, von der zu schaltenden Spannung herrührender Strom über denselben. Der so realisierte Analogschalter arbeitet also mit leistungsloser Steuerung. In Abhängigkeit vom Schaltzustand des Steuertransistors liegen die Gates der beiden Transistoren entweder am Bezugspotential - der Analogschalter ist dann "offen" - oder sie sind von demselben getrennt - der Analogschalter ist dann "geschlossen" und eine anliegende analoge Spannung wird durchgeschaltet. Durch die jeweils zwischen Gate und Source liegende Reihenschaltung aus Diode und ohmschem Widerstand ist außerdem eine Schaltungsanordnung gegeben, mit der insbesondere oberhalb der Betriebsspannung liegende Spannungen geschaltet werden können. Die Schaltungsanord­ nung hat den weiteren Vorteil, daß keine eigene Versorgungs­ spannung benötigt wird. Die Versorgungsspannung wird viel­ mehr aus der zu schaltenden Spannung abgeleitet.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Gerät mit einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Fig. 2 die Schaltungsanordnung selbst.

Am Ende einer beispielsweise durch eine Fernmelde-Anschluß­ leitung ASL gebildeten Übertragungsstrecke ist ein durch eine strichpunktierte Linie angedeutetes Gerät 1 ange­ schlossen. Das Gerät 1 wird beispielsweise mit einer Span­ nung von 93 V über die Anschlußleitung ASL ferngespeist. An die Fernspeisung ist ein Stromversorgungsteil 2 ange­ schlossen, bei dem es sich beispielsweise um ein Schaltnetz­ teil handeln kann. Mit dem Stromversorgungsteil 2 sind eine Elektronik 3 und eine nur durch ein Kästchen angedeutete elektronische Schaltung 4 zur Erzeugung einer analogen Spannung verbunden. Das Stromversorgungsteil 2 liefert die Betriebsspannung für das Gerät 1 bzw. für die in dem­ selben vorhandenen aktiven Elemente. An die Schaltung 4 ist über eine Schaltungsanordnung 5 zur Durchschaltung einer analogen Spannung U ein externer Verbraucher 6 angeschlossen. Der Verbraucher 6 ist beispielsweise der Wecker eines Telefonapparates, der durch einen Kondensator C und einen Widerstand (Last) RL realisiert ist, die zusammen die Weckerimpedanz ZL bilden.

Die Schaltungsanordnung 5 ist in Fig. 2 genauer darge­ stellt. Sie wird im folgenden als Ausführungsbeispiel so erläutert, als ob eine analoge Wechselspannung an den Wecker eines Telefonapparates geschaltet werden soll. Die Schaltungsanordnung 5 wird dabei der Einfachheit halber als "Analogschalter 5" bezeichnet.

Der in Fig. 2 dargestellte, durch eine gestrichelte Linie umrandete Analogschalter 5 weist zwei Feldeffekt-Transis­ toren T 1 und T 2 - im folgenden kurz "Transistoren" genannt - auf, die jeder als Elektroden ein Gate (G), ein Drain (D) und eine Source (S) aufweisen. Die Transistoren T 1 und T 2 sind als MOSFETs (Metall-Oxid-Silizium-Feld-Effekt-Transis­ toren) ausgeführt. Derartige Transistoren haben zwischen Drain (D) und Source (S) einen durch eine parasitär vor­ handene, sogenannte "Substratdiode" gebildeten Strompfad, über den bei anliegender Spannung mit entsprechender Polarität Strom fließt. Die Substratdioden SD sind in Fig. 2 gestrichelt mit eingezeichnet.

Die beiden Transistoren T 1 und T 2 sind mit ihren Sources (S) miteinander verbunden. Sie liegen also in Gegenreihe. Die Gates (G) der beiden Transistoren T 1 und T 2 sind ebenfalls miteinander verbunden und über einen Steuertransistor T 3 mit einem Bezugspotential M verbunden, bei dem es sich bei­ spielsweise um "Masse" handelt. Auch der Steuertransistor T 3 ist vorzugsweise als MOSFET ausgebildet. An seiner Steuer­ elektrode (Gate) liegt eine Steuerspannung UST an. Der Steuer­ transistor T 3 kann auch als anderer Feldeffekttransistor oder als bipolarer Transistor ausgeführt sein.

Zwischen den Drains (D) und den Gates (G) der beiden Transis­ toren T 1 und T 2 ist jeweils eine Reihenschaltung aus einer Diode D 1 bzw. D 2 und einem ohmschen Widerstand R 1 bzw. R 2 angeschlossen. Mit dem Anschluß A 2 des Analogschalters 5 ist der Wecker eines Telefonapparates verbunden, der aus der durch einen Kondensator C und einen Widerstand RL (Last) gebildeten Impedanz ZL besteht.

Die Wirkungsweise des Analogschalters 5 nach Fig. 2 ist folgende:

Solange die Gates (G) der beiden Transistoren T 1 und T 2 an Masse M liegen, sind dieselben gesperrt, weil die Span­ nung zwischen G und S unterhalb der Schwellspannung (thresholdspannung) liegt. In diesem Fall ist der Steuer­ transistor T 3 leitend. Die an seiner Steuerelektrode liegende Steuerspannung UST liegt dann über der Schwell­ spannung.

Der Steuertransistor T 3 wird durch Veränderung der Steuer­ spannung UST gesperrt, wenn am Anschluß A 1 des Analog­ schalters 5 eine Spannung U anliegt, die durchgeschaltet werden soll. Dazu wird die Steuerspannung UST sehr klein, vorzugsweise auf den Wert "0", eingestellt. Durch die Sperrung des Steuertransistors T 3 wird wegen des Wider­ standes R 1 und der in Durchlaßrichtung liegenden Diode D 1 das Gate G vom Transistor T 1 gegen seine Source S vorge­ spannt. Die Spannung am Gate G wird dadurch gegenüber der Source S positiv und der Transistor T 1 wird stromdurch­ lässig. Es fließt dann ein Strom über den Strompfad des Transistors T 1 und die Substratdiode SD des Transistors T 2 zum Wecker ZL. Der Kondensator C wird aufgeladen.

Wenn die Spannung am Anschluß A 1 des Analogschalters 5 zusammenbricht, wird C zur Spannungsquelle. Durch die dann am Anschluß A 2 anliegende Spannung wird jetzt das Gate G des Transistors T 2 gegenüber seiner Source S vorgespannt, da jetzt die Diode D 2 in Durchlaßrichtung liegt. Der Transis­ tor T 2 wird leitend und es kann ein Strom über seinen Strom­ pfad und die Substratdiode SD des Transistors T 1 zum An­ schluß A 1 fließen.

Wenn keine Spannung mehr geschaltet werden soll, wird der Analogschalter 5 wieder geöffnet. Dazu wird die Steuerspan­ nung UST an der Steuerelektrode des Steuertransistors T 3 wieder auf einen über der Schwellspannung liegenden Wert erhöht. Der Steuertransistor T 3 wird dann wieder strom­ durchlässig und die zusammengeschalteten Gates G der beiden Transistoren T 1 und T 2 liegen wieder an Masse M.

Die Transistoren T 1 und T 2 sind im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel als N-Kanal-MOSFETs ausgeführt. Es wären bei umgekehrter Polung auch P-Kanal-MOSFETs verwendbar.

Bedingung für das Funktionieren des Analogschalters 5 ist, daß die zu schaltende Spannung U mit jedem Momentanwert positiver als das Bezugspotential - hier Masse M - ist.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Durchschalten einer elektrischen Spannung, unter Verwendung von zwei als MOSFETs ausgebildeten Feldeffekt-Transistoren, die jeder ein Gate, ein Drain und eine Source als Elektroden aufweisen, bei welcher die Strompfade der beiden Transistoren durch Verbindung ihrer Sources in Gegenreihe geschaltet sind, bei welcher die Gates der beiden Transistoren ebenfalls miteinander verbunden sind, bei welcher die zu schaltende Spannung zwischen einem Bezugspotential und dem Drain eines der beiden Transistoren anschließbar und zum Drain des anderen Transistors durchschaltbar ist und bei welcher die miteinander verbundenen Gates der beiden Transistoren in Abhängigkeit von der Größe einer Steuerspannung an das Bezugspotential anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen Drain (D) und Gate (G) der beiden Transistoren (T 1, T 2) jeweils eine Diode (D 1, D 2) und ein ohmscher Widerstand (R 1, R 2) in Reihe so angeschlossen sind, daß die Durchlaßrichtung der Diode (D 1, D 2) vom Drain (D) zum Gate (G) verläuft, und
• - daß zwischen den Gates (G) und dem Bezugspotential (M) ein Steuertransistor (T 3) mit seinem Strompfad angeschlossen ist, an dessen Steuerelektrode die Steuerspannung (UST) anschließbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuertransistor (T 3) als MOSFET ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuertransistor (T 3) als Feldeffekt­ transistor ausgebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuertransistor (T 3) als bipolarer Transistor ausgebildet ist.