DE2259257A1 - Verstaerkerschaltung - Google Patents
VerstaerkerschaltungInfo
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Description
' Verstärkerschaltung
l)ie Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung zum Verstärken
einer Spannung auf eine vorgegebene Größe, insbesondere
auf eine solche mit kleinen Abmessungen'für niedrige Steuerleistung
mit hoher Ausgangsspannung und hohem Wirkungsgrad.
Bisher sind mit einem Transformator ausgerüstete Verstärkerschaltungen
bekannt geworden, die" jedoch viel Platz beanspruchen-, so
daß sie als Speisequelle, die in einem kleinen Gerät wie einer elektronischen Armbanduhr untergebracht werden soll, nicht geeignet
sind. Bekannte Verstärkerschaltungen nach Art eines Spannungs*
verdopplers weisen hingegen einen schlechten Wirkungsgrad auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkerschaltung mit kleinen Abmessungen, mit einer hoher im slangsspannung und hohem
Wirkungsgrad zn schaffen. ·
BAD ORIGINAL
309 8 23/0855;
Außerdem soll eine kleinbemessene verstärkerschaltung geschaffen
werden, die insbesondere für einen Verbraucher mit niedriger Leistung und hoher Spannung, wie z.B. eine Anzeigetafel mit
i'lüssigkristallen geeignet ist.
Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung ist gekennzeichnet durch eine Speisespannungsquelle, eine Eingangsklemme, an die
eine Steuerspannung mit einem abwechselnd auftretenden ersten, und zweiten Spannungsniveau anlegbar ist, eine Vielzahl von
Kondensatoren, erste Schalter, um die Kondensatoren parallel zur Speisespannungsquelle zu schalten, wenn das erste Spannungsniveau der Steuerspannung an der Eingangsklemme liegt, einen VerstärkerausgangskondensaHor
und zweite Schalter zur Hintereinanderschaltung der Kondensatoren untereinander sowie mit dem Verstär-r
kerausgangskondensator und der Speisespannungsquelle, wenn das
zweite Spannungsniveau der Steuerspannung an der Eingangsklemme
liegt, so daß am Verstärkerausgangskondensator eine verstärkte Spannung erzeugt wird.
Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von zehn
i'iguren näher erläutert. Es zeigen
ii'ig. 1 ein Prinzipcchaltbild einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung,
i(lig. 2 ein weiteres Prinzipschal cbild,
Ji'ig. 3 ein Schaltbild einer ausführungcform einer erfindungsgeiüäßen
Verstärkerschaltung,
BAD ORIGINAL
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!Fig. 4 und 5 Diagramme, die die Zunahme der am Verstärkerausgangskondensator
abgegriffenen verstärkten Spannung in Abhängigkeit vom Eingangssignal zeigen,
Fig. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer
erfindungsgemässen Verstärkerschaltung,
Fig. 7 und 8 Ersatzschaltbilder, der Schaltung nach Fig. 6,
Fig. 9 ein Diagramm, das die Spannung an verschiedenen Stellen
der Schaltung nach Fig. 6 darstellt und '
Fig.10 eine Charakteristik, die die Eingangs- und Ausgangskennwerte
eines komplementären MOS-FET veranschaulicht, wie er bei vorliegender Erfindung eingesetzt wird.
BAD ORiGiMAL
82 3/.0.S5 5
Die i'ig. 1 und 2 stellen Prinzipschaltbildor der vorliegenden
findung dar. In tfig. 1 sind Kondensatoren C, die alle die gleiche
Kapazität aufweisen, parallel zu einer Spannungsquelle mit der
Spannung h geschaltet. Zusätzlich sind ein Lastwiderstand Rr und
ein Verstärkerausgaiigskondensator C mittels eines Schalters So/,
parallel an die Spannungsquelle anschaltbar. Wird, wie in l>'ig. 1
dargestellt, der behälter Sp ^ geöffnet, dann werden die parallel
geschalteten Kondensatoren C schnell bis zur Spannung h der Spannungsquelle
aufgeladen.
Werden die auf die bparmung L· aufgeladenen Kondensatoren C wie
in li'ig. 2 dargestellt richtig gepolt in jtteihe geschaltet, dann
liegt beim Schließen des Schalters b?^_ zunächst der Spannungsweat
am Verstärkerausgangskondensator C , nämlich die Summe der
Spannungen in den drei in Heine geschalteten Kondensatoren G und der Spannungsquelle des Verstärkers, iralls der Lastvjiderstand
R. einen hohen widerstandswert besitzt, v/ird die üpannung au Ver-
stärkerausgangskondensator C zu ττ— x M-, Unter dei· Voraus-
o \/'j υ + oq
setzung, daß der Wert des VerstarkerauEgangsKondensators O kleiner
als C/3 ist, viird die Si;annung am Verstärkeiausgangskondensator
auf ein Miveau angehoben, das größer als die Spannung "h der Spannungsquelle
des Verstärkers ist.
Bei dei· vorliegenden Erfindung wird das beschriebene Prinzip \erviirkiicht.
üie in i'ig. ~'j dargestellte Aucführungsiorh: einer cj·-
findungsgemäliexi versüäiicerschaltuiig enthält eine Steuerschaltung
3 IJ1? 823/0856 BAD ORIGINAL
31 aus einem Impulsgenerator PGG und einem Inverter ΙΉ für elektronische
Schalter S11, S12, S13, Q^, S15, S16, S31, S22, S35 und
Οολ» eine Spannungsquelle E, Kondensatoren G, einen Verstärkerausgangskondensator
G und einen Lastwiderstand E-..
W,enn vom Impulsgenerator PGG ein Signal "0" erzeugt wird, wird
von der Steuerschaltung: 3I mittels des Inverters ΙΉ ein Ausgangssignal
"1" (im folgenden als erstes Signal bezeichnet,) gebildet
und .an die Gates von MQS-FETs (Metalloxid-Feldeffekttransistoren)
Ö11' Ö12* S13* Si4r ^15 urL(3: Ö16 ^im folSeil(iei1 als erste i'EiDs bezeichnetj
gelegt, um jeweils die Verbindung zwischen Drain und Source der ersten i'ESs leitend zu machen. Gleichzeitig wird das
Signal "0" des Impulsgenerators PGG (man beachte, daß dies auch
das erste Signal der Steuerschaltung $1 ist) unmittelbar an MOS-U1M1S
S21, S22, S2^ und S2^, (im folgenden als zweite J1ETs bezeichnet)
angelegt, um jeweils die Verbindung zwischen Drain und Source dieser Feldeffekttransistoren zu unterbrechen. Hierdurch wird die
Schaltung gemäß Fig. 5 äquivalent zu der in Fig. 1 dargestellten
Schaltung, d.h. jeder der Kondensatoren G wird schnell auf die Spannung E der Spannungsquelle aufgeladen.
Wird das Ausgangssignal des Impulsgenerators PGG zu "1" (im folgenden
als zweites Signal bezeichnet), dann wechselt der Ausgangswerb
des Inverters IN auf "0". Hierdurch wird bei den ersten FETs
die Verbindung zwischen Drain und Source unterbrochen. Die zweiten FETs werden hingegen leitend. Somit wird in diesem Zustand die
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Schaltung gemäß JiIg. 3 äquivalent zur Schaltung nach Fig. 2, so
daß der Verstärkerausgangskondeiisator G aus den beim ersten Signal
aufgeladenen Kondensatoren und der Spannungsquelle E aufgeladen wird.
Anhand der Fig. 4 und 5 werden nun Betrachtungen über die Periode
des von der Steuerschaltung 31 gelieferten Signals angestellt.
Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, jeder Kondensator C von der Spannungsquelle E aufgeladen ist, d.h. wenn der elektronische .
Schalter S^^ geöffnet ist, entlädt sich der Ausgangskondensator
GQ mit der Zeitkonstante V^ * C χ B~ , wobei R. den Widerstandswert
des Lastwiderstandes bedeutet.
In dem zu Fig. 2 äquivalenten Schaltzustand, d.h. wenn der Schalter
So/^ geschlossen wird, lädt sich der Kondensator C mit der Ladezeitkonstante
t o « -J-J, ^- χ r auf. wobei r den gesamten Lei-
tungswiderstand der liOS-f'ß'I's bedeutet. &s sollte deshalb, um im
Normalzustand den Lastv/iderstand Rj die erforderliche verstärkte
Spannung zuführen zu können, die Periode der ersten und der zweiten Signale des Impulsgenerators PGG kurzer als die Summe aus der
Ladezeitkonstante fo und der Entladezeitkonstantef^ sein.
Wie in E'ig. 5 dargestellt, kann ein hoher Verstärkungsgrad verwirklicht
v/erden, wenn die Zeitdauer t,. des ersten Signals kleiner
gehalten wird als die Zeitdauer tp des zweiten Signals, um die
Zeitdauer t. kleiner als die i-ntladezeitkonutante Tx. zu machen.
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In Fig. 6 ist eine xveitere Aus führungs form einer erfindungs gemäß en
Verstärkerschaltung dargestellt. Die Schaltung enthält eine Spannungsquelle E als Speisequelle für komplementäre HOS-FETs TL, H2
und l'U zum Aufladen und Entladen von Kondensatoren C1, G0 und G-.
Schaltdioden D1, Dp und D7 werden leitend gesteuert, wenn die
Kondensatoren C., Cp und C7 aufgeladen werden und sperrend gesteuert,
wenn die Kondensatoren G.« G0 und C7 entladen werden und
der Ausgangskondensator C geladen wird.
Wird ein Schalter S mit einem Pol a verbunden, dann wird die Spannung der Spannungsquelle E an die Eingaiigsklemmen G., G0 und
G7 der komplementären HOS-FETs I\L, H2 μηά H5. angelegt, um die
P-Kanal HOS-FETs P^, P2 und P^ nicht leitend und die N-Kanal HOS-FETs
Ii1, N0 und N-, leitend zu steuern.
Als Folge hiervon v/erden drei Stromkreise gebildet, die von der positiven Klemme der Spamiungsquelle E über eine Schaltdiode
(D1, D2, D,),einen N-Kanal HOS-FET (N., N2, N7) zur negativen
Klemme der Spannungsquelle verlaufen, so daß die Kondensatoren C., C2 und C- auf die Spannung E aufgeladen werden können. Wenn
der Schalter S mit dem Pol a verbunden wird, wird ferner der Ausgangskondensator G über die Schaltdioden.D, und D. aus der
Spannungsquelle E aufgeladen. Folglich wird die Spannung, am
Ladekondenoator G nahezu gleich E, weil die Dioden D-, und D,.
, ο ο ·
nur einen sehr kleinen Durchlaßwiderstand aufweisen. Fig. 7 stellt
cijj au- satzschaltbild der Schaltung nach Ji ig. 6 im Auf lade zustand
da!* BAD ORIGINAL-
Wenn der Schalter S mit der Klemme b verbunden wird, wird der
P-Kanal hOS-PET P. des komplementären iiüS-ii'E'J.1 IL· leitend gesteuert,
während der H-Kanal M)S-I1El1 IJ. sperrend gesteuert wird, so daider
Ladekondensator CL mit der Spannungsquelle in lteihe geschaltet
wird. Gleichzeitig wird der P-Kanal FiOS-i'E'i1 P^ des komplementären
MOS-J?1 JiI1 M2 leitend gesteuert und der N-Kanal ΜΟΒ-ϊΈΤ N2 sperrend
gesteuert, so daß der Ladekondensator Cp in Beine zum Ladekondensator
C. und dem P-Kanal IiOS-FET P^ geschaltet wird. Entsprechendes
gilt für den P-Kanal M)S-PET P, und den N-Kanal M)S-PET M7.
des komplementären liOS-ϊΕΐ Ii7,, Eb wird ein Stromkreis gebildet,
der von der positiven Klemme der Spannungεquelle E über den P-Kanal
M)S-PET P., den Kondensator 0., den P-Kanal MOS-i'ET P,,, den
Kondensator C0, den P-Kanal HOü-i'ET P7, den Kondensator Cv, die
Schaltdiode Dy., den Verstärkerausgangskondensator C zur negativen
Klemme der Spannungsquelle E verläuft. Der Verstärkerausgangskondensator
C , die Spannungsquelle E und die Ladekondensatoren C^,
Cp und C7 sind somit in Heihe geschaltet. Der Verstärkerausgangskondensator
läßt sich nahezu auf die Summe der Spannungen der Kondensatoren C. bis Gy und der Spannungsquelle, d.h. auf die
Spannung 4-E aufladen.
8 zeigt das Ersatzschaltbild der Schaltung nach i'ig. 6 in
dem Zustand, in dem der Schalter S mit dem Pol b verbunden ist.
Es muß in diesem Zusammenhang bemerkt werden, daß, falls die K&pazität
des Verstärkerausgangskondensators C größer als die eines
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3 η Q 8 2 3/0855
- 9 ■ -
— Q —
der Ladekondensatoren C^, G2 und O7. ist;, die Spannung am Ausgangs-Icoiidfciicator
G den Wert 4-E nicht erreichen kann, wenn der Schalter
ij abwechselnd von a nach b geschwenkt wird.
'3b werden nun die Verhältnisse untersucht, wenn der Schalter S
ständig abwechselnd mit den Klemmen a und b verbunden wird. Wird
der »Schalter S mit der Klemme a verbunden, so gilt das in Pig. dargestellte Ersatzschaltbild. Demgemäß liegt an der Speiseklemme
V-JD1 des komplementären IuOb-S1ET fL· die Spannung E der Spannungsqueile.
Darüberhinaus werden die öpeiseklemmen V-^p un(3-komplementären
HOS-ü'E'i's Iu- und M7 mit der Ladespannung zum Aufladen
der KondensaUoren C^. und Cp beaufschlagt. Der Verstärkerausgangskondensator
C wird von der Spannungsquelle mit einer
Zieitkonstante aufgeladen, die durch den Durchlaßwiderstand der
Schaltdioden D„ und D^ und die Kapazität des Ausgangskondensators
bestimmt ist.
Wird der Schalter S mit der Klemme b verbunden, dann liegt an der
Speiseklemme V^,. des komplementären MOS-i'HD 11* die Spannung E.
An der Speiseklemme VDD2 des komplementären MOS-S'E'Ü M0 liegt die
Spannung der Spannungsquelle ü. und des Kondensators G. an. An der
Speiseklemme V.^,-, des komplementären MOS-ΡΕΐ M-, liegt die Summe
der Spannungen aus Spannungsquelle E und den Ladespannungen der Kondensatoren C. und G?. Die Spannung am Verstärkerausgangskondensator
G wird bestimmt durch die Kapazität der Kondensatoren Gy.,
Go und G7. und durch die Kapazität des Ausgangskondensators C
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- ίο -
Sie kann den Wert 4E selbst dann nicht erreichen, wenn die Durchlaß
spannung der Schaltdioden D. bis D. vernachläßigt werden könnte.
Wird der Schalter erneub mit der Klemme a verbunden, dann werden
die Speiseklemmen ν^τ,ο und V^-ηχ wieder an die Spannungsquelle E
gelegt, während die Speisekiemme Vp-jy. unverändert mit der Quelle
verbunden bleibt. Die Spannung am Verstärkerausgangskondensator vermindert sich so lange nicht, solange kein Verbraucher angeschlossen
ist. Wird der Schalter S wieder mit der Klemme b verbunden, dann ändern sich die Spannungen an den Speiseklemmen
jyp und Vj^-,,wie in i'ig. 9 dargestellt, so daß die Spannung am
Verstärkerausgangskondensator C ansteigt. Wird der Schalter S
wiederholt betätigt, dann nähert sich die Spannung Eq am Verstärkerausgangskondensator
0 dem Spannungswert 4-E.
In i'ig. 10 sind die Eingangs- und Ausgangskennlinien der komplementären
MOS-FEl1S dargestellt, wobei auf der Abszisse die Eingangsspannung der komplementären hOS-i'El's und auf der Ordinate deren
Au ε gang s spannung aufgetragen ist. ±|lig. 10 läßt erkennen, daß die
Eingangs- bzw. Steuerspannung zum Schalten der Komplementären MOS-J1ETs
umso größer ist, je größer die Speisespannung der komplementären
HOS-Ji1ETs ist.
Ist der Schalter S mit der Klemme b verbunden, dann ist der P-Kanal
HOS-EET P2 leitend und der N-Kanal hüS-i'ET Np nicht leitend.
1st der Schalter S Jedoch mit der Klemme a verbunden, dann ist
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der P-Kanal MOS-FET P^ nicht leitend, während der B-Kanal HOS-1''ET
i\L leitend ist. Die Spannung der Speiseklemme V-iyrp des komplementären
MOS-FET iU ändert sich zufolge der Charakteristik m.
der Fig. 10. Nachdem der N-Kanal MOS-FET Np. des komplementären
HÜb-FET lvip leitend gemacht ist, wird der komplementäre KOS-FEiD
h7 in gleicher Weise entsprechend der Kennlinie ταΛ gemäß Fig.
geschaltet.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind drei Ladekondensatoren
verwendet. Durch Anwendung von n-Xondensatoren und Schaltelementen
kann die Speisespannung um η + 1mal verstärkt werden. Wenn als
elektronische Schalter IiOS-FETs benutzt werden, wie bei .der erfindungsgemäßen
Ausführungsform, dann können bessere Ergebnisse erwartet werden, als mit üblichen bipolaren Transistoren. HOS-Jj1IuTs
erfordern nur eine kleine Steuerenergie, weil der Eingangsviiderstand
sehr groß ist. Darüberhinaus ist der Durchlaßwiderstarid
sehr klein, während der Sperrwiderstand sehr groß ist, so daß die Verlustleistung niedrig gehalten wird. Der Wirkungsgrad
des Verstärkers ist demzufolge extrem groß. Außerdem kann die Steuerung der Gates vorteilhafterweise mit einer niedrigen Spannung
erfolgen, weil die Gates mit Masse verbunden werden.
"Wie erwähnt, besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung in der
Anwendung von komplementären MOS-FETs zur Umschaltung der Verbindungen der Ladekondensatoren von einer Parallelschaltung in
eine Reihenschaltung zur Spannungsquelle, so daß das Umschalten nur eine geringe Energie erforderlich macht. BAD OR»
- 12 3 0 9823/0855
Die Erfindung ist ausserdem wegen der integrierten MOS-PETs, Dioden und Kondensatoren insbesondere für
kleinbemessene Verstaxkerschaltungen geeignet. Diese können vorteilhaft für Uhren verwendet werden, die mit
einer Flüssigkristall-Anzeige ausgestattet sind, da Flüssigkristalle einen extrem hohen Widerstand aufweisen.
BAD ORIGINAL
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Claims (4)
1. "ν ei ίί barker schaltung zuia Verstärken einer spannung auf eine
vorgegebene Gr'öise, gekennzeichnet durch
eine üpeisespannungsquelle (E), eine Eingangskieinme, an die
eine Steuerspannung mit einem abwechselnd auftretenden ersten und zweiten Spannungsniveau anlegbar ist, eine Vielzahl von
Kondensatoren (CJ, erste Schalter (Sx,^ bis S.,-) ,um die Konderißatoren
parallel zur Speinespahnurigcquelle zu schalten, wein das erste Spannungsniveau der Steuerspannung an der Eingangsklemme
liegt, einen Verstärkerausgangskondensator (C ) und zweiue Schalter (S0x. bis Sp^.) zur Hintereinanderschaltung
der Kondensatoren untereinander sowie mit dem Verstärkerausgangskondensator· (Ci jund der Speisespannurigsquelle, wenn das
zweite Spannungsniveau der Steuerspannung an der Eingangski emnie liegt, so daß am Versbärkerausgangskondensa"cqr eine
verstärkte Spannung erzeugt wird.
2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge-
Vc onnaeichnet , daß die Zeit, während der die Spannung
des ersten Signals an der Jiirigarigskleirime anliegt, kurzer ist
als die Entladezeitkonstante des Verstärkerausgangskondensators.
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3. Verstärkerschaltung nach Arispruch 1, dadurch g e k
e η η ζ e i c h η e t , daß die ersten und die zweiten
Schalter als ±''eldeff ekt transisboren ausgebildet sind.
4. Verstäiitersehalturig zum Verstärken einer ßparinurig auf eine
vorgegebene Größe, gekennzeichnet durch
eine Speisespannungsquelie (^) zum Anlegen einer Spannung an
die Speisekleminen eines ernten komplementären ii'eldeffektl'ransictors
(Im,,), feiner durch eine .bingangsklerume (Sj, die
an eine Gateelektrode (G,,) des komplementären i'eldel'fektl'ransisbors
angeschlossen ist, um die Ausgangsgröße des i'eldeffekb-Trarisistoi's
zu steuern, wobei an die Eingangsklemme
abwechselnd eine Spannung mit einem ersten und einem zweiten
lüvesiu angelegt wird, ferner gekennzeichnet durch eine Anzahl
von Kondensatoren (C. bis O7), von denen jeder parallel z\xr
kpeisespanriungsqueile liegb, um aufgeladen zu v/erden, wenn die
Spannung mit dem ernben Hl ν eau an die l!iingangkleimne angelegt
wird und die untereinander und mit der üpeisespannungsquelle
in Keine geschalteb sind, wenn die Spannung des zweiben !Niveaus
an die Eingangskieiiime taigeleg'ü wii-d und schließlich duixiti einen
Versl/ärkeiaus^angskondeiuuibor (C ), der mit den Kondensatoren
und der Speisespannungsciuolle in lieihe geschaltet isb, wenn
die Spannung mit dem zweiben !Niveau an die Eingangsklemme angelegt
ist, so daß aiii Verstäricerausgangskondensator eine verstärkte
Spannung erzeugt wird.
BAD ORIGINAL 3 0 f) 8 2 3 / 0 8 5 5
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