DE9215735U1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Mehrfachsteuerspannungen für Mosfet-Widerstände - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Mehrfachsteuerspannungen für MOSFET-Widerstände

Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen, die zur Erzeugung von Mehrfachsteuerschaltungen geeignet sind, welche beispielsweise für MOSFET-Widerstände benutzt werden.

Es sind Schaltungsanordnungen oder Geräte unter Verwendung integrierter Schaltungen bekannt, bei denen Schaltungsparameter sich in gesteuerter Weise zur Kompensation von sich ändernden Eingangssignalen verändert werden müssen. Beispielsweise müssen Wiederholverstärker in Fernsprechanlagen an unterschiedliche Leitungslängen angepaßt sein, d.h. unterschiedliche Abstände zwischen Wiederholverstärkern. Die Amplitude des regenerierten Signals hängt vom Abstand zwischen den Verstärkern ab, und die Schaltungen, die das Signal regenerieren, müssen unterschiedliche Leitungslängen kompensieren. Als weiteres Beispiel zeigt das beim Lesen von einer Magnetplatte direkt gewonnene Signal in typischer Weise Schwankungen sowohl der Impulsform als auch der Amplitude. Die Schaltung zur Verarbeitung dieses Signals muß dann in der Lage sein, diese Schwankungen zu kompensieren und zu korrigieren. Der häufig bei den beschriebenen Beispielen sowie in weiteren Fällen geänderte Parameter zur Kompensation solcher Schwankungen ist ein Widerstandswert.

Eine häufige Wahl für einen veränderbaren Widerstand ist der Source-Drain-Widerstand eines MOS-Feldeffekttransistors, der im Triodenbereich arbeitet. In diesem Bereich verhält sich der Feldeffekttransistor angenähert wie ein linearer Widerstand, dessen Wert eine Funktion der Gatespannung ist. Der Bereich der Gatespannung wird am oberen Ende durch die Versorgungsspannung und am unteren Ende durch die minimale Steuerspannung (oberhalb der Schwellenwertspannung) begrenzt, die erforderlich ist, um das Bauteil im Triodenbereich zu halten. Dadurch wird der Bereich von Widerstandswerten, der durch den Transistor verwirklicht werden kann, begrenzt. Ein typischer Bereich entspricht tatsächlich nur einem Faktor von Drei. Für viele Anwendungsfälle muß der Widerstand jedoch über einen großen Bereich verändert werden, beispielsweise über eine Größenordnung oder mehr. Das ist wesentlich größer als der lineare Bereich eines einzelnen Feldeffekttransistors. Dieser große Anforderungsumfang ergibt sich aus der Tatsache, daß der Widerstand nicht nur Eingangsschwankungen kompensieren muß, sondern auch seine eigenen Veränderungen aufgrund von Verarbeitungs- und UmgebungstemperaturSchwankungen.

Eine Möglichkeit zur Vergrößerung des Bereichs verfügbarer Widerstandswerte besteht in der Parallelschaltung einer Vielzahl von Transistoren. Die Transistoren haben unterschiedliche Größe und unterschiedliche Steuerspannungen, d.h. sie schalten bei unterschiedlichen Spannungen ein. Die individuellen Steuerspannungen werden aus einer einzigen Spannung abgeleitet. Wenn diese Spannung ansteigt, schaltet der erste Transistor ein, und sein äquivalenter Widerstandswert nimmt ab, bis er die durch die maximale Gate-Treibspannung bestimmte Grenze erreicht. An diesem Punkt schaltet der zweite Transistor ein, und der beschriebene Vorgang wiederholt sich.

Die gerade beschriebene Schaltung mit parallelen Transistoren arbeitet jedoch nur dann richtig, wenn glatter Übergang von einem Transistor zum nächsten stattfindet. Das heißt, ein Transistor sollte an dem Punkt einschalten, an dem der Widerstandswert des vorhergehenden Transistors einen Grenzwert erreicht. Das ist dann möglich, wenn die Übergänge im wesentlichen unabhängig von der Bauelementverarbeitung und der Betriebstemperatur sind. Dies erfordert wiederum, daß die einzelnen Steuerspannungen für jeden Transistor richtig erzeugt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wird ein veränderbarer Widerstand mit einer Vielzahl parallelgeschalteter Feldeffekttransistoren mit je einer Gate-Elektrode und einer Einrichtung zur Erzeugung von Steuerspannungen für jeden Feldeffekttransistor geschaffen. Der Widerstandswert wird durch den Source-Drain-Widerstand der Transistoren gebildet. Die Einrichtung zur Erzeugung von Steuerspannungen wird durch eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren dargestellt, die je ein zwischen eine Source-Elektrode und ein Bezugspotential geschaltetes, stromführendes Element gebildet sowie ferner eine Übertragungsschaltung, wobei die Source-Elektrode wenigstens eines Transistors mit der Übertragungsschaltung verbunden ist, und eine Einrichtung zur Erzeugung einer Bezugsspannung mit der Übertragungsschaltung verbunden ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das stromführende Element eine Impedanz. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Element ein Widerstand. Der Widerstand wird beispielsweise in integrierten Schaltungen verwendet.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Schaltung unter Verwendung parallel geschalteter

Feldeffekttransistoren zur Erzeugung eines veränderbaren Widerstandes,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Schaltung zur Erzeugung geeigneter Steuerspannungen für parallel geschaltete Feldeffekttransistoren,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Schaltung zur Erzeugung geeigneter Steuerspannungen für parallel geschaltete Feldeffekttransistoren.

Die Erfindung soll zunächst anhand eines besonderen Ausführungsbeispiels beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt einen ersten, zweiten und dritten Feldeffekttransistor Ml, M2 und M3, die parallelgeschaltet sind. Die Feldeffekttransistoren Ml, M2 und M3 bilden eine Vielzahl erster, parallel geschalteter Feldeffekttransistoren. An die Gate-Elektrode der Transistoren Ml, M2 und M3 sind Steuerspannungen Vl, V2 und V3 angelegt. Die Steuerspannungen werden durch einen Steuerspannungsgenerator CVD mit einer Eingangsspannung Vacc erzeugt. Die drei Transistoren schalten bei unterschiedlichen Werten von Vagc ein, wobei der Transistor Ml die niedrigste und der Transistor M3 die höchste Einschaltspannung besitzen. Der Transistor Ml schaltet zuerst ein, und seine Leitfähigkeit nimmt zu, bis er gesättigt ist. An etwa diesem Punkt schaltet der Transistor M2 ein, und wenn er gesättigt ist, schaltet der Transistor M3 ein und so weiter. Die Transistoren müssen am richtigen Punkt einschalten, und dies erfordert geeignete Steuerspannungen. Der Fachmann ist ohne Schwierigkeiten in der Lage, die Transistoren mit geeignet ausgewählten Einschaltspannungen herzustellen.

Eine zur Erzeugung der Steuerspannungen Vl, V2 und V3 brauchbare Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Schaltung besitzt drei Stromquellentransistoren M4, M5 und M6 sowie drei stromführende Elemente, die als Widerstandselemente Rl, R2 und R3 dargestellt sind. M4, M5 und M6 bilden eine zweite Vielzahl von Transistoren. Die Widerstandselemente sind jeweils mit einem einzelnen Transistor verbunden. Sie sind an eine Source-Elektrode und ein Bezugspotential angeschaltet, wie gezeigt. Außerdem sind die Spannungen Vagc und Vdd dargestellt. Die Steuerspannungen Vl, V2 und V3 werden von der Source-Elektrode der Transistoren M4, M5 und M6 abgenommen. Sie werden an die Gate-Elektroden der ersten Vielzahl von Transistoren angelegt. Zwei Senkenströme i und ii werden durch Transistoren M9 und M8 erzeugt und den Transistoren M5 bzw. M6 zugeführt. Die Transistoren M7, M8 und M9 erzeugen in Verbindung mit einem Operationsverstärker (OA) und dem Widerstand R4 die beiden Senkenströme, derart, daß gilt: i = (V_ref - Vt)/R4 .

Das Verhältnis der Breite zur Länge für die Kanäle der Transistoren M7, M8 und M9 beträgt 1:2:1. Der Operationsverstärker OA und der Widerstand R4 bilden eine Übertragungsschaltung. Die Senkenströme werden aus der Spannung Vref und dem Widerstand R4 abgeleitet. Die Widerstandselemente können entweder passive oder aktive Elemente sein. Nominell sind die Widerstandswerte gleich, d.h. Rl = R2 = R3 = R4 = R.

Die Betriebsweise der Schaltung läßt sich leicht erklären. Die Spannung Vagc nimmt von Null aus zu und übersteigt die Schwellenspannungen der Transistoren M4, M5 und M6. Diese schalten ein und führen zu Anfang den gleichen Strom. Der Strom vom Transistor M4 fließt vollständig über den Widerstand Rl, so daß die Spannung Vl ansteigt. Die Ströme von den Transistoren M5 und M6 werden jedoch zu Anfang durch

deren Senkenströme absorbiert. Die Spannungen V2 und V3 bleiben daher auf dem Bezugswert Vt. Gegebenenfalls steigt die Spannung Vl über den Wert Vref an, wenn der Strom über den Transistor M4 den Wert (Vref - Vt)/R übersteigt. An diesem Punkt übersteigt der Strom über den Transistor M5 ebenfalls den Wert (Vref - Vt )/R. Jedes weitere Ansteigen der Spannung Vagc führt zu einem in den Widerstand R2 fließenden Strom. Dies bewirkt, daß V2 ansteigt, obwohl V3 auf Vt bleibt. An dem Punkt jedoch, an dem V2 den Wert Vref übersteigt, wäre der Strom über den Transistor M6 größer als 2 (Vref - Vt)/Vr . Dies erzwingt einen Stromfluß über R3, und V3 steigt an.

Unter der Voraussetzung, daß Vref konstant ist und die Transistoren und Widerstände aneinander angepaßt sind, bleibt die Beziehung zwischen den Einschaltpunkten der Transistoren Ml, M2 und M3 unabhängig vom Absolutwert der Schaltungsparameter. Demgemäß ist der Betrieb des Steuerspannungsgenerators unabhängig von Betriebs- und UmgebungstemperaturSchwankungen.

Der Fachmann wird geeignete Werte für Vref wählen. Wenn Vref nahe an Vdd (maximale Spannung im System) gewählt wird, dann ist scheinbar keine Überlappung zwischen den drei Abschnitten der Gesamtübertragungskurve (Vagc über dem gesamten äquivalenten Widerstand der Kombination von Ml, M2 und M3) vorhanden. Das bedeutet, daß der Transistor M2 (M3) erst dann zu leiten beginnt, wenn der Transistor Ml (M2) vollständig eingeschaltet ist. Wenn Vref etwas weniger als Vdd gewählt wird, dann beginnt der Transistor M2 (M3) zu leiten, bevor der Transistor Ml (M2) vollständig eingeschaltet hat. Eine solche Wahl von Vref stellt eine kontinuierliche Gesamtübertragungskurve (Vermeidung toter Zonen) sicher.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die stromführenden
Elemente als Leitwerte dargestellt. Es ist eine Vielzahl von Leitwerten gm1, gm2, gm 3 , gm 4 und gm5 vorhanden, wobei gm1 = gm 2 = gm 3 = g_m4 sind, und gm 5 = 2 gm 4 ist. Die

Übertragungsschaltung weist ebenfalls einen Leitwert auf. Die Betriebsweise der Schaltung ist für den Fachmann
verständlich. Änderungen des beschriebenen

Ausführungsbeispiels können vom Fachmann vorgenommen werden. Beispielsweise sind zwar drei Transistoren dargestellt, es
können aber zwei oder mehrere Transistoren verwendet werden.

Claims (6)

Schutzansprüche

1. Veränderbarer Widerstand,
gekennzeichnet durch

eine Vielzahl erster, parallel geschalteter Feldeffekttransistoren (z. B. Ml, M2 , M3) mit je einer Gate-Elektrode, wobei der Widerstandswert des veränderbaren Widerstandes durch die Source-Drain-Widerstandswerte der Feldeffekttransistoren (Ml, M2, M3) gebildet wird, eine Einrichtung (CVG) zur Erzeugung von Steuerspannungen für jeden ersten Feldeffekttransistor (Ml, M2, M3), die eine Vielzahl zweiter Feldeffekttransistoren (z. B. M4, M5, M6) und zwischen Source-Elektroden von zweiten Feldeffekt-transistoren (M4, M5, M6) und eine Bezugsspannung (Vt) geschaltete, stromführende Bauelemente (z. B. Rl, R2, R3) aufweist, wobei die Source-Elektroden von zweiten Feldeffekttransistoren (M4, M5, M6) mit den Gate-Elektroden von ersten Feldeffekttransistoren (Ml, M2, M3 ) verbunden sind,

eine Stromübertragungsschaltung (z. B. OA, R4), wobei die Source-Elektrode wenigstens eines zweiten Feldeffekttransistors (M4, M5, M6) mit der

Stromübertragungsschaltung (OA, R4) verbunden ist, und eine Einrichtung zur Erzeugung einer Bezugsspannung (Vref), die mit der Stromübertragungsschaltung verbunden ist.

2. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 1,

bei dem die stromführenden Elemente (z. B. Rl, R2, R3) einen Widerstand umfassen.

3. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 2,

bei dem die Einrichtung zur Erzeugung von Steuerspannungen einen glatten Einschaltübergang für die Vielzahl erster, parallel geschalteter Feldeffekttransistoren bereitstellt.

4. Integrierte Schaltung,
gekennzeichnet durch

eine Vielzahl erster, parallel geschalteter Feldeffekttransistoren (z. B. Ml, M2, M3) mit je einer Gate-Elektrode, wobei die Source-Drain-Widerstände der Feldeffekttransistoren (Ml, M2, M3) einen veränderbaren Widerstand bilden,

eine Einrichtung (CVG) zur Erzeugung von Steuerspannungen für jeden ersten Feldeffekttransistor (Ml, M2, M3), die eine Vielzahl zweiter Feldeffekttransistoren (M4, M5, M6) und zwischen Source-Elektroden von zweiten Feldeffekttransistoren (M4, M5, M6) und eine Bezugsspannung (Vt) geschaltete, stromführende Bauelemente (z. B. Rl, R2, R3) aufweist, wobei die Source-Elektroden von zweiten Feldeffekttransistoren (M4, M5, M6) mit den Gate-Elektroden von ersten Feldeffekttransistoren (Ml, M2, M3) verbunden sind,

eine Stromübertragungsschaltung (z. B. OA, R4), wobei die Source-Elektrode wenigstens eines zweiten Feldeffekttransistors mit der Stromübertragungsschaltung verbunden ist, und

eine Einrichtung zur Erzeugung einer Bezugsspannung (Vref ), die mit der Stromübertragungsschaltung verbunden ist.

5. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4,

bei der die stromführenden Elemente (z. B. Rl, R2, R3) einen Widerstand aufweisen.

6. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, bei der die Einrichtung zur Erzeugung von Steuerspannungen einen glatten Einschaltübergang für die Vielzahl erster parallel geschalteter Feldeffekttransistoren bereitstellt.