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Die vorliegende betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor und einem Messtransistor.
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Der Messtransistor dient in einer solchen Schaltungsanordnung zum Messen eines den Lasttransistor durchfließenden Laststromes. Der Messtransistor wird hierbei im selben Arbeitspunkt betrieben wie der Lasttransistor; ein den Messtransistor durchfließender Messstrom ist dann unmittelbar proportional zu einem den Lasttransistor durchfließenden Laststrom. Ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem Messstrom und dem Laststrom ist dabei bestimmt durch ein Verhältnis zwischen der aktiven Transistorfläche des Messtransistors und der aktiven Transistorfläche des Lasttransistors.
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Zur Einstellung des Arbeitspunktes des Messtransistors ist bei einer derartigen Schaltungsanordnung eine Regelschaltung vorhanden, die einen Messverstärker und einen in Reihe zu dem Messtransistor geschalteten einstellbaren Widerstand aufweist. Der Messverstärker dient dazu, eine Differenz zwischen elektrischen Potenzialen an Laststreckenanschlüssen des Last- und des Messtransistors zu erfassen und den Widerstandswert des Widerstands idealerweise so nachzuregeln, dass diese Potenzialdifferenz Null ist. Besitzt der Messverstärker einen Spannungsoffset, so kann dieser Offset die Einstellung des Arbeitspunktes des Messverstärkers, und damit die Strommessung negativ beeinflussen. Dieser Offset kann sich besonders bei kleinen Lastströmen, und damit bei kleinen Messströmen, negativ auswirken.
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Die
DE 10 2004 032 697 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung, die einen Laststrompfad mit einem Lasttransistor, einen ersten Messstrompfad mit einem Messtransistor, und eine Regelschaltung mit einem steuerbaren Widerstand aufweist. Die Regelschaltung ist dazu ausgebildet, den steuerbaren Widerstand abhängig von Potenzialen an Laststreckenanschlüssen des Lasttransistors und des Messtransistors anzusteuern. Ein den Messtransistor durchfließender Strom wird bei dieser Schaltungsanordnung mit einem von einer Referenzstromquelle gelieferten Referenzstrom verglichen.
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Es besteht die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor und einem Messtransistor zur Verfügung zu stellen, die eine zuverlässige Strommessung auch bei kleinen Lastströmen gewährleistet. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein Beispiel einer solchen Schaltungsanordnung umfasst: einen Laststrompfad mit einem Lasttransistor, der einen ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss und einen Steueranschluss aufweist; einen ersten Messstrompfad mit einem Messtransistor, der einen ersten und einen zweiten Laststreckenanschluss und einen Steueranschluss aufweist, dessen Steueranschluss an den Steueranschluss des Lasttransistors und dessen erster Laststreckenanschluss an den ersten Laststreckenanschluss des Lasttransistors gekoppelt ist; eine erste Regelschaltung, die einen steuerbaren Widerstand aufweist und die dazu ausgebildet ist, diesen Widerstand abhängig von elektrischen Potenzialen an den zweiten Laststreckenanschlüssen des Lasttransistors und des Messtransistors anzusteuern; einen zweiten Messstrompfad und eine zwischen den ersten und den zweiten Messstrompfad gekoppelte Stromspiegelschaltung; eine Deaktivierungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, die erste Regelschaltung abhängig von einem den Messtransistor durchfließenden Strom zu deaktivieren.
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Verschiedene Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Teile bzw. Bauelementzonen dargestellt. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor, einem Messtransistor, einer Regelschaltung, einer Stromspiegelschaltung und einer Deaktivierungsschaltung für die Regelschaltung.
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2 zeigt ein zweites Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor, einem Messtransistor, einer Regelschaltung, einer Deaktivierungsschaltung für die Regelschaltung und einer Stromspiegelschaltung.
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3 veranschaulicht ein erstes Realisierungsbeispiel der Stromspiegelschaltung.
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4 veranschaulicht ein erstes Beispiel der Deaktivierungsschaltung.
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5 veranschaulicht ein zweites Beispiel der Deaktivierungsschaltung.
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6 veranschaulicht im Detail Schaltungsblöcke der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung.
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7 veranschaulicht im Detail Schaltungsblöcke der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung.
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8 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Deaktivierungsschaltung.
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9 veranschaulicht ein Beispiel einer Überbrückungsschaltung und einer Strommessanordnung.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils Beispiele einer Schaltungsanordnung, die einen Lasttransistor 21 und einen Messtransistor 22 aufweist. Die in den 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen weisen jeweils gleiche Schaltungsblöcke bzw. Schaltungskomponenten auf, die in diesen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die in den 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen unterscheiden sich lediglich dadurch, dass der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 Transistoren eines ersten Leitungstyps und bei der Schaltungsanordnung gemäß 2 Transistoren eines zweiten Leitungstyps sind. Speziell sind der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 bei der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung n-leitende MOSFET und bei der Schaltungsanordnung gemäß 2 p-leitende MOSFET. Die MOSFET 21, 22 sind in dem Beispiel selbstsperrende MOSFET. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung von selbstsperrenden MOSFET als Lasttransistor 21 und Messtransistor 22 lediglich als Beispiel zu verstehen ist, dass auch selbstleitende MOSFET verwendet werden können und dass anstelle von MOSFET selbstverständlich auch Bipolartransistoren oder IGBT verwendet werden können.
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Der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 weisen jeweils einen Steueranschluss und einen ersten und einen zweiten Laststreckenanschluss auf. Bei den in den 1 und 2 dargestellten MOSFET bilden deren Gateanschlüsse G die Steueranschlüsse, deren Drainanschlüsse D die ersten Laststreckenanschlüsse und deren Sourceanschlüsse S die zweiten Laststreckenanschlüsse. Laststrecken des Lasttransistors 21 und des Messtransistors 22 verlaufen jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Laststreckenanschluss des jeweiligen Transistors.
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Die dargestellte Schaltungsanordnung kann zum Schalten einer elektrischen Last Z verwendet werden, die an den Lastanschluss 12 anschließbar ist. Die Laststrecke des Lasttransistors 21 ist hierzu zwischen einen Lastanschluss 12 der Schaltungsanordnung und eine Klemme für ein erstes Versorgungspotenzial geschaltet. Dieses erste Versorgungspotenzial ist bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 ein negatives Versorgungspotenzial GND bzw. ein Bezugspotenzial, wie z. B. Masse, und bei der Schaltungsanordnung gemäß 2 ein positives Versorgungspotenzial V+. Die Last Z ist zwischen den Lastanschluss 12 und eine Klemme für ein zweites Versorgungspotenzial (V+ in 1 und GND in 2) geschaltet.
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Der Steueranschluss G des Lasttransistors 21 ist an einen Ansteuereingang 11 der Schaltungsanordnung angeschlossen. Dieser Ansteuereingang 11 dient zur Zuführung eines den Lasttransistor 21 ansteuernden Schaltsignals. Zur Erzeugung dieses Schaltsignals kann an den Ansteuereingang 11 eine herkömmliche Ansteuer- bzw. Treiberschaltung angeschlossen sein (nicht dargestellt).
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Zwischen dem zweiten Laststreckenanschluss S des Lasttransistors 21 und der Klemme für das erste Versorgungspotenzial (GND in 1 und V+ in 2) ist ein Laststromwiderstand vorhanden, der in den 1 und 2 durch einen Ohmschen Widerstand 3 repräsentiert ist. Dieser Laststromwiderstand 3 resultiert aus unweigerlich vorhandenen Bahn- und Zuleitungswiderständen zwischen der Klemme für das erste Versorgungspotenzial und dem zweiten Laststreckenanschluss S des Lasttransistors 21. Der Lasttransistor 21 kann in herkömmlicher Weise in einem Halbleiterchip (die) integriert sein, der in einem Chipgehäuse (nicht dargestellt) angeordnet ist. Der Lasttransistor 21 ist in diesem Fall in bekannter Weise über Anschlussbeine des Chipgehäuses und über Bonddrähte, die zwischen den Anschlussbeinen und dem Halbleiterchip angeordnet sind, kontaktierbar. Der in den 1 und 2 dargestellte Laststrompfadwiderstand 3 umfasst insbesondere Ohmsche Widerstände von Metallisierungen, Bonddrähten und Anschlussbeinen.
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Entsprechende Laststrompfadwiderstände sind auch zwischen dem ersten Laststreckenanschluss D des Lasttransistors 21 und dem Lastanschluss 12 der Schaltungsanordnung vorhanden. Diese weiteren Laststrompfadwiderstände spielen allerdings für die weitere Betrachtung keine Rolle, so dass diese in den Figuren nicht dargestellt sind.
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Ein Schaltungszweig von dem Lastanschluss 12 über die Laststrecke des Lasttransistors 21 und den Laststromwiderstand 3 zu der Klemme für das erste Versorgungspotenzial (GND bzw. V+) wird nachfolgend als Laststrompfad der Schaltungsanordnung bezeichnet. Während des Betriebs der Schaltungsanordnung wird dieser Laststrompfad bei leitend angesteuertem Lasttransistor 21 von einem Laststrom IL durchflossen. Aus unterschiedlichen Gründen kann es erforderlich sein, diesen Laststrom IL zu messen. Eine solche Strommessung kann beispielsweise zur Regelung eines Stromes durch die Last Z oder zur Begrenzung eines die Last Z durchfließenden Stromes verwendet werden. Zur Strommessung kannte grundsätzlich ein Shunt-Widerstand verwendet werden, der in den Laststrompfad geschaltet ist. Die Verwendung eines solchen Shunt-Widerstands zur Strommessung ist im Hinblick auf die dadurch entstehende Verlustleistung allerdings nachteilig.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnung dient der Messtransistor 22 zur Messung des den Laststrompfad durchfließenden Laststromes IL. Der Steueranschluss G dieses Messtransistors 22 ist hierzu an den Steueranschluss G des Lasttransistors 21 gekoppelt, und der erste Laststreckenanschluss D dieses Messtransistors 22 ist an den ersten Laststreckenanschluss D des Lasttransistors 21 und damit an den Lastanschluss 12 der Schaltungsanordnung gekoppelt. Ein Strompfad von dem Lastanschluss 12 über die Laststrecke des Messtransistors 22 wird nachfolgend als erster Messstrompfad bezeichnet. Ein diesen ersten Messstrompfad während des Betriebs der Schaltungsanordnung durchfließender Strom Is1 wird nachfolgend als erster Messstrom bezeichnet.
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Werden der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 im selben Arbeitspunkt betrieben, so ist der den Messtransistor 22 durchfließende unmittelbar proportional zu dem den Lasttransistor 21 durchfließenden Laststrom IL. Ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem Laststrom IL und dem ersten Messstrom Is1 entspricht in diesem Fall dem Verhältnis zwischen der aktiven Transistorfläche des Lasttransistors 21 und der aktiven Transistorfläche des Messtransistors 22. Der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 können in nicht näher dargestellter Weise in einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert sein und jeweils eine Anzahl parallel geschalteter Transistorzellen (nicht dargestellt) aufweisen. Das Verhältnis zwischen der Anzahl der Transistorzellen, die der Lasttransistor 21 aufweist und der Anzahl der Transistorzellen, die der Messtransistor 22 aufweist, entspricht dann dem Verhältnis zwischen den aktiven Transistorflächen bzw. dem Verhältnis zwischen dem Laststrom IL und dem ersten Messstrom Is1.
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Die Schaltungsanordnung weist eine erste Regelschaltung 4 auf, die dazu ausgebildet ist, den Arbeitspunkt des Messtransistors 22 abhängig vom Arbeitspunkt des Lasttransistors 21 zu regeln. Diese erste Regelschaltung 4 weist einen steuerbaren Widerstand 42 und einen den steuerbaren Widerstand 42 ansteuernden Messverstärker 41 auf. Aufgabe des Messverstärkers 41 ist es, den steuerbaren Widerstand 42, der in dem dargestellten Beispiel in Reihe zu der Laststrecke des Messtransistors 22 geschaltet ist, derart anzusteuern, dass eine Spannungsdifferenz zwischen den elektrischen Potenzialen an den zweiten Laststreckenanschlüssen S des Lasttransistors 21 und des Messtransistors 22 Null ist. Beträgt diese Spannungsdifferenz Null, so befinden sich der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 im selben Arbeitspunkt. Der erste Eingang des Messverstärkers 41 ist zu diesem Zweck an den zweiten Laststreckenanschluss S des Lasttransistors 21 angeschlossen und der zweite Eingang des Messverstärkers 41 ist an den Laststreckenanschluss S des Messtransistors 22 angeschlossen. Der erste Eingang des Messverstärkers 41 ist der invertierende Eingang des Messverstärkers. Entsprechend ist der zweite Eingang der nicht-invertierende Eingang. Diese Art der Verschaltung des Messverstärkers 41 berücksichtigt die Art des verwendeten veränderlichen Widerstands 42. Der veränderliche Widerstand 42 ist in den dargestellten Beispielen jeweils ein Transistor, und zwar bei dem Beispiel gemäß 1 ein n-leitender Transistor, insbesondere ein n-MOSFET, und bei dem Beispiel gemäß 2 ein p-leitender Transistor, insbesondere ein p-MOSFET. Der Ausgang des Messverstärkers 41 ist an den Steuereingang dieses Transistors 42 angeschlossen, der nachfolgend auch als Regeltransistor bezeichnet wird.
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Der Regeltransistor 42 wird durch den Messverstärker 41 jeweils so weit aufgesteuert oder so weit abgeregelt, dass das elektrische Potenzial am zweiten Laststreckenanschluss S des Messtransistors 22 dem elektrischen Potenzial am zweiten Laststreckenanschluss S des Lasttransistors 21 entspricht. Der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 befinden sich dann im selben Arbeitspunkt.
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Grundsätzlich könnte der erste Messstrom Is1 mittels eines in den ersten Messstrompfad geschalteten Shunt-Widerstands unmittelbar erfasst werden. Der Widerstandswert des Shunt-Widerstands müsste in diesem Fall jedoch so gewählt werden, dass der Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand sicher kleiner ist als der durch den Laststrom IL bedingte Spannungsabfall über dem Laststrompfadwiderstand 3. Da man grundsätzlich bemüht ist, den Laststrompfadwiderstand 3 zur Reduktion der in der Schaltungsanordnung entstehenden Verlustleistung möglichst klein zu machen, ist der Spannungsabfall in diesem Laststromwiderstand 3 entsprechend klein, was dann auch für das an dem Shunt-Widerstand abgreifbare Messsignal gelten würde. Um die Amplitude eines den ersten Messstrom Is1 repräsentierenden Strommesssignals, bzw. den Signalhub eines solchen Strommesssignals bei einer gegebenen Änderung des Laststroms IL, unabhängig vom maximalen Spannungsabfall über dem Laststromwiderstand 3 einstellen zu können, ist eine Stromspiegelschaltung 6 vorgesehen, die zwischen den ersten Messstrompfad und einen zweiten Messstrompfad gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, den in dem ersten Messstrompfad Is1 fließenden Messstrom auf einen in einem zweiten Messstrompfad fließenden zweiten Messstrom Is2 abzubilden. Der zweite Messstrompfad verläuft von einem Messanschluss 13 der Schaltungsanordnung über die Stromspiegelschaltung 6 zu der Klemme für das erste Versorgungspotenzial (GND bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 und V+ bei der Schaltungsanordnung gemäß 2). Die Stromspiegelschaltung 6 kann eine herkömmliche Stromspiegelschaltung sein, die geeignet ist, den im ersten Messstrompfad fließenden Laststrom Is1 auf den im zweiten Messstrompfad fließenden zweiten Messstrom Is2 abzubilden. Das Abbildungsverhältnis der Stromspiegelschaltung 6 kann 1:1 sein. In diesem Fall entspricht der zweite Messstrom Is2 dem ersten Messstrom Is1. Das Abbildungsverhältnis bzw. Stromspiegelverhältnis kann sich jedoch auch von 1:1 unterscheiden. In diesem Fall ist der zweite Messstrom Is2 über das Abbildungsverhältnis bzw. Stromspiegelverhältnis des Stromspiegels 6 proportional zu dem ersten Messstrom Is1.
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Zwischen den Messanschluss 13 und die Klemme für das zweite Versorgungspotenzial (V+ bei der Schaltung gemäß 1 und GND bei der Schaltung gemäß 2) kann ein Strommesswiderstand Rs geschaltet werden. Ein Spannungsabfall über diesem Strommesswiderstand Rs ist – über den Widerstandswert des Messwiderstandes als Proportionalitätsfaktor – unmittelbar proportional zu dem zweiten Messstrom Is2 und – über das Abbildungsverhältnis der Stromspiegelschaltung 6 – unmittelbar proportional zu dem ersten Messstrom Is1.
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Bei der Schaltung gemäß 2 ist die Messspannung bzw. das Strommesssignal eine Spannung gegen Bezugspotenzial GND, und bei der Schaltung gemäß 1 eine Spannung gegen das positive Versorgungspotenzial V+. Anstatt den Messwiderstand RS bei der Schaltung gemäß 1 unmittelbar zwischen den Messanschluss 13 und das positive Versorgungspotenzial V+ zu schalten, besteht auch die Möglichkeit, an den Messanschluss 13 eine weitere Stromspiegelschaltung anzuschließen, die den zweiten Messstrom Is2 auf einen Strommesswiderstand abbildet bzw. spiegelt, der an Bezugspotenzial GND angeschlossen ist. Diese Variante ist in 1 gepunktet dargestellt. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet in 1 die weitere Stromspiegelschaltung.
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Die Schaltungsanordnung weist außerdem eine Deaktivierungsschaltung 7 auf, die dazu ausgebildet ist, die erste Regelschaltung 4 abhängig von dem den Messtransistor 22 durchfließenden ersten Messstrom Is1 dann zu deaktivieren, wenn dieser Messstrom Is1 einen vorgegebenen Stromschwellenwert unterschreitet. Die Deaktivierungsschaltung 7 wertet hierzu beispielsweise den zweiten Messstrom Is2 aus, der in erläuterter Weise unmittelbar zu dem ersten Messstrom Is1 in Beziehung steht. Die Deaktivierungsschaltung 7 erzeugt ein Deaktivierungssignal S7, das abhängig davon, ob der erste Messstrom Is1 unterhalb des Stromschwellenwertes liegt einen ersten oder einen zweiten Signalpegel annimmt. Eine Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 erfolgt durch dieses Deaktivierungssignal S7.
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Die Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 durch das Deaktivierungssignal S7 kann auf beliebige Weise erfolgen. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, abhängig von diesem Deaktivierungssignal S7 die Leitungsverbindung zwischen dem Messverstärker 41 und dem durch den Messverstärker 41 angesteuerten veränderbaren Widerstand zu unterbrechen, was schematisch in den 1 und 2 dargestellt ist. Alternativ könnte ein Schalter in Reihe zu dem veränderlichen Widerstand 42 geschaltet werden, der durch das Deaktivierungssignal S7 unterbrochen wird, wenn der erste Messstrom Is1 den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
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Um zu verhindern, dass bei deaktivierter Regelschaltung 4 der Strompfad in den ersten Messstrompfad unterbrochen ist, ist parallel zu dem veränderlichen Widerstand 42 eine Überbrückungsschaltung 5 vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, bei deaktivierter Regelschaltung 4 den den ersten Messstrompfad durchfließenden Messstrom Is1 zu übernehmen.
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Mögliche Beispiele der Überbrückungsschaltung 5, der Stromspiegelschaltung 6 sowie der Deaktivierungsschaltung 7 werden nachfolgend erläutert. Die nachfolgend erläuterten Schaltungsbeispiele basieren – mit Ausnahme des Beispiels in 7 – auf der Schaltungsanordnung gemäß 1, bei der Lasttransistor 21 und der Messtransistor als n-Kanal-MOSFET realisiert sind. Die nachfolgend erläuterten Beispiele gelten in entsprechender Weise auch für die Grundschaltung gemäß 2, bei der der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 p-Kanal-MOSFET sind. In diesem Fall sind die Versorgungspotenzialanschlüsse zu vertauschen und die in den nachfolgenden Beispielen erläuterten n-MOSFET sind jeweils durch p-MOSFET zu ersetzen.
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Bei dem in 3 dargestellten Beispiel weist die Überbrückungsschaltung 5 einen Ohmschen Widerstand 51 auf, der dauerhaft parallel zu dem einstellbaren Widerstand 42 der ersten Regelschaltung 4 geschaltet ist. Für einen Widerstandswert R51 dieses Widerstands gilt beispielsweise: R51 > k·R3(1)
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R3 bezeichnet dabei den Widerstandswert des Laststrompfadwiderstandes 3 und k bezeichnet das Verhältnis zwischen der aktiven Transistorfläche des Lasttransistor 21 und der aktiven Transistorfläche des Messtransistors 22. Durch diese Dimensionierung des Überbrückungswiderstands 51 ist sichergestellt, dass der Arbeitspunkt des Messtransistors 22 während des normalen Betriebs der Schaltungsanordnung auf den Arbeitspunkt des Lasttransistors 21 eingeregelt werden kann.
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Entsprechend des Laststrompfadwiderstandes 3 kann in Reihe zu der Laststrecke des Regeltransistors 42 ebenfalls ein ohmscher Widerstand vorhanden sei (nicht dargestellt), der beispielsweise durch Metallisierungen, Bonddrähte oder Anschlussbeine gebildet ist. Die zuvor erwähnte Regelung des Arbeitspunktes des Messtransistors 22 funktioniert, sofern ein Widerstandswert dieses Widerstandes kleiner ist als das k-fache des Laststrompfadwiderstandes 3, also kleiner ist als k·R3. Diese Bedingung kann einfach erfüllt werden, so dass keine weiteren Ausführungen hierzu erforderlich sind.
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Die Stromspiegelschaltung 6 weist bei dieser Schaltungsanordnung einen Stromspiegeltransistor 61 auf, der entsprechend des Regeltransistors 42 durch den Regelverstärker 41 angesteuert ist. Der Regeltransistors 42 und der Stromspiegeltransistor 61 können gleich dimensioniert sein. In diesem Fall wird der Stromspiegeltransistor 61 bei aktivierter erster Regelschaltung 4 vom gleichen Strom durchflossen, wie der Regeltransistor 42. Parallel zu dem Stromspiegeltransistor 61 ist ein Ohmscher Widerstand 62 geschaltet, so dass in der Stromspiegelschaltung 6 die gleiche Schaltungsstruktur vorhanden ist, wie sie im ersten Messstrompfad durch die parallele Schaltung des Regeltransistors 42 und des Überbrückungswiderstandes 51 vorhanden ist.
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Der parallel zu dem Stromspiegeltransistor 61 geschaltete Widerstand 62 wird nachfolgend als Stromspiegelwiderstand bezeichnet. Ein Widerstandswert dieses Stromspiegelwiderstands 62 kann so gewählt sein, dass er wenigstens annäherungsweise dem Widerstandswert des Überbrückungswiderstandes 51 entspricht, und zwar dann wenn der Regeltransistor 42 und der Stromspiegeltransistor 61 gleich dimensioniert sind. Sind der Regeltransistor 42 und der Stromspiegeltransistor 61 gleich dimensioniert, so entspricht ein den Regeltransistor 42 durchfließender Strom einem den Stromspiegeltransistor 61 durchfließenden Strom, wenn die erste Regelschaltung 4 aktiviert ist. Zur Regelung eines Stromes durch den Stromspiegelwiderstand 62 ist eine zweite Regelschaltung 63, 64 vorgesehen. Diese zweite Regelschaltung weist einen Messverstärker 63 und einen durch den Messverstärker 63 angesteuerten veränderlichen Widerstand 64 auf, der in dem Beispiel als Transistor realisiert ist. Der Messverstärker 63 vergleicht die elektrischen Potenziale an den dem ersten Versorgungspotenzial GND abgewandten Anschlüssen des Überbrückungswiderstandes 51 und des Stromspiegelwiderstandes 62 und regelt über den Regeltransistor 64 den Spannungsabfall über dem Stromspiegelwiderstand 62 so ein, dass er dem Spannungsabfall über dem Überbrückungswiderstand 51 entspricht. Sind der Überbrückungswiderstand 51 und der Stromspiegelwiderstand 62 annähernd gleich dimensioniert, so entspricht der den Stromspiegelwiderstand 62 durchfließende Strom wenigstens annähernd dem den Überbrückungswiderstand 51 durchfließenden Strom. Der im zweiten Messstrompfad fließende zweite Messstrom Is2 entspricht dann wenigstens annäherungsweise dem ersten Messstrom Is1. Die Parallelschaltung mit Stromspiegeltransistor 61 und dem Stromspiegelwiderstand 62 ist bei dieser Anordnung in Reihe zu dem Regeltransistor 64 in dem zweiten Messstrompfad verschaltet.
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Der Regeltransistor und der Stromspiegeltransistor müssen nicht notwendigerweise gleich dimensioniert sein sondern können unterschiedlich dimensioniert sein, wobei die Dimensionierung des Überbrückungswiderstandes 51 und des Stromspiegelwiderstandes 62 an die Dimensionierung des Regeltransistors 42 und des Stromspiegeltransistors 61 anzupassen sind. Sind der Regeltransistor 42 und der Stromspiegeltransistor 61 beispielsweise so dimensioniert, dass bei einer gegebenen Ansteuerspannung für das Verhältnis zwischen einem Strom durch den Regeltransistor 41 und einem Strom durch den Stromspiegeltransistor 61 1:n beträgt, so ist der Widerstandswert des Stromspiegelwiderstandes 62 so an den Widerstandswert des Überbrückungswiderstandes 51 anzupassen, dass bei einem gleichen Spannungsabfall über diesen Widerständen ein Verhältnis zwischen einem Strom durch den Überbrückungswiderstand 51 und einem Strom durch den Stromspiegelwiderstand 61 ebenfalls 1:n beträgt. Das Verhältnis zwischen dem zweiten und dem ersten Messstrom Is1, Is2 beträgt dann ebenfalls 1:n. Ein solches Stromverhältnis lässt sich erreichen, wenn die aktive Transistorfläche des Stromspiegeltransistors 61 das n-fache der aktiven Transistorfläche des Regeltransistors 41 beträgt und wenn der Widerstandswert des Stromspiegelwiderstands 62 das 1/n-fache des Widerstandswerts des Regeltransistors 41 beträgt.
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Der Messverstärker 63 der zweiten Regelschaltung 63, 64 kann offsetbehaftet sein. In diesem Fall regelt der Messverstärker die Spannungen V51, V62 über dem Überbrückungswiderstand 51 und dem Stromspiegelwiderstand nicht auf denselben Spannungswert sondern so, dass eine Spannungsdifferenz zwischen diesen Spannungen besteht. Diese Spannungsdifferenz entspricht einer Offsetspannung des Messverstärkers 63. Diese Spannungsdifferenz führt dazu, dass der Überbrückungswiderstand 51 und der Stromspiegelwiderstand von Strömen durchflossen werden, die nicht exakt im Verhältnis der Widerstandswerte dieser Widerstände 51, 62 zueinander in Beziehung stehen. Im Ergebnis stehen der erste und der zweite Messstrom Is1, Is2 ebenfalls nicht in dem gewünschten durch die Dimensionierungen der Transistoren 42, 61 und Widerstände 51, 62 gegebenen Verhältnis zueinander. Ein negativer Einfluss des Offsets, der einige mV betragen kann, auf die Strommessung ist um so größer, je kleiner der Spannungsabfall über dem Stromspiegelwiderstand 62 ist, je kleiner also die Messströme Is1, Is2 sind.
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Sinkt bei der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung der zweite Messstrom Is2 unter einen vorgegebenen Schwellenwert ab, so deaktiviert die Deaktivierungsschaltung 7 die erste Regelschaltung 4 mit dem Regeltransistor 42 und damit auch den Stromspiegeltransistor 61. Der erste Messstrom Is1 wird dann durch den Überbrückungswiderstand 51 übernommen, und der Stromspiegelwiderstand 62 übernimmt den zweiten Messstrom Is2. Die Spannung V62 über dem Stromspiegelwiderstand 62 steigt dadurch an, wodurch sich die Auswirkungen eines Spannungsoffset des Messverstärkers 63 auf den Strom durch den Stromspiegelwiderstand 62 verringern. Da der Messtransistor 22 bei deaktivierter erster Regelschaltung 4 nicht mehr im selben Arbeitspunkt wie der Lasttransistor 21 betrieben wird, gilt die zuvor erläuterte Proportionalität zwischen erstem Messstrom Is1 und Laststrom Il bei deaktivierter erster Regelschaltung 4 nicht mehr. Der durch die fehlende Regelung der Arbeitspunkte bei kleinen Lastströmen verursachte Fehler ist allerdings geringer, als der Fehler bzw. die Unsicherheit bezüglich des Messergebnisses, die durch den Offset des Verstärkers 63 bei kleinen Lastströmen verursacht wird.
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Ein Abschalten der Regelschaltung 42, und damit auch des Stromspiegeltransistors 61, bewirkt, dass sich der in Reihe zu dem Messtransistor 22 und der in Reihe zu dem zweiten Regeltransistor 64 geschaltete Widerstand vergrößert, und zwar durch Abschalten eines der Zweige der Parallelschaltungen mit dem Regeltransistor 42 und dem Überbrückungswiderstand 51 einerseits und mit dem Stromspiegeltransistor 61 und dem Stromspiegelwiderstand 62 andererseits.
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Bei den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen wertet die Deaktivierungsschaltung 7 den zweiten Messstrom Is2 aus, um dadurch den den Messtransistor 22 durchfließenden ersten Messstrom Is1 zu ermitteln und dadurch abhängig von diesem ersten Messstrom Is1 das Deaktivierungssignal S7 zu erzeugen. Die Ermittlung des zweiten Messstromes Is2 durch die Deaktivierungsschaltung 7 kann auf beliebige herkömmliche Weise erfolgen. Der Deaktivierungsschaltung 7 kann hierzu das am Messeingang 13 zur Verfügung stehende Messsignal zugeführt sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, in dem zweiten Messstrompfad einen Shunt-Widerstand vorzusehen, die Spannung über diesem Shunt-Widerstand zu erfassen und die so erhaltene Spannung der Deaktivierungsschaltung 7 zuzuführen.
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Bei Vorsehen einer Stromspiegelschaltung 6 wie sie anhand von 3 erläutert wurde, besteht bezugnehmend auf 4 auch die Möglichkeit, der Deaktivierungsschaltung 7 die Ansteuerspannung des Regeltransistors 64 der zweiten Regelschaltung 63, 64 als Eingangssignal zuzuführen. Der den Regeltransistor 64 durchfließende zweite Messstrom Is2 ist über die Transistorkennlinie dieses Transistors unmittelbar abhängig von der Ansteuerspannung dieses Transistors. Eine Auswertung dieser Ansteuerspannung ermöglicht damit unmittelbar eine Auswertung des zweiten Messstromes Is2. Um auszuwerten, ob der zweite Messstrom Is2 unter einen vorgegebenen Schwellenwert absinkt, ist dabei lediglich auszuwerten, ob die Ansteuerspannung unter einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert absinkt, der über die Transistorkennlinie des Regeltransistors 64 in Beziehung zu dem Stromschwellenwert steht.
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Bezugnehmend auf 5 ist bei einem weiteren Beispiel zur Ermittlung des den ersten Messtransistor 22 durchfließenden Stromes Is1 vorgesehen, der Deaktivierungsschaltung 7 die Ansteuerspannung, d. h. in dem dargestellten Beispiel die Gate-Source-Spannung, des ersten Messtransistors 22 als Eingangssignal zuzuführen. Der den Messtransistor 22 durchfließende erste Messstrom Is1 steht hierbei über die Transistorkennlinie des Messtransistors 22 unmittelbar in Beziehung zu dieser Ansteuerspannung. Die Deaktivierungsschaltung 7 ist bei diesem Beispiel dazu ausgebildet, den ersten Regelverstärker 4 über das Deaktivierungssignal S7 zu deaktivieren, wenn die Ansteuerspannung des Messtransistors 22 unter einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert absinkt, der über die Transistorkennlinie des Messtransistors 22 zu dem Stromschwellenwert des ersten Messstroms Is1 in Beziehung steht.
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Ein weiteres Beispiel einer Deaktivierungsschaltung 7 ist in 6 dargestellt. Diese Deaktivierungsschaltung ist ähnlich der anhand von 4 erläuterten Stromspiegelschaltung 6 aufgebaut und weist einen ersten Transistor 72, der durch den Regelverstärker 41 der ersten Regelschaltung 4 angesteuert ist, sowie einen parallel zu diesem ersten Transistor 72 geschalteten ersten Widerstand 73 auf. Der erste Transistor 72 ist beispielsweise entsprechend des Stromspiegeltransistors 61 dimensioniert, und der erste Widerstand 73 ist beispielsweise entsprechend des Stromspiegelwiderstandes 62 dimensioniert. Die Transistoren 72, 61 und die Widerstände 73, 62 können jedoch auch unterschiedlich dimensioniert sein, wobei die Dimensionierung so erfolgen sollte, dass allgemein die aktiven Transistorflächen der Transistoren 61, 72 im Verhältnis 1:m und die Widerstandswerte der Widerstände 62, 73 im Verhältnis m:1 zueinander stehen, so dass die Ströme durch die Transistoren 61, 72 im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die Ströme durch die Widerstände 62, 73.
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In Reihe zu der Parallelschaltung mit dem ersten Transistor 72 und dem ersten Widerstand 73 ist eine Stromquelle 76 geschaltet, die einen Referenzstrom Iref liefert. In Reihe zu der Stromquelle 76 und der Parallelschaltung mit dem ersten Transistor 72 und dem ersten Widerstand 73 ist eine Last 74 geschaltet, die in dem Beispiel als zweiter Transistor 74 – gleichartig zu dem zweiten Regeltransistor 64 – realisiert ist, der als Diode verschaltet ist, indem dessen Drainanschluss an dessen Gateanschluss angeschlossen ist. Die Deaktivierungsschaltung 7 weist außerdem einen Komparator 75 auf, der die elektrischen Potenziale an dem Steueranschluss des Regeltransistors 64 der zweiten Regelschaltung 63, 64 sowie dem Gateanschluss des zweiten Transistors 74 vergleicht und der abhängig von diesem Vergleich das Deaktivierungssignal S7 erzeugt. Zur Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 ist in dem dargestellten Beispiel ein dritter Transistor 71 vorgesehen, der zwischen den Ausgang des Messverstärkers 41 und das erste Versorgungspotenzial GND geschaltet ist. Dieser dritte Transistor 71 ist durch das Deaktivierungssignal S7 leitend oder sperrend angesteuert. In leitendem Zustand setzt dieser dritte Transistor 71 die Ansteuerspannung des Regeltransistors 42 zu Null und deaktiviert dadurch die erste Regelschaltung 4. In entsprechender Weise deaktiviert der dritte Transistor 71 in leitend angesteuertem Zustand auch den Stromspiegeltransistor 61 sowie den ersten Transistor 72 der Deaktivierungsschaltung 7.
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Das Deaktivierungssignal S7 wird bei der in 6 dargestellten Deaktivierungsschaltung derart erzeugt, dass ein Deaktivierungspegel dieses Deaktivierungssignals S7 einem High-Pegel entspricht. Ein solcher Deaktivierungspegel des Deaktivierungssignals S7 wird in dem dargestellten Beispiel durch den Komparator 75 dann erzeugt, wenn das elektrische Potenzial an dem Steueranschluss des dritten Transistors 74 über den Wert des elektrischen Potenzials am Steueranschluss des Regeltransistors 64 ansteigt. Dies ist jeweils dann der Fall, wenn der zweite Messstrom Is2 unter den Wert des Referenzstroms Iref absinkt bzw. wenn der zweite Messstrom Is2 unter einen Wert absinkt, der dem 1/m-fachen des Referenzstroms Iref entspricht, wenn für die Transistoren 61, 72 und die Widerstände 62, 73 die zuvor allgemein erläuterte Dimensionierung gilt.
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Anstatt die elektrischen Potenziale an den Ansteueranschlüssen des Regeltransistors 64 und des dritten Transistors 74 zu vergleichen, besteht alternativ auch die Möglichkeit, die elektrischen Potenziale an Schaltungsknoten in dem zweiten Messstrompfad der Deaktivierungsschaltung zu vergleichen, die zwischen dem Regeltransistor 64 und der Parallelschaltung des Stromspiegeltransistors 61 und des Stromspiegelwiderstands 62 einerseits und dem zweiten Transistor 74 sowie der Parallelschaltung mit dem ersten Transistor 72 und dem ersten Widerstand 73 der Deaktivierungsschaltung 7 liegen.
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7 zeigt eine Stromspiegelschaltung 6 sowie eine Deaktivierungsschaltung 7, wie sie anhand von 6 erläutert wurde, für die Grundschaltung gemäß 2, bei der der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 jeweils p-Kanal-MOSFETs sind. Die zuvor für das Beispiel gemäß 6 gemachten Ausführungen gelten entsprechend für das Beispiel gemäß 7.
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8 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, bei der zur Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 ein Umschalter 71 vorgesehen ist, der abhängig von dem Deaktivierungssignal S7 derart umschaltet, dass bei aktivierter erster Regelschaltung 4 der erste Messstrom Is1 durch den steuerbaren Widerstand 42 fließt, und bei deaktivierter erster Regelschaltung 4 über die Überbrückungsschaltung 5 fließt. Die Überbrückungsschaltung 5 weist entsprechend der Ausführungen zu 3 beispielsweise einen Ohmschen Widerstand auf. Die Stromspiegelschaltung 6 und die Deaktivierungsschaltung 7 können entsprechend der bisherigen Ausführungen realisiert werden. Werden diese Stromspiegelschaltung 6 und die Deaktivierungsschaltung 7 gemäß der Ausführungen zu 6 realisiert, so ist in der Stromspiegelschaltung 6 und der Deaktivierungsschaltung 7 ebenfalls ein durch das Deaktivierungssignal S7 gesteuerter Umschalter vorzusehen, und zwar in der Stromspiegelschaltung 6 zwischen dem Stromspiegeltransistor 61 und dem Stromspiegelwiderstand 62, und in der Deaktivierungsschaltung 7 zwischen dem ersten Transistor 72 und dem ersten Widerstand 73.
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9 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, bei der abhängig von dem Deaktivierungssignal S7 zwischen dem Regeltransistor 42 und der Überbrückungsschaltung 5 umgeschaltet wird. Die Überbrückungsschaltung 5 weist in diesem Beispiel einen Schalter 52 auf, der in dem Beispiel als Transistor realisiert ist und der in Reihe zu einem optional vorhandenen Überbrückungswiderstand 51 geschaltet ist. Dieser Schalter 52 und ein Schalter zur Deaktivierung der Regelschaltung 4 sind durch das Deaktivierungssignal S7 komplementär zueinander angesteuert, so dass bei Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 der Schalter 52 eingeschaltet und damit der Überbrückungsstrompfad aktiviert wird. Zur Ansteuerung des Schalters 52 der Überbrückungsschaltung 5 dient in dem Beispiel ein Inverter, dem das Deaktivierungssignal S7 als Eingangssignal zugeführt ist. Der Schalter 71 zur Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 kann entsprechend der Erläuterungen zu 6 durch einen Transistor realisiert sein.
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Die Stromspiegelschaltung 6 umfasst bei diesem Beispiel einen ersten Stromspiegeltransistor 67, der entsprechend des Regeltransistors 42 über den Messverstärker 41 angesteuert ist.
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Dieser erste Stromspiegeltransistor 67 ist insbesondere entsprechend dem Regeltransistor 42 dimensioniert, so dass der erste Stromspiegeltransistor 67 bei aktivierter erster Regelschaltung 4 von dem gleichen Strom wie der Regeltransistor 42 durchflossen wird. Die Stromspiegelschaltung 6 umfasst außerdem einen Stromspiegel mit einem zweiten und einem dritten Stromspiegeltransistor 68, 66. Der zweite Stromspiegeltransistor 68 ist dabei in Reihe zu der Überbrückungsschaltung 5 geschaltet und dient dazu, bei aktivierter Überbrückungsschaltung 5 den die Überbrückungsschaltung 5 durchfließenden Strom auf den dritten Stromspiegeltransistor 66 abzubilden, der parallel zu dem ersten Stromspiegeltransistor 67 geschaltet ist. In Reihe zu dem dritten Stromspiegeltransistor 66 ist optional ein weiterer Schalter 65 geschaltet, der entsprechend dem Schalter 52 in der Überbrückungsschaltung 5 angesteuert ist. Auf diesen weiteren Schalter 65 kann auch verzichtet werden, denn bei deaktiviertem Schalter 52 in der Überbrückungsschaltung 5 wird der zweite Stromspiegeltransistor nicht von einem Strom durchflossen, so dass auch durch den dritten Stromspiegeltransistor 66 kein Strom fließt. Die Parallelschaltung mit dem ersten und dritten Stromspiegeltransistor 67, 66 der Stromspiegelschaltung 6 ist zwischen den Messeingang 13 und das erste Versorgungspotenzial GND geschaltet.