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Dokumentenidentifikation DE10024980B4 23.03.2006
Titel Verfahren zum Schalten von Transistoren bei kleinen Spannungen
Anmelder ATMEL Germany GmbH, 74072 Heilbronn, DE
Erfinder Bruhnke, Michael, Dipl.-Ing., 80809 München, DE
DE-Anmeldedatum 19.05.2000
DE-Aktenzeichen 10024980
Offenlegungstag 22.11.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse H03K 17/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03K 17/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines definierten elektrischen Potentials an einem Schaltungsknoten.

Bei elektrischen Schaltungsanordnungen, die keine eigene Stromversorgung besitzen, muß die Energie durch ein äußeres elektromagnetisches Feld zugeführt werden. Im Fall von schwacher Kopplung können nur kleine Mengen an Energie übertragen werden. Eine innenliegende Schaltungsanordnung darf dann nur einen geringen Stromverbrauch aufweisen, weshalb für derartige Schaltungsanordnungen vorzugsweise MOS-Transistoren verwendet werden. Sinkt die Versorgungsspannung jedoch unter die Schwellspannung der MOS-Transistoren, werden diese schnell sehr hochohmig. Besonders in Kombination mit noch geladenen Kondensatoren besteht die Möglichkeit, daß bei niedrigen Temperaturen noch mehrere Minuten nach dem Abschalten der Versorgungsspannung an den zugehörigen Knotenpunkten Ladungen verbleiben und bei erneutem Einschalten der Versorgungsspannung sich deshalb bei der Schaltung kein definierter Anfangszustand einstellt. Die Schaltung weist dann eine sogenannte Totzeit auf. Besonders im Bereich der kontaktlosen Identifikation-Systeme, die aus einer Basisstation und einem Transponder (z.B. Chipkarte oder Schlüssel) bestehen, behindert diese Totzeit die Kommunikation zwischen Basisstation und Transponder. Bei diesen Systemen wird der Transponder im allgemeinen aus dem elektromagnetischen Wechselfeld der Basisstation mit Energie versorgt. Reicht die induzierte Spannung im Transponder für den Betrieb der innenliegenden Schaltung aus, führt diese einen sogenannten Power-On-Reset (POR) aus. Da insbesondere im Automobilbereich für den gesamten Authentifizierungsprozeß eine Zeitspanne von maximal 150ms zur Verfügung steht, ist eine Totzeit möglichst zu vermeiden, im Fall von schwacher Kopplung kann die Versorgungsspannung des Transponders stark schwanken. Als Folge werden in kurzen Zeitabständen mehrere POR Signale erzeugt, damit die Kommunikation zwischen Basiseinheit und Transponder ohne Zeitverlust ablaufen kann. Ziel der Entwicklungen in diesem Gebiet ist es, nach Lösungen zu suchen, die eine Totzeit der Schaltungsanordnungen verhindern oder zumindest wesentlich verringern.

Firmenintern bekannt ist eine Schaltungsanordnung für einen Transponder, bei der nach dem Einschalten des äußeren Feldes das POR-Signal auf " High" gesetzt wird, sobald die Versorgungsspannung oberhalb der Schaltspannung der verwendeten MOS-Transistoren liegt. Des weiteren wird ein Kondensator geladen, wobei dessen Ladezeit die Dauer der "high"-Phase des POR Signals bestimmt, d.h. ab einer bestimmten Spannungshöhe am Kondensator wird das POR Signal auf "low" geschaltet und die Transponderschaltung kann mit dem Authentifizierungsprozeß beginnen. Sinkt die Versorgungsspannung unter die Schaltspannung ab, wird der Kondensator nur durch die Leckströme entladen. Erst wenn die Spannung am Kondensator ebenfalls unter die Schaltspannung abgesunken ist, kann bei erneutem Einschalten der Versorgungsspannung ein POR erfolgen.

Nachteil des bisherigen Verfahrens ist es, daß die Schaltung erst dann ein POR ausführen kann, wenn der Kondensator durch die Leckströme entladen ist. Da diese bei niedrigen Temperaturen sehr gering sind, erhöht sich die Totzeit der Schaltung. Bei schwankender Versorgungsspannung wird dann der Authentifizierungsprozeß stark verzögert. Eine dauernde Entladung des Kondensators über einen Widerstand ist nachteilig, da sich damit die Stromaufnahme der Schaltungsanordnung auch während des Betriebs erhöht, und die Kommunikationsreichweite zwischen Basisstation und Transponder verringert.

In der Internationalen Patentanmeldung WO 98/50859 ist eine Power-On-Reset-Schaltungsanordnung vorgesehen, die in der Lage ist, Störungen zu detektieren. Die Schaltungsanordnung weist ein Schaltelement zum Schalten eines Referenzpotentials auf einen Schaltknoten auf, wobei zur Ansteuerung dieses Schaltelements ein Speicherelement vorgesehen ist. Dieses Speicherelement wird über eine Versorgungsspannungsquelle und eine Transistordiode aufgeladen. Zum Ein- und Ausschalten dieses Schaltelementes ist ein Transistor vorgesehen, der über die Versorgungsspannung schaltbar ist. Dieser Transistor ist auch dann einschaltbar, sofern die Versorgungsspannung unter die Schaltschwelle dieses Transistors fällt, da in diesem Falle der Transistor über dessen Gate-Source-Spannung eingeschaltet wird und somit auch in diesem Betrieb, d.h. bei einer sehr niedrigen Versorgungsspannung, das Speicherelement zum Schalten des ausgangsseitigen Schaltelementes verwendet werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der sich auch nach dem Absinken der Versorgungsspannung unter eine Schaltspannung definierte Potentialbedingungen an Schaltungsknoten einstellen lassen, ohne dadurch den Ruhestromverbrauch der Schaltung zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die sich einfach und kostengünstig herstellen läßt.

Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. 3 gelöst. Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Hiernach besteht das Wesen der Erfindung darin, Ladungen an den Knotenpunkten einer Schaltung sehr schnell abzubauen, sobald die Versorgungsspannung unter die Schaltspannung der verwendeten Transistoren absinkt. Hierzu wird nach dem Absinken der Versorgungsspannung unter die Schaltspannung ein Schaltelement von einer Steuereinheit angesteuert. Das Schaltelement verbindet dann den Schaltungsknoten mit einem Referenzpotential, vorzugsweise Massepotential. Die zum Ansteuern notwendige Energie wird dabei von einem Speicherelement bereitgestellt, insbesondere bei den sehr hochohmigen MOS-Schaltungen im Transponderbereich, bei denen die Spannungsversorgung induktiv erfolgt, haben die Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren definierte Anfangsbedingungen auch bei mehrmaligem kurz aufeinander folgendem Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung erreichen lassen. Die Totzeit nach einem POR wird erheblich reduziert und die Temperaturabhängigkeit der Totzeit wesentlich verringert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand den Zeichnungen 1 bis 3 dargestellt und erläutert. Es zeigen:

1 Ein Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

2 Eine erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von MOS-Transistoren,

3 Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzeugung einer kurzen Totzeit bei einer POR-Schaltung für einen Transponder.

Das Blockschaltbild in 1 zeigt dabei eine allgemeine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Um Ladungen von einem Knotenpunkt K1, der Teil einer Schaltungsanordnung sein soll, abzuführen, ist dieser über ein Schaltelement E mit einem Bezugspotential, beispielsweise mit dem Massepotential verbunden. Des weiteren ist der Eingang des Schaltelementes E mit der Steuereinheit ST verbunden, die ihrerseits mit einem Kondensator als Speicherelement SP und der Versorgungsspannung VS verbunden ist. Auch weist die Steuereinheit ST einen Signaleingang S1 auf, über den sie gesteuert werden kann. Aufgabe der Steuereinheit ST ist es, sobald eine Versorgungsspannung VS anliegt, die größer als die Schaltspannung der in der Steuereinheit ST verwendeten Transistoren ist, das Speicherelement SP aufzuladen, wobei anstelle des dargestellten Kondensators auch eine aufladbare Batterie verwendet werden kann. Während dieser Phase wird, wie in der 1 gezeigt, das Schaltelement E, beispielsweise ein MOS-Transistor, nicht angesteuert, d.h. es besteht zwischen dem Knotenpunkt K1 und dem Massepotential keine leitende Verbindung. Sinkt nun die Versorgungsspannung VS unter die Schaltspannung VE des Schaltelementes E, wird von der Steuereinheit ST die Energie des Kondensators SP dazu benutzt, um das Schaltelement E derart anzusteuern, daß eine leitende Verbindung zwischen dem Schaltungsknoten K1 und dem Massepotential hergestellt wird. Die Ansteuerzeit des Schaltelementes E ist dabei von der Kapazität des Speicherelementes SP abhängig, d.h. bei Verwendung eines MOS-Transistors als Schaltelement E wird dieser solange am Gate angesteuert, wie die Spannung am Speicherelement SP dessen Schwellspannung übersteigt. Da bei einer Versorgungsspannung VS oberhalb der Schaltspannung VE keine Verbindung zwischen dem Knoten K1 und dem Bezugspotential besteht, wird der Knoten K1 in diesem Zustand nicht durch einen zusätzlichen Stromfluß belastet.

Die 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung für das in 1 abgebildete Blockschaltbild. Die Schaltungsanordnung, die beispielsweise in einer CMOS-Technologie implementiert ist, besteht aus der Schaltung der Steuereinheit ST, aus einem Kondensator C1 als Speicherelement und aus einem Transistor T1 als Schaltelement, der den Schaltungsknoten K1, der Teil einer weiteren Schaltungsanordnung sein soll, mit dem Massepotential verbindet. Angesteuert wird die Steuereinheit ST mit einem Eingang K2, an dem ein digitales Signal S1 anliegt. Der Eingang K2 ist mit den Gateanschlüssen eines ersten und eines zweiten Transistor T3, T4 verbunden. Beide Transistoren T3, T4 sind in einer Reihenschaltung zwischen der Versorgungsspannung VS und dem Massepotential angeordnet. Der Ausgang des Transistors T3 ist über einen als spannungsabhängige Diode geschalteten Transistor T5 mit einem Knoten K3, an dem der Transistor T4 anliegt, verbunden. Des weiteren liegt zwischen dem Knoten K3 und dem Massepotential der Kondensator C1. Ferner ist der Knoten K3 durch einen Transistor T2, dessen Gateanschluß an der Versorgungsspannung VS liegt, von einem Knoten K3a, der den Ausgang der Steuereinheit ST bildet, getrennt. Zusätzlich ist der Ausgang über einen hochohmigen widerstand R1 mit Masse verbunden.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise der Schaltungsanordnung von 2 erläutert, die in Abhängigkeit des Eingangssignals S1 und der Höhe der anliegenden Versorgungsspannung VS den Knoten K1 mit dem Massepotential verbindet oder trennt.

Ist die Versorgungsspannung VS größer als die Schwellspannung der verwendeten MOS-Transistoren und liegt am Eingang K2 ein "low"-Pegel an, wird der Kondensator C1 von dem Transistor T4 auf Massepotential gehalten. Springt das Signal S1 auf "high", wird der Kondensator über die Transistoren T3, T5 nahezu auf die Höhe der Versorgungsspannung VS geladen. Ferner trennt der Transistor T3 den Knoten K3 vom Knoten K3a. Damit wird das Gate des Transistors T1 durch den sehr hochohmigen Widerstand R1 auf Massepotential geklemmt und trennt seinerseits den Knoten K1 von dem Massepotential.

Sinkt die Versorgungsspannung VS, ist es Aufgabe des Transistors T5 sehr schnell zu sperren und damit eine Entladung des Kondensators C1 zu verhindern. Fällt die Versorgungsspannung VS unter die Schaltspannung VE, auch Schwellspannung genannt, der verwendeten Transistoren ab, wird T2 leitend und die Spannung des Kondensators C1 liegt am Gate des Transistors T1 an. Dieser verbindet in der Zeit t, die durch das Dimensionierungsverhältnis des Widerstandes R1 und des Kondensators C1 bestimmt wird, den Knoten K1 mit dem Massepotential. Ladungen, die sich am Knoten K1 befinden, werden damit nach Masse hin abgeführt. Insgesamt beschränkt sich der Stromverbrauch der Schaltung im wesentlichen auf das Laden des Kondensators C1. Damit ist diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Anwendungen ohne eigene Stromversorgung besonders vorteilhaft, um an besonders hochohmigen Schaltungsknoten definierte Potentialbedingungen beim Wiedereinschalten der Versorgungsspannung vorzufinden.

In der 3 ist eine POR-Schaltung als weitere Schaltungsanordnung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben, um bei einer Transponderschaltung eine kurze Totzeit (reset-recovery-time) nach der Ausführung eines POR zu erreichen. Hierzu wurde in der aus dem TEMIC Semiconductor Datenbuch S.352 und S.353 bekannten POR-Schaltung, eine Steuereinheit ST gemäß 2 und weitere Bauelemente, wie beispielsweise den Kondensator C1, integriert. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform der Steuereinheit ST konnte auf den Transistor T2 und den Widerstand R1 verzichtet werden. Damit stellt der Knoten K3 den Ausgang der Steuereinheit ST dar, welcher direkt mit dem als Schaltelement E verwendeten Transistor T1 verbunden ist. Ferner wurde in der vorbekannten POR-Schaltung ein Transistor T7 und ein dazu parallel geschalteter komplementärer Transistor T8 hinzugefügt. Diese trennen den Knoten K1 von dem Knoten K2. Während das Gate des Transistors T7 mit dem Ausgang POR der POR-Schaltung verbunden ist, ist das Gate des Transistors T8 an den Knoten K6 und an einen mit dem Massepotential verbundenen Kondensator C2 angeschlossen. Des weiteren wird dem Gate eines eingefügten Transistors T9, der den Knoten K2 mit Massepotential verbindet, durch einen ebenfalls zusätzlich eingefügten Inverter INV4, das invertierte Ausgangssignal NPOR zugeführt.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise der Schaltungsanordnung von 3 erläutert, die in Abhängigkeit des digitalen POR-Ausgangssignals und der Höhe der anliegenden Versorgungsspannung VS den Knoten K1 mit dem Massepotential verbindet oder trennt. Dabei läßt sich zwischen dem Zustand 1, unmittelbar nach dem Einschalten der Versorgungsspannung VS, dem Zustand 2, der nach einer Ladezeit t1 erreicht wird und dem Zustand 3, der sich durch das Abschalten der Versorgungsspannung VS ergibt, unterscheiden.

Im Zustand 1 ist die Versorgungsspannung VS immer größer als die Schaltspannung VE der Transistoren. Damit wird Kondensator C3 über den in Reihe liegenden Widerstand R3, wobei die Reihenschaltung zwischen dem Knoten K2 und dem Massepotential angeordnet ist, von den in einer Reihenschaltung zwischen der Versorgungsspannung VS und dem Schaltungsknoten K2 liegenden Transistoren T10, T11 bis zur Spannung V1 = VS – Schaltspannung, im allgemeinen ± 0.7 Volt, geladen. Die Ladezeit t1 des Kondensators C3 bestimmt sich durch die Größe des Widerstandes R2 und dessen Kapazitätswert. Zu Beginn der Ladephase des Kondensators C3 liegt der Knoten K2 auf Massepotential. Gleichzeitig wird der Knoten K1, der den Schalteingang der Inverterkette INV1-INV3 darstellt, mit dem Knoten K2 durch die Transistoren T7, T8 verbunden. Durch den Kondensator C2 am Gate von Transistor T8 wird eine Verlängerung der Ansteuerzeit für den Transistor T8 erreicht. Über die Inverterkette wird in dem Zeitraum t < t1 das POR-Signal auf "high" geschaltet. Damit wird am Eingang der Steuereinheit ST (Knoten K7) durch den Transistor T4 erreicht, daß der Kondensator C1 entladen wird. Der Transistor T1 ist wie der Transistor T6 gesperrt. Des weiteren wird vom Inverter iNV4 aus dem POR-Ausgangssignal das disjunkte Signal NPOR gebildet, welches den Transistor T9 sperrt. Damit bleibt der Knoten K2 im Zustand 1 vom Massepotential getrennt.

Im Zustand 2, dessen Eintrittszeitpunkt sich im wesentlichen aus der Ladezeit t1 bestimmt, ist die Schaltschwelle der Inverterkette erreicht und das POR-Ausgangssignal wird auf "low" geschaltet. Während der Transistor T8 verzögert durch den Kondensator C2 geöffnet wird, wird der Transistor T7 sofort geöffnet, d.h. der Knoten K2 wird vom Knoten K1 potentialmäßig getrennt. Gleichzeitig wird von dem Signal NPOR durch den entsprechend dimensionierten Transistor T9 der Knoten K2 auf Massepotential gezogen, während der Knoten K1 von dem Transistor T6, der zwischen Versorgungsspannung VS und dem Knoten K1 angeordnet ist, auf Versorgungsspannung VS geklemmt wird, da dessen Gate mit dem invertierten Eingangssignal der Inverterkette angesteuert wird. Die Steuereinheit ST lädt nun den Kondensator C1 über die Transistoren T3, T5. Damit beginnt T1 zu leiten, wobei das Dimensionierungsverhältnis von T6, T1 so gewählt wird, daß der Knoten K1 nahe an dem Versorgungspotential VS verbleibt, ohne daß ein merklicher Stromfluß durch die Transistoren T6, T1 stattfindet.

Im Zustand 3 bei abgeschalteter Versorgungspannung sinkt, die Spannung sehr schnell unter die Schaltschwelle der Transistoren. Während der Knoten K2 bereits in der Nähe des Massepotential gehalten wird und damit fast entladen ist, geschieht dies bei dem Knoten K1 erst durch die Spannung am Kondensator C1. Diese hält den Transistor T1 auch nach dem Absinken der Versorgungsspannung VS im leitenden Zustand. Damit werden die Ladungen am Knoten K1 zur Masse hin abgeleitet. Auch bei mehrmaligen Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung VS innerhalb von kurzen Zeitabständen, läßt sich keine Totzeit der POR-Schaltung feststellen. Die Ansprechzeit der gesamten Schaltungsanordnung des Transponders reduziert sich auf Werte im Bereich weit unterhalb einer Sekunde und ist unabhängig von der Temperatur. Durch den niedrigen zusätzlichen Stromverbrauch wird auch die Kommunikationsentfernung zwischen dem Transponder und der Basisstation nicht verringert.


Anspruch[de]
  1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines definierten elektrischen Potentials an einem Schaltungsknoten (K1) in einer elektronischen Schaltung durch das Schalten wenigstens eines elektrischen Schaltelementes (E) mit einer Reihenschaltung aus zwei komplementären, zwischen einem Versorgungspotential (VS) und dem Massepotential angeordneten ersten Transistoren (T3, T4), wobei

    – die Steuereingänge der beiden ersten Transistoren (T3, T4) mit einer Signalleitung (S1) verbunden sind,

    – zum Laden oder Entladen eines Kondensators (C1) die Ausgänge der ersten Transistoren (T3, T4) mit dem Kondensator (C1) verbunden sind,

    – die Ausgänge der ersten Transistoren (T3, T4) über einen zweiten Transistor (T2), dessen Steuereingang mit dem Versorgungspotential (VS) verbunden ist, mit dem Steuereingang eines dritten Transistors (T1), der das Schaltelement (E) darstellt, verbunden sind, und

    – der dritte Transistor (T1) den Schaltungsknoten (K1) mit dem Massepotential verbindet.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang des dritten Transistors (T1) über einen hochohmigen Widerstand (R1) mit dem Massepotential verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Power-on-Resets mittels eines definierten elektrischen Potentials an einem Schaltungsknoten (K1) in einer elektrischen Schaltung durch das Schalten wenigstens eines elektrischen Schaltelements (E),

    • indem eine Reihenschaltung aus zwei komplementären Transistoren (T3, T4) die zwischen der Versorgungsspannung (VS) und dem Massepotential liegen, vorgesehen ist, wobei

    • die Steuereingänge der beiden Transistoren (T3, T4) mit einer Signalleitung (S1) verbunden sind,

    • zum Laden oder Entladen des Kondensators (C1) die Ausgänge der beiden Transistoren (T3, T4) mit dem Kondensator (C1) verbunden sind,

    die Ausgänge der Transistoren (T3, T4) mit dem Steuereingang eines weiteren Transistors (T1), der das Schaltelement (E1) darstellt, verbunden sind, und der Transistor (T1) den Schaltungsknoten (K1) mit dem Massepotential verbindet.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Diode ausgebildeter vierter Transistor (T5) vorgesehen ist, der zur Verringerung des Querstromes in der Reihenschaltung der ersten Transistoren (T3, T4) am Ausgang des mit dem Versorgungspotential (VS) verbundenen Transistors (T3) vorgesehen ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem dritten Transistor (T1) in Reihe liegender fünfter Transistor (T6) vorgesehen ist, der den Schaltungsknoten (K1) mit dem Versorgungspotential (VS) verbindet.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsknoten (K1) zur Reduzierung des Stromverbrauchs über mindestens einen sechsten Transistor (T7, T8) mit einem weiteren Schaltungsknoten (K2) verbunden ist.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Schaltungsknoten (K2) über einen siebten Transistor (T9) mit dem Massepotential verbunden ist.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (E) und die Transistoren (T1–T9) als MOS-Transistoren ausgebildet sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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