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  • 法律状态
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    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung einergeregelten Betriebsspannung füreinen Datenträger(1) mit einem Eingang (2) füreine Eingangsspannung (Vin), einem NMOS-Längsregeltransistor(3), der mit einem ersten Lastanschluss (4) mit dem Eingang (2)verbunden ist und an einem zweiten Lastanschluss (5) einen Ausgangfür diegeregelte Betriebsspannung (VCC) bildet, und einer Ladungspumpenschaltung(6) zur Bereitstellung einer gegenüber der Eingangsspannung (Vin) erhöhtenund von der Betriebsspannung (VCC) abhängigen Ansteuerspannung (VST) fürden Steueranschluss (7) des Längsregeltransistors(3). Die Schaltungsanordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dassdie Ladungspumpenschaltung (6) einen ersten und einen zweiten Abgriff(8, 9) aufweist, wobei der erste Abgriff (8) mit dem Steueranschluss (7)verbunden ist und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abgriff(8, 9) mindestens eine zusätzlicheLadungspumpenstufe angeordnet ist und dass eine Steuerschaltung(10, 11) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, die geregelte Betriebsspannung(VCC) auf das Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes zu überwachenund bei Unterschreiten des Schwellwertes den zweiten Abgriff (9)mit dem Steueranschluss (7) zu verbinden.
    公开号:DE102004011458A1
    申请号:DE200410011458
    申请日:2004-03-09
    公开日:2005-10-06
    发明作者:Albert Missoni
    申请人:Infineon Technologies AG；
    IPC主号:G01R19-165
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung einergeregelten Betriebsspannung füreinen Datenträgermit einem Eingang füreine Eingangsspannung, einem NMOS-Längsregeltransistor, der miteinem ersten Lastanschluss mit dem Eingang verbunden ist und aneinem zweiten Lastanschluss einen Ausgang für die geregelte Betriebsspannungbildet, und eine Ladungspumpenschaltung zur Bereitstellung einergegenüberder Eingangsspannung erhöhtenund von der Betriebsspannung abhängigenAnsteuerspannung fürden Steueranschluss des Längsregeltransistors.Außerdembetrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines NMOS-Längsregeltransistors.
    [0002] DerartigeSchaltungsanordnungen werden insbesondere für die Spannungsversorgung kontaktloserDatenträger,beispielsweise kontaktloser Chipkarten, eingesetzt. Ist die Betriebsspannungeines integrierten Schaltkreises eines Datenträgers kleiner als die Versorgungsspannung,die beispielsweise in einer Empfangsspule des Datenträgers erzeugtwird, wird ein DC/DC-Umsetzerbenötigt.Es können Schaltregleroder lineare Regler eingesetzt werden. Wenn die erwartete Variationder Eingangsspannung hoch ist und das vom Regler erzeugte Rauschengering sein soll, wird vorzugsweise ein Linearregler eingesetzt.Insbesondere bei kontaktlosen Anwendungen ist die Eingangsspannungsehr dynamisch. Die Ausgangsspannung muss hingegen konstant bleiben.Diese Forderungen werden in besonders ge eigneter Weise durch einenNMOS-Regler in CMOS-Technologie erfüllt.
    [0003] NMOS-Transistorensind besonders gut für dieRegelung einer Spannung geeignet. Am Steueranschluss, d. h. demGate des NMOS-Transistors, muss eine Steuerspannung angelegt werden,die größer alsdie Spannungen an den beiden Lastanschlüssen des Transistors ist. Umdies zu ermöglichen,wird eine Ladungspumpenschaltung eingesetzt, die eine gegenüber derEingangsspannung erhöhteSpannung erzeugt. Am Ausgang der Ladungspumpenschaltung befindetsich ein Kondensator, der auf die Pumpspannung aufgeladen wird,indem Ladung auf ihn verschoben wird, und auf diese Weise die Ansteuerspannungfür denSteueranschluss des Transistors bereitstellt. Geeignete Ladungspumpenschaltungenbesitzen in der Regel einen Steuereingang, der mit der geregeltenBetriebsspannung verbunden ist. Bei einem Abfallen der Betriebsspannung wirddie gepumpte Spannung erhöht,so dass der Längsregeltransistorweiter durchgesteuert wird, wodurch sich eine Erhöhung derBetriebsspannung ergibt.
    [0004] Problematischist bei bekannten Schaltungen aus dem Stand der Technik, wenn dienominelle Betriebsspannung schon sehr tief und nur geringfügig höher alseine Unterspannungsgrenze ist, unterhalb derer ein Betrieb des Datenträgers nichtmehr möglichoder erlaubt ist. Bei Lastsprüngenbesteht die Gefahr, dass die Betriebsspannung kurzzeitig absinktund unter die Unterspannungsgrenze fällt. Der oben beschriebeneRegelungsmechanismus ist zu langsam, um solche Unterschwinger auszugleichen.
    [0005] Eineerste bekannte Möglichkeitzur Behebung dieses Problems besteht darin, die Dimensionierungdes Längsreglerserheblich zu erhöhen.Dies führtjedoch zu einem erhöhtenStromverbrauch und zu höherenKosten. Auch ist es möglich,den Grundverbrauch der Schaltung bei der Dimensionierung höher alsden maximalen dynamischen Stromverbrauch anzusetzen. Bei dieserLösungist zwar die Dynamik des Stromverbrauchs unkritisch, jedoch ist dieseLösungin vielen Anwendungsfällen,zum Beispiel im Batteriebetrieb, nicht sinnvoll einsetzbar.
    [0006] Eineweitere bekannte Möglichkeitbesteht darin, bei dem Erkennen eines schnellen Absinkens der Betriebsspannungein Taktsignal eines digitalen Verbrauchers sofort anzuhalten bzw.zu reduzieren. Dies führtjedoch zu Einschränkungendes Betriebsverhaltens und ist deswegen in der Regel keine bevorzugteLösung.
    [0007] Einezumindest theoretisch möglicheLösung bestehtdarin, die Auslegung des Regelkreises dynamisch zu ändern. DieRegelgeschwindigkeit wird im wesentlichen durch den Bias-Strom bestimmt.Je größer derBias-Strom ist, desto höherist auch die Regelgeschwindigkeit. Der Bias-Strom lässt sichso einstellen, dass er im Normalfall sehr gering ist, was zur Ausregelunglangsamer Laständerungenausreicht. Wenn eine höhereRegelgeschwindigkeit erforderlich wird, wird der Bias-Strom erhöht. Oftist es im voraus bekannt, wenn Operationen auf dem Datenträger vorgenommenwerden sollen, die einen hohen Leistungsverbrauch zur Folge haben.Vor der Durchführungsolcher Operationen wird deswegen der Bias-Strom erhöht, sodanndie Operation durchgeführtund nachfolgend der Bias-Strom wieder abgesenkt. Die Auslegung einersolchen Schaltungsanordnung ist jedoch außerordentlich schwierig, so dassein in allen Betriebssituationen zuverlässiger Betrieb nicht gewährleistetwerden kann.
    [0008] Aufgabeder Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellungeiner geregelten Betriebsspannung für einen Datenträger anzugeben, dieeinen geringen Stromverbrauch aufweist und trotzdem zuverlässig Lastsprünge ausregelt.Zudem soll ein dazu geeignetes Verfahren angegeben werden.
    [0009] DieseAufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genanntenArt gelöst,die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ladungspumpenschaltungeinen ersten und einen zweiten Abgriff aufweist, wobei der ersteAbgriff mit dem Steueranschluss verbunden ist und wobei zwischendem ersten und dem zweiten Abgriff mindestens eine zusätzlicheLadungspumpenstufe angeordnet ist, und dass eine Steuerschaltungvorgesehen und dazu eingerichtet ist, die geregelte Betriebsspannungauf das Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes zu überwachenund bei Unterschreiten des Schwellwertes den zweiten Abgriff mitdem Steueranschluss zu verbinden.
    [0010] Bezüglich desVerfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalendes Anspruch 3 gelöst.
    [0011] Beider erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungwird also eine Spannung erzeugt, die größer ist als die Steuerspannungin einer Normalbetriebssituation der Schaltungsanordnung. Im Bedarfsfall, wenndie Betriebsspannung einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet,wird diese am zweiten Abgriff der Ladungspumpe zur Verfügung stehende höhere Spannungdazu eingesetzt, direkt die Spannung am Steueranschluss des Längsregeltransistors zuerhöhen,ohne dass der Regelkreis der Schaltungsanordnung verwendet wird.Ein solcher, den Regelkreis verstimmender Eingriff, der im klassischenModell einer Regelung als Störgröße bezeichnetwerden würde,ermöglicht einenschnellen Ausgleich der durch einen Lastsprung abgefallenen Betriebsspannung.
    [0012] DieErfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    [0013] Die 1 zeigtein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
    [0014] Die 1 zeigteine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannungfür einenkontaktlosen Datenträger 1.Eine Last 13 wird in der Regel durch einen integriertenSchaltkreis gebildet, der beispielsweise einen Controller und/odereinen Speicher enthält.Je nach Art und Betriebsweise der Last 13 ist der Stromverbrauchverhältnismäßig gleichmäßig oderaber stark schwankend. Dies stellt an eine Betriebsspannung VCC, mit der die Last 13 versorgtwird, besondere Anforderungen. Die Betriebsspannung VCC musstrotz großerLaständerungenverhältnismäßig konstantbleiben. Dies ist vor allem deswegen problematisch, weil Datenträger oftan einer unteren Betriebsspannungsgrenze betrieben werden, um möglichststromsparend zu arbeiten. Die untere Betriebsspannungsgrenze wirdbeispielsweise durch die Spezifikationen des integrierten Schaltkreises 13 festgelegt,da unterhalb der unteren Betriebsspannungsgrenze der integrierte Schaltkreis 13 oderder Speicher nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren. Zwar ist,wie auch in der Figur gezeigt, zur Stützung der Betriebsspannung VCC ein Kondensator C3 vorgesehen. Die Bauweise vonDatenträgernerlaubt es jedoch oft nicht, den Stützkondensator so groß auszulegen,dass er bei Lastsprüngendie Betriebsspannung VCC in ausreichender Weise stützen kann.
    [0015] DieSpannungsversorgung von Datenträgern istauch in einer zweiten Hinsicht problematisch, denn bei den vielfacheingesetzten kontaktlosen Datenträgern wird die Betriebsspannungdurch ein elektrisches Feld in Verbindung mit einer auf dem Datenträger vorgesehenen,in der Figur aber nicht dargestellten Spulenantenne bereitgestellt.Das elektrische Feld induziert in der Spulenantenne eine elektrische Spannung,die stark von der Stärkedes Feldes abhängigist. Je nachdem, wie weit der Datenträger von dem Schreib-/Lesegerät entferntist, das das elektrische Feld erzeugt, ist die induzierte Spannungsehr groß odersehr klein.
    [0016] Umaus den entsprechend stark schwankenden, gleichgerichteten EingangsspannungenVin eine konstante Betriebsspannung VCC zu erzeugen, ist ein Längsregler vorgesehen, der gemäß der Erfindung durcheinen NMOS-Längsregeltransistor 3 gebildet ist.Der Regeltransistor 3 weist aufgrund der Ausführung alsNMOS-Regler einenSelbstregelungsmechanismus auf. Bei einer Lastvariation ist ein NMOS-Reglerselbststeuernd, wenn die Gate-Source-Spannungkonstant bleibt. Wird die Belastung kleiner, so wird der Laststromkleiner, und die Gate-Source-Spannung wird auch geringer werden. Ausdiesem Grund steigt die Ausgangsspannung, d. h. die für den Betriebdes DatenträgersbenötigteBetriebsspannung. In dem Fall, dass die Belastung größer wird,wird der Laststrom größer, unddie Gate-Source-SpannungUGS muss entsprechend größer werden. Der Zusammenhangwird durch die Formel beschrieben:
    [0017] Esist eine Ladungspumpenschaltung 6 vorgesehen, die aus derEingangsspannung Vin oder der BetriebsspannungVCC eine gegenüber diesen erhöhte SteuerspannungVST erzeugt, die zur Ansteuerung des Steueranschlusses 7 desRegeltransistors 3 benötigtwird. Als Eingangsspannung fürdie Ladungspumpenschaltung 6 wird vorzugsweise die BetriebsspannungVCC eingesetzt, da deren Schwankungen wesentlichgeringer sind als die Schwankungen der Eingangsspannung Vin.
    [0018] DieLadungspumpenschaltung 6 ist zusätzlich in einen Regelkreisaufgenommen, um die Betriebsspannung VCC weiterzu stabilisieren. Dazu wird übereinen Spannungsteiler mit zwei Widerständen R1 und R2 ein Messwertgewonnen, der proportional zur aktuellen Betriebsspannung VCC ist. Die Messspannung wird einem Regler 12 zugeführt, wosie mit einer Referenzspannung VREF1 verglichenwird. In Abhängigkeitdes Vergleichs wird die Ladungspumpenschaltung 6 in einergeeigneten Weise angesteuert. Bei sinkender Betriebsspannung VCC kann beispielsweise die Pumpfrequenz fder Ladungspumpenschaltung 6 erhöht werden. Die erhöhte Pumpfrequenzresultiert in einer höherenSpannung an einem ersten Kondensator C1 an einem ersten Abgriff 8 der Ladungspumpenschaltung 6,da mehr Ladung transportiert wird und nach U = Q/C die Spannungproportional zur Ladung ist.
    [0019] DieLadungspumpenschaltung 6 besitzt in diesem Ausführungsbeispielmehrere Stufen, wobei n Stufen fürdie Erzeugung einer Spannung am ersten Abgriff 8 vorgesehensind und weitere m Stufen, die eingangsseitig mit dem Ausgang dern Stufen verbunden sind, zur Erzeugung einer Spannung vorgesehensind, die an einem zweiten Abgriff 9 bereitgestellt wird.Der Abgriff 9 ist dazu mit einem zweiten Kondensator C2verbunden.
    [0020] Derzweite Abgriff 9 ist übereinen Schalter 11 mit dem Steueranschluss 7 desRegeltransistors 3 verbindbar. Der Schalter 11 istdurch einen Unterspannungssensor 10 gesteuert, der eingangsseitig mitder Betriebsspannung VCC verbunden ist.
    [0021] Ineiner Normalbetriebssituation kann die Betriebsspannung VCC überdie Selbstregelung des NMOS-Längsregeltransistors 3 sowiedie Zusatzregelung überden Regler 12 konstant gehalten werden. Die ersten n Stufender Ladungspumpenschaltung 6 werden dabei zur Erzeugungder Steuerspannung VST eingesetzt. Die weiterenm Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 erzeugen zwar eineSpannung am zweiten Abgriff 9, jedoch wird diese Spannungnicht zur Ansteuerung des Regeltransistors 3 eingesetzt.Der Schalter 11, der in einer konkreten Realisierung alsSchalttransistor ausgeführtist, ist geöffnet,da der Unterspannungssensor 11 keine zu niedrige Spannungdetektiert.
    [0022] Beieinem Lastsprung erhöhtsich der Strom iL in so starker Weise, dassdurch die Selbstregelung des Längsregeltransistors 3 dieBetriebsspannung VCC nicht mehr über einemvorbestimmten Schwellwert gehalten werden kann. Eine Absenkung derBetriebsspannung VCC kann zwar prinzipielldurch eine erhöhtePumpfrequenz der Ladungspumpenschaltung 6 ausgeglichenwerden, jedoch ist dieser Regelkreis zu langsam, um auf schnelle Änderungendes Laststroms iL reagieren zu können.
    [0023] Indieser Betriebssituation erkennt der Unterspannungssensor 10 dasUnterschreiten des vorbestimmten Schwellwertes. Der Unterspannungssensor 10 istim folgenden Ausführungsbeispielso ausgestaltet, dass an einem Gate eines NMOS-Transistors 16 eineReferenzspannung VREF2 anliegt. Bei einemAbsinken der Betriebsspannung VCC am Source-Anschlussdes Transistors 16 erhöhtsich die Gate-Source-Spannung UGS, so dassder Tran sistor 16 leitend wird und den Schalter 11 derartansteuert, dass dieser leitend wird.
    [0024] Daraufhinwird die im Kondensator C2 gespeicherte Ladung teilweise auf denKondensator C1 umgeladen, wodurch sich die Spannung über dem KondensatorC1 und damit am Steueranschluss 7 des Längsregeltransistors 3 erhöht. Durchdie erhöhteSpannung am Steueranschluss 7 des Transistors 3 wirddieser weiter durchgesteuert, so dass sich die BetriebsspannungVCC erhöht.
    [0025] DerBetrag der Spannungserhöhungam Kondensator C1 hängtunter anderem von dem Verhältnisder Kapazitätender Kondensatoren C1 und C2 ab. Je größer die Kapazität des KondensatorsC1 gegenüberder Kapazitätdes Kondensators C2 ist, desto geringer ist die resultierende Spannungserhöhung beimSchließendes Schalters 11.
    [0026] Nachdemdie Betriebsspannung VCC wieder über denvorbestimmten Schwellenwert angestiegen ist, erkennt dies der Unterspannungssensor 10 und öffnet denSchalter 11, d. h. der verwendete Schalttransistor wirdhochohmig. Der Ladungsfluss vom Kondensator C2 zum Kondensator C1wird dadurch unterbrochen.
    [0027] Ineinem rein exemplarisch angegebenen Beispiel liegt der Sollwertder Betriebsspannung VCC bei 2 V. Durchdie ersten n Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 wird amersten Abgriff eine Spannung erzeugt, die typischerweise bei 3 Vliegt. Durch die weiteren m Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 wirdam Abgriff 9 eine Spannung erzeugt, die bei 4 V liegt.Beim Schließendes Schalters 11 wird die Ladung des Kondensators C2 teilweiseauf den Kondensator C1 umgeladen, so dass die Spannung am Steueranschluss 7 desTransistors 3 um 200 mV an steigt. Dies genügt, um die BetriebsspannungVCC überden vorbestimmten Schwellwert zu heben.
    [0028] Diegenannten Spannungswerte sind rein beispielhaft zu verstehen. Diein einer praktischen Realisierung auftretenden Werte hängen vonden jeweiligen Randbedingungen und der Dimensionierung der eingesetztenKomponenten ab.
    [0029] Dieerfindungsgemäße Schaltungund somit das durch sie realisierte Verfahren sind besonders vorteilhaft,da nur ein minimaler zusätzlicherFlächenbedarferforderlich ist. Da sich durch die weiteren m Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 am KondensatorC2 eine definierte maximale Ladung ergibt, ist die durch Schließen desSchalters vorgenommene Verstimmung des Regelkreises genau definierbar.Das Öffnenund Schließendes Schalters 11 kann sehr schnell erfolgen, so dass einesehr schnelle Reaktion auf Änderungender Betriebsspannung VCC möglich ist.Durch die schnelle Reaktion kann der Umladevorgang vom KondensatorC2 auf den Kondensator C1 auch vorzeitig abgebrochen werden, wenndie teilweise Umladung bereits zu einer ausreichenden Erhöhung derBetriebsspannung VCC geführt hat. Der zusätzlicheEnergiebedarf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungist sehr gering.
    [0030] DieAnzahl der in der Ladungspumpenschaltung 6 eingesetztenPumpenstufen ist von den gewünschtenSpannungen an den Abgriffen 8 und 9 abhängig. Für die Erzeugungder gegenüberder Spannung am Abgriff 8 erhöhten Spannung am Abgriff 9 kannauch eine einzige zusätzlichePumpenstufe ausreichend sein.
    1 Datenträger 2 Eingang 3 NMOS-Längsregeltransistor 4 ersterLastanschluss 5 zweiterLastanschluss 6 Ladungspumpenschaltung 7 Steueranschluss 8 ersterAbgriff 9 zweiterAbgriff 10 Unterspannungssensor 11 Schalter 12 Regler 13 Last 16 Transistor VREF1, VREF2 Referenzspannungen R1,R2 Widerstände C1,C2, C3 Kondensatoren VCC Betriebsspannung VST Steuerspannung iL Laststrom Vin Eingangsspannung
    权利要求:
    Claims (4)
    [1] Schaltungsanordnung zur Bereitstellung einer geregeltenBetriebsspannung füreinen Datenträger (1)mit – einemEingang (2) füreine Eingangsspannung (Vin), – einemNMOS-Längsregeltransistor(3), der mit einem ersten Lastanschluss (4) mitdem Eingang (2) verbunden ist und an einem zweiten Lastanschluss (5)einen Ausgang fürdie geregelte Betriebsspannung (VCC) bildet, und – einerLadungspumpenschaltung (6) zur Bereitstellung einer gegenüber derEingangsspannung (Vin) erhöhten undvon der Betriebsspannung (VCC) abhängigen Ansteuerspannung (VST) fürden Steueranschluss (7) des Längsregeltransistors (3), dadurchgekennzeichnet, – dassdie Ladungspumpenschaltung (6) einen ersten und einen zweitenAbgriff (8, 9) aufweist, wobei der erste Abgriff(8) mit dem Steueranschluss (7) verbunden istund wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abgriff (8, 9)mindestens eine zusätzlicheLadungspumpenstufe angeordnet ist und – dass eine Steuerschaltung(10, 11) vorgesehen und dazu eingerichtet ist,die geregelte Betriebsspannung (VCC) auf das Unterschreiten einesvorbestimmten Schwellwertes zu überwachenund bei Unterschreiten des Schwellwertes den zweiten Abgriff (9)mit dem Steueranschluss (7) zu verbinden.
    [2] Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Steuerschaltung durch einen Unterspannungssensor (10)und einen Schalter (11) gebildet ist.
    [3] Verfahren zur Ansteuerung eines NMOS-Längsregeltransistors(3) mit den Schritten – Versorgen eines mit einemersten Kondensator (C1) verbundenen Steueranschlusses (7)des Transistors (3) mit einer in einer Normalbetriebssituation voneiner Betriebsspannung an einem Ausgang des Transistors (3)abhängigenSteuerspannung (Vst). – Ladeneines Kondensators (C2) auf eine Spannung, die größer alsdie Steuerspannung in der Normalbetriebssituation ist, und – zumindestteilweises Umladen des zweiten Kondensators (C2) auf den erstenKondensator (C1), wenn die Betriebsspannung unter einen vorbestimmtenSchwellwert fällt.
    [4] Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass die erhöhteSpannung am zweiten Kondensator (C2) durch eine Ladungspumpe erzeugtwird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004011458B4|2007-01-04|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-10-06| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-06-28| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410011458|DE102004011458B4|2004-03-09|2004-03-09|Schaltungsanordnung zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannung für einen Datenträger und Verfahren zur Ansteuerung eines NMOS-Längsregeltransistors|DE200410011458| DE102004011458B4|2004-03-09|2004-03-09|Schaltungsanordnung zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannung für einen Datenträger und Verfahren zur Ansteuerung eines NMOS-Längsregeltransistors|
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