Binärer Frequenzteiler für Zeitmefigeräte
Die Erfindung betrifft einen binären Frequenzteiler für Zeitmessgeräte mit zwei symmetrisch zueinander angeordneten Transistorpaaren, bei denen jeweils die Emitter und die Kollektoren von einem ersten und einem zweiten Transistor zusammengeschaltet sind und gemeinsame Emitterzweige und Kollektorzweige bilden, bei denen ausserdem die Basis jeweils des ersten Transistors jedes Transistorpaares an den Kollektorzweig des anderen Paares rückgekoppelt ist und jeweils der Kollektorzweig über Kollektor und Emitter eines zusätzlichen Transistors mit der Basis des zweiten Transistors in Verbindung steht, und bei denen in den Kollektorzweig jedes Transistorpaares eine Diode eingeschaltet ist.
Ein derartiger binärer Frequenzteiler wurde bereits vorgeschlagen (Schweizerisches Patent Nr. 493 878).
Bei der vorgeschlagenen Schaltung ist die Basis des zusätzlichen Transistors zwischen zwei Widerständen an den Kollektorzweig des Transistorpaares gekoppelt, dessen zweiter Transistor mit dem zusätzlichen Transistor in Verbindung steht. Die Funktion des vorgeschlagenen binären Frequenzteilers hängt sehr stark von der Betriebstemperatur ab, so dass der Frequenzteiler nur in wenigen Fällen angewendet werden kann. Ausserdem weist er immer noch verhältnismässig grosse Widerstände auf, die bei monolithischer Integration der Schaltung zu Schwierigkeiten führen.
Solche Frequenzteiler stellen eine Anwendung von bekannten bistabilen Anordnungen in Zeitmessgeräten dar. Es ist ferner bekannt, zwischen Basis und Kollektor eines Transistors zwei Dioden vorzusehen, und es ist auch bekannt, in Computerschaltkreisen solcher Art eine Diode in den Kollektorzweig jedes Transistorpaares zu schalten.
Ein Frequenzteiler der eingangs genannten Art ist nicht nur zu stark temperaturempfindlich, sondern weist auch verhältnismässig grosse Widerstände auf, welche bei monolithischer Integration der Schaltung zu Schwierigkeiten führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und einen binären Frequenzteiler zu schaffen, der mit geringen Betriebsspannungen und geringem Energieverbrauch durch Kippen von einem stabilen Betriebszustand in den anderen auch schwache Eingangssignale sicher diskriminiert, dessen Schaltungselemente sich ausserdem ohne Schwierigkeiten integrieren lassen, und bei dem in integriertem Zustand parasitäre Effekte zwischen den Schaltungselementen die gewünschte Wirkungsweise verbessern.
Diese Aufgabe wird in einem binären Frequenzteiler der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Basis des jeweiligen zusätzlichen Transistors an die Basis des ersten Transistors jedes Transistorpaares gekoppelt ist, und dass die Basis des zweiten Transistors jedes Transistorpaares über zwei Vorspanndioden mit dem Kollektorzweig desselben Paares in Verbindung steht, von denen die eine Vorspanndiode an der Basis des zweiten Transistors jedes Transistorpaares in integrierter Form des Frequenzteilers als Transistor ausgebildet ist, der zusammen mit dem jeweiligen zusätzlichen Transistor am entsprechenden Transistorpaar einen gemeinsamen Kollektor- und Emitterzweig bildet und dessen Basis über die andere Vorspanndiode mit dem Kollektorzweig des Transistorpaares in Verbindung steht.
Die beiliegende Zeichnung zeigt beispielsweise zwei Ausführungsbeispiele des Frequenzteilers.
In der Zeichnung stellt dar:
Fig. 1 die Schaltskizze eines Frequenzteilers,
Fig. 2 die Ansicht auf die in einem Halbleiterplättchen integrierte Schaltung nach Fig. 1,
Fig. 3 die Schaltskizze einer abgewandelten Aus führungsform des Frequenzteilers und
Fig. 4 die Ansicht auf die in einem Halbleiterplätt- chen integrierte Schaltung nach Fig. 3.
Gleiche Teile sind in allen Figuren durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet. Je einer von zwei ersten Transistoren 1 und 2 bilden zusammen mit je einem von zwei zweiten Transistoren 3 und 4 je eines von zwei zu zueinander symmetrisch angeordneten Transistorpaare 5 und 6. Die Kollektoren des ersten Transistors 1 und des zweiten Transistors 3 sind in einem gemeinsamen Kollektorzweig 7 vereinigt, während die Kollektoren der Transistoren 2 und 4 in einem gemeinsamen Kollektorzweig 8 münden. Die Emitter der beiden Transistorpaare bilden zwei Emitterzweige, die gemeinsam durch einen Anschluss 32 an einem Pol einer Spannungsquelle liegen.
Dem Transisrorpaar 5 ist ein zusätzlicher Transistor 9 und dem Transistorpaar 6 ein zusätzlicher Transistor 10 zugeordnet. Die Zuordnung besteht darin, dass der Kollektor jedes zusätzlichen Transistors 9 und 10 mit den Kollektoren des entsprechenden Transistorpaares in Verbindung steht, während die Basis des zusätzlichen Transistors an der Basis des ersten Transistors 1 bzw. 2 desselben Transistorpaares angeschlossen ist. Die Emitter der beiden zusätzlichen Transistoren 9 und 10 stehen jeweils mit Basis des zweiten Transistors des zugehörigen Transistorpaares in Verbindung.
Die Basen der zweiten Transistoren 3 und 4 der beiden Transistorpaare 5 und 6 sind durch jeweils einen Eingangskondensator 11 bzw. 12 gemeinsam an einen Eingang 13 des Frequenzteilers angekoppelt. Die Basis des Transistors 1 steht mit den Kollektoren des Transistorpaares 6 in Verbindung, während die Basis des Transistors 2 an die Kollektoren des Transistorpaares angeschlossen ist.
Eine der Verbindungen zwischen den Kollektoren eines Transistorpaares und der Basis des ersten Transistors des anderen Transistorpaares bilden einen Ausgang 14 des Frequenzteilers.
In den Kollektorzweigen 7 und 8 sind jeweils eine Diode 15 bzw. 16, ein Ohmscher Widerstand 17, bzw.
18 und ein weiterer Ohmscher Widerstand 19 bzw. 20 in Reihe geschaltet mit Anschlüssen 01, Q1' bzw. 02, 02'.
Die Enden der beiden Kollektorzweige 7 und 8 liegen gemeinsam, durch einen Anschluss 31 an einem weiteren Pol der Spannungsquelle.
Jedem der beiden Transistorpaare 5 und 6 sind ausserdem zwei hintereinander geschaltete Vorspanndioden 21 bzw. 22 und 23 bzw. 24 zugeordnet. Die Zuordnung besteht darin, dass die eine Vorspanndiode 23 bzw. 24 an die Basis des zweiten Transistors 3 bzw. 4 angeschlossen ist, während die andere Vorspanndiode 21 bzw. 22 mit dem Mittelabgriff P1 bzw. P2 zwischen den beiden Widerständen 17 und 19 bzw. 18 und 20 im entsprechenden Kollektorzweig 7 bzw. 8 in Verbindung steht.
Gemäss der Darstellung in Fig. 2 der Zeichnung sind alle wesentlichen Teile der Schaltung nach Fig. 1 auf fünf gegenseitig isolierte Inseln 25 bis 29 verteilt in einem Halbleiterplättchen 30 integriert.
Die Insel 25 fasst dabei die Transistoren 1, 3 und 9, die Diode 15 im Kollektorzweig 7 und die Vorspanndiode 23 zusammen. In der Insel 27 sind die Wider wände 17 und 19 im Kollektorzweig 7 und die Vorspanndiode 21 vereinigt. Symmetrisch zur Insel 25 ist die Insel 26 und zur Insel 27 die Insel 28 aufgebaut. In der Insel 29 befinden sich die Eingangskondensatoren 11 und 12. Die Anschlüsse für die Elektroden der Spannungsquelle sind von den Inseln getrennt und durch die Bezugsziffern 31 und 32 gekennzeichnet. Auch der Ausgang 14 des Frequenzteilers ist auf dem Halbleiterplättchen 30 getrennt von den Inseln angeordnet.
Bedingt durch die Technologie entstehen an den beiden Vorspanndioden 23 und 24 Transistoreffekte, so dass jede der beiden Dioden tatsächlich zusammen mit dem entsprechenden zusätzlichen Transistor 9 bzw.
10 jeweils ein weiteres Transistorpaar mit gemeinsamem Kollektorzweig und Emitterzweig bildet. In den beiden Inseln 25 und 26 treten ausserdem jeweils zwei parasitäre Kapazitäten auf, die in der Schaltung nach Fig. 1 der Zeichnungen mit den Bezugsziffern 33 und 34 bzw.
35 und 36 gekennzeichnet sind.
Ebenfalls durch die Technologie bedingt treten in den beiden Inseln 27 und 28 Transistoreffekte an den beiden Vorspanndioden 21 und 22 auf, die in Fig. 1 durch die gestrichelten Linien 37 und 38 angedeutet sind. Parasitäre Effekte in der Insel 29 lassen sich in Fig. 1 durch gestrichelt gezeichnete Ersatztransistoren 39 und 40 darstellen.
Die Schaltung nach Fig. 3 der Zeichnungen unterscheidet sich von der nach den Fig. 1 und 2 durch den Wegfall der beiden Widerstände 17 und 18 in den Kollektorzweigen 7 und 8. Die beiden Dioden 15 und 16 lassen sich derart ausgestalten und in einem solchen Arbeitsbereich einsetzen, dass an ihnen etwa ein Span nungsabfail von etwa 0,5 Volt entsteht. Dieser genügt dafür, die Vorspaundioden 21 und 23 bzw. 22 und 24 gegenüber den Kollektoren der beiden Transistorpaare 5 und 6 zu entkoppeln. Gemäss der Darstellung in Fig. 4 sind die beiden Dioden 15 und 16 nicht mehr wie bei der integrierten Schaltung nach Fig. 2 in den isolierten Inseln 25 und 26, sondern einzeln in isolierten Inseln 41 und 42 angeordnet.
Durch die isolierte Anordnung der Dioden 15 und 16 werden parasitäre Transistoreffekte in isolierten Inseln 43 und 44 vermieden, die die Transistoren 1, 3, 9 und 23 bzw. die Transistoren 2, 4, 10 und 24 umschliessen.
Damit die Funktion des Frequenzteilers anschaulich beschrieben werden kann, seien Kontrollpunkte in der Schaltung mit den folgenden Bezeichnungen bestimmt:
Kontrollpunkt B1 bzw. B2 zwischen der Basis des zweiten Transistors 3 bzw. 4 und dem Emitter des zu sätzlichen Transistors 9 bzw. 10; Kontrollpunkt 01 bzw. 02 zwischen den Kollektoren des Transistorpaares 5 bzw. 6 und der Diode 15 bzw. 16; Kontrollpunkt P1 bzw. P2 am Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen 17 und 19 bzw. 18 und 20 und der Vorspanndiode 21 bzw. 22; Kontrollpunkt 01' bzw. 02' zwischen dem Widerstand 17 bzw. 18 und der Diode 15 bzw. 16; Kontrollpunkt P1' bzw. P2' zwischen der einen Vorspanndiode 23 bzw. 24 und der anderen Vorspanndiode 21 bzw. 22. Der Kontrollpunkt 02 fällt mit dem Ausgang 14 zusammen.
Bei der Schaltung nach Fig. 3 fallen die Kontrollpunkte P1 und 01' bzw. P2 und 02' zusammen.
Zunächst sei der eine Betriebszustand als gegeben angenommen, in dem das Transistorpaar 6 sperrt und der erste Transistor 1 des Transistorpaares 5 leitet. In diesem Zustand sperrt selbstverständlich der zusätzliche Transistor 10 ebenfalls, während der zusätzliche Transistor 9 leitet. Da der Kontrollpunkt 01 ebenso wie der Kontrollpunkt P1 ein niederes Potential aufweist, ist das Potential am Kontrollpunkt B1 ebenfalls verhältnismä ssig niedrig. Das Potential am Kontrollpunkt B2 ist demgegenüber verhältnismässig hoch, wenn auch etwas niedriger als am Kontrollpunkt P2.
Wenn am Eingang 13 ein Signal erscheint, das sich als kurzzeitiges ansteigendes Potential äussert, wird dieses Signal über die Eingangskapazitäten 11 und 12 an die Kontrollpunkte B1 und B2 übertragen. Das Potential am Kontrollpunkt B1 war bereits vor Auftreten des Eingangssignals niedrig. Der durch das Eingangssignal kurzzeitig erzeugte Stromimpuls bringt den Tran sistor 3 nicht in den leitenden Zustand, weil er mindestens teilweise durch den leitenden Transistor 9 zum Kontrollpunkt 01 weitergeleitet wird und sich von dort auf die Transistoren 1 und 2 verteilt.
Der vom Eingangssignal erzeugte Stromimpuls am Kontrollpunkt B2 kann demgegenüber nicht zum Kontrollpunkt 02 gelangen, weil der Transistor T6 beim Auftreten des Eingangssignals noch sperrt. Der Stromimpuls wird also über Basis und Emitter des Transistors 4 abgeleitet, der sich dabei gegenüber dem Kollektorzweig 8 öffnet. Das Potential am Kontrollpunkt 02 fällt also stark ab, so dass der Transistor 1 schliesst und das Potential am Kontrollpunkt 01 ansteigt. Sowohl der über dem Transistor 9 geleitete Stromimpuls als auch der von der Diode 15 her kommende Dauerstrom versetzen den Transistor 2 des Transistorpaares 6 sicher in den leitenden Zustand, indem er verharrt, bis ein weiteres Eingangssignal den gesamten Vorgang umkehrt.
Mit dem Ansteigen des Potentials am Kontrollpunkt 01 fängt natürlich auch der zusätzliche Transistor 10 an zu leiten, womit die Frequenzteilerschaltung wieder dafür vorbereitet ist, das nächste Eingangssignal sicher zu diskriminieren.
Es lässt sich ohne weiteres einsehen, dass bei einer Frequenzteilerschaltung einfacherer Art nur ein Eingangssignal bestimmter Stärke und Dauer einen Wechsel der Betriebszustände hervorrufen könnte, da jedes aktive Element der Schaltung nur dann auf eine Spannungs- und Stromänderung anspricht, wenn diese eine gewisse Grösse übersteigt, und dann auch nur mit Verzögerung anspricht. In einfacheren Schaltungen kann auch der zeitliche Ablauf der verschiedenen Vorgänge beim Auftreten eines Eingangssignals so sein, dass bei kurzer Dauer des Eingangssignals die Schaltung nicht in einem neuen 13etriebszustand verbleibt, sondern in den ursprünglichen Betriebszustand zurückfällt.
Durch die verschiedenen Elemente der Schaltung wird jedoch der zeitliche Ablauf der verschiedenen Vorgänge derart gesteuert, dass bereits ein sehr schwaches und kurzes Eingangssignal genügt, die Schaltung sicher von einem Betriebszustand in den anderen zu versetzen und so die Eingangssignale sicher zu diskriminieren.
Bei einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist die Kapazität der Eingangskondensatoren 11 und 12 etwas verringert, und zwar dadurch, dass die Basis-Emitter-Bindungen und die Basis-Kollektor-Bindungen der Ersatztransistoren 39 und 40 parallel geschaltet sind. Dies geschieht in der auf dem Halb ieiterplättchen 30 integrierten Schaltung durch Kurzschliessen des Kontaktes 13 mit einem gestrichelt gezeichneten Kollektorkontakt 45.
Die parasitären Kapazitäten 33 und 34 in der Insel 25 und die parasitären Kapazitäten 35 und 36 in der Insel 26 wirken sich auf die Funktion der Frequenzteilerschaltung insofern sehr günstig aus, dass diese beim Kippen der Schaltung vom einen Betriebszustand in den anderen den Wiederanstieg des Potentials am entsprechenden Kontrollpunkt 01 bzw. 02 verlangsamen.
Die Dioden 15 und 16 in den Kollektorzweigen 7 und 8 bringen den Vorteil mit sich, dass sie auf kleinem Raum bei gegebenem Betriebszustand den notwendigen, verhältnismässig grossen Ohmschen Widerstand aufweisen und ausserdem mit einem gewissen Kompensationseffekt bei Temperatur-Schaltungen die Betriebszustände in der Schaltung konstant halten.
Obwohl die Mittelabgriffe zwischen den Widerständen 17 und 19 bzw. 18 und 20 an den Kontrollpunkten P1 und P2 wegfallen könnten, sind sie in verschiedenen Anwendungsbereichen sehr vorteilhaft, weil damit die maximal teilbare Frequenz bei niedrigen Betriebstemperaturen erhöht oder bei gegebenen Betriebstemperaturen und Frequenzen die Betriebsspannung und der Energieverbrauch vermindert werden kann.
Selbstverständlich können in der erfindungsgemässen Schaltung anstelle von bipolaren Transistoren auch MOS-Transistoren zur Anwendung kommen.