DE1274181B

DE1274181B - Bipolar electronic switch

Info

Publication number: DE1274181B
Application number: DE1965L0052358
Authority: DE
Inventors: Harald Stahl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1965-12-11
Filing date: 1965-12-11
Publication date: 1968-08-01

Description

Bipolarer elektronischer Schalter Bipolare elektronische Schalter sind in mannigfaltigen Ausführungsformen bekannt. Als Schaltelemente verwendet man heute im allgemeinen Transistoren, da diese Halbleiterelemente in ihrem Leitfähigkeitsverhalten dem metallischen Schalter von allen elektronischen Schaltelementen am nächsten kommen. Es ist ein bipolarer elektronischer Schalter bekannt, bei dem für beide Stromrichtungen jeweils ein Transistor mit einer Diode gleichsinnig in Reihe geschaltet ist. Die beiden Zweige sind in bekannter Weise bezüglich ihrer Durchlaßrichtung antiparallel geschaltet, um einen Stromfluß in beiden Richtungen zu gestatten.Bipolar electronic switch Bipolar electronic switches are known in various embodiments. The switching elements are used today in general transistors, since these semiconductor elements in their conductivity behavior come closest to the metallic switch of all electronic switching elements. A bipolar electronic switch is known in which for both current directions one transistor is connected in series with a diode in the same direction. the both branches are antiparallel with respect to their forward direction in a known manner switched to allow current to flow in both directions.

Die mit den Transistoren vorzugsweise kollektorseitig in Reihe geschalteten Dioden sollen bewirken, daß der Transistor jeweils nur in einer Richtung ausgesteuert werden kann. Da npn-Transistoren üblicherweise mit gegenüber dem Emitter negativer Kollektorspannung betrieben werden, ist die Diode so gepolt, daß eine positive Spannung nicht an den Kollektor gelangen kann. Es ist in diesem Zusammenhang auch bekannt, zwei zueinander komplementäre Transistoren zu verwenden. In dem Zweig, der den npn-Transistor enthält, ist dann die Diode so geschaltet, daß sie negatives Potential von dem Kollektor fernhält.Those connected in series with the transistors, preferably on the collector side Diodes should have the effect that the transistor is only driven in one direction can be. Since npn transistors are usually more negative than the emitter Collector voltage are operated, the diode is polarized so that a positive voltage cannot get to the collector. It is also known in this context to use two complementary transistors. In the branch that has the npn transistor contains, then the diode is connected so that it has negative potential from the collector keep away.

Der vorstehend beschriebene bipolare elektronische Schalter weist folgenden Nachteil auf. Ein elektronischer Schalter soll sich bekanntlich bezüglich der Leitfähigkeit möglichst wie ein metallischer Schalter verhalten, d. h., er soll im leitenden Zustand Strom in beiden Richtungen mit möglichst geringem Innenwiderstand leiten, während er im gesperrten Zustand einen möglichst großen Sperrwiderstand aufweisen soll. Der bekannte Schalter genügt zwar in befriedigender Weise der letzten Forderung, jedoch ist sein Durchlaßwiderstand durch die den Transistoren vorgeschalteten Dioden relativ groß. Dieser Umstand tritt um so mehr hervor, wenn man im Interesse sehr kleiner Schaltzeiten »schnelle« Dioden verwendet, die im allgemeinen hochohmig gegen gesperrte Transistoren sind.The bipolar electronic switch described above has the following disadvantage. An electronic switch is known to relate to behave like a metallic switch in terms of conductivity, d. h., he should in the conductive state, current in both directions with the lowest possible internal resistance conduct, while in the locked state it has as large a blocking resistance as possible should have. The known switch is sufficient for the last one in a satisfactory manner Requirement, however, is its forward resistance due to the transistors connected upstream Diodes relatively large. This fact becomes all the more apparent when one is interested very short switching times "fast" diodes are used, which are generally high-impedance against blocked transistors.

Der große Durchlaßwiderstand des bekannten Schalters macht sich bei vielen Anwendungen in störender Weise bemerkbar. Soll z. B. durch einen elektronischen Schalter ein aufgeladener Kondensator sehr schnell und weitgehend vollständig entladen werden, so sind diese Forderungen mit dem vorstehend beschriebenen elektronischen Schalter nicht befriedigend zu erfüllen. Der hohe Durchlaßwiderstand des Schalters ergibt mit dem zu entladenden Kondensator eine sehr große Zeitkonstante und damit eine sehr große Entladungszeit. Weiterhin setzt die Schleusenspannung der Dioden der Kondensatorentladung eine untere Grenze. Daher behalten vom Kondensator übertragene Impulse trotz des Kurzschlusses noch eine Amplitude etwa in Höhe der Schleusenspannung, die sich auf nachgeschalteten.. Stufen in störender Weise bemerkbar macht.The large forward resistance of the known switch makes itself with noticeable in a disruptive manner in many applications. Should z. B. by an electronic Switches a charged capacitor very quickly and largely completely discharged so these demands are with the electronic described above Switch not satisfactory to meet. The high on-resistance of the switch results in a very large time constant with the capacitor to be discharged and thus a very large discharge time. Furthermore, the lock voltage of the diodes continues the capacitor discharge a lower limit. Therefore, retained the transferred from the capacitor Despite the short circuit, pulses still have an amplitude roughly equal to the lock voltage, which is noticeable in a disruptive way on downstream .. levels.

Es ist auch bei vorstehend beschriebenem elektronischem Schalter bekannt, die Dioden durch eine Hilfsspannung zu beeinflussen. Diese Hilfsspannung ist so gepolt, daß die Dioden in Sperrichtung vorgespannt werden. Diese Maßnahme dient dazu, die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, indem durch die Hilfsspannung das Ableiten der Ladungen in den Halbleiterschaltelementen und damit das Erreichen des Sperrzustandes beschleunigt wird.It is also known in the case of the electronic switch described above, to influence the diodes by an auxiliary voltage. This auxiliary voltage is like this polarized so that the diodes are reverse biased. This measure serves to increase the switching speed by discharging the auxiliary voltage of the charges in the semiconductor switching elements and thus reaching the blocking state is accelerated.

Es ist weiterhin auch bereits bekannt, zur Herabsetzung der Restspannung über dem Schalter im leitenden Zustand die den beiden Transistoren gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden mittels einer Hilfsspannung in Durchlaßrichtung vorzuspannen.It is also already known to reduce the residual voltage over the switch in the conductive state the two transistors in the same direction biasing diodes connected in series by means of an auxiliary voltage in the forward direction.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Verwendung von Hilfsspannungen und zwei zueinander komplementären Transistoren zu vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem bipolaren, elektronischen Schalter nach der Erfindung durch die Anordnung eines einzigen Transistors parallel zur Signalleitung, der je nach Polarität der am Kollektor dieses Transistors anliegenden Signalspannung entweder im Normalbetrieb oder im übersteuerten Betrieb arbeitet, sowie durch einen niederohmigen Basisspannungsteiler und ein mit dem Kollektor des Schalttransistors verbundenen Potentiometerabgriff zur Einstellung eines konstanten Gleichspannungspegels. an der Signalleitung S sowohl bei leitendem wie auch bei gesperrtem Schalttransistor.The invention has set itself the task of using Avoid auxiliary voltages and two mutually complementary transistors. the This problem is solved with the bipolar, electronic switch according to the Invention by arranging a single transistor parallel to the signal line, depending on the polarity of the signal voltage applied to the collector of this transistor works either in normal operation or in overdriven operation, as well as by a low-resistance base voltage divider and one with the collector of the switching transistor connected potentiometer tap for setting a constant DC voltage level. on the signal line S both when the switching transistor is conducting and when the switching transistor is blocked.

An Hand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden F i g. 1 der Zeichnung wird der bipolare, elektro= nische Schalter im folgenden näher beschrieben. Zur Erläuterung der Schaltvorgänge wird ein Impulsdiagramm nach F i g. 2 herangezogen, was jedoch lediglich zur beispielsweisen Demonstrierung der Anwendungsmöglichkeit des Schalters nach der Erfindung dienen soll.On the basis of FIG. 1 of the drawing becomes the bipolar, electro = niche switches are described in more detail below. To explain the switching processes, a pulse diagram according to FIG. 2 used, However, what is only for an example demonstration of the possible application of the switch according to the invention is to serve.

Bei der elektronischen Abtastung, z. B. von Papierbahnen auf -Oberflächenfehler, erhält man- ein Impulsbild gemäß E in F i g. 2. Die Flanken dieses Impulses werden durch die Kanten der Papierbahn erzeugt. Ein Fehler innerhalb der Papierbahn -macht sich durch einen Impuls, der größer als das statistische Rauschen ist, bemerkbar. Da- statische Oberflächenänderungen bei der Auswertung nicht mit erfaßt werden sollen, wird das Signal E differenziert; und es ergibt sich ein Impulsdiagramm gemäß D in F i g. z. Bei der Fehlerauswertung dürfen jedoch die durch die Bahnkanten verursachten Impulse nicht registriert werden, vielmehr wird zur Auswertung ein Signal gemäß A in F i g. 2 herangezogen. Zur Unterdrückung der differenzierten Bahnkantenimpulse kann mit Vorteil der bipolare, elektronische Schalter nach der Erfindung herangezogen werden, wobei die Steuerung des Schalters durch einen wie in F i g. 2 dargestellten, zu dem Signalimpuls zeitlich verschobe-. nen Taktimpuls erfolgt.In electronic scanning, e.g. B. from paper webs to -surface defects, one obtains a pulse pattern according to E in FIG. 2. The edges of this pulse will be generated by the edges of the paper web. A fault within the paper web does noticeable through an impulse that is larger than the statistical noise. Static surface changes should not be included in the evaluation, the signal E is differentiated; and the result is a timing diagram according to D in F i g. z. In the error evaluation, however, those caused by the web edges are allowed Pulses are not registered, rather a signal is used for evaluation in accordance with A in Fig. 2 used. To suppress the differentiated web edge impulses the bipolar electronic switch according to the invention can be used to advantage the control of the switch by one as shown in FIG. 2 shown, time-shifted to the signal pulse. a clock pulse occurs.

Die Wirkungsweise des Schalters ist nun folgende: Der Signalimpuls, der am Eingang E erscheint, wird durch das Differenzierglied, bestehend aus dem Kondensator 1 und dem Widerstand 2 differenziert. Zu dem Zeitpunkt, wo der positive, differenzierte Bahnkantenimpuls erscheint, liegt am Eingang T ein negatives Taktsignal an, so daß die Basis des Transistors 11 (pnp) negativ gegenüber dem Emitter vorgespannt ist, wodurch dieser Transistor sich im stromführenden Zustand befindet. Befindet sich jedoch der Transistor 11 im stromführenden Zustand, so liegt die Basis des Transistors 15 (npn) auf positivem Potential gegenüber dem Emitter, so daß dieser Transistor ebenfalls stromführend ist. Die Signalleitung S wird somit über die leitende Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 15 nach Masse kurzgeschlossen und damit der positive Differenzierimpuls unterdrückt. Nach dem Abklingen des Differenzierimpulses erscheint das positive Taktsignal T, das über das Ansteuernetzwerk, bestehend aus der Parallelschaltung eines Kondensators 7 und einer Zenerdiode 9 in Serie zu einem Widerstand 8, die Basis des Vortransistors 11 zusteuert. Der Widerstand 10 zwischen Basis und Emitter unterstützt das Sperren des Vortransistors 11. Dadurch erhält aber der Schalttransistor 15 an seiner Basis negative Vorspannung gegenüber dem Emitter, so daß dieser gesperrt wird. Das auf der Signalleitung S anstehende Signal wird somit nach dem Ausgang A zur Auswertung übertragen. Kurz vor Erscheinen des negativen, differenzierten Kanten-Impulses erscheint das negative Taktsignal T wieder, so daß der Schalttransistor 15 wiederum leitend ist.The mode of operation of the switch is now as follows: The signal pulse, which appears at input E is determined by the differentiator consisting of the Capacitor 1 and resistor 2 differentiated. At the time when the positive, differentiated web edge pulse appears, there is a negative clock signal at input T. so that the base of transistor 11 (pnp) is negatively biased with respect to the emitter is, whereby this transistor is in the live state. Located However, if the transistor 11 is in the current-carrying state, the base of the Transistor 15 (npn) at positive potential with respect to the emitter, so that this Transistor is also energized. The signal line S is thus on the conductive The collector-emitter path of the transistor 15 is short-circuited to ground and thus the positive differentiating pulse is suppressed. After the differentiation pulse has subsided appears the positive clock signal T, which consists of the control network consisting of the parallel connection of a capacitor 7 and a Zener diode 9 in series to one Resistor 8, the base of the pre-transistor 11 controls. The resistor 10 between Base and emitter support the blocking of the pre-transistor 11. This receives but the switching transistor 15 at its base negative bias voltage with respect to the Emitter, so that it is blocked. The signal present on the signal line S. is thus transmitted to output A for evaluation. Shortly before the negative, differentiated edge pulse, the negative clock signal T appears again, so that the switching transistor 15 is again conductive.

Infolge des negativen Impulses am Kollektor des Schalttransistors 15 wird dieser nunmehr »übersteuert«, d. h., sowohl die Basis-Emitter als auch die Basis-Kollektor-Diode befinden sich in Durchlaßrichtung. Der Basisspannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 12,13 und 14, die in dieser Reihenfolge zwischen der negativen und der positiven Betriebsspannung liegen, ist so dimensioniert, daß im. leitenden Zustand von Transistor 15 ein großer Basisstrom über die Parallelschaltung der beiden Widerstände 13 und 14 fließt. Die beiden Ströme; die einmal über die leitende Basis-Emitter-Strecke `und zum anderen über die leitende Basis-Kollektor-Strecke auftreten, addieren sich zu einem gemeinsamen Basisstrom, so daß auch für den Fall negativer Impulse auf der Signalleitung die verbleibende Kollek_-tor-Emitter-Restspannung Uce Null wird.As a result of the negative pulse at the collector of the switching transistor 15, this is now "overdriven", that is, both the base-emitter and the base-collector diode are in the forward direction. The base voltage divider, consisting of the resistors 12, 13 and 14, which are in this order between the negative and the positive operating voltage, is dimensioned so that in. conductive state of transistor 15 a large base current flows through the parallel connection of the two resistors 13 and 14. The two streams; which occur on the one hand via the conductive base-emitter path and on the other hand via the conductive base-collector path, add up to a common base current, so that even in the event of negative impulses on the signal line, the remaining collector-emitter Residual voltage Uce becomes zero.

Um einen statischen Fehlimpuls infolge unterschiedlicher Schleusenspannungen der Basis-Emitter-bzw. Basis-Kollektor-Diode zu vermeiden, ist ein Potentiometer 16 zwischen die beiden Betriebsspannungen geschaltet und der Abgriff mit dem Kollektor des Transistors 15 verbunden, so daß hiermit die Basis-Kollektor-Diode in Sperr- bzw. Durchlaßrichtüng vorgespannt werden kann.To a static missing pulse due to different lock voltages the base-emitter or. Avoiding the base collector diode is a potentiometer 16 connected between the two operating voltages and the tap with the collector of the transistor 15 connected, so that hereby the base-collector diode in blocking or Durchlaßrichtüng can be biased.

Um dynamische Fehlimpulse am Ausgang A zu unterdrücken, die durch den erscheinenden positiven Taktimpuls und den durch diesen verursachten negativen Sperrimpuls an der Basis des Transistors 15 dadurch entstehen können, daß dieser negative Sperrimpuls über die Basis-Kollektor-Sperrschichtkapazität des Transistors 15 zum Ausgang A gelangt, ist zwischen der Taktleitung und der Signalleitung S eine Nachbildung der Basis-Kollektor-Strecke vorgesehen. Die Nachbildung besteht im wesentlichen aus der Reihenschaltung der der Basis-Kollektor--Strecke des Transistors 15 entsprechenden Diode 3 und Sperrschichtkapazität 5. Die Sperrschichtkapazität wird normalerweise parallel zur jeweiligen Diode eines. Transistors angenommen. Hier übernimmt der Kondensator 5 noch eine gleichstrommäßige Entkopplung zwischen dem Takteingang T und der Signalleitung S: Weiterhin ist zur Vermeidung eines Kurzschlusses für negative Impulse auf der Signalleitung S ein hochohmiger Widerstand 6 in Reihe geschaltet. Zur Entladung des Kondensators 5 ist der Diode 3 noch ein Widerstand 4 parallel geschaltet.In order to suppress dynamic impulses at output A caused by the appearing positive clock pulse and the negative one caused by it Blocking pulse at the base of transistor 15 can arise from the fact that this negative blocking pulse across the base-collector junction capacitance of the transistor 15 reaches output A, between the clock line and the signal line S is a Replica of the base-collector route planned. The replication consists essentially from the series connection of the base-collector path of the transistor 15 corresponding Diode 3 and junction capacitance 5. The junction capacitance is usually one parallel to the respective diode. Transistor assumed. Here he takes over Capacitor 5 still decoupling in terms of direct current between the clock input T. and the signal line S: Furthermore, to avoid a short circuit for negative Pulses on the signal line S, a high-resistance resistor 6 connected in series. To discharge the capacitor 5, the diode 3 is also connected to a resistor 4 in parallel switched.

Die Kompensation dynamischer Fehlimpulse- geschieht nun folgendermaßen: Ein positiver Taktimpuls erzeugt einen positiven Fehlimpuls auf der Signalleitung S über die Nachbildung der Basis-Kollektor-Strecke. Zugleich erfährt dieser positive Taktimpuls durch den Transistor 11 eine Phasenumkehr. Der nunmehr negative Impuls sperrt die Basis des Transistors 15 und erzeugt über dessen Basis-Kollektor-Strecke einen negativen Fehlimpuls auf der Signalleitung S. Beide Fehlimpulse addieren sich zu Null. Es sei darauf hingewiesen, daß sich Epitaxial-Planar-Transistoren infolge ihres günstigen Verhaltens bezüglich der Restspannungen besonders gut zur Realisierung des bipolaren elektronischen Schalters nach der Erfindung eignen.The compensation of dynamic missing pulses now takes place as follows: A positive clock pulse generates a positive missing pulse on the signal line S via the simulation of the base-collector path. At the same time, this positive clock pulse experiences a phase reversal through the transistor 11. The now negative pulse blocks the base of transistor 15 and generates a negative missing pulse on signal line S via its base-collector path. Both missing pulses add up to zero. It should be pointed out that epitaxial planar transistors are particularly well suited for realizing the bipolar electronic switch according to the invention because of their favorable behavior with regard to the residual voltages.

Claims

Claims: 1. Bipolar electronic switch, characterized by the arrangement of a single transistor (15) parallel to the signal line, which works either in normal operation or in overdriven operation, depending on the polarity of the signal voltage applied to the collector of this transistor, as well as by a low-resistance base voltage divider ( 12; 13, 14) and a potentiometer tap connected to the collector of the transistor (15) for setting a constant DC voltage level on the signal line S both when the transistor is conducting and when the transistor is blocked. 2. Switch according to claim 1, characterized in that a clock signal which is offset in time to the signal pulse opens the switching transistor (15) via a pre-transistor (11). 3. Switch according to claim 1 and 2, characterized in that to compensate for a dynamic missing pulse on the signal line S caused by a blocking pulse at the base of the transistor 15, a replica of the base-collector path of the switching transistor (15) between the clock line T and the signal line S is switched. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1172 724.