DE1287127B

DE1287127B - Gegen Eigenschwingungsneigung stabilisierter Stromuebernahmeschalter

Info

Publication number: DE1287127B
Application number: DEJ30781A
Authority: DE
Inventors: Walsh James L; Turnbull John R
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-05-14
Filing date: 1966-05-07
Publication date: 1969-01-16
Also published as: US3405285A; FR1480728A; CH447286A; SE327729B; NL158041B; NL6605239A; GB1145874A

Description

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Die Erfindung betrifft einen gegen Eigenschwin- Widerstandes herabgesetzt. Eine andere vorteilhafte gungsneigung stabilisierten Stromübernahmeschalter, Weiterbildung der Erfindung besteht aber darin, bestehend aus zwei emittergekoppelten Transistoren, daß der eine Teilwiderstand an einem ersten Pol deren Emitterelektroden über einen gemeinsamen und die Serienschaltung an einem zweiten Pol der Widerstand mit einem Pol einer Spannungsquelle 5 Betriebsspannungsquelle liegt. In diesem Falle wirkt verbunden sind und an denen eine kapazitive Last, dann beim Leitendwerden des Kondensators ein insbesondere aus Streukapazitäten bzw. dem Emitter- Spannungsteiler über der Betriebsspannungsquelle, Basis-Übergang des jeweils gesperrten Transistors so daß hierdurch ebenfalls der Wert des Emitterresultierend, liegt und deren Basiselektroden an Widerstandes herabgesetzt wird. Beim Aufbau der eine streuinduktivitätsbehaftete Zuführungsleitung der io genannten Serienschaltung aus dem anderen Teil-Eingangsimpulse bzw. an Vergleichspotential an- widerstand und dem Kondensator ist es lediglich geschlossen sind. von untergeordneter Bedeutung, ob der Kondensator

Solche Schaltungen, die allgemein auch als Tran- oder der andere Teilwiderstand jeweils unmittelbar sistorverstärker in Kollektorschaltung bezeichnet wer-. mit der Emitterelektrode verbunden ist. den, besitzen den wesentlichen Nachteil, daß sie 15 Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist in einem bestimmten Frequenzbereich unstabil sind beim Aufbau eines Stromübernahmeschalters gegeben, und somit Schwingneigung besitzen. Es hat sich der in an sich bekannter Weise aus zwei Transistoren nämlich gezeigt, daß die Eingangsimpedanz einer besteht, deren Emitter miteinander verbunden sind solchen Schaltung in diesem Frequenzbereich eine und über einen Emitterwiderstand an eine Betriebsnegative reelle Widerstandskomponente besitzt, die 20 Spannungsquelle angeschlossen sind. Jeder Kollektorbeim Vorhandensein der obengenannten Streureak- elektrode ist dabei ein Kollektorwiderstand zutanzen und deren Resonanz die Oszillatorwirkung geordnet, während die Basis des einen Transistors herbeiführt. auf festem Potential und die Basiselektrode des

Dieser Effekt wirkt sich insbesondere dann nach- anderen Transistors am Signaleingang liegt. Bei teilig aus, wenn der Verstärker in Kollektorschaltung 25 dieser bekannten Schaltung sind auf Grund ihres als Impulsschalter, wie z. B. Stromübernahmeschalter Aufbaus die Emitter kapazitätsbelastet, so daß die oder logisches Schaltglied, Verwendung findet, weil oben beschriebene nachteilige Wirkung bei Verunter diesen Voraussetzungen die Verwendung bei stärkern in Kollektorschaltung auch hier auftritt. hohen Arbeitsgeschwindigkeiten nicht mehr möglich Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme wird ist. 30 aber, wie gezeigt, dieser Nachteil behoben, so daß

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, diese Schaltung, die sich mehr und mehr in der einen Stromübernahmeschalter bereitzustellen, bei Rechenmaschinentechnik durchgesetzt hat, auch bei dem mit einfachen Mitteln in den in Betracht korn- höheren Arbeitsgeschwindigkeiten als bisher eingesetzt menden Frequenzbereichen eine Schwingneigung werden kann.

gänzlich unterdrückt wird. Diese Kompensations- 35 Eine weitere vorteilhafte Anwendung ergibt sich mittel sollen dabei so ausgelegt sein, daß sie selbst beim Aufbau von logischen Schaltgliedern, bei denen im wesentlichen ebenfalls ohne Einfluß auf die mehrere Transistoren in Kollektorschaltung mit ihren Arbeitsgeschwindigkeit des Stromübernahmeschalters Emitterelektroden zusammengeschaltet sind, wobei sind. den Basiselektroden der Transistoren die Eingangs-

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, 4° variablen zugeführt werden. Auch Schaltungen dieser daß der Emitterwiderstand aus zwei Teilwiderständen Art lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen besteht,· von denen mindestens einer an einen Kon- Maßnahmen bei wesentlich höheren Arbeitsgeschwindensator hinreichend geringer Kapazität in der Weise digkeiten als bisher betreiben. angeschlossen ist, daß im Frequenzbereich, in dem Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus

auf Grund der Streuinduktivitäten und -kapazitäten 45 der nachfolgenden Beschreibung, die an Hand von Schwingneigung der Verstärkerschaltung herrscht, Ausführungsbeispielen mit Hilfe der unten aufgeführten der ohmsche Wert des Emitterwiderstandes auf Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, und aus Grund des in diesem Frequenzbereich ebenfalls den Patentansprüchen. Es zeigt abgesunkenen kapazitiven Widerstandes des Kon- F i g. 1 einen Stromübernahmeschalter bekannter

densators herabgesetzt wird. 5° Bauart,

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin- F i g. 2 den Verlauf der Eingangsimpedanz des

dung ist einer der Teilwiderstände mit dem Konden- Stromübernahmeschalters gemäß F i g. 1 in Absator parallel geschaltet. Hierbei ist es also unbeachi- hängigkeit von der Frequenz, dargestellt in einer Hch, ob der unmittelbar an die Emitterelektrode komplexen Zahlenebene, angeschlossene Teilwiderstand oder der an die Poten- 55 F i g. 3 die Schaltung eines Stromübernahmeschaltialquelle angeschlossene Teilwiderstand durch diesen ters gemäß der Erfindung,

Kondensator überbrückt ist. F i g. 4 eine Kurvenschar in einer komplexen

Gemäß einem anderen Erfindungsgedanken kann Zahlenebene zur Darstellung der Frequenzabhängigauch die Emitterelektrode sowohl über den einen keit der Eingangsimpedanz des erfindungsgemäßen Teilwiderstand als auch über eine Serienschaltung, ^(>0 Stromübernahmeschalters,

bestehend aus dem anderen Teilwiderstand und F i g. 5 das Schaltbild des erfindungsgemäßen

dem Kondensator, an die Betriebsspannungsquelle Stromübernahmeschalters in gegenüber vorher abangeschlossen sein. Liegt ein gemeinsamer Anschluß-. gewandelter Form,

punkt der Serienschaltung und des einen Teilwider- F i g. 6 eine andere Ausführungsform der Schalstandes nur an einem Pol der Betriebsspannungs- ⁶S iunganordriung eines erfindungsgemäßen Stromüberquelle, dann wird beim Leitendwerden des Konden- nahmeschalters.

sators die Parallelschaltung der beiden Teilwider- In der bekannten Schaltungsanordnung nach stände wirksam und damit der Wert des Emitter- F i g. 1 bilden die Transistoren IO und 12 die aktiven

Schaltelemente des Stromübernahmeschalters. Die Emitterelektroden beider Transistoren 10 und 12 sind dabei über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 14 an die negative Klemme einer Spannungsquelle 16 angeschlossen. Die Spannungsquelle 16 und der Emitterwiderstand 14 wirken so zusammen, daß sich im wesentlichen eine Urstromquelle ergibt. Die Kollektorelektroden der Transistoren 10 und 12 sind über einen jeweiligen Kollektorwiderstand 18 und 20 an die positiven Klemmen einer jeweiligen weiteren Spannungsquelie 19 und 21 angeschlossen. Die Ausgänge des Stromübernahmeschalters werden durch an die jeweiligen Kollektorelektroden angeschlossene Leitungen 22 und 24 gebildet. Die Basiszuführungsleitung 25 des Transistors 12 liegt an Erde als Bezugspotential, und die Basisanschlußleitung 26 des Transistors 10 dient als Eingangsleitimg des Stromübernahmeschalters.

Wird bei Betrieb eine positive Spannung an die Basiszuführungsleitung 26 angelegt, dann wird der Transistor 10 leitend, so daß das Emitterpotential nahezu gleich wird dem Kollektorpotential. Dieser Potentialanstieg blockiert den Emitter-Basis-übergang des Transistors 12, so daß der durch den Emitterwiderstand 14 fließende Strom vollständig vom Transistor 10 übernommen wird. Wird hingegen ein niedriges bzw. negatives Potential an die Basisanschlußleitung 26 angelegt, dann wird der Transistor 10 nichtleitend, so daß dann der Emitter-Basis-Ubergang des Transistors 12 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, da dann an seinem Emitter das negative Potential der Spannungsquelle 16 wirksam wird. In diesem Falle übernimmt der Transistor 12 den Gesamtanteil des durch den Emitterwiderstand 14 fließenden Stroms.

Ist der Transistor 12 nichtleitend, dann wirkt der

Emitter-Basis-Ubergang dieses Transistors als virtuelle.

Kapazität, was durch den gestrichelt gezeichneten Kondensator 28 sowie seine Anschlußleitungen in

ίο F i g. 1 angedeutet wird. Diese virtuelle Kapazität 28 belastet den Emitter des Transistors 10. Wird unter diesen Voraussetzungen die Schaltung nach F i g. 1 untersucht, dann ergibt sich, daß sie im wesentlichen die Eigenschaft einer Kollektorschaltung besitzt.

Weiterhin kann bei nichtleitendem Transistor 12 die Eingangsimpedanz des Stromübernahmeschalters nach F i g. 1 als komplexer Zahlenwert ausgedrückt werden. In der Literatur, speziell in dem Buch von H unter, »Handbook of Semiconductor Eiectronies«, 2. Auflage, McGraw-Hill, S. 15 bis 21 (15. 30), ist die Gleichung für diesen Eingangswiderstand angegeben. Wird nämlich angenommen, daß der Einitterbahnwiderstand, d. h. der Wechselstromdurchlaßwiderstand der Emitterdiode des Transistors 10, im Verhältnis zum Emitterwiderstand 14 sehr klein ist und unter der zulässigen Annahme, daß der Stromverstärkungsfaktor des Transistors 10 (aj'b) etwa 1 ist, läßt sich die oben zitierte Gleichung wie folgt schreiben:

- RC)

<^R£\
">tfb J

Hierin ist r,, der Basisbahnwiderstand des Transistors 10, in die Kreisfrequenz, O₃₁₁₁, die «-Grenzfrequenz im Winkelmaß, R der Wert des Emitterwiderstands 14 und C der Wert der Streukapazität 28.

Aus obenstehender Gleichung ergibt sich, daß der zweite Faktor des Realteils negativ wird, wenn

τ- < RC. Ist der somit sich ergebende Faktor

("Vi,)

größer als die Summe des Basisbahnwiderstandus und Emitierbasiswiderstandes (/·,, + /·,.), dann ergibt sich für die Eingangsimpedanz der Schaltung ein negativer Realteil für einen bestimmten Frequenzbereich. Dies ergibt sich aus dem Kurvenverlauf in der komplexen Zahlenebene nach F i g. 2, bei der die Eingangsimpedanz der Schaltung nach F i g. 1 in ihrer Variation in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt ist. Offensichtlich ist hier die Eingangsimpedanz zwischen den Frequenzen ,.J₁ und m₂ in ihrem Realteil negativ. Ist nun eine Schaltung mit diesen Eigenschaften in einem Bauteil eingebaut, dessen Zuführungsleitungen eine nicht zu vernachlässigende Induktivität besitzen, dann wirkt diese Schaltung als Oszillator, dessen Frequenz durch die Streuinduktivität und die wirksame Bekistungskapaziläl bestimmt wird.

Bisherige Versuche, um die hierdurch bedingten Schwierigkeiten zu umgehen, haben darin bestanden, ilen Einfluß des sich ergebenden negativen ohmschen Widerstandes durch Vergrößerung der Widerstände in der Basisziifiihrung und in der Emitterzuführung zn kompensieren. Durch diese Maßnahmen wird aber die Arbeitsgeschwindigkeit, d. h. die Schallgeschwindigkeit der Schaltung nach F i g. 1 erheblich herabgesetzt.
Es hat sich nun gezeigt, daß eine Schaltung dieser Art erfolgreich stabilisiert werden kann, wenn es gclirti, den Wert des Emitterwiderstandes 14 in dem Frequenzbereich, bei dem die obengenannten Schwingungen auftreten, herabzusetzen. Lim dieses Ziel zu erreichen, wird gemäß dem Erfindungsgedanken ein Teil des Emitterwiderstandes 14 mit einer frequenzabhängigen Impedanz überbrückt, die im Frequenzbereich zwischen ^₁ bis m, im wesentlichen eine Kurzschlußeigenschaft aufweist. Hierdurch wird nämlich das Produkt RC in der obenstehenden Gleichung herabgesetzt und damit verhindert, daß der Realteil dieser Gleichung im in Betracht kommenden Frequenzbereich negativ wird. Ein Schaltungsbeispiel, das diese Aufgabe erfüllen kann, ist in F i g. 3 dargestellt, das der Schahungsanordnung nach F i g. 1 gleicht, mit der Ausnahme allerdings, daß der Fmitterwiderstand aus den Teilwidersiänden 32 und 34 besieht, wobei der Teilwiderstand 34 durch den Kondensator 36 überbrückt ist. Der Kapazitätswert des Kondensators 36 ist

(•ο dabei so gewählt, daß sein kapazitiver Widerstand in dem Frequenzbereich, bei dem Schwingungen auftreten können, wesentlich geringer ist als der Wert des Widerstandes 34, Um in der Praxis die gewünschte Wirkung zu erzielen, sollte die Reaktanz dieses Kondensators 36 vorzugsweise geringer sein als ein Fünfte! des Wertes des Widerstandes 34, und zwar bei der geringsten Frequenz, bei der Schwingungen auftreten können. Durch die Parallelschaltung

des Kondensators 36 mit dem Teilwiderstand 34 wird der wirksame Emitterwiderstand des Transistors 10 wesentlich reduziert, so daß ein negativer ohmscher Widerstandsanteil der Eingangsimpedanz nicht mehr auftreten kann.

Wie die graphische Darstellung nach F i g. 4 zeigt, wird durch die Wirkung des Uberbrückungskondensators 36 im Emitterkreis des Transistors 10 die Eingangsimpedanz in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich zwischen W₁ und ω₂ in einen positiven Quadranten verschoben. Weiterhin zeigt sich aber, daß bei niedrigeren Frequenzen, d. h. unterhalb W₁, weiterhin ein negativer Realteil der Eingangsimpedanz existiert. Da aber bei diesen Frequenzen die Induktanz der Zuführungsleitungen unzureichend ist, um irgendwelche Schwingungen auftreten zu lassen, kann dieser negative Impedanzbereich unbeachtet bleiben.

Bei der Wahl der Werte der in F i g. 3 gezeigten Kompensationsmittel ist es zweckmäßig, sicherzustellen, daß die .RC-Zeitkonstante, die sich mit dem Teilwiderstand 32 und dem Kondensator 36 ergibt, groß ist gegenüber den Anstiegs- und Abfallzeiten der Eingangssignale. Hierdurch wird erreicht, daß während einer Anstiegs- oder Abfallzeit des in Betracht kommenden Impulses eine vernachlässigbare Änderung in der Ladung des Kondensators 36 auftritt, so daß die Arbeitsgeschwindigkeit des Stromübernahmeschalters im wesentlichen nicht herabgesetzt wird.

In der Abwandlung des Stromübernahmeschalters gemäß der Erfindung, wie sie sich aus der Schaltung nach F i g. 5 ergibt, ist der Uberbrückungskondensator 36 parallel zum Teilwiderstand 32 geschaltet. ,Im Betrieb bei niedrigen Frequenzen sind beide Arten des erfindungsgemäßen Stromübernahmeschalters von gleicher Wirkung, da nämlich dann die Reaktanz des Kondensators 36 sehr groß ist und der Emitterwiderstand durch die beiden Teilwiderstände 32 und 34 bestimmt wird. Bei höheren Frequenzen, bei denen der negative Realteil der Eingangsimpedanz auftritt, wirkt der Kondensator 36 im wesentlichen als Kurzschluß in bezug auf den Teilwiderstand 32. Das hat zur Folge, daß der Wechselstromwiderstand im Emitterkreis der Transistoren 10 und 12 hauptsächlich durch den Wert des Teilwiderstandes 34 bestimmt wird.

Eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Stromübernahmeschalters ist in F i g. 6 gezeigt, bei der der gemeinsame Emitterwiderstand durch einen einzigen Widerstand 38 gebildet wird, der dann durch die Hintereinanderschaltung eines Kompensationswiderstandes 40 mit dem Uberbrückungskondensator 42 überbrückt ist. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 6 ist im wesentlichen die gleiche wie die der vorher beschriebenen Schaltungen mit der Ausnahme allerdings, daß bei höheren Frequenzen, wo der negative Realteil der Eingangsimpedanz auftritt, der wirksame Wechselstromwiderstand im Emitterkreis der Transistoren 10 und 12 durch die Parallelschaltung der Widerstände 38 und 40 bestimmt ist. Genau wie vorher stellt aber der Uberbrückungskondensator 42 im wesentlichen einen Kurzschluß im betrachteten Frequenzbereich dar.

Nachstehend werden als Beispiel für einen Aufbau " einer Schaltung gemäß der Erfindung die Werte der verwendeten Bauelemente angegeben, wobei aber zu berücksichtigen ist, daß die exakten Werte der Emitterwiderstände und des Uberbrückungskondensators sich je nach verwendetem Transistor, Leitungsführung des Schaltungsaufbaus, insbesondere im Hinblick auf deren Streuinduktivität und Streukapazität, angelegter Betriebsspannung und Eigenschaft der zugeführten Eingangssignale ändern können:

Transistoren 10,12

= NPN-Transistoren,

Kollektorwiderstände 18,20 =	50 Ohm,
Kollektor-Betriebspotential =	1,2 Volt,
Emitter-Betriebspotential =	-3VoIt,
Teilwiderstand 32 =	40 Ohm,
Teilwiderstand 34 =	110 Ohm,
Uberbrückungskonden
sator 36 =	100 Picofarad.

Während die gezeigten Ausführungsbeispiele mit NPN-Transistoren bestückt sind, ist es ohne weiteres auch möglich, daß andere Halbleiterbauelemente zu diesem Zweck verwendet werden können, die in geeigneter Weise durch Eingangssignale gesteuert werden. Die Erfindung ist im Zusammenhang mit einem Stromübernahmeschalter erläutert worden. Es versteht sich aber von selbst, daß die Kompensationsmaßnahmen gemäß der Erfindung ganz allgemein bei Transistoren in Kollektorschaltung angewendet werden können. So kann z. B. der mit geerdeter Basis betriebene Transistor 12 durch einen oder mehrere Transistoren in Kollektorschaltung ersetzt werden, die parallel zu dem Transistor 10 betrieben werden, so daß eine logische Schaltung mit Transistoren in Kollektorschaltung entsteht.

Claims

Patentansprüche:

1. Gegen Eigenschwingungsneigung stabilisierter • Stromübernahmeschalter, bestehend aus zwei emittergekoppelten Transistoren, deren Emitterelektroden über einen gemeinsamen Widerstand mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sind und an denen eine kapazitive Last, insbesondere aus Streukapazitäten bzw. dem Emitter-Basis-Ubergang des jeweils gesperrten Transistors resultierend, liegt und deren Basiselektroden an eine streuinduktivitätsbehaftete Zuführungsleitung der Eingangsimpulse bzw. an Vergleichspotential angeschlossen sind,dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwiderstand aus zwei Teilwiderständen (32, 34) besteht, von denen mindestens einer an einem Kondensator (36) hinreichend geringer Kapazität in der Weise angeschlossen ist, daß im Frequenzbereich, in dem auf Grund der Streuinduktivitäten und -kapazitäten Schwingneigung der Verstärkerschaltung herrscht, der ohmsche Wert des Emitterwiderstandes auf Grund des in diesem Frequenzbereich ebenfalls abgesunkenen kapazitiven Widerstandes des Kondensators (36) herabgesetzt wird.

2. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Teilwiderstände (32, 34) mit dem Kondensator (36) parallel geschaltet ist.

3. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode sowohl über den einen Teilwiderstand (38) als auch über eine Serienschaltung, bestehend aus dem anderen Teilwiderstand (40) und dem Kondensator (42), an die Betriebsspannungsquelle (16) angeschlossen ist.

4. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teilwiderstand (38) an einem ersten Pol und die Serienschaltung (40, 42) an einem zweiten Pol der Betriebsspannungsquelle (16) liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909 503/1520