DE1537324B2 - Stromuebernahmeschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromübernahmeschalter mit zwei emitterseitig an eine Konstantstromquelle geschalteten Schaltertransistoren, die kollektorseitig mit je einem Emitterfolger zur Übertragung der Ausgangssignale an Ausgangsklemmen verbunden sind und basisseitig an einer Bezugsspannung bzw. einer Eingangsschaltung liegen, welche Eingangssignale mit oberhalb und unterhalb der Bezugsspannung liegenden Pegeln liefert.

Derartige Stromübernahmeschalter sind bekannt (französische Patentschrift 1 460 010). Sie zeichnen sich dadurch aus, daß der von der Konstantstromquelle, welche durch die Betriebsspannungsquelle und einen relativ hochohmigen Widerstand gebildet wird, gelieferte Strom zwischen den beiden Schaltertransistoren hin und her geschaltet wird, wobei der jeweils leitende Schaltertransistor jedoch nicht in die Sättigung ausgesteuert wird. Dadurch werden die im Sättigungszustand durch die Ladungsträgerspeicherung in der Basiszone bedingten Verzögerungen vermieden, so daß die Transistoren sich schneller umschalten lassen. Um eine Beeinflussung des Schaltverhaltens der Schaltertransistoren durch die angeschlossenen Lastschaltungen zu vermeiden, werden die Kollektorspannungssprünge mit Hilfe von Emitterfolgertransistoren auf die Ausgangsklemmen übertragen, an denen diese Spannungssprünge dann mit einer niedrigen Quellimpedanz abgenommen werden können. Auf diese Weise lassen sich mehrere Lastschaltungen praktisch ohne Rückwirkung auf die Schaltertransistoren von dem Stromübernahmeschalter ansteuern.

Die Emitterfolger haben bei der bekannten Schaltung in üblicher Weise jeweils einen eigenen Emitterwiderstand, und da die Emitterfolgertransistoren, auch wenn der jeweils zugehörige Schaltertransistor gesperrt ist, weiterhin leitend bleiben, wird ständig in beiden Emitterwiderständen Leistung umgesetzt. Beim Aufbau derartiger Schaltungen in integrierter Form mit hoher Packungsdichte steht man daher vor dem Problem der Wärmeentwicklung, welche entsprechende Kühlmaßnahmen erfordert, die wiederum mit erhöhtem Aufwand und Raumbedarf verbunden sind.

Es ist ferner bekannt, zwei Stromübernahmeschalter mit je einem Eingang an eine Bezugsspannung zu legen und den anderen Eingang des einen Schalters an den Kollektor des mit seiner Basis an der Bezugsspannung liegenden Transistor des anderen Schalters anzuschließen, dessen anderem Eingang wiederum das Eingangssignal zugeführt wird (deutsche Auslegeschrift 1 196 241).

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Verringerung der Wärmeentwicklung bei derartigen Stromübernahmeschaltern. Sie wird bei einem Schalter der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß gelöst durch zwei zusätzliche Ausgangstransistoren, die mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken zwischen je einer der Ausgangsklemmen und eine gemeinsame weitere Konstantstromquelle geschaltet sind und deren Basen jeweils mit der Basis des zu der betreffenden Ausgangsklemme gehörigen Schaltertransistors zusammengeschaltet sind.

Hierbei wird der von der nachgeschalteten Lastschaltung benötigte Steuerstrom von der zweiten Konstantstromquelle geliefert und mit Hilfe jeweils eines der beiden zusätzlichen Ausgangstransistoren auf die betreffende Ausgangsklemme geschaltet. Dieser Ausgangstransistor, der gleichzeitig mit seinem zugehörigen Schaltertransistor angesteuert wird, übernimmt dabei die Rolle des Emitterwiderstandes für den betreffenden Emitterfolgertransistor. Im binären Betrieb des Schalters ist der jeweils andere Ausgangstransistor zugleich mit seinem zugehörigen Schaltertransistor gesperrt und verbraucht somit keine Leistung und entwickelt demzufolge auch keine Verlustwärme.

Die Konstantstromquellen können in üblicher Weise durch die Reihenschaltung einer Betriebsspannungsquelle mit einem Widerstand realisiert werden, wobei in spezieller Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalters die beiden Konstantstromquellen durch eine gemeinsame Betriebsspannungsquelle und zwei getrennte Emitterwiderstände gebildet werden, deren einer den einen Pol der Spannungsquelle mit den Emittern der Schaltertransistoren verbindet, während der andere denselben Pol der Betriebsspannungsquelle mit den Emittern der Ausgangstransistoren verbindet. Der letztgenannte Emitterwiderstand dient dann je nach dem Schaltzustand der Ausgangstransistoren (zusammen mit dem gerade leitenden Ausgangstransistor) als Emitterwiderstand für den Transistor des dann in Betrieb befindlichen Emitterfolgers. Auf diese Weise wird für die beiden Emitterfolger nur ein Emitterwiderstand benötigt, der jeweils auf den einen oder anderen Emitterfolgertransistor umgeschaltet wird, so daß der Leistungsverbrauch gegenüber den bekannten Schaltungen, bei denen jeder Emitterfolgertransistor einen eigenen Emitterwiderstand hat, um die Hälfte herabgesetzt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Der dargestellte Stromübernahmeschalter 10 enthält zwei Transistoren 11 und 12, während die Transistoren 13 und 14 einen Lastschalter bilden. Die Kollektoren lic und 12c der Schaltertransistoren 11 und 12 sind über die Kollektorwiderstände 17 bzw. 18 mit einem Stromzuführungsanschluß verbunden. Ihre Emitter He und 12 e sind zusammen an einen als Emitterwiderstand 19 dargestellten gemeinsamen Signalstromweg geschaltet. Das andere Ende des gemeinsamen Emitterwiderstandes 19 ist an den zweiten Stromzuführungsanschluß 22 angeschlossen. Die Basis 12ό ist mit einem Anschluß 23 verbunden, an dem eine feste Bezugsspannung V_Tet liegt.

Die Basis 11b liegt an einem Eingangsanschluß 24, an den eine Eingangsschaltung 30 angeschlossen ist. Diese Schaltung 30 enthält mindestens einen Transistor 31, dessen Kollektor 31 c am Stromzuführungsanschluß 21 und dessen Emitter 31 e am Anschluß 24 liegt. Der Verbindungspunkt 24 ist über einen Emitterwiderstand 33 mit dem Stromzuführungsanschluß 22 verbunden. Der Basis 316 werden binäre Eingangssignale B zugeführt.

Es können weitere Eingangsanschlüsse vorgesehen sein, in dem die Kollektoren und Emitter zusätzlicher Transistoren parallel zum Kollektor 31 c und Emitter 31 e des Transistors 31 geschaltet werden. Beispielsweise kann, wie gestrichelt dargestellt, ein weiterer Transistor 32 mit seinem Kollektor 32 c am Kollektor 31c und mit seinem Emitter 32 e am Emitter 31 e liegen. Der Basis 326 können weitere binäre Eingangssignale A zugeführt werden.

Die Kollektoren lic und 12c der Transistoren 11 und 12 sind ferner mit den Basen 156 und 166 von dualen Emitterfolgertransistoren 15 bzw. 16 ver-

bunden, die mit ihren Kollektoren 15c und 16c an den Stromzuführungsanschluß 21 und mit ihren Emittern 15 e und 16 c an die Ausgangsanschlüsse 25 bzw. 26 angeschlossen, an denen komplementäre Ausgangssignale C und C abgenommen werden.

Die Ausgangstransistoren 13 und 14 sind mit ihren Kollektoren 13 c und 14 c an Ausgangsklemmen 25 bzw. 26 angeschlossen und mit ihren Emittern 13e und 14 e zusammengeschaltet und über einen gemeinsamen Laststromweg, der als Emitterwiderstand 20 dargestellt ist, zu dem zweiten Stromzuführungsanschluß 22 geführt. Die Basis 146 liegt an der Spannung F_rof am Anschluß 23, die Basis 13 b ist mit dem Eingangsverbindungspunkt 24 verbunden.

Eine geeignete Betriebsspannungsquelle 35, welche die Spannung E liefert, ist zwischen die Stromzuführungsanschlüsse 21 und 22 geschaltet. Für die dargestellten NPN-Transistoren ist die negative Klemme der Stromquelle 35 mit dem Anschluß 22 und ihre positive Klemme mit dem Anschluß 21 verbunden, wobei der Anschluß 21 willkürlich mit einem geeigneten Bezugspotential, das in der Zeichnung durch das Massesymbol dargestellt ist, verbunden ist. Selbstverständlich lassen sich auch PNP-Transistoren in der

12. Wenn entweder eines oder beide der Signale A und B den hohen Pegel Vh einnimmt, ist die Basisspannung Vbi positiver als die Bezugsspannung V_iet, so daß der Transistor 11 eingeschaltet und der Transistor 12 abgeschaltet ist. Der Strom wird dann durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 11 geleitet, so daß die Spannung an seinem Kollektor lic einen relativ niedrigen Wert hat, während die Spannung am Kollektor 12 c relativ groß ist. Diese beiden relativ großen bzw. kleinen Spannungspegel werden infolge der Pegelverschiebung an den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 15 und 16 an die Ausgangsanschlüsse 25 bzw. 26 übertragen, so daß die Ausgangssignale C und C die Werte LO bzw. HI einnehmen.

Haben andererseits beide Binärsignale A und B den niedrigen Pegel Vl, dann ist die Basisspannung Vu des Transistors 11 weniger positiv als die Spannung Frei, so daß der Transistor 12 eingeschaltet und der Transistor 11 abgeschaltet wird. Der Strom wird dann durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 12 geleitet, so daß die Spannung an seinem Kollektor 12 c einen relativ niedrigen Wert einnimmt, während die Spannung am Kollektor lic einen höheren Pegel hat. Diese beiden Spannungspegel an den Kollektoren lic

erfindungsgemäßen Schaltung verwenden, die Strom- 25 und 12 c werden durch die Pegelverschiebung an den

quelle 35 ist dann umgepolt.

Die Binärsignale A und B und die Ausgangssignale C und C haben die bekannte Form unterschiedlicher Signalpegel HI und LO, deren Übergang an der Basiselektrode 32 b als Wellenform 36 dargestellt ist.

Die feste Bezugsspannung V_Tei kann von irgendeiner geeigneten Spannungsquelle abgenommen werden. Beispielsweise kann die Spannung V_iet von einer temperaturkompensierten Spannungsteileranordnung, welche zwischen die Anschlüsse 21 und 22 geschaltet ist, abgenommen werden. Die Bezugsspannung Fret Hegt zwischen den Signalsprungpegeln (Vu) an der Basis lib. Die Signalpegel Vu werden von den Pegeln Vl und Vh der Signale A oder B gebildet, deren Pegel durch die an der Basis-Emitter-Strecke eines der Transistoren 31 oder 32 liegenden Spannung (V_eb) in ihrem Pegel verändert werden. So ändert sich der Signalsprung der Spannung Vu zwischen den Werten Vh- Vbe und Vl- Vbe- Zum Zweck der nachfolgenden Beschreibung wird Fref als in der Mitte zwischen
Pegeln yon Vu liegend betrachtet:

Vret =

h-V_be) + (V_L-V_be)

Vh+Vl

■V_be

(1)

(2) Basis-Emitter-Strecken der Emitterfolgertransistoren 15 und 16 an die Ausgangsanschlüsse 25 bzw. 26 übertragen, so daß die Ausgangssignale C und C die Werte HI bzw. LO einnehmen.

Wenn schließlich eines oder beide der Eingangssignale A und B den Pegel HI haben, so hat das Ausgangssignal C den Pegel LO. Nur dann, wenn beide binären Eingangssignale A und B den Pegel LO einnehmen, hat das Ausgangssignal C den Pegel HI. Natürlich ist das Ausgangssignal C in allen oben beschriebenen Fällen komplementär zum Ausgangssignal C. Werden den Binärsymbolen 1 und 0 die Pegel HI bzw. LO zugeordnet, dann arbeitet die Schaltung als NOR-Gatter hinsichtlich des Ausgangssignals C und als ODER-Gatter hinsichtlich des Ausgangssignals c. Werden andererseits den Binärsymbolen 1 und 0 die Pegel LO bzw. HI zugeordnet, dann arbeitet die Schaltung als NAND-Gatter hinsichtlich des Ausgangssignals C und als UND-Gatter hinsichtden 45 lieh des Ausgangssignals C.

Der gemeinsame Emitterwiderstand 20 und die Spannungsquelle 35 bilden eine weitere Stromquelle für die Schalttransistoren 13 und 14 nach, welche auf die binären Eingangssignale A und B ansprechen und den Strom dieser weiteren Stromquelle entweder durch den einen oder durch den anderen, jedoch nicht durch beide der Emitterfolgertransistoren 15 und 16 führen. Tatsächlich werden also jeweils ein Schaltertransistor und ein Ausgangstransistor infolge der Verbindung ihrer Basen 13 b und 14 b mit den Basen 11 b bzw. 12 b parallel betrieben. Wenn der Transistor 11 eingeschaltet wird (HI Pegel des Signals A oder B) und der Transistor 12 abgeschaltet wird, dann werden also gleichermaßen die Transistoren 13 und 14 ein- bzw.

Die Ausgangsanschlüsse 25 und 26 sind mit den Lastimpedanzen, die als Kapazitäten Cl₁ und Cl₂ 55 dargestellt sind, verbunden. Die Kondensatoren Cli und Cl% stellen die gesamte Eingangsimpedanz der Eingangstransistoren eines oder mehrerer weiterer gesteuerter Gatter dar einschließlich anderer Kapazitäten, etwa der Schaltkapazität, die an den Ausgangs- ^6o ausgeschaltet. Im anderen Zustand, bei dem die Sianschlüssen wirken. gnale A und B beide den Pegel LO haben, werden die

Es sei zunächst der Betrieb der Schaltung ohne Berücksichtigung der Ausgangstransistoren 13 und und unter der Annahme, daß die Transistoren 15 und

16 als Emitterfolger mit Reihen-Emitterwiderständen 65 sistoren 13 und 14 eingeschaltet und führt den Strom betrieben werden, betrachtet. Der gemeinsame Emit- des Widerstands 20 und der Stromquelle 35 zu dem

Transistoren 11 und 13 ab- und die Transistoren und 14 angeschaltet. In Abhängigkeit von den binären Eingangssignalzuständen wird also einer der Tran-

terwiderstand 19 und die Spannungsquelle 35 bilden eine Stromquelle für die Schaltertransistoren 11 und zugeordneten Emitterfolgertransistor und Ausgangsanschluß.

Obwohl der Transistor 13 zur Abtrennung des Emitterfolgertransistors 15 vom gemeinsamen Emitterwiderstand 20 abgeschaltet werden kann (A = B = Vl, C = Vh), bleibt dieser Transistor 15 noch leitfähig und bildet erstens einen Basisstrompfad für die Eingangstransistoren eines mit dem Ausgangsanschluß 25 verbundenen CML-Gatters und zweitens einen Reststrompfad für den Transistor 13. Die gleichen Betrachtungen gelten für den Emitterfolgertransistor 16, wenn C = V_n ist.

Um einen minimalen Emitterstrom für die Emitterfolgertransistoren 15 und 16 während der stabilen Zustände sicherzustellen, kann ein Widerstandsnetzwerk eingefügt werden, welches einen Stromableitungspfad für diese Transistoren darstellt. Beispielsweise kann ein einziger Widerstand 37 zwischen die Ausgangsanschlüsse 25 und 26 geschaltet sein. Wenn der Transistor 13 angeschaltet und der Transistor 14 abgeschaltet ist (A oder B = Vh), dann ist auf diese Weise ein minimaler Emitterstrom für den Ausgangsemitterfolgertransistor 16 in dem durch den Widerstand 37, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 13 und den Widerstand 20 gebildeten Strompfad gewährleistet.

. Die Einfachheit der Erfindung liegt in der unmittelbaren Verbindung über vernachlässigbar kleine Impedanzen (praktisch nur noch Leitungen) von den Basen 136 und 14b zu den Basen 11b bzw. 12b, so daß ein der durch die beiden Schaltertransistoren gebildete Eingangssignalschalter und der durch die Ausgangstransistoren gebildete Laststromübsrnahmeschalter praktisch paralbl durch einen Signalspannungssprung von dem gleichen Wert (d. h. Vh- Vl Volt) betrieben werden. Auf diese Weise hat der letztgenannte Schalter die gleiche Störunempfindlichkeit wie der erstgenannte Schalter. Zusätzlich tritt wegen der Parallel verbindung keine Verzögerung zwischen den Schaltvorgängen beider Schalter auf.

Die Emitterfolgertransistoren 31 und 32 der Eingangsschaltung halten erstens die Basiselektroden 11 b und 13 b um die zusätzliche Spannung V_be unterhalb der Spannung des Stromzuführungsanschlusses 21 (0 Volt). Auf diese Weise liegt über den Kollektor-Basis-Strecken der Transistoren 11 und 12 eine um einen Faktor von Vbe Volt höhere Sperrspannung, so daß die Tendenz zur Sättigung geringer und daher die effektive Kollektor-Basis-Kapazität etwas kleiner ist. Zweitens setzen sie die Basis-Kollektor-Kapazität und die anderen Kapazitäten der Schaltertransistoren 11 und 13, bezogen auf den Signaleingang, um einen Faktor β herab. Demzufolge ergeben sich höhere Schaltgeschwindigkeiten und weitläufigere Anschaltmöglichkeiten, ohne daß die Schalteigenschaften anderer Gatter, welche die Eingangssignale A und B liefern, beeinträchtigt würden.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   ίο 1. Stromübernahmeschalter mit zwei emitter-

   seitig an eine Konstantstromquelle geschalteten Schaltertransistoren, die kollektorseitig mit je einem Emitterfolger zur Übertragung der Ausgangssignale an Ausgangsklemmen verbunden sind und basisseitig an einer Bezugsspannung bzw. einer Eingangsschaltung liegen, welche Eingangssignale mit oberhalb und unterhalb der Bezugsspannung liegenden Pegeln liefert, gekennzeichnet durch zwei zusätzliche Ausgangstransistoren (13, 14), die mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken zwischen je eine der Ausgangsklemmen (25 bzw. 26) und eine gemeinsame weitere Konstantstromquelle (20,35) geschaltet sind und deren Basen jeweils mit der Basis des zu der betreffenden Ausgangsklemme gehörigen Schaltertransistors (11 bzw. 12) zusammengeschaltet sind.
2. 2. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstransistoren (13, 14) mit ihren Emittern an einem gemeinsamen Emitterwiderstand (20) liegen.
3. 3. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquellen durch eine gemeinsame Betriebsspannungsquelle (35) und zwei getrennte Emitterwiderstände (19, 20) gebildet werden, die den einen Pol (Leitung 22) der Betriebsspannungsquelle mit den Emittern der Schalttransistoren (11,12) bzw. mit den Emittern der Ausgangstransistoren (13, 14) verbinden.
4. 4. Stromübernahmeschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung einen oder mehrere, mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken parallelgeschaltete Eingangstransistoren (31, 32) aufweist, deren Basen binäre Eingangssignale (A, B) zugeführt werden.
5. 5. Stromübernahmeschalter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Transistoren vom gleichen Leistungstyp sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen