DE1815203A1 - Schaltungsanordnung zur UEbertragung von Signalen zwischen unterschiedlichen Gleichspannungspegeln - Google Patents

Description

HCA 59 574

US Serial Number 691 884- 6696-68

Piled Dec.19, 1967 Sch/eak

Anmelder: Radio Corporation
of America

Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen zwischen unterschiedlichen Gleichspannungspegeln.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen zwischen unterschiedlichen Gleichspannungspegeln, mit mindestens zwei Halbleiterbauelementen, deren erstes mit einer Eingangsschaltung für auf den ersten Gleichspannungspegel bezogene Eingangssignale verbunden ist.

In integrierten Schaltungen, bei welchen in einem HaIbleiterplättchen ein elektrisches Äquivalent einer ganzen Schaltung untereinander verbundener aktiver und passiver Schaltungselemente ausgebildet ist, ist oft im Signalweg eine Gleichspannungspegelverschiebung erforderlich. Ein solcher Pail tritt ein wenn zum Beispiel ein auf einen bestimmten Bruchteil der Betriebsspannung bezogenes Signal einer Yerstärkerstufe zugeführt werden soll, die mit einer Vorspannung arbeitet, welche einen anderen Bruchteil der Betriebsspannung darstellt.

Die Verwendung von Kapazitäten zur Überbrückung dieser Gleichspannungspegelunterschiede ist bei integrierten Schaltungen unerwünscht, weil einmal ein Kondensator in einer integrierten Schaltung einen beträchtlichen Raum

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einnimmt und zum anderen ein außerhalb der integrierten Schaltung vorgesehener Kondensator zwei zusätzliche Anschlüsse aus der begrenzten zur Verfügung stehenden Anzahl der Anschlüsse des Halbleiterplättchens benötigt. Auch komplementäre Transistoren oder Zehnerdioden, welche bei bestimmten Schaltungen für diese Pegelüberbrückung verwendet werden können, unterliegen bei integrierten Schaltungen bestimmten Einschränkungen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Äeidung dieser m Nachteile. Sie macht sich die Vorteile der genauen Übereinstimmung und engen thermischen Kopplung einzelner Bauelemente in integrierten Schaltungen für die Übertragung eines Signales zunutze, welches als Ausgangssignal auf einen bestimmten G-leichspannungspegel bezogen sein soll, der sich von dem des entsprechenden Eingangssignales unterscheidet. Weiterhin wird die Tatsache ausgenutzt, daß in Transistoren des gleichen Leitungstyps, deren Basen und Emitter parallel geschaltet sind, und in über diese Elektroden geschalteten Halbleiterdioden, welche eng auf die Transistoreigenschaften abgestimmt sind, der gleiche Kollektorstron fließt. Unter Ausnutzung dieser Erscheinungen und der Vorteile der genauen Anpassung und engen P thermischen Kopplung zwischen Transistoren und Dioden in integrierten Schaltungen läßt sich eine Schaltung aufbauen, in welcher gleiche Kollektorströme fließen, so daß eine von Umgebungstemperaturen praktisch unbeeinflußte Pegelverschiebung auftritt.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen zwischen unterschiedlichen G-leichspannungspegeln, mit mindestens zwei Halbleiterbauelementen, deren erstes mit einer Eingangsschaltung für auf den ersten Gleichspannungspegel bezogene Eingangssignale verbunden ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Halbleiterbauelement ein nur

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in einer Richtung leitendes Element mit zwei Elektroden ist, daß das zweite Halbleiterbauelement ein Verstärkerelement mit drei Elektroden ist, dafi mindestens an die erste und die zweite Elektrode jedes der Halbleiterbauelemente Koppelelemente zur Erzeugung von Vorspannungen zwischen ihnen angeschlossen sind, so daß gleiche G-leichströme durch die mit der ersten Elektrode des nur in einer Richtung leitenden Elementes Terbundene Eingangsschaltung und durch die mit der dritten Elektrode des Verstärkerelementes verbundene Ausgangsschaltung fließen, und daß die Ausgangsschaltung eine dem G-leichspannungspegel für die Ausgangssignale bestimmende Versorgungsspannungsquelle aufweist.

Die im folgenden verwendeten Ausdrücke Widerstände, Kapazitäten, Transistoren, Gleichrichter, Dioden usw. aollen für die in einer integrierten Schaltung verwendeten Äquivalentenelemente verwendet werden, wenn nichts anderes gesagt ist. Die Ausbildung dieser Elemente in integrierten Schaltungen ist in der Technik bekannt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

Pig.1 Ein Schaltbild einer Pegelverschiebungsschaltung nach der Erfindung

Pig.2 ein Schaltbild der in Pigur 1 dargestellten Schaltung in der Verwendung als Phasenaufspaltungsschal tung

Pig.3 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung in einer Anwendung zur Verhinderung einer Transistorsättigung bei Schaltanwendungen und

Pig.4 eine Anwendung der Erfindung als Breitbandverstärker hoher Verstärkung.

Die in Pigur 1 dargestellte Pegelverschiebungsschaltung

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zeigt ein Paar als NPN Transistoren 10 bzw. 12 ausgebildete Halbleiterbauelemente.· Die Basen 14 und 16 dieser Transistoren sind miteinander verbunden. Ihre Emitter 18 und 20 sind ebenfalls miteinander verbunden und liegen an einem Bezugs- oder Massepotential 22. Der Kollektor 24 des Transistors 10 ist über einen ersten Widerstand 26 an eine Eingangsklemme 28 angeschlossen. Der Kollektor 30 des Transistors 12 ist über einen zweiten Widerstand 34 und den Anschluß 35 an eine einstellbare Spannungsquelle 32 angeschlossen. Der Kollektor 24 Hegt ferner über eine Kurzschlußleitung 36 an der Basis 14, so daß der Transistor 10 als Diode oder Gleichrichter wirkt. Der Kollektor 30 des Transistors 10 ist über eine Leitung 38 an eine Ausgangsklemme 40 angeschlossen.

In Betrieb fließt ein Strom in den Kollektorkreis des Transistors 10, wenn der Augenblickswert des Eingangssignals am Anschluß 28 die mittlere Basis-Emitter-Durchlaßspannung V_b dieses Transistors übersteigt, welche am Kollektor 24 steht. Da die Basen 14 und 16 und die Emitter 18 und 20 der beiden Transistoren 10 und 12 zusammengeschaltet sind, fließt in beiden etwa der gleiche Strom, wenn sie von gleichem leitungstyp sind.

Sind die Transistoren 10 und 12 ferner in einer integrierten Schaltung in einem monolithischen Halbleiterplättchen aufgebaut, dann werden die Ströme identisch, da die Basis-Emitter-Spannungen dieser Transistoren gleich sind und die Transistoren der gleichen thermischen Umgebung ausgesetzt sind und die gleiche Kristallstruktur haben. Es läßt sich daher zeigen, daß diese Kollektorströme der Gleichung 1 genügen

■i i ^vin ^vbe1O

* ¹ B^

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wobei i₁₀ und i₁₂ die Kollektorströme der Transistoren 10 bzw. 12 in mAj

V_in « der Augenblickswert der dem Anschluß

28 zugeführten Eingangsspannung in Volt;

V,_ β die Basis-Emitter-Durchlaßspannung des

10

Transistors 10 in Volt und

Rpg = der Wert des Widerstandes 26 in Kiloohm sind.

An der Ausgangsklemme 40 infolge des Stromes i-« durch den Widerstand 34 entstehende Signal lässt sich schreiben als

^W = ^Vref ^R

^l26 '^υ

mit V_ref = Spannung der Gleichspannungsquelle 32 in Volt; R„. ss Wert des Widerstandes 34 in Kiloohm und

Vj^, V, und Rnc wie vorstehend, in* "^eio ^

Aus der letzten Gleichung ergibt sich, daß der Gleichspannungspegel des entstehenden Ausgangssignales in erster Linie durch eine Einstellung der Spannung der Spannungsquelle 32 einstellbar ist. Eine Veränderung des Widerstandsverhältnisses ^-za/^-oq ^zur Veränderung der Wirkung der Gleichspannungskomponente des angelegten Eingangssignales oder der Durchlaßspannung des Transistors 10 erlaubt nur in zweiter Linie eine Bestimmung des Ausgangsgleichspannungspegels und ist im Allgemeinen nicht durchführbar, wenn die Widerstände 26 und 34 fest sind. Das Widerstandsverhältnis R,4/B26 ^ist weiterhin relativ stabil in einer integrierten Schaltung bei Temperaturech^wankungen, so daß der Ausgangsgleichspannungspegel bei Temperaturschwankungen praktisch konstant bleibt. In dieser Hinsicht bleiben jegliche Veränderungen dieses Gleichspannungspegels, die durch Ände-

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rangen der Basis-Emitter-Spannung V, mit Temperatur-

De₁₀

Schwankungen aufzutreten suchen, von geringerer Bedeutung und lassen sich gegebenenfalls leicht kompensieren.

Die Pegelverschiebungsschaltung nach Anspruch 1 ist daher eine außerordentlich vielseitig verwendbare Schaltung^ indem der Gleichspannungspegel des azengten Ausgangssignales über einen weiten Bereich.einfach durch Veränderung der Spannung der Spannungsquelle 32 verändert werden kann. Sie maximale Spannung für die Spannungsquelle 32 ist diejenige, bei der die Durohbruchsspannung am Kollektor 30 bei minimalen Stromfluß nicht überschritten wird.Das erzeugte Ausgangssignal erreicht mit seiner Maximalamplitude die Spannung der Spannungsquelle 32 und mit seiner Minimalamplitude Massepotential.

Die Schaltung nach Figur 1 läßt sich so abwandeln, daß sie zusätzlich zu der Pegelverschiebung eine Signalverstärkung liefert. Beispielsweise können 1,2 ...n parallel mit dem Transistor 12 geschaltet werden, wie es die gestrichelten Linien zeigen, und dann lassen sich Signalverstärkungen von 2, 3, ... η + 1 infolge der zugefügten Ströme durch den Widerstand 34 erreichen. In entsprechender Weise kann eine Signalverstärkung auch durch eine Wahl des Widerstandes 34 auf einen größeren Wert als der des Widerstandes 26 erreicht werden. In beiden Fällen wird die Steuerung des Ausgangegleichspannungspegels unabhängig davon jedoch in erster Linie durch eine Veränderung der Spannung der Gleichspannungsquelle 32 bewirkt.

Andererseits läßt sich eine Signalverstärkung auch durch Verwendung eines Transistors 12 erreichen, dessen Basis-Emitter-Übergangsfläche größer als die entsprechende Fläche des Transistors 10 ist. Dies ergibt sich daraus, daß die Stromverstärkung der Schaltung proportional dem

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Verhältnis der Emitter-Übergangsfläche des Transistors 12 zur Emitter-Obergangsfläche des Transistors 10 ist. Da die Basis-Emitter-Dioden der beiden Transistoren parallel geschaltet sind,ist die Spannung über ihnen gleich, und das Gleiche gilt für ihre Stromdichten. Bei gleichen Stromdichten verhalten sich aber die Emitterströme der Transistoren 10 und 12 ebenso wie ihre Emitterflächen.

Eine weitere Alternative Anordnung kann durch Verwendung eines nur in einer Richtung leitenden Bauelementes in Form einer Halbleiterdiode anstelle des Transistors 10 getroffen werden. Das bedeutet, daß Basis und Kollektor des Transistors 10 kurzgeschlossen sind, so daß er als Halbleiterdiode wirkt. In einer integrierten Schaltung lassen sich Transistoren leicht herstellen und zur Bildung einer Diode wie in Figur 1 kurzschließen.

Wenn anstelle des Transistors 10 eine Diode verwendet wird, dann läßt sich zeigen, daß man bei der mathematischen Ableitung ebenfalls auf Gleichung 2 kommt.

Der in Figur 2 dargestellte Phasenaufspaltungsverstärker enthält die Pegelverschiebungsschaltung nach Figur 1 mit den gleichen Bezugsziffern und zusätzlich ein Paar Transistoren 50 und 52 sowie einen Widerstand 54. Der Kollektor 30 der Pegelverschiebungsschaltung ist über eine Klemme 40 mit der Basis 56 des Transistors 50 verbunden, während sein Emitter 58 über einen Widerstand 54 an Maese 52 liegt. Der Kollektor 60 des Transistors 50 ist zusammen mit dem Emitter 62 des Transistors 52 an die Gleichspannungsquelle 32 angeschlossen, während der Kollektor 64 des letztgenannten Transistors an der Klemme 28 liegt. Weiterhin ist eine Signaleingangsquelle 66 zusammen mit einer Vorspannungsquelle 75 zwischen die Basis 68 des Transistors 52 und die Spannungsquelle 32 geschaltet und liefert die zu verstärkenden und in ihrer Phase umzukehrenden Signale.

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Im Betrieb der Phasenaufspaltungsschaltung nach Figur 2 werden die der Basis 68 angeführten Eingangssignale durch den Transistor 52 mit einer Verstärkung verstärkt, die im wesentlichen durch das Produkt der Steilheit des Transistors 52 mit dem Widerstand 26 bestimmt ist. Diese verstärkten Signale werden auch in ihrer Polarität umgekehrt und erscheinen am Anschluß 28 mit einem Momentanwert gegenüber dem Massepunkt 22, der gegeben ist durch Gleichung 3

^V28 ^{= i}52^R26 ^{+ V}be₁₀ (3)

wobei i(-₂ der Kollektorstrom des Transistors 52 ist, der infolge der Reihenkopplung auch gleich dem Kollektorstrom des Transistors 10 ist. Der Transistor 12 kehrt ähnlich die Polarität der verstärkten Signale um, wenn sie seiner Basis 16 zugeführt werden und erzeugt Signale der ursprünglichen Polarität am Anschluß 40, welche den Momentanwert haben:

^V40 ^{= V}ref " ⁱ12^R34 (4)

Wird wiederum angenommen daß die Transistoren 10 und 12 in einem monolithischen integrierten Schaltungsplättchen aufgebaut sind, so daß ihre Kollektorströme praktisch gleich sind, dann läßt eich zeigen, daß die am Anschluß bzw. am mit dem Emitter 58 Ausgangsanschluß 70 entstehenden Signale durch die Gleichungen

34
^V40 ^{β V}ref ~ SgJ ^(V28 " ^Vbe_1Q ^ (5)

und R

^Vout ^{= V}ref - gg _{10 50}

(6)

gegeben sind, wobei VV die Basis-Emitter-Durchlaß-

^De50

spannung des Transistors 50 ist. Da "VV und VV in

^De10 ^be50

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einer integrierten Schaltung praktisch gleich sind, läßt sich der Momentanwert des entstehenden Ausgangssignales ausdrücken durch

^Tout ^{= V}ref " ^V28

wenn die Widerstände 26 und 34 gleich groß sind. In diesem Fall,ebenso wie wenn die Widerstände ungleiche Werte haben, läßt sich der Gleichspannungspegel.der erzeugten Ausgangsspannung in erster Linie durch Veränderung der Bezugsspannung der Spannungsquelle 32 variieren. Ist weiterhin der Widerstand 34 größer als der Widerstand 26, dann '

liefert der Transistor 12 zusätzlich eine Signalverstär- ™ kung von der Größe des Widerstandsverhältnisses.

Bei einer Ausführungsform des PhasenaufspaltungsVerstärkers nach ligur 2 sind die Widerstände 26, 34 und 54 D^e 3 Kiloohm und die Gleichspannung der Bezugsspannungsquelle 32 beträgt + 10 YoIt. Bei diesen Werten wird etwa eine Spannungsverstärkung von 1 erreicht, wobei die Signalspannungsamplitude von Spitze zu Spitze gemessen etwa gleich den 10 Volt der Spannungsquelle 32 war. Es wurde eine Eingangsimpedanz von 3 Kiloohm vorgesehen, während die Ausgangsimpedanz relativ niedrig war und nur 90 0hm betrug. Wie bereits' erwähnt, äußert sich eine Veränderung i der der Schaltung durch die Spannungsuqelle 32 zugeführten Gleichspannung in der gewünschten Gleichspannungspege!verschiebung.

Die Transistoren 10, 12 und 5 sind als NPN Transistoren dargestellt, während der Transistor 52 ein PNP Transistor ist; bei einer Polaritätsumkehr der Spannungsquelle 32 und 75 können die Leitungstypen der Transistoren umgekehrt werden. Bei Verwendung von Spannungsquellen der richtigen Polarität lassen sich ferner erfindungsgemäß Phasenaufspaltungsschaltungen aufbauen, welche entweder NPN oder nur PNP Transistoren verwenden.

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Figur 3 zeigt eine Schaltung, bei welcher der Strom des PegelverschiebungsVerstärkers 200 durch den Wert der Bezugsspannungsquelle V , dem Kollektorwiderstand 205

des die Transistoren 210 und 215 und eine gemeinsame Stromquelle 250 umfassenden Differentialverstärkers und die Zehnerdiode 220 begrenzt wird. Diese Strombegrenzung verhindert eine Sättigung des Pegelverschiebungstransistors 225, selbst wenn sich seine Stromverstärkung B verändern sollte. ■ -

_ Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten der erfindungs-™ gemäßen Pegelverschiebungsschaltung lassen sich auch anhand von Figur 4 zeigen. Hier sind die Transistoren 10 und 12 als PNP Transistoren dargestellt und sind zu einem Breitbandverstärker hoher Verstärkung zusammengeschaltet, dessen Eingangsklemme 330 zunächst auf eine Emitterfolgerstufe 300 geführt ist. Mr diesen Breitbandverstärker ist ein Schwingkreis 310 mit einer Kapazität 315 und einer Induktivität 320 anstelle des Widerstandes 34 in den Figuren 1 oder 2 getreten. Die an den Basen 14 und 16 der Transistoren 10 und 12 vorhandene niedrige Impedanz überbrückt praktisch die Miller Kapazität zwischen dem Kollektor und der Basis 16, so daß am Eingang des Transistors 12 ein fe Breitbandsignal ansteht, fine entsprechende Verringerung des Miller Kapazitätseffektes ergibt sich bei einem NPN Verstärker. Bei einem integrierten Aufbau dieses Verstärkers kann der Schwingkreis 310 beispielsweise auch von außen über eine Leitung 235 an das Halbleiterplättchen angeschlossen werden.

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Claims (3)

1. λλ

   ANSPRÜCHE

   Schaltungsanordnung zur Übertragung von Signalen zwischen unterschiedlichen Gleichspannungspegeln, mit mindestens zwei Halbleiterbauelementen, deren erstes mit einer Eingangsschaltung für auf den ersten Gleichspannungspegel bezogene Eingangssignale verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleiterbauelement (10) ein nur in einer Richtung leitendes Element mit zwei Elektroden ist, daß das zweite Halbleiterbauele- λ ment (12) ein Yerstärkerelement mit drei Elektroden ist, aaß mindestens an die erste und die zweite Elektrode (14-, 18; 16, 20) jedes der Halbleiterelemente (10; 12) Koppelelemente zur Erzeugung von Vorspannungen zwischen ihnen angeschlossen sind, so daß gleiche Gleichströme durch die mit der ersten Elektrode (18) des nur in einer Richtung !leitenden Elementes (10) verbundene Eingangsschaltung (26, 28) und durch eine mit der dritten Elektrode (50) des Verstärkerelementes (12) verbundene Ausgangsschaltung (34, 35, 32) etaa

   fließen, und daß die Ausgangsschaltung eine den Gleichspannungspegel für die Ausgangssignale bestimmende Versorgungsspannungsquelle (32) aufweist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterverstärker einen Transistor (12) umfasst, daß die erste, zweite und dritte Elektrode (20, 16, 30) die Basis, der Emitter bzw. der Kollektor dieses Transistors sind, daß das nur in einer Richtung leitende Bauelement (10) einen parallel zu der Basis und dem Emitter geschalteten PN Übergang umfasst, der in derselben Richtung wie die Basis-Emitter-Diode des Transistors 12 geschaltet ist.

   ,
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

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   SMSPSCTeD

   /fj,

   gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterbauelemente (10, 12) Halbleiterverstärker-Bauelemente sind.

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterverstärker-Bauelemente Transistoren sind.

   5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren in einer einzigen integrierten Schaltung ausgebildet sind.

   6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich η weitere Transistoren in der integrierten Schaltung ausgebildet sind, von denen jeweils die Basis der Emitter und der Kollektor an die entsprechenden Elektroden des zweiten Verstärkertransistors (12) angeschlossen sind, um eine Verstärkung der übertragenden Signale von N+1 zu liefern^wobei N eine positive ganze Zahl ist.

   7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung einen ersten Widerstand (26) aufweist, welcher die zu übertragenden Signale an den Kollektor (24) des ersten Transistors (10) koppelt, daß die Ausgangsschaltung einen zweiten Widerstand (34) enthält, welcher eine einstellbare Spannungsquelle (32) an den Kollektor des zweiten Transistors (12) koppelt, und daß die Zenerverstärkung praktisch gleich dem Widerstandsverhältnis des zweiten zum ersten Widerstand ist.

   '8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß bei den beiden Transistorverstärkern (10, 12) die Basis-Emitter-Übergangsflachen ungleich sind, so daß eine Signalveostärkung von praktisch gleich dem Verhältnis der Übergangsflächen des zweiten Transistors zum ersten Transistor ist.

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   -X-

   9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Halbleiterbauelement (10, 12) ein erster bzw. ein zweiter Transistor ist, die je eine Basis, einen Emitter bzw. einen Kollektor haben und deren Basen und Emitter parallel geschaltet sind, daß Basis und Kollektor (14, 36) des ersten Transistors (10) kurzgeschlossen sind, daß die Eingangsschaltung (26, 28) an den Kollektor (36) des ersten Transistors (10) angeschlossen ist und daß die Ausgangsschaltung einen die Spannungsquelle (32) mit dem Kollektor (30) des zweiten Transistors (12) verbindende zweiten Widerstand (34) aufweist.

   10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen zweiten Koppelwiderstand (26).

   11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter (18, 20) des ersten und des zweiten Transistors (10, 12) je an einen Bezugspotentialpunkt (22) geschaltet sind und der Augenblickswert der am Kollektor (30) des zweiten Transistors (12) abgenommenen übertragenen Signale gegenüber Masse durch die Gleichung gegeben ist

   ^Vout = ^Vref - Sl <^Yin ~ ^Vbe>

   ^R2

   ^m out = Augenblickswert der übertragenen Ausgangssignale ;

   V. = Augenblickswert der zu übertragenden Eingagnssignale;

   V- = G-leichspannung der Betriebsspannungsquelle (32)?

   E = Wert des ersten Widerstandes (34)5 Ep 5= Wert des zweiten Widerstandes (26);

   V, a Basis-Emitter-Durchlaßspannung des ersten Transistors (10).

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