DE1913368A1

DE1913368A1 - Signalerzeuger

Info

Publication number: DE1913368A1
Application number: DE19691913368
Authority: DE
Inventors: Wallingford Clarens Robert
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1968-03-20
Filing date: 1969-03-17
Publication date: 1969-10-16
Also published as: US3641369A; NL6904078A; DE1913368B2; FR2004326A1; BE729493A; US3588544A; CH492351A; AT310806B; GB1236333A

Description

DR. FRAUKE E. TRETTIN 1 Q 1 Q ^ C Q

PATENTANWÄLTIN '^ I O O D Q PafantanwfilHn Dr. Frauke E. Trettln, 6 Hrn., KrSgarsfr. 5

— 6 Frankfurt α. μ.ι. 14. März'1969

Krögerstraee 5 T/St

Firma AGA Aktiebolag, Lidingö / Schweden

SIGNALERZEUGER

Die. Erfindung betrifft einen Signal er zeuger mit einer Halbleitervorrichtung mit zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode vorhandenen Eigenkapazität. Es wird also die Ladung einer Eigenkapazität zur Signalerzeugung herangezogen. Viele Transistorschaltungen, z.B. Oszillatoren, Multivibratoren und dergleichen, enthalten

Telefon (OiVl) 281507 · Telegr.-Adr. Pafentmouths Bank ι Deutsdie Bank, Frankfurt a.M., Nr. 61/8207 - Postscheckt Frankfurt/M. 34000

90984271504

kapazitive Elemente, die möglichst "bei der Herstellung integrierter Schaltungen vermieden werden sollen.

Dies soll durch die Erfindung dadurch ermöglicht «erden, daß die Eigenkapazität einer Hai "blei t ervorrichtung als akter Bestandteil der Schaltung wirkt.

Der Signalerzeuger der oben genannten Art zeichnet sich gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur Zuführung eines Steuersignals zur Änderung des Ladungszuatan.des der Eigenkapazität von einem ersten zu einem zweiten vor "bestimmt en Wert und zur Ermöglichung eines Stromflusses nach erfolger Amplitudenänderung des Steuersignals zur Wiederherstellung des ersten Ladungszustandes in einer vom Verstärkungsmaß der Vorrichtung abhängigen Zeitspanne aus..

Die Zeichnung zeigt Ausführungsformen der Erfindung. Es stellen dars

Fig. 1 das Schaltbild eines Signalerzeugers, Pig. 2 ein Ersatzschaltbild für den Transistor

der Pig. I,
Pig. 3 die an verschiedenen Stellen der Schaltungen

nach Pig. 1, 2, 4 und 5 auftretenden Signale, und Pig. 4 und 5 zusätzliche Ausführungsformen.

009842/1504

Die Schaltung Io nach Pig. 1 umfaßt einen Transistor 11, der zwischen einem Elektrodenpaar eine Eigenkapazität aufweist. Dieses Elektrodenpaar besteht aus der Basis 12 und dem Kollektor 13, der an einer Vorspannung V₁ liegt, Die dritte Elektrode ist der Emitter 14.

Eine Diode 15 liegt zwischen der Eingangsklemme der Schaltung und der Basis 12. Zur Eingangsklemme gelangt ein Steuersignal bestehend aus einem Impulszug, der die Ladung der Eigenkapazität von einem ersten Wert, entsprechend dem aufgeladenen Zustand, zu einem zweiten Wert, entsprechend dem entladenen Zustand, ändert. Bei einer folgenden Aufladung der Eigenkapazität am Ende eines Impulses fließt wegen der Sperrung der Diode 15 eine Ladung durch den Emitter und lädt die Kapazität wieder auf. Die Aufladez-eit wird bestimmt durch das Verstärkungsmaß ß des Transistors 11, die Größe der Basis-Kollektor-Kapazität und die Belastungsimpedanz, d;Le als .Widerstand 16 zwischen dem Emitter 14 und Masse liegt. Das Ausgangssignal erscheint an einer. Klemme 17.

909842/1 6-

Pig. 2 zeigt ein Ersatzschalfbild für den Transistor Zwischen der Basis 12 und der eigentlichen Basis 19 liegt ein Basiswiderstand 18, und zwischen dem Kollektor 13 und der eigentlichen.Basis 19 eine Kapazität 2o, die der zwischen diesen Elektroden vorhandenen Eigenkapazität entspricht. Die Parallelschaltung eines Widerstandes 21 und einer Kapazität 22, liegt zwischen der eigentlichen Basis 19 und dem Emitter 14, und zwischen Kollektor 13 und Emitter 14 liegt eine Stromquelle 23.

Zur Erörterung der ArZeitweise der Schaltung nach Pig. 1 wird der Transistor 11 durch Pig. 2 ersetzt. Es sei davon ausgegangen, daß die Anfangsspannung der Basis 12 den Transistor 11 sperrt. Der erste Wert der Ladung der Kapazität 2ο entspricht deren Spannung, die dann im wesentlichen mit der Vorspannung V, Übereinstimmt.

Das Eingangssignal ist in Pig. 3 durch die Kurve A dargestellt und besteht aus rechteckigen Impulsen. Auch andere Signalformen sind möglich.

Wenn ein Impuls zur Basis 12 gelangt, wird der Transistor 11 durchlässig. Der Strom fließt durch den

909842/1504

Emitter 14 und den Widerstand 16 und erzeugt an der Ausgangsklemme 17 ein Ausgangssignal nach der Kurve B in Pig. 3. Bei durchlässigem Transistor ist die Ladung der Kapazität 2o auf einen niedrigen zweiten Wer-t reduziert, der der Differenz zwischen der Vorspannung V-, und der Spannung des Eingangsimpulses gleich ist.

Es sei jetzt angenommen, daß sich der Transistor 11 im aktiven Zustand befindet. Der Augenblickwert der Spannung am Emitter 14 erscheint an der Klemme 17 und entspricht dem Teil B₁ der Kurve B. Diese Spannung ist im wesentlichen gleich der Spannung des Impulses an der Basis 12 abzüglich des kleinen Spannungsabfalls zwischen Basis und Emitter. Wäre der Transistor 11 aber gesättigt, würde die.Spannung an der Klemme 17, d.h. die Amplitude von B-,, etwa gleich der Vorspannung V-, sein. In diesem Falle sollte die Diode 15 durch einen Reihänwiderstand geschützt werden. .

Die Ladung der Kapazität 2ο und somit die Ausgangsamplitude bfeibt bis zum Ende des Steuerimpulses konstant, unabhängig davon, ob der Transistor 11 gesättigt oder, im aktiven Zustand ist. Nach Beendigung des Impulses

909842/1604

würde die kapazität 2o normalerweise über denselben Stromweg aufgeladen werden, der jedoch in dieser Richtung durch die Diode 15 gesperrt ist. Der Strom muß daher zwischen dem Emitter 14 und der eigentlichen Basis 19 fließen. Dabei liefert die Stromquelle 23 einen Strom, der etwa gleich dem ß-fachen des zum Emitter 14 fließenden Basisstrom ist, so daß bei der Wiederaufladung der Kapazität 2o nach Beendigung eines Seuerimpulses der mit (1 + ß ) multiplizierte Basisstrom vom Emitter 14 über den Widerstand 16 nach Masse fließt. Diese Wiederaufladung ist langsam im Vergleich zur Entladung, wie durch den Kurventeil Bp dargestellt. Da der Widerstand 16 von etwa dem ß-fachen Basisstrom durchflossen wird, ist die Zeitkonstante für die Aufladung vom Widerstandswert 16, dem Verstärkungsmaß ß und der Kapazität 2o abhängig. Sollte es erwünscht sein, diese Zeitspanne noch zu verlängern, kann dies durch bekannte Mittel erreicht werden, z.B. dadurch, daß der Transistor 11 durch ein Transistörpaar in Darlington-Schaltung mit einem effektiven Ver-

2 ■■'■-"

stärkungsmaß von ß ersetzt wird.

Wenn das Steuersignal aus Hechteckimpulsen besteht, ergibt sich an der Klemme 17 eine wechselstromförmige

S09842/1SÖ4

Ausgangsspannung. Am Ende jedes Steuerimpulses lädt sich der Kondensator 2o auf, Ms der ursprüngliche Spannungswert wieder vorhanden und der Transistor gesperrt ist.· Wenn aber die Impulslücken klein genug sein, damit der folgende Impuls zur Basis 12 gelangt, "bevor das Wieder auf laden beendigt ist, wird sich die Kapazität 2o beim Eintreffen des folgenden Impulses schnell entladen, ohne daß der Transistor 11 den Sperrzustand erreicht. In diesem Fall ergibt sich an der Klemme 17 eine abgeänderte Signalform. Abgeänderte Signalformen entstehen auch, wenn die Steuerimpulse verschiedene Amplituden haben.

Unter der Annahme, daß die Impulslücken groß genug sind, lädt sich die Kapazität 2o auf die Anfangsspannung auf. Bei einem normalen Transistor ist der Wert der Kapazität 2o nicht konstant, sondern etwa umgekehrt proportional zur Spannung. Bei anwachsender Spannung nimmt also der Kapazitätswert ab, und es ergibt sich ein mehr linearer Verlauf des Kurventeils B₂, als wenn der Kapazitätswert konstant wäre.

Fig. 4 zeigt einen Signalerzeuger 25, der entweder durch auswärtige Triggerimpulse oder als selbständiger

909842/1504

Oszillator arbeiten kann, je nachdem, ob die Klemme mit einer Eingangsklemme 27 oder mit einer Klemme 28 verbunden ist. Für die beiden Schaltungsmöglichkeiten ergeben sich zwie verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

Der Signalerzeuger 25 umfaßt außer der Schaltung Io einen zur Signalformung dienenden Invertierkreis 29 mit einem Transistor 3o, der gesättigt wird, wenn die Amplitude an der Klemme 17 sich in einer Richtung um einen vorbestimmten Betrag ändert, und gesperrt wird, wenn die Amplitude sich in der anderen Richtung um einen vorbestiemten Betrag ändert. Emitter, Basis und Kollektor des Transistors 3ο sind mit einer Vorspannung V\, über einen Widerstand 31 mit der Klemme bzw. über einen Widerstand 32 mit der Vospannung Vp verbunden. Das Ausgangssignal erscheint an dem mit der Klemme 28 verbundenen Kollektor. Der Invertierkreis 29 kann auch anderer Ausführung sein, z.B. kann ein Schmidt-Trigger verwendet werden.

Bei der als Oszillator arbeitenden Ausführungsform erzeugt der Invertierkreis 29 das Steuersignal. In diesem Fall ist ein Rückkopplungsweg von der Klemme über den Schalterarm zur Klemme 26 wirksam.

9 09842/150*

3913368

An der Klemme 17 erscheint das Signal nach Kurve B der*3?ig. 3 und gelangt zum Invertier kr eis 29, der Ausgangsimpulse passender Dauer am Kollektor des Transistors 3o erzeugt.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise sei zuerst angenommen, daß der Transistor 3o gesperrt ist. Die Ausgangsamplitude an der Klemme 17 hat dann etwa den Wert 0. Wie in Pig. 3 dargestellt, steigt die Amplitude an der Klemme 17 sehr schnell an, wenn ein Steuerimpuls zur Basis des Transistors 11 gelangt, und sättigt den Transistor 3o. Nach Beendigung des Impulses nimmt die Amplitude an der Basis des Transistors 3o Ms zu einem vorbestimmten Wert ab, wodurch der Transistor 3o gesperrt wird. Dieser Wert kann z.B. durch Änderung der Vorspannungen oder der Widerstandswerte zur Einstellung der Impulslänge geändert werden. Der Invertierkreis 29 besitzt eine gewisse Verzögerung wegen der endlichen Schaltzeit des Transistors 3o. Wenn die Klemmen 28 und 26 miteinander verbunden sind, arbeitet die Schaltung als Oszillator. Die Schaltung 25 kann in dieser Weise als Impulsgenerator, monostabiler Multivibrator, Oszillator usw. arbeiten, obwohl keine äußere Kapazität vorhanden ist.

9Ö9842/1S04

- Io -

Fig. 5 zeigt einen Oszillator 33, der z.B. eine verhältnismäpig konstante Gleichspannung erzeugen kann, wenn das Steuersignal der Kurve C in Fig. 3 entspricht.

Der Oszillator 33 umfaßt Transistoren 34 und 35 mit zwischen Basis und Kollektor vorhandenen, gestrichelt angedeuteten Eigenkapazitäten 2oa und 2ob, sowie Dioden 38 und 39, über die der Steuerimpuls den Basen der Transistoren 34 bzw. 35 zugeführt wird, und die Ladung der Kondensatoren 2oa und 2ob von einem ersten zu einem zweiten Wert ändert. Fach Beendigung des Steuerimpulses sind die Dioden 38 und 39 gesperrt, und ein Strom fließt zwischen dem Emitter des Transistors 34 und dem Kollektor des Transistors 35, wodurch die Ladungen der Kapazitäten 2oa und 2ob einen dritten Wert annehmen. Die genannten Werte brauche-n nicht für beide Kondensatoren übereinzustimmen.

Bei passender Bemessung der Kreiskonstanten, z.B. wenn die Transistoren 34 und 35 ähnliche Kennlinien haben und die Kapazitäten 2oa und 2ob gleich sind, laden sich diese etwa gleich schnell zu den dritten Spannungswerten in einer Zeitspanne auf, die von den Verstärkungsmaßen, den Kapazitäten 2oa und 2ob und den Belastungswiederständen abhängig ist.

909842/1804

- li -

Zwischen dem Emitter des Transistors 34 und dem Kollektor des Transistors 35 liegt ein Belastungswiderstand 36 zur Erzeugung des" Ausgangssignals an einer mit dem Mittelpunkt des Widerstandes 36 verbundenen Klemme 37. Das Ausgangssignal "besteht während der genannten Zeitspanne mit einer Amplitude gleich der halben Amplitude des Steuerimpulses.

Zum Schutz der Diode 39 ist er in Serie mit einem Widerstand 4o geschaltet ₉ Ein ähnlicher Widerstand kann auch in Serie mit der Diode 38 liegen.

Was die Wirkungsweise des Oszillators 33 betrifft, kann das Ersatzschaltbild nach Fig. 2 für jeden der Transistoren 34 und 35 angewandt werden. Ein Steuerimpuls entsprechend dem Kurventeil C-, der Pig. 3 gelangt gleichzeitig zu den Basen der Transistoren und 35. Vor der Ankunft dieses Impulses hatte jede der Kapazitäten 2oa und 2ob den ersten vorbestimmten Ladungswert. Wenn das Steuersignal aus einem Impulszug besteht, stimmt dieser erste Wert mit dem dritten vorbestimmten Ladungswert überein, der von dem vorhergehenden Impuls erzeugt wurde. An der Kapazität 2oa erzeugt der erste Ladungswert die Spannung V. - Cq/²' wo C₀ die Amplitude des vorhergehenden Impulses und V,

9098Ul/1504

.- 12 -

die Kollektorvorspannung des Transistors 34 "bedeuten. In ähnlicher Weise erzeugt der erste Ladungswert am Kondensator 2ob die Spannung C /2.

Es ist zu beachten, daß nach dem Empfang des allerersten Steuerimpulses der erste Ladungswert an den Kapazitäten 2oa und 2ob von den Eigenschaften der Schaltung im Gleichgewicht abhängen und von den genannten Werten abweichen können.

Beim Empfang eines Steuerimpulses C₁ nach Fig. 3 sind die Transistoren 34 und 35 derart vorgespannt, daß der Transistor 34 durchlässig und der Transistor 35 gesättigt ist. Die Ladungen der Kapazitäten 2oa und 2ob wechseln schnell zu den zweiten Werten. Da C-, die Amplitude des empfangenen Steuerimpulses ist, ergeben sich die zweiten Spannungswerte der Kapazitäten 2oa 'und 2ob als Y. - C-, bezw. O, wie durch D-, bzw. E-, in Fig. 3 veranschaulicht.

Unter der Annahme, daß C-, groß im Vergleich zu den Spannungsabfällen in den Dioden 38 und 39 und zwischen Basis und Emitter des Transistors 34 ist, beträgt die Ausgang Samplitude an der Klemme 37 im wesentlichen die Hälfte der Amplitude des zugeführten Steuerimpulses Oy*

909842/1504

Dieser Wert bleibt im wesentlichen konstant bis zur Beendigung des Impulses.

Nach der Beendigung des Impulses sind, wie im Zusammenhang mit Pig. 1 bemerkt wurde, die Dioden 38 und 39 gesperrt. Der Strom fließt durch die Transistoren 34 und 35 über den Widerstand 36 und spannt die Transistoren in den aktiven Arbeitsbereich vor, wodurch die Basis-Kollektor-Spannungen langsam anwachsen,, und die Kapazitäten 2oa und 2ob sich langsam zum dritten vorbestimmten Wert entsprechend Y. - C-,/2 bzw. G-,/2 aufladen, wie durch Do und Sp ^irL Fig. 3 veranschaulicht. Wenn die Impulse relativ dicht eintreffen, kann es vorkommen, daß die Kapazitäten 2oa und 2ob beim Eintreffen des folgenden Impulses nicht bis zu den angegebenen Werten aufgeladen worden sind. In diesem Falle entsprechen die dritten vorbestimmten Werte den Ladungszuständen der Kondensatoren beim Eintreffen des folgenden Impulses. Dieser dritte Wert ist dann mit Bezug auf den folgenden Impuls der erste vorbestimmte Wert.

Da sämtliche in Pig. 3 gezeigten Steuerimpulse die gleiche Amplitude und einen genügend großen Zwischenraum haben, stimmt der erste vorbestimmte Wert, der von der Amplitude des ersten Impulses abhängt, mit dem dritten

909842/1504

vorbestimmten, von der Amplitude des folgenden Impulses abhängigen Wert überein. Die Kurve D in Pig. 3 zeigt den Ladungszustand der Kapazität 2oa, die nach Beendigung jedes Steuerimpulses periodisch den gleichen Amplitudenwert erreicht. Einen ähnlichen Verlauf hat auch die Kurve E für die Kapazität 2ob.

Vorausgesetzt, daß die Transistoren 34 und 35 ähnliche Kennlinien und gleiche Eigenkapazitäten 2oa und 2ob haben, nehmen die Spannungen an den beiden Kapazitäten gleich schnell zu. Da die Transistoren 34 und 35 während dieses Zunehmens im aktiven Arbeitsbereich sind, nimmt die Spannung am Emitter des Transistors

34 gegenüber Masse ab, etwa nach Art einer Sägezahnspannung. In ähnlicher Weise und mit etwa demselben Betrag nimmt die Kollektorspannung des Transistors

35 zu, so daß die am Mittelpunkt des Widerstandes 36 und an der Klemme 37 auftretende Spannung etwa konstant bleibt,

Es entsteht somit ein Ausgangssignal von etwa der halben Amplitude des Eingangsimpulses, welches zumindest während derjenigen Zeit bestehen bleibt, wodie Kapazitäten 2oa und 2ob mit einer Geschwindigkeit aufgeladen werden, bei der die Transistoren 34 und 35 im aktiven Arbeitsbereich bleiben. Diese Zeitspanne ist der Zeit-

909842/1604

konstante des Kreises proportional und somit vom Widerstand 36, dem Verstärkungsmaß der Transistoren 34 und 35 und den Kapazitäten 2oa und 2ob abhängig.

Diese Zeitspanne kann in "bekannter Weise dadurch verlängert werden, daß jeder der Transistoren 34- und 35 durch ein Transistorenpaar in Darlington-Schaltung mit

2 einem äquivalenten VerstäRkungsmaß von ß ersetzt wird.

Beim Empfang eines anderen Steuerimpulses, wie durch C₂ in Pig. 3 ν? ...u. se haulicht, nimmt die Ladung der Kapazitäten 2oa und 2o"b ab, und an der Klemme 37 entsteht eine Spannung.etwa gleich der Hälfte von Cp und es wiederholt sich die erörterte Arbeitsweise der Schaltung 33. Da die Steuerimpulse etwa die gleiche Amplitude haben, ist das Ausgangssignal eine Gleichspannung von etwa der halben Amplitude.

909842/1504

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.) Signalerzeuger mit einer Halbleitervorrichtung mit zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode vorhandener Eigenkapazität, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Zuführung eines Steuersignals zur Änderung des Ladungszustandes der Eigenkapazität von einem ersten zu einem zweiten vorbestimmten Wert und zur Ermöglichung eines Tromflusses nach erfolgter Atnplitudenänderung des Steuersignals zur Wiederherstellung des ersten Ladungszustandes in einer vom Verstärkungsmaß der Vorrichtung abhängigen Zeitspanne.

2. Signalerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Zuführung des Steuersignals eine mit der ersten Elektrode (12) über einen Gleichrichter (15) verbundene Eingangsklemme umfaßt.

3. Signalerzeuger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an die dritte Elektrode (14) angeschlossenen. Widerstand (16) zur Erzeugung eines Ausgangssignals.

909842/1504

4. Signalerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederherstellung des ersten Ladungszustandes in einer Zeitspanne stattfindet, die von dem Verstärkungsmaß der Vorrichtung und von der Größe der Eugenkapazität abhängig ist.

5. Signalerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung einen Transistor (11) mit Basis (12), Kollektor (13) und Emitter (14) als erste, zweite bzw. dritte Elektrode umfaßt.

6. Signalerzeuger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Signalwandler zur Umformung des Ausgangssignals.

7. ' Signalerzeuger nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen als Signalwandler dienenden Invertierkreis (29) mit einem zwischen Sättigung und Sperrung wechselnden Transistor (3o).

/
/

8. Signalerzeuger nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen vom Ausgang zum Eingang führenden Rückkopplungskreis.

90984 2/1504

9· Signalerzeuger nach Anspruch 1, mit zwei Transistoren (34, 35) mit je einer ersten, einer zweiten und einer dritten Elektrode und zwischen, erster und zweiter Elektrode vorhandener Eigenkapazität -und mit einem zwischen der dritten Elektrode des einen (34) und der zweiten Elektrode des anderen !Transistors (35) liegenden Widerstand (36) zur Erzeugung eines konstanten Ausgangssignals.

Io. Signalerzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vor "bestimmten Amplitudenänderung des Steuersignals durch einen zwischen den Transistoren (34,35) fließenden Strom die Ladungszustände der Eigenkapazitäten je einen dritten Wert annehmen während äiner Zeitspanne, die von den Verstärkungsmaßen und von den Eigenkapazitäten abhängig ist.

909842/1504