DE1951440A1 - Kippverstaerker in monolithisch integrierter Schaltungstechnik - Google Patents

Kippverstaerker in monolithisch integrierter Schaltungstechnik

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Description

Pall 1553
15.9.1969
LANDIS & GYR AG, ZUG (Schweiz)
Kippverstärker in monolithisch integrierter
Schaltungstechnik
Die Erfindung betrifft einen Kippverstärker in monolithisch integrierter Schaltungstechnik. Kippverstärker werden häufig für Schwellenschalter verwendet, die ausser dem Kippelement eine Vorspannungs- bzw. Vorstromquelle für den Schwellenwert enthalten. Einen derartigen bekannten Schwellenschalter zeigt die Pig. 1. Dieser besitzt einen Operationsverstärker 1, der mit zwei Rückkopplungswiderständen 2 und 5 versehen ist. Zur Erzeugung der Schwellenspannung dienen eine Gleichspannungsquelle 3 mit einer Spannung -U« und ein Spannungeteiler, bestehend aus den Widerständen 4 und 5. Die Eingangsspannung U^,
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wird von einer Spannungsquelle 6 geliefert . Ein Widerstand 7 stellt den inneren Widerstand der Spannungsquelle 6 dar. Hierbei gilt zwischen den einzelnen Widerständen das folgende Verhältnis: Die Widerstände 2 und 4 sowie der Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 1 sind sehr gross gegenüber dem Widerstand 5·
Die Punktionsweise des gezeigten Schwellenschalters wird nachstehend beschrieben. Zunächst habe die Eingangsspannung IL· den Wert null. Die Ausgangsspannung U. des Operationsverstärkers, die einen der beiden Werte +U.1 und null annehmen kann, besitzt dann ebenfalls den Wert null. Am Widerstand 5 fällt dann eine durch die Spannung -U-g und die Widerstände 4 und 5 bestimmte Spannung ab, die der Schwellenspannung entspricht. Wird nun die Eingangsspannung Up so weit negativ, dass sie die Schwellenspannung kompensiert, dann findet der regenerative Kippvorgang durch die positive Rückkopplung statt, wenn die Kippbedingung Α·Η = 1 erfüllt ist. Hierzu bedeuten A die Verstärkung des Operationsverstärkers und H den Rückkopplungsfaktor. Der Rückkopplungsfaktor wird näherungsweise von dem Verhältnis der Widerstände 5 und 2 gebildet.
Unmittelbar nach dem Kippen wird der Spannungsabfall am Widerstand 5 infolge der Rückkopp Lung um einen Betrag, der sich aus dem Produkt aus dem Spannungssprung am Ausgang dee Operationsverstärkers 1 und dem Verhältnis der Widerstände 5 und 2 ergibt, verringert. Beim Zurückkippen muss daher die Eingangeenannung U„ positiver sein als beim vorhergehenden Kippen, und zwar etwa x& den Betrag, der der Spannungsänderung am Widerstand 5 unmittelbar nach dem Kippen entspricht. Die Dif-
109816/1282 ·Α
ORlGlHALlNSPiOTiS
ferenz zwischen den beiden Werten der Eingangsspannung, bei denen ein Kippen des Schwellenschalters in jeweils entgegengesetzter Richtung erfolgt, wird als Hysteresespannung bezeichnet. Die Hysteresespannung ist also dem Verhältnis der Widerstände 5 und 2 angenähert proportional.
Es werden des öfteren Schwellenschalter benötigt, die mit sehr kleinen Schwellenspannungen arbeiten. Hierfür ist erforderlich, dass auch die Hysteresespannungen sehr gering sind. Die Widerstände 5 und 2 unterscheiden sich dann um mehrere Zehnerpotenzen. Widerstände sind in monolithisch integrierter Schaltungsteehnik jedoch nur in einem Bereich von etwa 200. Q bis 20 kQ herstellbar, d.h. das maximal mögliche Widerstandsverhältnis hat etwa den Wert hundert. Dieses ist für Schwellenschalter mit einer geringer Hysteresespannung in der Regel zu klein. Der genannte Nachteil wird bei dem Kippverstärker in monolithisch integrierter Schaltungstechnik orfindungsgemäss dadurch vermieden, dass für die Rückkopplung eine durch den Verstärkerausgang umsohaltbare, einen eingeprägten Stronf liefernde Stromquelle vorgesehen ist.
)ie Erfindung wird im folgenden anhand des in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei weitere Merkmale des Erfindungsgegenstands beschrieben werden.
Die Pig. 2 zeigt einen integrierten Schwellenschalter mit Dreipunktcharakteristik mit zwei Gregentaktverstärkern 8 und 9. Für beide Gegentaktverstärker sind eine gemeinsame Eingangsspannungsquelle 10 mit Innenwiderstand 11 und eine gemeinsame Stromquelle 12 für die Schwellenwerte vorgesehen. Die Stromquelle 12 erzeugt mit Hilfe der anliegenden Be-
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ORIGINAL INSPECTBD
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triebsspannung +Ug einen eingeprägten Strom Ig. Ein Widerstand 13 deutet an, dass "bei Schwankungen der Betriebsspannung sich der Strom Ig entsprechend ändert. Der Strom I2 fliesst über Widerstände 14 und 15 sowie über eine Zenerdiode 16, da die Eingangswiderstände der Gegentaktverstärker 8 und 9 sehr gross sind. Es wird angenommen, dass die Eingangsspannung den Wert null habe; dann werden mit den Ausgängen der Gegentaktverstärker verbundene Transistoren 17» 18, 19 und so gesteuert, dass die Transistoren 17 und 20 leitend und die Transistoren 18 und 19 gesperrt sind. Die Transistoren 17 und 18 und die Transistoren 19 und 20 bilden jeweils eine Differentialstufe. Der Strom I„ kann in diesem Fall auch nicht über die Transistoren 18 und 19 abfliessen.
Der Spannungsabfall, den der Strom Ig am Widerstand 14 hervorruft, stellt die Schwellenspannung für den Verstärker 8 dar. Ebenso ist der Spannungsabfall am Widerstand 15 die Schwellenspannung für den Verstärker 9. Sind beide Widerstände gleich gross, dann haben auch die Schwellenspannungen gleiche Grosse. Die Spannungsquelle 10 bildet mit jedem der beiden Widerstände 14 und 15 eine Reihenschaltung, die parallel zu den Eingängen des zugeordneten Gegentaktverstärkers liegt. Dabei sind die Schwellenspannungen an den Widerständen 14 und 15 in bezug auf die Eingangsspannung entgegengerichtet, d.h. die Schwellenspannungen haben verschiedene Vorzeichen.
Mit Hilfe der Reihenschaltung eines Widerstandes 21 und der Zenerdiode 16 wird die für die Gegentaktverstärker benötigte Vorspannung erzeugt. Zwischen die zueammengeschalteten Emitter der Transistoren 17 und 18 und eine auf Nullpotential
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liegende Leitung 22 ist eine Stromquelle 23 geschaltet, ebenso befindet sich eine Stromquelle 24 zwischen den Emittern der Transistoren 19 und 20 und der Leitung 22. Die Stromquellen 23 und 24 werden von der an der Zenerdiode 16 liegenden stabilisierten Spannung gespeist, die über eine nicht dargestellte Anordnung aus Transistoren und Widerständen in die beiden eingeprägten Ströme IH umgewandelt wird«
Die Kollektoren der Transistoren 18 und 19 sind mit dem einen Eingang des Gegentaktverstärkers 8, der Stromquelle 12 für die Schwellenspannung und dem Widerstand 14 verbunden. Den Ausgängen der Gegentaktverstärker 8 und 9 sind Schaltverstärker 25 und 26 nachgeschaltet, denen die Aufgabe zukommt, einerseits die notwendige Schaltleistung für mit ihren Ausgängen verbundene Relais 28 und 29 bereitzustellen und andererseits so zwischen den Kippunkten umzuschalten, dass die Ausgänge der Schaltverstärker nur leitend oder gesperrt sein können. Damit wird ein Minimum an Verlustleistung auf dem Halbleiterkristall garantiert.
Die Ausgänge der Schaltverstärker sind über ein für beide Kippverstärker gemeinsames Rückführungsglied 30 mit dem einen Eingang des Gegentaktverstärkers 8 verbunden. Das Rückführungsglied besitzt ein gewünschtes Zeitverhalten. Hierdurch erhält man ein regeltechniech günstiges Verhalten dee dargestellten Kippverstärkers.
Die Speisung der Gegentaktverstärker 8 und 9 sowie der Schaltverstärker 25 und 26 erfolgt durch die zwischen den Leitungen 27 und 22 liegende Spannung +Ug.
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ORIGINAL INSPECTlD.
1 q π '· 4 A Ο
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Die Punktionsweise des dargestellten Schwellenschalters wird im folgenden beschrieben, wobei nur die den. Gegentaktverstärker 9 betreffende Anordnung betrachtet wird. Die Anordnung mit dem Gegentaktverstärker 8 arbeitet in gleicher Weise,
'Der Strom IQ erzeugt am Widerstand 15 einen Spannungsabfall, der der Schwellenspannung entspricht. Hat die Eingangsspannung U& den Wert null, so ist wegen der Schwellenspannung die Ausgangsspannung des Gegentaktverstärker 9 so gerichtet, dass der Transistor 19 gesperrt und der Transistor 20 leitend ist. Der Ausgang des Schaltverstärkers 26 ist dann auf dem Potential der Leitung 22 und damit das Relais 29 stromlos.
Wird die Eingangsspannung IL, so weit negativ, dass sie die Schwellenspannung kompensiert, dann ändert sich auch die Ausgangsspannung des Gegentaktverstärkers 9 derart, dass der Transistor 19 zu leiten beginnt. Der Kollektorstrom dieses Transistors flieset über die Widerstände Ht 15 und 21 über die Leitung 27 ab. Die Sρannungsänderung am Widerstand 15 wird bereits bei einem sehr kleinen zurückgekoppelten Teil des Stromes 1™ der Stromquelle 24- so gross wie die Aenderung der Eingangsspannung. Weil beide Sρannungsänderungen die gleiche Richtung besitzen, liegt hier eine Mitkoppelung vor. Wenn die Beträge der Spannungsänderungen gleich gross sind, kippt die Anordnung regenerativ. Während des Umkippens wechselt die Ausgangsspannung des Gegentaktverstärkers 9 ihr Vorzeichen. Dadurch wird der Transistor 20 gesperrt. Weiterhin erregt der Schaltverstärker ?6 unmittelbar nach dem Umkippen das Relais 29} dieser Vorgang ist aber bereits abgeschlossen, bevor der neue Ausgangszustand des Gegentaktverstärkers 9 erreicht iet. ■ . 109816/1282 - ./.
ORIGINAL INSPECTED
195HA0
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Will man nun zum Ausgangspunkt zurück, d.h. den Gegentaktverstärker 9 zurückkippen, dann erfolgt dieses Zurückkippen nicht bei dem Wert der Eingangsspannung, bei dem der vorhergehende Kippvorgang stattfand, sondern die Eingangsspannung muss nahezu um den Betrag, der dem vom Strom Ijt am Widerstand 15 hervorgerufenen Spannungsabfall entspricht, positiver sein. Dieser Betrag entspricht also der Hysteresespannung der Kippcharakteristik. Da der Strom I„ sehr klein und sehr genau kontrollierbar ist, werden somit die an die Hystereseapannung gestellten Anforderungen erfüllt.
Nach dem Zurückkippen besitzen die Transistoren 1-9 und 20 wieder ihren ursprünglichen Schaltzustand. Ebenso ist das Relais 29 abgefallen.
Der Verstärker 8 wird aktiv, wenn die Eingangsspannung positiv ist und den Schwellenwert erreicht. Das Zurückkippen erfolgt hier bei einer Eingangsspannung, die um einen dem vom über den Transistor 18 fliessenden Strom Ιττ am Widerstand 14
erzeugten Spannungeabfall entsprechenden Betrag negativer ist •jIs die Schwellenspannung. Der gezeigte Dreipunkt-Schwellenschalter besitzt also eine spiegelsymmetrische Kippcharakteristik.
Die Spannung +Uß dient in der Regel auch für die die Eingangsspannung U& erzeugende Einrichtung als Betriebsspannung. Damit wird TJ& ebenso wie der Strom Ig bzw. die Schwellenspannung abhängig von der Spannung +Ug. Da sich die Eingangsspannung und die Schwellenspannung jedoch kompensieren, ist das Regelsystem in sich unabhängig von Spannungsschwankungen.
109816/1282 „ original !Nspectbd
193U40
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Der Erfindungsgegenstand ist selbstverständlich auch für Schwellenschalter mit Zweipunktcharakteristik 9 die also nur mit einem Verstärker arbeiten, anwendbar.
1 098 1'6/ 1 28*2
ORfQlNAL INSPECTSD

Claims (7)

- 9 - 1553 Landis & Gyr AG. PATENTANSPRUECHE
1.J Kippverstärker in monolithisch, integrierter Schaltungstechnik, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rückkopplung eine durch den Verstärkerausgang umschaltbare, einen eingeprägten Strom liefernde Stromquelle (23 bzw. 24) vorgesehen ist.
2. Kippverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang des Verstärkers (8 bzw. 9) ein vom eingeprägten Strom durchflossener, die Hysteresespannung erzeugender Widerstand (14 bzw. 15) vorgesehen ist.
3* Kippverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker ein Gegentaktverstärker (8 bzw. 9) ist und dass an dessen Ausgänge eine Differentialstufe (17» 18 bzw. 19, 20) angeschlossen ist.
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4. Kippverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialstufe aus zwei Transistoren (17, 18 .bzw. 19, 20) besteht und dass der Schaltzustand dieser Transistoren durch den Schaltzustand des Verstärkers (8 bzw. 9) gegeben ist.
5. Kippverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (23 bzw. 24) über den einen Transistor (18 bzw. 19) der Differentialstufe mit dem Eingang des Verstärkers (8 bzw. 9) und über den anderen Transistor (17 bzw. 20) mit einem Schaltorgan (25, 28 bzw. 26, 29) verbunden ist.
6. Kippverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang des Verstärkers (8 bzw. 9) eine Anordnung (12-15) zur Erzeugung eines Schwellenwertes vorgesehen ist.
7. Kippverstärker nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Erzeugung des Schwellenwertes aus einer Stromquelle (12, 13) und dem die Hysteresespannung erzeugenden Widerstand (14 bzw. 15) besteht.
JB/8S LANDIS & GYR AG ./ L
Patentabteilung
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DE1951440A 1969-09-16 1969-10-08 Dreipunktregler mit zwei im Gegentakt zueinander geschalteten, durch Verstärker gebildeten Nullschwellenschalter Expired DE1951440C3 (de)

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DE1951440B2 DE1951440B2 (de) 1974-06-06
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