DE1955942A1 - Binaerer Frequenzteiler - Google Patents
Binaerer FrequenzteilerInfo
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Description
Patentanwälte
Dipl. In3. 6. Koch ^^;
Dr.T.tteibach I 9559 A
8 M-L-chen 2
Kaufingerstr. 8,TeI. 240275
Centre Electronique Hörloger S.A.
NeuchStel (Schweiz)
Binärer Frequenzteiler
009020/1777
Die Erfindung betrifft binäre Frequenzteiler mit zwei symmetrisch zueinander angeordneten Transistorpaaren, bei denen jeweils
die Emitter und die Kollektoren von einem ersten und einem zweiten Transistor zusammengeschaltet sind und gemeinsame Emitterzweige und
Kollektorzweige bilden, bei denen ausserdem die Basis jeweils des ersten Transistors jedes Transistorpaars an den Kollektorzweig des
anderen Paars rückgekoppelt ist, und bei denen jeweils der Kollektorzweig über Kollektor und Emitter eines zusätzlichen Transistors
mit der Basis des zweiten Transistors in Verbindung steht.
Ein derartiger binärer Frequenzteiler wurde bereits vorgeschla-.
gen (CH-Patentgesuch 5-553/68, CEH Akte 85). Bei der vorgeschlagenen
Schaltung ist die Basis des zusätzlichen Transistors zwischen zwei Widerständen an den Kollektorzweig des Transistorpaars gekoppelt,
dessen zweiter Transistor mit dem zusätzlichen Transistor in Verbindung steht. Die Funktion des vorgeschlagenen binären Frequenzteilers
hängt sehr stark von der Betriebstemperatur ab, sodass der Frequenzteiler nur in wenigen Fällen angewendet kann. Ausserdem
weist er immer noch verhältniemässig grosse Widerstände auf, die
bei monolithischer Integration der Schaltung zu Schwierigkeiten führen»
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde-, die genannten Nachte:'.!=
z':i v3?m?''-~-~Pi u.ncl ainen binären Frequenzteiler zu schaffen,
der mit geringen Betriebsspannungen und. geringem Energieverbrauch
durch Kippen von einem stabilen Betriebszustand in den anderen auch
schwache Eingangssignale sicher diskriminiert, dessen Schaltungselemente
sich ausserdem ohne Schwierigkeiten integrieren lassen., und bei dem in integrierten? Zustand parasitäre Effekte zwischen
den Sohaltungselemehten allenfalls die gewünschte Wirkungsweiseverbessern.
Die genannte Aufgabe ist an einem binären Frequenzteiler der anfangs beschriebenen Art''gelöst, der erfindungsgenläss dadurch gekennzeichnet ist, dass die Basis des jeweiligen zusätzlichen Transistors an die Basis des ersten Transistors jedes Transistorpaars
gekoppelt ist, und dass die Basis des zweiten Transistors jedes Transistorpaars über zwei Vorspanndioden mit dem Kollektorzweig
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desselben Paars in Verbindung steht. In integrierter Form des Frequenzteilers
kann die eine Vorspanndiode an der.Basis des zweiten Transistors jedes Transistorpaars als Transistor ausgebildet sein,
der zusammen mit dem jeweiligen zusätzlichen Transistor am entsprechenden Transistorpaar einen gemeinsamen Kollektor- und Emitterzweig
bildet, und dessen Basis über d\e andere Vorspanndiode mit
dem Kollektorzweig des Transistorpaars in Verbindung steht. In den Kollektorzweig der beiden Transistorpaare des Frequenzteilers kann
gemäss einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens je eine
Diode geschaltet sein, die eine zu enge Kopplung zwischen den Kollektoren jedes Transistorpaars und den dazugehörigen Vorspanndioden
bzw. der Basis des zweiten Transistors desselben Transistorpaars verändert.
Zweckmässigerweise ist jedes Transistorpaar einzeln zusammen
mit dem dazugehörigen zusätzlichen Transistor und mit. der einen der
beiden Vorspanndioden in einer isolierten Insel eines Halbleiterplättchens integriert, das die gesamte Schaltung in integrierter
Form umfasst.
Die andere der beiden Vorspanndioden kann zusammen mit einem ohmschen Widerstand im Kollektorzweig des entsprechenden Transistorpaars
in einer isolierten Insel des Halbleiterplättchens integriert sein. Vorzugsweise sind zwei Kupplungskondensatoren, deren eine
Elektrode mit de^ Basis des zweiten Transistors je eines der beiden
Transistorpaare in Verbindung steht, am Eingang des Frequenzteilers gemeinsam in einer isolierten Insel des Halbleiterplättchens integriert.
Bei einer ersten AusfUhrungsform des Erfindungsgedankens sind
die Dioden im Kollektorzweig jedes Transistorpaars zusammen mit
diesem Transistorpaar in einer isolierten Insel Halbleiterplättchens
integriert. Dabei treten aber parasitäre Transistoreffekte auf, die den Wirkungsgrad des Frequenzteilers vermindern. Dieser
werden ι
Mangel kann dadurch behoben^ dass Dioden im Kollektorzweig jedes Transistorpaars einzeln in isolierten Inseln des Halbleiterplättchens integriert sind.
Mangel kann dadurch behoben^ dass Dioden im Kollektorzweig jedes Transistorpaars einzeln in isolierten Inseln des Halbleiterplättchens integriert sind.
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Die beiliegende Zeichnung zeigt beispielsweise zwei AusfUhrungsbeispiele
des Frequenzteilers.
In der Zeichnungen stellt dar :
Figur 1 die Schaltskizze eines B'requenzteilers,
Figur 2 die Ansicht auf die in einem Halbleiterplättchen integrierte Schaltung nach Figur 1,
Figur 5 die Schaltskizze einer abgewandelten AusfUhrungsform
des Frequenzteilers, und
Figur 4 die Ansicht auf die in einem Halbleiterplättchen integrierte Schaltung nach Figur ~p.
Gleiche Teile sind in allen Figuren durch gleiche Bezugszii.1-"
fern gekennzeichnet. Je einer von zwei ersten Transistoren 1 und
2 bilden zusammen mit je einem von zwei zweiten Transistoren J und
4 je eines von zwei zueinander symmetrisch angeordneten Transistorpaare 5 und 6. Die Kollektoren des ersten Transistors 1 und des
zweiten Transistors J5 sind in einem gemeinsamen Kollektorzweig 7
vereinigt, während die Kollektoren der Transistoren 2 und 4 in einem
gemeinsamen Kollektorzweig 8 münden.
Die Emitter der beiden Transistorpaare bilden zwei Emitterzweige, die gemeinsam, durch einen Anschluss j52 an einem Pol einer
Spannungsquelle liegen. Dem Transistorpaar 5 ist ein zusätzlicher
Transistor 9 und dem Transistorpaar 6 ein zusätzlicher Transistor
10 zugeordnet. Die Zuordnung besteht darin, dass der Kollektor jedes zusätzlichen Transistors 9 und 10 mit den Kollektoren des entsprechenden Transistorpaars in Verbindung steht, während die Basis
des zusätzlichen Transistors an der Basis des ersten Transistors 1 bzw. 2 desselben Transistorpaars angeschlossen ist. Die Emitter der
beiden zusätzlichen Transistoren 9 und 10 stehen jeweils mit der Basis des zweiten Transistors des zugehörigen Transistorpaars in
Verbindung.
Die Basen der zweiten Transistoren J5 und 4 der beiden Transistorpaare
5 und 6 sind durch jeweils einen Eingangskondensator bzw. 12 gemeinsam 'an einen Eingang Ij5 des Frequenzteilers angekoppelt.
Die Basis des Transistors 1 steht mit den Kollektoren des Transistorpaars 6 in Verbindung, während die Basis des Transistors
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2 an die Kollektoren des Transistorpaars 5 angeschlossen ist.
Eine der Verbindungen zwischen den Kollektoren eines Transistorpaars
und der Basis des ersten Transistors des anderen Transistorpaars bildet einen Ausgang 14 des Frequenzteilers.
In den Kollektorzweigen 7 und 8 sind jeweils eine Diode 15
bzw. lö, ein ohmscher Widerstand 17.» bzw. 18 und ein weiterer ohmscher
Widerstand 19 bzw. 20 in Reihe geschaltet mit Anschlüsse 0,,
0' bzw. CU, 0' . Die Enden der beiden Kollektorzweige 7 und 8
liegen gemeinsam durch einen Anschluss 31, an einem weiteren Pol
der Spannungsquelle.
Jedem der beiden Transistorpaare 5 und ö sind ausserdem zwei
hintereinander geschaltete Vorspanndioden 21 bzw. 22 und 23 bzw. 24
zugeordnet. Die Zuordnung besteht darin, dass die eine Vorspanndiode
23 bzw. 24 an die Basis des zweiten Transistors 3 bzw. 4 angeschlossen
ist, während die andere Vorspanndiode 21 bzw. 22 mit dem Mittelabgriff P1 bzw. Pp zwischen den beiden Widerständen I7
und 19 bzw. 18 und 20 im entsprechenden Kollektorzweig 7 bzw. 3 in
Verbindung steht.
Gemäss der Darstellung in Figur 2 der Zeichnung sind alle
wesentlichen Teile der Schaltung nach Figur 1 auf fünf gegenseitig
isolierte Inseln 25 bis 29 verteilt in einem Halbleiterplättchen 30
integriert.
Die Insel 25 fasst dabei die Transistoren 1, 3 und 9, die
Diode 15 im Kollektorzweig 7 und die Vorspanndiode 23 zusammen. In
der Insel 27 sind die Widerstände 17 und I9 im Kollektorzweig 7 und
die Vorspanndiode 21 vereinigt. Symmetrisch zur Insel 25 ist die Insel 26 und zur Insel 27 die Insel 28 aufgebaut. In djsr Insel 29
befinden sich die Eingangkondensatoren 11 und 12. Die Anschlüsse für die Elektroden der Spannungsquelle sind von den Inseln getrennt
und durch die Bezugsziffern 31 und 32 gekennzeichnet. Auch der Ausgang 14 des Frequenzteilers ist auf dem Halbleiterplättchen 30 getrennt
von den Inseln angeordnet.
Bedingt durch die Technologie entstehen an den beiden Vorspanndioden
23 und 24 Transistoreffekte, sodass jede der beiden Dioden tatsächlich zusammen mit dem entsprechenden zusätzlichen
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Transistor 9 bzw. 10 jeweils ein weiteres Transistorpaar mit gemeinsamen
Kollektorzweig und Emitterzweig bildet. In den beiden Inseln 25 und 26 treten ausserdem jeweils zwei parasitäre Kapazitäten auf,
die in der Schaltung nach Figur 1 der Zeichnungen mit den Bezugsziffern 33 und 34 bzw. 35 und 36 gekennzeichnet sind.
Ebenfalls durch die Technologie bedingt treten in den beiden Inseln 2? und 28 Transistoreffekte an den beiden Vorspan"ndioden 21
und 22 auf, die in Figur 1 durch die gestrichelten Linien 37 und
38 angedeutet sind. Parasitäre Effekte in der Insel 29 lassen sich in Figur 1 durch gestrichelt gezeichnete Ersatztransistoren 39 und
40 darstellen.
Die Schaltung nach Figur 3 der Zeichnungen unterscheidet sich
von der nach den Figuren 1 und 2 durch den Wegfall der beiden Widerstände IT und 18 in den Kollektorzweigen 7 und 8. Die beiden Dioden
15 und Io lassen sich derart ausgestalten und in einem solcnen
Arbeitsbereich einsetzen, dass an ihnen etwa ein Spannungsabfall von
etv/a OS5 Volt entsteht. Dieser genügt dafür, die Vorspanndioden 21
und 23 bzw. 22 uni 24 gegenüber den Kollektoren der beiden Transistorpaare
5 wad ö zu entkoppeln. Gemäss der Darstellung in Figur 4
sind eile beids-n Dioden I5 unu Io nicht mehr wie bei der integrierten
Schaltung nach Figur 2 in den isolierten Inseln 25 und 26 sondern
einzeln In Isolierten Inseln kl und 42 angeordnet. Durch die iso
lierte Anordnung der Dioden 15 und 16 werden parasitäre Transistor
effekte in isolierten Inseln 43 und 44 vermfeiec, die die Transistoren 1, 3, 9 und 23 bzw. die Transistoren 2, 4, 10 und 24 umschliessen.
Damit die funktion des Frequenzteilers anschaulich beschrieben
werden kann, seien Kontrollpunkte In der Schaltung mit den folgenden
Bezeichnungen bestimmt :
Kontrollpunkt Bl bzw. B2 zwischen der Basis des zweiten Transistors 3 bzw» 4 und dem Emitter des zusätzlichen Transistors 9 bzw.
10; Kontrollpunkt 01 bzw. 02 zwischen den Kollektoren des Transistorpaars 5 bzw* 6 und der Diode 15 bzw. l6; Kontrollpunkt Pl bzw.P2
am Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen 17 und I9 bzw. l8
und 20 und der Vorspanndiode 21 bzw. 22; Kontrollpunkt 01' bzw. 02'
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zwischen dem Widerstand 17 bzw. 18 und der Diode 15 bzw. 16; Kontrollpunkt
Pl1 bzw. P21 zwischen der einen Vorspanndiode 2J bzw,
und der anderen Vorspanndiode 21 bzw. 22. Der Kontrollpunkt 02 fällt mit dem Ausgang 14 zusammen. Bei der Schaltung nach Figur 3
fallen die Kontrollpunkte Pl und 01* bzw. P2 und 02' zusammen.
Zunächst sei der eine Betriebszustand als gegeben angenommen, in dem das Transistorpaar 6 sperrt und der erste Transistor 1 des
Transistorpaars 5 leitet. In diesem Zustand sperrt selbstverständlich
der zusätzliche Transistor 10 ebenfalls, während der zusätzliche Transistor 9 leitet. Da der Kontrollpunkt 01 ebenso wie der Kontrollpunkt
Pl ein niederes Potential aufweist, ist das Potential am Kontrollpunkt Bl ebenfalls verhältnismässig niedrig. Das Potential
am Kontrollpunkt B2 ist demgegenüber verhältnismässig hoch, wenn auch etwas niedriger als am Kontrollpunkt P2.
Wenn am Eingang 12 ein Signal erscheint, das sich als kurzzeitiges
ansteigendes Potential äussert, wird dieses Signal über
die Eingangskapazitäten 11 und 12 an die Kontrollpunkte Bl und B2 übertragen. Das Potential am Kontrollpunkt Bl war bereits vor Auftreten
des Eingangssignals niedrig. Der durch das Eingangssignal kurzzeitig erzeugte Stromimpuls bringt den Transistor 3 nicht in
den leitenden Zustand, weil er mindestens teilweise durch den leitenden Transistor 9 zum Kontrollpunkt 01 weitergeleitet wird und
sich von dort auf die Transistoren 1 und 2 verteilt.
Der vom Eingangssignal erzeugte Stromimpuls am Kontrollpunkt
B2 kann demgegenüber nicht zum Kontrollpunkt 02 gelangen, weil der Transistor T6 beim Auftreten des Eingangssignals noch sperrt. Der
Stromimpuls wird also über Basis und Emitter des Transistors 4 abgeleitet,
der sich dabei gegenüber dem Kollektorzweig 8 öffnet. Das
Potential am Kontrollpunkt 02 fällt also stark ab, sodass der Transistor 1 schliesst und das Potential am Kontrollpunkt 01 ansteigt.
Sowohl der über dem Transistor 9 geleitete Stromimpuls als auch der
von der Diode 15 her kommende Dauerstrom versetzen den Transistor des Transistorpaars 6 sicher in den leitenden Zustand, indem er
verharrt, bis ein weiteres Eingangssignal den gesamten Vorgang umkehrt .
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Mit dem Ansteigen des Potentials am Kontrollpunkt 01 fängt natürlich auch der zusätzliche Transistor 10 an zu leiten, womit die
Frequenzteilerschaltung wieder dafür vorbereitet ist, das nächste Eingangssignal sicher zu diskriminieren.
Es lässt sich ohne weiteres einsehen, dass bei einer Frequenzteilerschaltung
einfacherer Art nur ein Hingangssignal bestimmter
Stärke und Dauer einen Wechsel der ßetriebszustände hervor rufen könnte, da jedes aktive Element der Schaltung nur dann auf eine
opannungs- und Stromänderung anspricht, wenn diese eine gewisse
Grosse übersteigt, und dann auch nur mit Verzögerung anspricht. In
einfacheren Schaltungen kann auch der zeitliche Ablauf aer verschie- w denen Vorgänge beim Auftreten eines Eingangssignal so sein, dass
bei kurzer Dauer des.Eingangssignals die Schaltung nicht in einem
neuen Betriebszustand verbleibt sondern in den ursprünglichen Betriebszustand zurückfällt. Durch die verschiedenen Elemente der
Schaltung wird jedoch der zeitliche Ablauf der verschiedenen Vorgänge derart gesteuert, dass bereits ein sehr schwaches und kurzes
Eingangssignal genügt, die Schaltung sicher von einem Betriebszustand
in den anderen zu versetzen und so die Eingangssignale sieher zu diskriminieren.
Bei einer besonderen Ausführungsform des ErfIndungsgedankens
ist die Kapazität der Eingangskondensatoren 11 und 12 etwas verringert und zwar dadurch, dass die Basis-Emitter-Bindungen und die
Basis-Kollektor-Bindungen der Ersatztrarisistoren 39 und ^O parallel
geschaltet sind. Dies geschieht in der auf dem Halbleiterplättchen 30 integrierten Schaltung durch Kurzschliessen ces Kontakts 13 mit
einem gestrichelt gezeichneten Kollektorkontakt 45.
Die parasitären Kapazitäten 33 und 34 in der Insel*25 und die
parasitären Kapazitäten 35 und 3ö in der Insel 2d wirken sich auf
die Funktion der Frequenzteilerschaltung insofern sehr günstig aus, dass diese beim Kippen der Schaltung vom einen Betriebszustand in
den anderenden Wiederanstieg des Potentials am entsprechenden Kontrollpunkt 01 bzw. 02 verlangsamen.
Die Dioden 15 und 16 in den Kollektorzweigen 7 und 8 bringen den Vorteil mit sich, dass sie auf kleinem Kaum bei gegebenem Be-
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BAD WlIGJNAL
triebszustand den notwendigen, verhältnismässig grossen ohmseheη
Widerstand aufweisen und ausserdem mit einem gewissen Kompensationseffekt bei Temperatur-Schaltungen die Betriebszustände in der Schaltung
konstant halten.
Obwohl die Mittelabgriffe zwischen den Widerständen 17 und 19
bzw. 18 und 20 an den Kontrollpunkten Pl und P2 wegfallen könnten,
sind sie in verschiedenen Anwendungsbereichen sehr vorteilhaft, weil damit die maximal teilbare Frequenz bei niedrigen Betriebstemperaturen
erhöht oder bei gegebenen Betriebstemperaturen und Frequenzen die Betriebsspannung und der Energieverbrauch vermindert werden
kann.
Selbstverständlich können in der erfindungsgemässen Schaltung
anstelle von bipolaren Transistoren auch MOS-Transistoren zur Anwendung kommen.
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Claims (7)
- i))Binärer Frequenzteiler mit zwei symmetrisch zueinander angeordneten Transistorpaaren, bei denen jeweils die Emitter und die Kollektoren von einem ersten und einem zweiten Transistor zusammengeschaltet sind und gemeinsame Emitterzweige und Kollektorzweige bilden, bei denen außerdem die Basis jeweils des ersten Transistors jedes Transistorpaars an den Kollektorzweig des anderen Paars rückgekoppelt ist, und bei denen jeweils der Kollektorzweig über Kollektor und Emitter eines zusätzlichen Transistors mit der Basis des zweiten Transistors in Verbindung steht, dadurch gekennz exchnet, daß die Basis des jeweiligen zusätzlichen Transistors an die Basis des ersten Transistors jedes Transistorpaars gekoppelt ist, und daß die Basis des zweiten Transistors jedes Transistorpaars über zwei Vorspanndioden mit dem Kollektorzweig desselben Paars in Verbindung steht.
- 2) Frequenzteiler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Vorspanndiode an der Basis des zweiten Transistors jedes Transistorpaars in integrierter Form des Frequenzteilers als Transistor ausgebildet ist, der zusammen mit dem jeweiligen zusätzlichen Transistor am entsprechenden Transistorpaar einen gemeinsamen Kollektor- und Emitterzweig bildet, und dessen Basis über die andere Vorspanndiode mit dem Kollektorzweig des Transistorpaars In Verbindung steht.
- 3>) Frequenzteiler nach Anspruch 1 - j5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kollektorzweig jedes Transistorpaars eine Diode eingeschaltet ist.
- 4) Frequenzteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Transistorpaar einzeln zusammen mit dem dazugehörigen zusätzlichen Transistor und mit der einen der beiden Vorspanndioden in einer isolierten Insel eines Halbleiterplättchens integriert ist, das die gesamte Schaltung in integrierter Form umfaßt.009820/1777
- 5) Frequenzteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichne t , daß die andere der beiden Vorspanndioden zusammen mit einem ohmsehen Widerstand im Kollektorzweig des entsprechenden Transistorpaars in einer isolierten Insel des Halbleiterplättchens integriert ist.
- 6) Frequenzteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß zwei Kopplungskondensatoren, deren eine Elektrode jeweils mit der Basis des zweiten Transistors eines Transistorpaars jezhe*: in Verbindung steht, am Eingang des Frequenzteilers gemeinsam in einer isolierten Insel des Halbleiterplättchens integriert sind.
- 7) Frequenzteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß Dioden im Kollektorzweig jedes Transistorpaars einzeln in isolierten Inseln des Halbleiterplättchens integriert sind.009820/1777
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