DE1955942A1 - Binaerer Frequenzteiler - Google Patents

Binaerer Frequenzteiler

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DE1955942A1 DE19691955942 DE1955942A DE1955942A1 DE 1955942 A1 DE1955942 A1 DE 1955942A1 DE 19691955942 DE19691955942 DE 19691955942 DE 1955942 A DE1955942 A DE 1955942A DE 1955942 A1 DE1955942 A1 DE 1955942A1
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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
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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.
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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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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)

  1. 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. 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. 3>) Frequenzteiler nach Anspruch 1 - j5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kollektorzweig jedes Transistorpaars eine Diode eingeschaltet ist.
  4. 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.
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  5. 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. 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. 7) Frequenzteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß Dioden im Kollektorzweig jedes Transistorpaars einzeln in isolierten Inseln des Halbleiterplättchens integriert sind.
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