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Schaltungsanordnung zur temperaturunabhängigen Konstanthaltung des
Spannungshubes bei Transistorschaltern Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur temperaturunabhängigen Konstanthaltung des Spannungshubes an emittergekoppelten
Transistorschaltern, die in ihre Emitterkreis als Stromeinprägeschaltung die Emitterkollektorstrecke
eines Transistors enthalten, dessen Basis eine Referenzspannung zugeführt wird.
Diese Aufgabe tritt besonders bei Schaltungen in integrierter Schaltkreistechnik
auf.
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Die vorstehend gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß als Referenzspannungsquelle ein als Emitterfolger zwischen die Batteriepole
des Transistorschalters eingeschalteter erster Transistor dient, dessen Basis mit
dem Kollektor eines von einer konstanten Spannung gesteuerten zweiten Transistors
gleichen Leitfähigkeitstyps verbunden ist, der über einen Emitterwiderstand u.
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einen Kollektorwiderstand zwischen die Batteriepole des
Transistorschalters
geschaltet ist.
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Einige Schaltungsprinzipien in sogenannter Stromsteuerurigstechnik,
die sich in der integrierten Schaltkreistechnik eingeführt haben und bei denen die
Erfindung besonders vorteilhaft angewandt werden kann, sollen zunächst anhand der
Fig. 1 bis 3 erläutert werden, während ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in
Fig. 4 gezeigt ist.
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Fig. 1 zeigt ein Gatter in ECL-Technik, bei dem die als Emitterfolger
ausgeführten Koppelstufen zum nächsten Gatter am Ausgang des als Differenzverstärker
ausgebildeten Stromschalters liegt. Fig. 2 zeigt ein Gatter in sogenannter EECL-Technik,
bei dem die Koppelstufe am Eingang des Stromschalters liegt und Fig. 3 eine spezielle,
daraus entwickelte Schaltung in sogenannter SECL-Technik, bei der beide Seiten des
Schalters zur Eingabe von logischen Variablen ausgenutzt werden können.
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Diese Schaltungen sind alle bekannt. Ihnen gemeinsam ist eine im allgemeinen
aus einem Transistor in Reihe mit einem Widerstand bestehende Stromeinprägeschaltung
im gemeinsamen Emitterkreis der Schaltertransistoren, deren dem Schalter zugeführte
Stromstärke den Spannungshub an den Ausgangsklemmen des Schalterv bestimmt. Die
beiden Endwerte dieses Spannungshubes stellen die logischen Größen 1 und 0 dar
und
sollen mit den an den Eingängen der Schaltung zugefiihrten Spannungen übereinstimmen.
Wegen der relativ groXenTemperaturabhängigkeit der Basisemitterspannung UBE der
Schaltertransistoren muß dafür Sorge getragen werden, daß der Spannungshub konstant
und in demselben Spannungsbereich bleibt.
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Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung fiir die
Ausbildung der Vorspannungsquelle an der Basis des erwhnten Transistors der Stromeinprägeschaltung,
welches die vorstehelld erläuterte Aufgabe löst.
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1)ie in Fig. 1 gezeigte bekannte ECL-Schaltung enthält zwei Transistoren
1 und 2 mit verbundenen Emittern, die als Differenzverslarker den eigentlichen Stromumschalter
darstellen.
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Im gcmeinsamen Emitterkreis liegt die Reihenschaltung eines Transis4ors
3 mit einem Emitterwiderstand 4, die in bekannter Weise die Stromeinprägeschaltung
bilden, welche den entweder durch den einen oder durch den anderen Transistor 1
bzw. 2 fließenden Strom bestimmt. Die Stromstärke ist durch die Größte des Widerstandes
4 und die an der Basisklemme D des Transistors 3 zugeführte Spannung bestimmt. An
der Basisklemme A des Transistors 1 wird eine der binären Eingangsinformation entsprechende
Spannung zugeführt und an der Basisklemme B des Transistors 2 im allgemeinen eine
Referenzspannung, die zwischen den beiden Spannunggnlveaus liegt,
die
den logischen Wcrt 0 und 1 der Eingangsinformation an der Klemme A entspricht. Die
Kollektoren der Transistoren 1 und 2 sind über Widerstände 5 bzw. 6 mit der einen
J3atterieklemme (für npn-TrAnsistoren + ) verbunden. Dem Transistor 2 ist ein Emitterfolger
bestehend aus dem Transistor 7 und dem Emitterwiderstand 8 nachgeschaltet. Am Emitter
des Transistors 7 ist die Ausgangsklemme C angeschlossen, an der ein Ausgangssignal
ent sprechend dem Eingangssignal an der Klemme A auftritt. Führt man umgckehrt der
Klemme A die Referenzspannnung und der Klemme 13 die binäre Eingangsspannung zu,
so erscheint an der Klemmc C der invertierte Wert des Eingangssignals C=ß. Durch
Parallelschalten mchrerer gleichartiger Transistoren zum Transistor 1 bzw. zum Transistor
2 kann man den Schalter zu einer OR-Schaltung bzw.
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zu einer NOR-Schaltung erweitern.
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Die in Fig. 2 gezeigte bekannte EECL-Schaltung enthält R39 Kern den
gleichen Schalter mit Stromeinprägeschaltung wie die ECL-Schaltung bestehend aus
den Transistoren 1, 2, 3 und den Widerständen 4, 5, 6. hier ist dem Transistor 1
ein Emi tterfolger bestehend aus cjnem Transistor 11 und einem Emitterwiderstand
12 vorgeschaltet. I)ie Eingangsklemne A für die binäre Information liegt hier an
der Basis des Transistors 11. Das Ausgangssignal C und das invertiertc Ausgangssignal
C wird an den Kollektoren der Transistoren 2 hzw. 1 abgenommen. Durch Paralielschalten
von weiteren Transistoren zum Transistor 11 kann auch diese Schaltung zu
einer
OR- und einer ND Schalturlg erweitert werden. Die an der Basis des Transistors 2
zugeführte Referenzspannung liegt hier um den Spannungssprung UBE an der Basisemitterstrecke
des Transistors 11 weiter ins Negative verschoben gegenüber der Referenzspannung
an der entsprechenden Klemme der ECL-Schaltung in Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt schließlich eine bekannte Erweiterung des anhand der
Fig. 2 geschilderten EECL-Gatters-einen sogenannten SECL-Schaltkreis, bei dem beide
Seiten des Schalters 1, 2 zur Zuführung-von logischen Variablen verwendet werden
können.
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Der Basis des Transistors i sind mehrere parallelgeschaltete Emitterfolger
21 mit gemeinsamem Emitterwiderstand 12 vorgeschaltet, wie dies auch bei der EECL-Schaltung
durchführbar ist. Die Basis des Transistors 2 besitzt eine sogenannte schwimmende
Referenzspannung, die noch durch Eingangssignale D1, B2 ... von einander parallelgeschalteten
Emitterfolgern 22 beeinflußt werden kann. Der gemeinsame Emitterwiderstand der Transistoren
22 wird durch einen dreiteiligen Spannungsteiler aus den Widerständen 23, 2, 25
gebildet und der gemeinsame Emitterpunkt der Transistoren 22 ist mit der Basis eines
weiteren Transistors 26 verbunden, dessen Emitter am unteren Abgriffspunkt des erwähnten
Spanungsteilers liegt. Am anderen Abgriffspunkt ist die Basis des Transistors 2
angeschlossen, 80 daß diese eine Referenzspannung erhält, die über oder unter der
festen Referenzspannung einer
entsprechenden EECL-Schaltung nach
Fig. 2 liegt, und zwar je nachdem, ob einem der Transistoren 22 über die Klemmen
Bi, B2 ... ein Eingangssignal 1 zugeführt wird oder nicht.
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Außer der zuletzt dargestellten sind auch noch verschiono schwimmenden
andere Ausführungsformen der
Referer'zspannungquelle bekanntgeworden, auf die hier jedoch nicht näher eingegangen
zu werden braucht.
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Bei allen bisher geschilderten Schaltungssystemen tritt das Problem
auf, daß durch die Temperaturabhängigkeit der parameter
insbesondere der Basisemitterspannung UBE eine Verschiebung der Signalpegel vorzugsweise
an den Ausgangsklemmen C, C mit der Temperatur auftritt. Die Spannung UC über dem
Widerstand 5 bzw. 6 (je nachdem, ob Transistor 1 oder Transistor 2 leitend gesteuert
ist), die den Spannungshub an den Klemmen C und C darstellt, ist proportional der
Spannung U4 über dem Widerstand 4 multipliziert mit dem Widerstandswerteverhältnis
R5,6/R4 der Widerstand 5 bzw. 6 und 4. Eine temperaturbedingte Änderung der Basisemitterspannung
UBE am Transistor 3 ergibt nun bei konstanter Vorspannung UD an der Basis des Transistors
3 eine Änderung der Spannung U4 und damit auch eine Temperaturabhängigkeit des Signalhubes
Uc. Die Spannung UD darf also nicht konstant sein, sondern muß in kompensierendem
Sinne von der Temperatur abhnngig gemacht werden.
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Zu diesem Zweck ist eine Schaltung bekannt (DT OS 19 O7 669), bei
der die Spannung UD von einem aus Widerständen und Dioden aufgelnuten Spannungsteiler
zwischen den Batterieklemmen abgenommen wird. Abgesehen von der nur angenäherten
Kompensation bei größeren Temperaturänderungen hat eine solche Schaltung den Nachteil
eines verhältnismäßig großen Innenwlderstands, was insbesondere dann zu Schwierigkeiten
führt, wenn von der gleichen Spannungsquelle mehrere Transistoren 3 parallel gespeist
werden sollen und sich deren Verstärlcungsfaktoren um den Faktor 2 bis 3 voneinander
untersche-iden können, was bei Transistoren in integrierter Schaltkreistecllnilc
noch toleriert werden kann.
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Fig. 4 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung, die diese Nachteile
nicht aufweist t wobei nur das den Schalter selbst darstellende Transistorenpaar
1, 2 dargestellt ist, welches durch die bekannten Elemente der EGL-, EECL oder SECL-Technik
ergänzt zu denken ist. Dem Punkte D der Schaltung wird gemäß der Erfindung die Basisspauiiung
für den Transistor 3 von einem Emitterfolger zugeführt, der aus einem Transistor
31 und einem Emitterwiderstand 32 besteht. Die Basis des Transi3tor3 31 ist mit
dem Kollektor eines weiteren Transistors 33 verbunden, dessen Kollektorwiderstand
34 mit dem einen Pol (+) und dessen Emitterwiderstand 35 mit dem anderen Pol (-)
der Batteriespannung verbunden ist. Die Basis des Transistors 33 liegt am Abgriffpunkt
eines
teilers zwischen
den Batteriepolen (4, -), der aus den Widerständen
36 und 37 gebildet ist.
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Es läßt sich zeigen, daß die Temperaturabhängigkeit der flasisemitterspannungen
UBE der einzelnen auf den Spannungshub an den Klemmen C und C Einfluß nehmenden
Transistoren sich dann kompensieren, wenn die Widerstandswerte R34 und R35 der Widerstände
34 und 35 sich wie 2 zu 1 verhalten und man zulässigerweise gleiches Temperaturverhalten
dor Basisemitterspannungen UBE der beteiligten Transistoren annimmt. Eine Schaltung
nach Fig. 4 wurde mit folgenden bei 25°C gültigen Werten verwirklicht: Transistoren
1 und 2 UBE = 820 mV Transistor 3 UBE = 820 mV Transistoren 31 und 32 UBE = 770
mV Widerstand 4 R4 = 50 # Widerstände 5 und 6 R5,6= 100 Widerstand 32 R32 ~ 78Q
ii Widerstand 34 R34 = 600 # Widerstand 35 R35 = 300 # Widerstand 3G R36 = 2,15
k# Widerstand 37 R37 = 1,35 kl Über einen Temperaturbereich von -55 °C bis +125°C
änderten sich der Signalhub um weniger als 1 Prozent. Der Innenwiderstand der Spannungsquelle
nm Punkt D betrug 20#
Die Schaltungsanordnung gemäß'der Erfindung
eignet sich somit vorzüglich auch zum parallelen Anschluß von mehreren Schaltern
am Punkte D und ist auch zur Kompensation von an anderen temperaturbedingten Spaiinungsänderungen/als
den in den Fig. 1 bis 3 erläuterten Transistorschaltungell in entsprechender Weise
einsetzbar. Die Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung von npn-Transistoren
beschränkt, sondern kann in gleicher Weise bei pnp-Transistoren eingesetzt werden.
Ein besonderer Vorteil besteht weiterhin darin, daß sämtliche Transistoren der logischen
Schaltung selbst und der Kompensationsschaltung vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind,
was bei der Herstellung in integrierter Schaltkreistechnik besonders einfach ist.