DE2106957C3 - Schwellwertschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwellwertschalter für Eingangssignale beider Polaritäten, der bei flhersehreiten eines für beide Polaritäten dem Betrag nach gleichen Schwellwerts Ausgangssignale abgibt und mindestens vier Feldeffekttransistoren vom Anfachungstyp aufweist

Elektronische Schwellwertschalter dieser Art sind in vielen Ausführungsformen bekannt, wobei der gebräuchlichste Schwellwertschalter eine unter den Namen Schmitt-Trigger bekannte Kippschaltung ist. Dieser bekannte Schwellwertschalter hat jedoch den Nachieil, daß entweder infolge der besonders bei Schmitt-Triggern auftretenden Hysterese keine exakte Umschaltung des elektronischen Schalters bei einem dem Betrag nach genau gleichen Schwellwert sowohl bei einem positigen als auch bei einem negativen Eingangssignal möglich ist, oder aber ein solches Verhalten des elektronischen Schalters mit einem erheblichen Schaltungsaufwand und Energieverbrauch erkauft werden muß.

Aus der US-PS 32 60 863 ist ein Schwellwertschalter mit Feldeffekttransistoren bekannt, an dessen Eingang mehrere getrennte Parallelschaltungen von einem Kondensator und einem Widerstand in Serie mit zwei an ihren Gateelektroden zusammengeschalteten Feldeffekttransistoren unterschiedlichen Kanaltyps liegen. Während die Drainelektrode des ersten Feldeffekttransistors mit der Sourceelektrode des zweiten Feldeffekttransistors verbunden ist und den Ausgang der Schaltungsanordnung bildet, liegt die Sourceelektrode des ersten Feldeffekttransistors unmittelbar an der Versorgungsspannung und die Drainelektrode des zweiten Feldeffekttransistors an Masse an.

Diese bekannte Schaltungsanordnung weist zwar im Ruhezustand keine Verluste auf; sie ermöglicht jedoch nicht eine Umschaltung bei einem dem Betrag nach genau gleichen Schwellwert von positiven und negativen Eingangssignalen und weist keine getrennten Ausgänge für Ausgangssignale von positiven und negativen Schwellwerten auf. Die Schwellwertspannung liegt bei dieser Schaltung bei der halben Versorgungsspannung. Bevor der Schwellwert erreicht ist, steht am Ausgang eine Spannung in Höhe der Versorgungsspannung zur Verfügung. Wird der Schwellwert überschritten, so fällt die Ausgangsspannung praktisch auf Null ab. Dieser bekannte Schwellwertschalter wirkt somit als Invertor.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Schwellwertschalter zu schaffen, der nur mit wenigen elektronischen Bauelementen eine exakt und wegen des geringeren Schaltungsaufwands zuverlässige Umschaltung bei einem dem Betrag nach genau gleichen Schwellwert von positiven und negativen Eingangssignalen ermöglicht.

Diese Aufgabe ist bei einem Schwellwertschalter der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwei erste gepaarte Feldeffekttransistoren unterschiedlichen Kanaltyps mit ihren Gateelektroden zusammengeschaltet sind, daß diese Verbindung gleichzeitig auf den Mittelpunkt eines aus zwei gleichen Widerständen bestehenden und die beiden Drainelektroden miteinander verbindenden Spannungsteilers geschaltet ist, daß zwei zweite gepaarte Feldeffekttransistoren unterschiedlichen Kanaltyps vorgesehen sind, deren Gateelektroden über je einen gleichen Widerstand jeweils mit der Drainelektrode eines der ersten beiden Feldeffekttransistoren gleichen Kanaltyps und miteinander über einen weiteren aus zwei gleichen Widerständen bestehenden Spannungsteiler verbunden sind, auf dessen Mittelpunkt der Eingang des Schwellwertschalters geführt ist, daß die Sourceelektroden der Feldeffekttransistoren jeweils gleichen Kanaltyps mit-

einander und jeweils mit einem Anschluß einer Speisespannungsquelle verbunden sind und daß die Ausgangssignale des Schwellwertschalters an den Drainelektroden der beiden zweiten Feldeffekttransistoren abnehmbar sind.

Mit Hilfe dieser so ausgewählten und zusammengeschalteten Feldeffekttransistoren ist eine für beide Polaritäten des Eingangssignals dem Betrag nach genau gleiche und exakt festlegbare Schwellspannung einsteilbar. Dijse Schwellspannung wird für die beiden zweiten Feldeffekttransistoren dabei von dem durch die beiden ersten Feldeffekttransistoren fließenden Strom festgelegt. Die Größe dieses Stroms kann durch die von der Speisespannungsquelle abgegebene Speisespannung oder aber durch einen in der Speiseleitung ;s der Schaltung angeordneten änderbaren Widerstand eingestellt werden. Da für diesen elektronischen Schwellwertschalter vier gepaarte Feldeffekttransistoren benutzt werden, haben Temperaturschwankungen auf die Größe des Schwellwerts wenig Einfluß.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Drainelektroden der beiden zweiten Feldeffekttransistoren mit der Gateelektrode des jeweils anderen dieser Feldeffekttransistoren verbunden. Durch diese Verbindung wird eine Rückkopplung zwischen den beiden zweiten Feldeffekttransistoren hergestellt, so daß der gesamte elektronische Schwellwertschalter als monostabile Kippschaltung arbeitet. Nach Überschreiten des Schwellwertes jeweils eines der beiden zweiten Feldeffekttransistoren schaltet der dann leitende Feldeffekttransistor über die Rückkopplung auch den jeweils anderen der zwei Feldeffekttransistoren in seinen leitenden Zustand.

Gemäß einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung ist in diesen Verbindungen zwischen Drain- und Gateelektroden jeweils eine im Ruhezustand in Sperrichtung geschaltete Diode geschaltet, die über je eine Verbindung mit dem zugehörigen Anschluß der Spannungsquelle in Sperrichtung vorgespannt sind. Die eine Verbindung zwischen Drain- und Gateelektrode weist zusätzlich einen mit der Diode in Reihe geschalteten Kondensator auf, wobei die zugehörige Drainelektrode über einen Widerstand mit dem zugehörigen Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist. Durch die Dioden, die im Ruhezustand einen sehr hohen Widerstand darstellen, wird erreicht, daß die Rückkopplungsverbindungen nur bei Überschreiten der Schwellspannung für einen der beiden zweiten Feldeffekttransistoren wirksam werden. Der in eine Verbindung zwischen Drain- und Gateelektrode mit der Diode in Reihe geschaltete Kondensator bewirkt das Zurückkippen der so entstandenen monostabilen Kippschaltung.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Substratanschlüsse der beiden zweiten Feldeffekttransistoren auf den Mittelpunkt je eines weiteren Spannungsteilers geschaltet, die jeweils die Drainelektrode des anderen der beiden Feldeffekttransistoren mit dem der Sourceelektrode des ersteren der Feldeffekttransistoren zugeordneten Anschluß der Spannungsquelle verbinden. Durch eine solche Beschallung der Substratanschlüsse der beiden zweiten Feldeffekttransistoren kann in einfacher Weise ebenfalls eine Rückkopplungsverbindung zwischen diesen beiden Feldeffekttransistoren hergestellt werden.
- Die Erfindung wird an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schwellwertschalter ohne Rückkopplung der beiden zweiten Feldeffekttransistoren,

F i g. 2 einen dem in F i g. 1 gezeigten Schwellwertschalter entsprechenden Schwellwertschalter mit einer Rückkopplung zwischen den beiden zweiten Feldeffekttransistoren und

F i g. 3 einen Schwellwertschalter mit einer über die Substratanschlüsse der beiden zweiten Feldeffekttransistoren geführten Rückkopplung.

Der in F i g. 1 gezeigten Schwellwertschalter weist vier Feldeffekttransistoren 1, 2,3 und 4 auf, die gepaart sind, d. h, unabhängig von ihrem Kanaltyp haben alle Feldeffekttransistoren die gleiche Schwellspannung. Als erste beiden Feldeffekttransistoren sind die Feldeffekttransistoren 1 und 3 unterschiedlichen Kanaltyps zusammengefaßt, indem ihre beiden Gateelektroden miteinander und mit dem Mittelpunkt eines aus zwei gleichen Widerständen 5 und 6 bestehenden Spannungsteilers verbunden sind, der wiederum die beiden Drainelektroden der Feldeffekttransistoren 1 und 3 verbindet. Die Drainelektroden sind außerdem über je einen Widerstand 7 und 8 mit den Gateelektroden der beiden zweiten Feldeffekttransistoren 2 und 4 verbunden, die ebenfalls unterschiedlichen Kanaltyp aufweisen und den beiden ersten Feldeffekttransistoren derart zugeordnet sind, daß die über ihre Drain- und Gateelektroden jeweils miteinander verbundenen Feldeffekttransistoren 1 und 2 vom einen Kanaltyp und die Feldeffekttransistoren 3 und 4 vom jeweils anderen Kanaltyp sind.

Zwischen den Gateelektroden der beiden zweiten Feldeffekttransistoren 2 und 4 liegt ein weiterer, ebenfalls aus zwei einander gleichen Widerständen 9 und 10 bestehender Spannungsteiler, dessen Mittelpunkt mit dem Signaleingang Edes Schwellwertschalters verbunden ist. Die Sourceelektroden der Feldeffekttransistoren 1 und 2 sind miteinander und über einen Widerstand 11 mit dem einen Anschluß U einer hier nicht dargestellten Speisespannungsquelle verbunden. Die Sourceelektroden der beiden Feldeffekttransistoren 3 und 4 sind ebenfalls miteinander und mit dem jeweils anderen Anschluß, hier Masse, der Speisespannungsquelle verbunden. Die Drainelektroden der beiden zweiten Transistoren 2 und 4 sind mit den Ausgängen Λι und Ai des Schwellwertschalters und über je einen Widerstand 14 und 16 mit dem bezogen auf die Sourceelektroden der Feldeffekttransistoren jeweils anderen Anschluß der Speisespannungsquelle verbunden.

Über den Widerstand 11 und die Source-Drain-Strecke der beiden ersten Transistoren 1 und 3 sowie die Widerstände 5 und 6 des ersten Spannungsteilers fließt ein durch diese Widerstände und die Größe der Speisespannungsquelle gegebener Strom, da die Gateelektroden beider Transistoren sich auf eine solche Schwellspannung einstellen, daß beide Feldeffekttransistoren leitend sind. Dadurch liegt an der Drainelektrode des Feldeffekttransistors 3 eine Spannung, die der Schwellspannung zwischen Gate- und Sourceelektrode entspricht, die jedoch um den durch den Strom am Widerstand 6 bedingten Spannungsabfall vermindert ist. Die gleichen Spannungswerte liegen auch am Feldeffekttransistor 1, d. h., die auf die Sourceelektrode bezogene Drainspannung des Feldeffekttransistors entspricht der Schwellspannung, vermindert um den am Widerstand 5 auftretenden Spannungsabfall.

Diese Spannung gelangt über den aus den Widerständen 7,8,9 und 10 aufgebauten Spannungsteiler, wobei diese Widerstände z. B. alle einen gleichen, möglichst hochohmigen Wert aufweisen können. Der reiaeffekttransistor 2 erhält daher die um die Hälfte des am

Widerstand 6 auftretenden Spannungsabfalls verminderte Schweilspannung des Feldeffekttransistors 3 und der Feldeffekttransistor 4 die entsprechende Spannung des Feldeffekttransistors 1 und des Widerstands 5. Wird über den Eingang E eine Wechselspannung an den Schwellwertschalter gegeben, die diese Schwellspannung überschreitet, so wird bei positiver Amplitude der Feldeffekttransistor 4 durchschalten und an seinem Ausgang Ai ein Signal liefern und bei negativer Amplitude der Feldeffekttransistor 2 durchschalten und an seinem Ausgang A\ ein entsprechendes Signal abgeben. Die Schwellspannung für beide Polaritäten kann durch den Querstrom, der durch die Widerstände 5 und 6 fließt, symmetrisch eingestellt werden, indem z. B. der Widerstand 11 geändert oder aber die von der Speisespannungsquelle abgegebene Speisespannung geändert wird.

Werden für die in F i g. 1 gezeige Schaltung Feldeffekttransistoren mit isolierter Gateelektrode benutzt, so können sämtliche Widerstände, auch die Widerstände 5 und 6, sehr hochohmig gewählt werden, wodurch die gesamte Schaltung einen Ruhestrom in der Größenordnung von nur 10 μΑ verbraucht, da die Feldeffekttransisotren 2 und 4 nur dann eingeschaltet werden, wenn eine der Schwellspannungen vom Eingangssignal überschritten wird. Sollten die benutzten Feldeffekttransistoren paarweise in ihren Schwellspannungen unsymmetrisch sein, so kann dies durch das Verhältnis der Widerstände 5 und 6 oder aber durch den aus den Widerständen 7,8,9 und 10 bestehenden Spannungsteiler in einfacher Weise ausgeglichen werden.

Die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung unterscheidet sich hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise gegenüber der in F i g. 1 gezeigten lediglich dadurch, daß die Gateelektrode des Feldeffekttransistors 4 zusätzlich über eine Diode 13 und den Widerstand 14 mit dem einen Anschluß, hier Masse, der Spannungsquelle und mit der Drainelektrode des Feldeffekttransistors 2 verbunden ist. In gleicher Weise ist dieGateelektrode des Feldeffekttransistors 2 über eine Diode 12 und einen Widerstand 15 mit dem anderen Anschluß der Spannungsquelle verbunden. Der Schaltungspunkt zwischen der Diode 12 und dem Widerstand 15 ist über einen Kondensator 17 mit der Drainelektrode des Feldeffekttransistors 4 verbunden. Die Dioden 12 und 13 sind jeweils so geschaltet, daß sie im Ruhezustand der Schaltung in Sperrichtung vorgespannt sind. Wird bei Auftreten eines positiven Eingangssignals mit einer die Schwellspannung überschreitenden Amplitude der Feldeffekttransistor 4 leitend, so wird das Potential am Widerstand 16 erniedrigt so daß die Diode 12 leitend wird und die Gateelektrode des Feldeffekttransistors durch eine negative Spannung ansteuert Dadurch fließt auch über die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 2 ein Strom, der die Schwellspannung an der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 4 über die Diode 13 weiter erhöht so daß eine echte elektrische Rückkopplung zwischen den beiden zweiten Feldeffekttransistoren auftritt die beide innerhalb kurzer Zeit durchschalten. Am Ausgang Ai erscheint daher so lange Nullpotential, bis der Kondensator 17 über den Widerstand 15 sich auf eine die Schwellspannung der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 2 überschreitende Spannung aufgeladen hat Tritt dagegen am Eingang E ein negatives Eingangssignal ausreichender Amplitude auf, so wird zuerst der Feldeffekttransistor durchgeschaltet, der in entsprechender Weise über die Rückkopplung den Feldeffekttransistor 4 ebenfalls durchschaltet. Diese in F i g. 2 gezeige monostabile Ausführung des Schwellwertschalters eignet sich besonders dann, wenn trotz eines nur kurzzeitigen Überschreitens der Schwellspannung durch das Eingangssignal ein entsprechend länger anhaltendes Ausgangssignal abgegeben werden soll. Die Länge dieses Ausgangssignals ist dabei durch die Aufladezeit des Kondensators 17 gegeben.

In F i g. 3 ist schließlich eine weitere Ausführungs-ίο form eines rückgekoppelten Schwellwertschalters dargestellt, bei der jedoch die Rückkopplung über die Substratanschlüsse der zweiten Feldeffekttransistoren 2 und 4 geführt ist. So ist der Substratanschluß des Feldeffekttransistors 2 an den Mittelpunkt eines aus Widerständen 18 und 19 gebildeten Spannungsteilers geschaltet der seinerseits zwischen der Drainelektrode des Feldeffekttransistors 4 und dem positiven Anschluß der Speisespannungsquelle liegt In der gleichen Weise ist der Substratanschiuß des Feldeffekttransistors 4 auf den Mittelpunkt eines weiteren, aus Widerständen 20 und 21 gebildeten Spannungsteilers geschaltet, der seinerseits zwischen die Drainelektrode des Feldeffekttransistors 2 und den anderen Anschluß, hier Masse, der Spannungsquelle geschaltet ist Die Substratan-Schlüsse wirken analog wie zweite Steuerelektroden und bewirken z, B. bei einem n-Kanal-Transistor bei positiver Substratvorspannung eine Erniedrigung der Schwellspannung. Wird also z. B. bei dem Feldeffekttransistor 4 die Schwellspannung überschritten, so entsteht am Substratanschluß des Feldeffekttransistors 2 eine negative Vorspannung, wodurch die Schwellspannung für die Gateelektrode dieses Feldeffekttransistors erniedrigt wird. Dadurch schaltet der Feldeffekttransistor 2 ebenfalls durch und hebt das Potential am Substratanschluß des Feldeffekttransistors 4 weiter an.

Auch durch diese Schaltung entsteht eine echte elektrische Rückkopplung zwischen den beiden Feldeffekttransistoren, so daß bei Durchschaltung jeweils eines der beiden Feldeffekttransistoren der jeweils andere Feldeffekttransistor ebenfalls durchgeschaltet wird. Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform des Schwellwertschalters kann nach einer Durchschaltung der beiden zweiten Feldeffekttransistoren eine Rückstellung des Schwellwertschalters nur durch das Abschalten der Speisespannung oder aber durch das Auftrennen einer der Rückkopplungsverbindungen erreicht werden. Natürlich kann durch Einfügen einer Zeitkonstante, z. B. durch Einschalten eines Kondensators in Serie mit dem Widerstand 19, eine monostabile Kippschaltung aufgebaut werden, die, wie die in F i g. 2 gezeigte Schaltung, nach einer definierten Zeit und Verschwinden des Eingangssignals immer wieder in ihren Ruhezustand zurückkippt Der Vorteil der in F i g. 3 gezeigten Beeinflussung der Gateelektrodenkreise durch die Rückkopplungsschaltung erfolgt

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daC der erfindungsgemäße Schwellwertschalter hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise einfach und zuverlässig arbeitet, wodurch er insbesondere für den militärischer Einsatz bei elektrischen Zündschaltungen besonder; geeignet ist Diese Schaltung wird dabei gegenüber der besonders bei militärischen Verwendungen auftreten den besonderen Belastungen noch zuverlässiger, wem die vier Feldeffekttransistoren als integrierte Schalt kreise ausgebildet werden, wie diese mit der erforderli chen Paarung und dem unterschiedlichen Kanaltyp be reits im Handel erhältlich sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schwellwertschalter für Eingangssignale beider Polaritäten, der bei Überschreiten eines für beide Polaritäten dem Betrag nach gleichen Schwellwerts S Ausgangssignale abgibt und mindestens vier Feldeffekttransistoren vom Anfachungstyp aufweist, d a durch gekennzeichnet, daß zwei erste gepaarte Feldeffekttransistoren (1, 3) unterschiedlichen Kanaltyps mit ihren Gateeelektroden zusammengeschaltet.sind, daß diese Verbindung gleichzeitig auf den Mittelpunkt eines aus zwei gleichen Widerständen (5, 6) bestehenden und die beiden Drainelektroden miteinander verbindende Spannungsteilers geschaltet ist, daß zwei zweite gepaarte Feldeffekttransistoren (2, 4) unterschiedlichen Kanaityps vorgesehen sind, deren Gateelektroden über je einen gleichen Widerstand (7,8) jeweils mit der Drainelektrode eines der ersten beiden Feldeffekttransistoren gleichen Kanaltyps und miteinanier über einen weiteren aus zwei gleichen Widerständen (9, 10) bestehenden Spannungsteiler verbunden sind, auf dessen Mittelpunkt der Eingang (£) des Schwellwertschalters geführt ist, daß die Sourceelektroden der Feldeffekttransistoren (1 und 2, 3 und 4) jeweils gleichen Kanaltyps miteinander und jeweils mit einem Anschluß einer Speisespannungsquelle verbunden sind und daß die Ausgangssignale des Schwellwertschalters an den Drainelektroden der beiden zweiten Feldeffekttransistoren (2, 4) abnehmbar sind.

2. Schwellwertschalter nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Schwellwerts die Speisespannung der Speisespannungsquelle und/oder ein der Speisespannungsquelle zugeordneter Vorwiderstand (11) änderbar ist.

3. Schwellwertschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainelektroden der beiden zweiten Feldeffekttransistoren (2, 4) mit der Gateelektrode des jeweils anderen dieser Feldeffekttransistoren verbunden sind.

4. Schwellwertschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in diese Verbindungen zwischen Drain- und Gateelektroden jeweils eine im Ruhezustand in Sperrichtung geschaltete Diode (12, 13) geschaltet ist, die über je eine Verbindung mit dem zugehörigen Anschluß der Spannungsquelle in Sperrichtung vorgespannt sind, und daß die eine Verbindung zwischen Drain- und Gateelektrode zusätzlich einen mit der Diode (12) in Reihe geschalteten Kondensator (17) aufweist, wobei die zugehörige Drainelektrode über einen Widerstand (14, 16) mit dem zugehörigen Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist,

5. Schwellwertschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanschlüsse der beiden zweiten Feldeffekttransistoren (2, 4) auf den Mittelpunkt je eines weiteren Spannungsteilers (18, 19 und 20, 21) geschaltet sind, die jeweils die Drainelektrode des anderen der beiden Feldeffekttransistoren (2, 4) mit dem der Sourceelektrode des ersteren der Feldeffekttransistoren (2, 4) zugeordneten Anschluß der Spannungsquelle verbinden.