DE2136991C3

DE2136991C3 -

Info

Publication number: DE2136991C3
Application number: DE2136991A
Authority: DE
Inventors: Takao Dipl.-Ing. Tarumi Kurata; Atsushi Dipl.-Ing. Hyogo Oritani
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1970-07-31
Filing date: 1971-07-23
Publication date: 1974-05-09
Also published as: JPS4942346B1; US3780317A; DE2136991A1; GB1356347A; DE2136991B2

Description

Die Erfindung betrilit eine Komparatorschaltung mit einer Differenz erstärkcrstufe mit zwei Eingangsanschlüssen, mit einem Transistor, der das Ausgangssignal verstärkt und formt, und mit ei'v-r Jmpedan/-wandlerstufe, die das Ausgangssignal des Transistors zu einer außenlicgcndcn Schaltung mit niedriger Ausgangsimpedanz abgibt.

Eine Spannungskomparatorschaltung wird für die Analog-Digital-Umsetzung, die Formung von Ruuschiiberlageruiigsimpulscn und die Messung der Impul,-höhenverteilung des Ausgangsimpulses eines Nuklcar-Mrahlimgssuchcrs verwendet. Diese Art einer Komparatorschaluing ist mit einem Eingangsanschlußklcmmenpaar versehen. Eine feslc Bezugsspannung liegt an einem der Anschlüsse. Hingangssignale der obenerwähnten Impulse usw. werden dem anderen Anschluß zugeführt. Bis der Pegel des Eingangssignals den Pegel der Bezugsspannung erreicht, wird kein Ausgangssignal von der Komparatorschaltung erhalten. Das Ausgangssignal wird erzeugt, sobald das Eingangssignal den Pegel der Bezugsspanr.ung erreicht.

Das Ausgangssignal muß nicht dieselbe Wellenform wie das Eingangssignal haben. Es kann z. B. ein Rechleckimpuls sein, der überhaupt nicht in Beziehung zum Eingangsimpuls steht. Üblicherweise ist die Eingangsstufe dieser Art einer Komparatorschaltung eine Dilferenzverstärkcrslufc mit zwei Eingängen. Das Ausgangssignal von dieser Stufe wird verstärkt, in der nächsten Stufe geformt und zu einem Rechleckimpuls gemacht. Dann läuft dieser Impuls über einen Emitterfolgekreis an der Seite des Impedanzwandierkreises und wird zu außenliegendcn Kreisen mit geringer Impedanz weitergeleitet.

Bei einem bekannten transistorisierten Spannungskomparator ist der Verstärker- und Form-Transistor für den wirksamen Betrieb gcsätligt, wenn er ein Signal hat.

ίο Er ist so aufgebaut, daß er schnell nach Empfang der Signale gesperrt wird. Ein Anstieg des Ausgangssignals wird auf Grund der Minoritätsirägerspeicherwirkung in diesem Transistor verzögert. Dies führt zu einer Verzögerung zwischen den Eingangssignalen

und den Ausgangssignalen, d. h., die Ausbreitungsverzögerungszeit wird größer. Um die Trägerspeicherwirkung zu verringern, wird bei einem bekannten Transistor Gold als Lebensdauertöter verwendet. Durch die Golddotierung wird die Minoritätsträgerspeichenvirkung bis zu einem bestimmten Umfange verringert. Einer der Nachteile besteht aber darin, daß dies zu einem Anstieg von Kristallfchlcrn in den Transistoren führt. Darüber hinaus werden auch die Frequenzkennlinien des Transistors verschlechtert.

Ein Golddotierverfahren ist nun zusätzlich erforderlich, falls die Komparatorschaltung integriert werden soll, und da da' Gold mit bedeutender Geschwindigkeit in der Halbleitermasse diffundiert, ist es schwierig, das Maß der Dotierung des Goldes zu steuern.

Es ist auch ein Stromrückkopplungsverstärkcr bekannt, der im linearen Bereich arbeitet (Electronic Engineering, Oktober 1968, Vol. 40, H. 488, S. 577 und 578). Der eine in diesem Verstärker vorgesehene Transistor ist vollständig in den aktiven Bereich vorgespannt und überhaupt nicht gesättigt. Bei der bekannten Anordnung soll der Strom durch zwei Transistoren nicht stark erhöht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Koniparatorschallung der eingangs erwähnten Art /u

4" schaffen, bei welcher eine Sättigung des Transistors nicht auftritt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem AusgangsanschluLi der Impedanzwandlerstufc und den Eingangsanschlüssen des zur Verstärkung und Formung verwcndeten Transistors ein negativer Rückkopphingsweg vorgesehen ist, der nicht wirksam ist. wenn sich der Transistor dem gesperrten Zustand nähert, und daß der negative Rückkopplungsweg Halbleiterelemcnte mit pn-übergang enthält.

Durch die negative Rückkopplung wird der glcichstrommäßige Arbeitspunkt des Verstärkers stabilisiert und damit nichllineare Verzerrungen verringert. Die Sättigung des Transistors wird dadurch vermieden, daß die Rückkopplung über gleich lichtende Elemente erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Komparatorschaltung werden auch eine kurze Ausbreitungsverzögerungszeii und eine kurze Iinpulsanstiegszcit erhalten.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, in der zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer bekannten transistorisierten Spannungskomparatorschaltung,

F i g. 2 ein Schaltbild einer eisten Aiisfiilmingsfonn der erfindungsgemäßen Komparalorsehaltung, wobei eine negative Rückkopplung über eine Diode angelegt ist, und

F i g. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungs-

form der Komparatorsehaltung nach der Erfindung, yobei eine negative Rückkopplung über einen Transistor angelegt ist und eine Schaltung für eine Einstelluns! der Ausgangsimpulshöhe vorgesehen ist.

Gemäß F i g. 1 besteht ein Dilferenzverstärker aus Transistoren 1 und 2. Die Differen/spannung zvvichcn den Eingnngsanschlüssen S und (i, d. h. zwischen den Basen der Transistoren, wird in dem Kollektor des Transistors aufgefunden. Um einen zufriedenstellenden Betrieb des DiiTcreiizverstürkers sicherzustellen, ist ein Konstantstromelement 7 in dem Em'Uerkrcis der beiden Transistoren vorgesehen. Als Konstantstromelcmeni 7 wird die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors, der eine geerdete Basis

verwendet. In der dargestellten Schaltung wird gangsanschluß 10 stabilisiert wird. Dies geschieht auf

folgende Weise. ,

Es wird angenommen, daß der Trans.stor 3 zur

Verstärkung und Formung in der Schaltung »> F'fr gesättigt ist Deshalb ist das Kollektorpotent.alI de Transistors 3 fast gleich dem EmilterpotcnUal Wird „un angenommen, daß die Spannung an der Zene.-DiodeS VzX ist, wird die Kollektorspannung des Transistors 3 etwa VzI. Ob der Kollektor des Tnmsistors3 mit der Basis der Emittcrfolgestufe 4 verbunden ist. wird das Potential des Emitters der r.m.-terfolocslufe 4 etwa Vz 1 V₁,, H.erbe. ist V^₁ dre Spannung zwischen der Basis und dem Emitter de Emilterfolgestule. Andererseits isi das Basispotcntjal des für die Verstärkung und die Formung verwende-

tcn Transistors 3 Vz 1 ~ V _ΒΙΛ
i d

Transistors 3 Vz 1 ~ V _ΒΙΛ, wobei ₁^ p

nun» zwischen der Basis und dem hmitter des f J-sistors 3 ist. Die Spannung zwischen den beiden Elektroden der Diode 14 ist etwa:

VzI - VM₃ - {Vz\ - V_ltHi) = ^vn:i:x + ^Vi»-> Da diese Spannung wesentlich größer ate clic Durchlaßspannung des pn-Übergangs .st, mußte uroßer Strom durch die Diode 14 fi.eßen. Tatsä

torlastwiderstand 15 ^s Transistors Diodenstrom groß ist, w.rd deshalb das des Transistors 3 wesentlich verringert wird das Emitterpotential der Em.tterfogestuf,^4 ,-höht. Deshalb wird die Spannung zw.se hen■ d™ Ihtden Elektroden der Diode 14 verringert unc lcWlich wird der Strom in der Diode 14 begrenzt. Di«, bcduu let, daß das Kollektorpotential des Verstärker- und Fo.-munustransistors 3 dem Potential des Emitters nicht nahekommt. Ein Gleichgewicht so 1 bes.cl cn, bevor c!e< obenerwähnte Transistor 3 auf den Satt.

fiai, \i.i »«-··—- — —c- -■■ c —

ein Einizanusanschluß 5 immer auf dein Bezugspotential Kß gehalten. Wenn nun ein positiver Impuls, in dem Rauschen überlagert ist. dem Eingangsanschlußo zu"cführi wird, wird nur der Teil der Eingangssignalwellenform. der VR übersteigt, verstärkt und crschciü! am Kollektor des Transistors 2. Die Polarität der Wellenform ist entgegengesetzt zu der des Einpanussiunals nach der Verstärkung. Der Ausgang dieses "τraVisistors 2 wird des weiteren durch den Tran- ._

sistor 3 verstärkt. Wenn die Verstärkung von dem 25 findet dies jedoch nicht statt. Einganüsunschluß 5 zum Kollektor des Transistors 3 Der Strom in der Diode 14 fließt uber

ausrc'chend groß ist, kommt der Transistor 3 sofort in den Sperrzustand. Dieser Zustand wird ungefähr bis /u dem Abfallpunkt des Eingangsimpulses aufrechterhalten. Deshalb ist die Ausgangswellenform von li-'ii Transistor 3 meistens ein Rechteck. I'm das Aus'^miy.signal des Formimgstransisiors ."■. d.js verstärkt ist. mit niedriger Ausgangsimpedanz zu außenliepcnden Kreisen auszusenden, ist an dem 1 ransi_stor4 der letzten Stufe ein Konstantsiiomelemenl 9 als Emitierlast an der Emittcrfolgestufe angeschaltet. Fine Zener-Diode 11 ist zwischen dem EmiHei der Eir.iUerfoluustufe 4 und der Emitterlast 9 vorgesehen, um die Spannung des Ausgangsaiisehlusses 10 dem lirdpotcnlial gleich zu machen, wenn kein Signal vorhunden ist. Daraufhin wird eine negative Speisung 13 zusätzlich zu der positiver, Speisung 12 für den Verstärker vorgesehen, um die erforderliche Vorspannung den Konstantstromclcmentcn 7 und 9 zuzuführen.

Da der für die Verstärkung und die Formung verwendete Transistor 3 in der in dem Schallbild dargestellten Schaltung gesättigt ist, wenn kein Signal vorhanden ist, wird das Ausgangssignal auf Grund der Speicherung der Minoritälsträger verzögert, wie dies ,.über beschrieben worden ist. Es ist erwünscht, daß diese Zeitverzögerung auf das Minimum verringert wird, um einen Betrieb der Schaltung mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.

Fig. 2^ zeigt die erste Ausführungsform der Komparatorsehaltung nach der Erfindung. Gemäß dieser Fi'-ur besteht der Differenzverstärker aus den Transistoren 1 und 2. Der Transistor in der nächsten Stu'.c wird zur Verstärkung und Formung verwendet. Diese Merkmale sind denen in F i g. I gleichartig. Der c.nziue Unterschied besieht darin, daß die Diode 14 zwischen der Basis des für die Verstärkung und Formung verwendeten Transistors 3 und dem Emitter der Emittcrfol-estufe 4 vorgesehen ist. Die Anode der Diode 14 ist an die Basis des Transistors 3 geschaltet, und wobei V₁SH₁. die Span-

Uas roienuai un verschiedenen Punkten der in der Figur dargestellten Schaltung beim Gleichgewichtszustand ist wie foltit.

Es wird angenommen, daß die Spannung zwischen den beiden Elektroden der Diode 14 Vd und das Basispotential und die Kollektorspannung des Transistors 3, der für den Vcrstärkungs- und Formungskreis verwendet wird, jeweils 17' und Vc sind. Da de. Kollektor des Transistors 3 mit der Basis der Emitterfolgestufe 4 verbunden ist. gilt
(Vc V₁₁,,).

Vd V₁
Deshalb gilt
Vc --- V₁

Ill: 4

Vd).

Da

60 j etwa gleich IV ist, gilt K,.,:.,- Vd 0,
so daß gilt

Vc -- V_n.

Deshalb ist die Spannung zwischen dem Kollektor und der Basis des für die Verstärkung und Formung verwendeten Transistors 3 nahezu 0. und der Kollektorübergang kann nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, d. h., der Transistor 3 kann nicht

gp

ihre Kathode ist mit dem Emitter der Lmitterfolge- 65 gesättigt werden.

stufe 4 verbunden. Eine Sättigung des Transistors 3 Wenn ein ausreichender Strom der Emittcrfolge-

ist durch die Diode 14 verhindert. Darüber hinaus stufe 4 zugeführt wird, gilt V₁₁₁ , > Vd oder V_HVx

unterstützt diese, daß das Potential von dem Aus-• 0. Dies führt deshalb dazu, daß der Tran-

sistor 3 in den aktiven Bereich vorgespannt wird. Es ergibt sich aus der obigen Erläuterung, daß der für die Verstärkung und Formung versvendete Transistor 3 nicht gesättigt wird.

Wird nun angenommen, daß d;>s Potential an dem Ausgangsanschlüß 10 Vo ist, wenn kein Signal vorhanden ist, kann dies wie folgt ausgedrückt werden:

Ko = Ke - Kz 2 = [Vz 1 + V_BE ,- Vd] -VzI.

Ve ist das Emitterpotential der Emitterfolgestufe 4, und Kz 2 ist die Zencrspannung der Zener-Diode 11.

Wenn die letztere so ausgewählt wird, daß Vz 1 = Kz 2 ist. gilt

VO = V ar — Vd

Da V_BliSi und Vd beinahe gleich sind, gilt Vo ~ 0. Das bedeutet, daß das Potential an dem Ausgangsanschluß 10 fast 0 ist, wenn kein Signal vorhanden ist, d. h., es ist gleich dem Erdpotcntial. Solange sich die Diode 14 in leitendem Zustand befindet, ist deshalb das Potential an dem Ausgangsanschlüß stabilisiert, da eine Rückkopplung vom Ausgangsanschluß zur Basis des Verstärkungs- und Formungstran''stors 3 vorhanden ist. Falls das Ausgangssignal dieser Komparatorschaltung zum Steuern einer digitalen Schaltung verwendet wird, ist es erwünscht, daß das Potential am Ausgangsanschluß etwa gleich dem Erdpotential ist, wenn kein Eingangssignal vorhanden ist, und dieses Signal soll genügend stabil sein.

Wenn ein positives Signal an den Fingangsanschluß 6 angelegt wird, wird die 3a' 's des für die Verstärkung und Formung verwendeten Transistors 3 negativ, und das Emitterpolential der Emuterfolgesiufe 4 steigt an. Als Ergebnis verringert sich die Potcntialdiffcrcnz zwischen den Anschlüssen der Diode 14. Die Diode kommt letztlich in den Sperrzustand und beeinflußt somit nicht die Wirkung der Schaltung. Da dies bedeutet, daß die obenerwähnte negative Rückkopplung weggenommen wird, erhöht sich die Schaltungsverstärkung, und der für die Verstärkung und Formung verwendete Transistor 3 kommt in den Sperrzustand. D.i der für die Verstärkung und Formung verwendete Transistor immer im nicht gesättigten Zustand in der in der Figur dargestellten Schaltung arbeitet, ist also keine Minoritätsträgerspeicherwirkung vorhanden. Deshalb besteht auch nicht das Erfordernis einer Golddoticrung des Transistors. Dies ermöglicht die Verwendung eines Transistors mit hoher Sperrfrequenz und führt zu einer wesentlichen Verringerung der Anstiegszeit des Ausgangsimpulses.

Für eine Vereinfachung der Erläuterung wurde eine Spannung als Eingangssignal angenommen, jedoch kann zuweilen, da der Transistor durch einen Eingangsstrom arbeitet, die Komparatorschaltung /um Vergleich des Eingangsstroms mit einem Bezugsstrom verwendet werden. Wenn der erste Differcnz- \lι stärker aus einem Feldeffekttransistor besteht, spricht die Schaltung aber auf eine Eingangsspannung an.

F i g. 3 zeigt die zweite Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Schaltung wird der Transistor 16 für eine negative Rückkopplung verwendet. Der Kollektor und die Basis dieses Transistors 16 sind mit der Basis und dem Emitter des für die Verstärkung und Formung verwendeten Transistors 3 verbunden. Der Emitter des obenerwähnten Transistors 16 wild mit der Emittcrfolgcstufc 4 über die Diode 17 verbunden. Diese Diode 17 führt dem Emitter des Transistors 16 eine Vorspannung zu.

Das Basispotc-ütial des Transistors 16 ist somit ohne Rücksicht darauf konstant, ob ein Signal vorhanden ist oder nicht. Falls der für die Verstärkung und Formung verwendete Translator 3 gesättigt ist, ist nun sein Kollektorpotential etwas höher als sein Emittcrpotcntial. Wenn der Emitter des Transistors 16, nachfolgend als Rückkopplungstransistor bezeichnet, direkt mit dem Emitter der Emitlerfolgcstufe 4 verbunden ist und das Potential des für die Verstärkung und Formung verwendeten Transistors gesättigt ist, besteht eine Möglichkeit, daß der Rückkopplungstransistor nicht den leitenden Zustand erreicht.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird eine Diode zwischen den Fmitter der Emitterfolgcstufc 4 und die Zener-Diode 11 eingeschaltet, und der Emitter des Rückkopplungstransistors 16 wird mit dem Punkt verbunden, an dem die Zener-Diode 11 und die Diode 17 zusammcngeschaliel sind. Hierdurch verringert sich das Potential des Emitters des obenerwähnten Transistors 16 um einen BeIiUg gleich der positiven Spannung, und der Rückkopplungslransjstor 16 leitet, bevor der für die Verstärkung und Formung s5 verwendete Transistor 3 gesättigt wird. Somit wird eine Sättigung des Transistors 3 verhindert.

Wenn das Emittei potential der Emittcrfolgcstufc 4 in der in der Figur dargestellten Schaltung hoch wird, da das Emitterpotential des Transistors 3 in der vorangehenden Stufe demgemäß auch hoch ist, wird die Diode 18 auch mit dem Emitter des Transistors 3 verbunden.

Darüber hinaus ist ein zusätzlicher Transistoi 19 in der Schallung der F i g. 3 vorgesehen. Dieser Transistor 19 ist vorgesehen, um die Schwankungen in der Ausgangsimpulshöhe auf Grund der Schwankungen der Energieversorgung zu verringern. Die Arbeitsweise des Transistors 1" .vird als nächstes berücksichtigt.

Der Kollektor des Transistors 19, nachfolgend als Transistor zum Einstellen der Impulshöhe bezeichnet, ist mit dem Kollektor des für die Verstärkung und Formung verwendeten Transistors 3 verbunden. Darüber hinaus ist der Emitter des Transistors 19 mit der Anode der Zener-Diode verbunden. Die Basisvorspannung des Transistors 19 kann durch den veränderbaren Widerstand 20 eingestellt werden, der in dem Emitterkreis der Emittcrfolgcstufc 4 vorgesehen ist.

Das Emitterpotcnlial des Transistors 19 ist durch die Zener-Diode R stabilisiert. Falls der veränderbare Widerstand 20 eingestellt ist, können die obenerwähnten Transistoren im Sperrzustand gehalten werden. Falls die Ausgangsimpulshöhe eine bestimmte Grenze überschreitet, wenn ein Signal vorhanden ist. leitet der Transistor 19, und sein Kollektorstrom fließi durch den Lastwiderstand 21, und sein Kollektorpotential fällt wesentlich ab.

Deshalb fällt auch das Emitterpotential der Emit· tcrfolgcstufe 4 ab. Als Ergebnis wird die Impulshöhl gleichmäßig ohne Rücksicht auf Spannungsschwun kungen in der positiven Energiezufuhr 12 gehalten Die Ausgangsimpulshöhe kann innerhalb einer be stimmten Grenze als gewünschter Wert durch Ein stellen des veränderbaren Widerstandes 20 cingestell werden. Der für die Verstärkung und Formung in de Komparatorschaltung nach der Erfindung verwendet Transistor arbeitet immer im nicht gesättigten Zi

stand. Nun wird der Rückkopplungskreis, der verwendet wird, um eine Sättigung dieses für die Verstärkung und Formung verwendeten Transistors zu verhindern, im Sperrzustand auf Grund des Eingangssignals gesperrt, und ein Ausgangsimpuls mit sehr kurzer Anstiegszeit kann erhalten werden. Experimentell wurde ein Ausgangsimpuls mit einer Anstiegszeit von etwa 10 ηιμ erhalten. Da keine Notwendigkeit einer Golddotierung des in der Schaltung der Erfindung verwendeten Transistors erforderlich ist, wenn diese Schaltung integriert ist, kann ein Dotierverfahren vermieden werden.

Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung, die Ausgangsanschlußspannung gleich dem Erdpotential mittels Rückkopplung zu halten, wenn kein Signal vorhanden ist. Wenn eine Schaltung zum Verhindern

von Schwankungen in der Ausgangsimpulshöhe vorgesehen ist, können insbesondere gemäß F i g. 3 die Schwankungen in der Impulshöhe auf Grund von Schwankungen in der Versorgungsspannung vermieden werden. Der Basispegel des Ausgangsimpulses ist immer nahe 0 V. Zusätzlich kann ein gleichförmiger Impulsausgang der Wellenhöhe auch erhalten werden. Letztlich ist die Komparatorschaltung der Erfindung sehr gut zum Steuern von digitalen Kreisen geeignet.

Die Differenz zwischen den Potentialen am Ausgangsanschluß und Erde kann konstant gehalten sein, wenn kein Signal vorhanden ist. Das Potential am Ausgangsanschluß wird also mit Bezug auf Erdpotential konstant gehalten. Dies kann bei einer Tmpulsmessung angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Komparatorschaltung mit einer Diflerenzverstärkerstufe mit zwei Eingangsanschlüssen, mit einem Transistor, der das Ausgangssignal verstärkt und formt, und mit einer lmpcdanzwandlerstufe, die das Ausgangssignal des Transistors zu einer außenliegenden Schaltung mit niedriger Ausgangsimpedanz abgibt, dadurchge kennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangsanschluß (10) der Impedanzwandlerstufc und den Eingangsanschlüssen des zur Verstärkung und Formung verwendeten Transistors (3) ein negativer Rückkopphingsweg vorgesehen ist, der nicht wirksam ist, wenn sich der Transistor (3) dem gesperrten Zustand nähert, und daß der negativ«.' Rückkoppiungsweg Halbleiterelemente (14; 16) mit pn-übergang enthält.

2. Komparatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement ein bipolarer Transistor ist und daß die Leitfähigkeit zwischen dem Kollektor und dem Emitter durch Ändern der Spannung zwischen Basis und Emitter steuerbar ist.

3. Komparatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential des Ausgangsanschlusscs nahe Erdpoiential gehalten ist, wenn kein Signal vorhanden ist.

4. Komparatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Potentialen am Ausgangsanschluß und Erde konstant gehalten ist, wenn kein Signal vorhanden ist.