DE2329643A1

DE2329643A1 - Schaltung zur signalpegelumsetzung

Info

Publication number: DE2329643A1
Application number: DE2329643A
Authority: DE
Inventors: Steven Platt; Jehoshua Naphtali Pomeranz; Dinesh Kumar Tewarson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-09
Publication date: 1974-01-24
Also published as: CA1014623A; JPS5738056B2; IT989193B; FR2191341A1; DE2329643B2; FR2191341B1; GB1438797A; US3778640A; JPS4952959A; DE2329643C3

Description

Aktenzeichen der Anmelderin:

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Schaltung zur Signalpegelumsetzung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Signalpegelumsetzung durch Bezugspegelverschiebung unter Beibehaltung der Signalamplitude.

Derartige Schaltungen werden beispielsweise in digitalen Computern als Koppelglied zwischen zwei unterschiedlichen Arten von logischen Schaltern verwendet, die aufgrund ihres Aufbaus Signale verarbeiten, die auf unterschiedliche Bezugspegel bezogen sind. Andere Anwendungsbeispiele liegen beispielsweise bei der Steuerung von Betriebsspannungs-Schalttransistoren in bipolaren Datenspeichern. Eine Anwendung kommt immer dann in Frage, wenn auf einen Bezugspegel bezogene Signale in entsprechende, auf einen anderen Bezugspegel bezogene Signale umzuwandeln sind.

Es sind bereits Schaltungen zur Signalpegelumsetzung bekannt, die im wesentlichen aus der Serienschaltung von Dioden bestehen. Derartige Anordnungen sind aber äußerst unvorteilhaft, da der Bezugspegel des resultierenden Ausgangssignals nicht exakt vorherbestimmbar und konstant ist, sondern von Schaltung zu Schaltung unterschiedlich sein kann. Auch die zeitliche Konstanz derartiger Schaltungen ist aufgrund von Schwankungen der Basis-Emitterspannungen der Dioden, von Temperatureinflüssen und aufgrund von Toleranzen in der Stromversorgung in vielen Fällen nicht aus-

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reichend.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Schaltung zur Signalpegelumsetzung anzugeben, die es gestattet, eine vorgegebene Pege!verschiebung exakt zu erreichen, und die eine von Schwankungen von Diodenspannungen, Temperaturänderungen und Betriebsspannungstoleranzen unabhängige Konstanz aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine das Signal mit einem ersten Bezugspegel empfangende Eingangsstufe über eine Impedanz mit dem Ausgang einer Konstantstrom quelle verbunden ist und daß der Ausgang der Konstantstromquelle gleichzeitig den Ausgang für das Signal mit dem zweiten, ver schobenen Bezugspegel bildet.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Signalpegelumsetzung in Verbindung mit einem Betriebsspannungs-Schalttransistor, der von der erfindungsgemäßen Schaltung gesteuert wird.

Zunächst sei der ßchaltungsaufbau beschrieben. Einem' Eingang V _N wird das Signal mit einem ersten, oberen Bezugspegel zugeführt, der durch die Schaltung unter Beibehaltung der Signalamplitude zu einem zweiten, unteren Bezugspegel verschoben wird. Der Eingang V_1n ist mit der Basis Bl eines ersten Transistors Tl verbunden, dessen Kollektor Cl an einer positiven Betriebsspannung +V liegt. Der Emitter El des die Eingangsstufe bildenden Transistors Tl ist mit dem oberen Anschluß einer aus einem Widerstand Rl bestehenden ersten Impedanz verbunden, deren unterer Anschluß an den Kollektor C2 eines eine Konstantstromquelle bildenden Transistors T2 angeschlossen ist. Der Emitter E2 des Tranistors T2 liegt an einer

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- 3 negativen Betriebsspannung -V.

An einen Anschluß ν_Ώτ:,_ wird eine Referenzspannung angelegt. Dieser Anschluß ist mit der Basis B3 eines Tranistors T3 verbunden. Der Kollektor C3 dieses Transistors steht über eine Leitung Ll mit der positiven Betriebsspannung +V in Verbindung. Der Emitter dieses Transistors ist mit dem oberen Anschluß einer auf einem Widerstand R2 bestehenden zweiten Impedanz verbunden. Die beiden Widerstände Rl und R2 weisen gleich große Widerstandswerte auf.

Der untere Anschluß des Widerstandes R2 liegt am Kollektor eines als Diode geschalteten Transistors T4. Der Kollektor C4 dieses Transistors ist über eine Leitung L2 mit der Basis B4 kurzgeschlossen. Der Emitter E4 des Transistors T4 ist über eine Leitung L3 mit der negativen Betriebsspannung -V verbunden. Die Basis B4 dieses Transistors ist über eine Leitung L4 an die Basis B2 des Transistors T2 geführt. Bei einer Verwirklichung dieser Schaltung in monolithisch integrierter Struktur werden die Basis B2 des Transistors T2 und die Basis B4 des Transistors T4 einerseits und der Emitter E2 des Transistors T2 und der Emitter E4 des Transistors T4 andererseits jeweils durch eine gemeinsame Halbleiterzone dargestellt.

Der Ausgang Ol der erfindungsgemäßen Schaltung steht über eine Leitung L5 mit dem Kollektor C2 des Transistors T2 und dem unteren Anschluß des Widerstandes Rl in Verbindung. Außerdem ist der Ausgang 01 über eine Leitung L6 mit der Basis B5 eines den Betriebsspannungs-Schalttransistor bildenden Transistors T5 verbunden. Dieser Transistor ist als Beispiel für einen Anwendungsfall in die erfindungsgemäße Schaltung eingefügt. Der Kollektor C5 des Transistors T5 ist über einen Lastwiderstand R3 und eine Leitung L7 mit der positiven Betriebsspannung +V verbunden. Der Emitter E5 dieses Transistors steht über eine Leitung L8 mit der negativen Betriebsspannung -V in Verbindung. Der Ausgang 02 des Betriebsspannungs-Schalttransistors ist über eine Leitung L9 mit dem Kollektor C5 verbunden.

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Es ergibt sich folgende Wirkungsweise: zum Zwecke der Beschreibung sei angenommen, die positive Betriebsspannung +V sei Massepotential, die negative Betriebsspannung -V betrage -4 Volt und die Referenzspannung an Anschluß V werde auf einem Wert

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von -1,25 Volt gehalten. Die Größe der Widerstände Rl und R2 betrage jeweils 1,25 k Ohm. Es zeigt sich, daß der Strom durch die Transistoren T3 und T4 durch den Widerstand R2 bestimmt wird. Die Spannung am oberen Anschluß des Widerstandes R2 ist gleich der, um den Spannungsabfall am Basis-Emitterübergang des Transistors T3 verminderten Referenzspannung an Anschluß V-^₁-, und beträgt also etwa -2,0 Volt. Die Spannung am unteren Anschluß des Widerstandes R2 ist gleich der um den Spannungsabfall an der Basis-Emitterstrecke des Transistors T4 erhöhten negativen Betriebsspannung -V und beträgt also etwa -3,25 Volt. Der Spannungsabfall am Widerstand R2 beträgt also 1,25 Volt. Damit ist der Strom durch den Widerstand R2 und ebenfalls durch die Transistoren T3 und T4 festgelegt und beträgt bei einem Spannungsabfall von 1,25 Volt und einem Widerstandswert von 1,25 k Ohm, also 1,0 mA. Da die Transistoren T2 und T4 eine gemeinsame Basis und einen gemeinsamen Emitter aufweisen, sind die Ströme durch Transistor T2 und T4 gleich groß. Nimmt man zunächst an, die Spannung am Eingang V_n sei gleich der Referenzspannung an Anschluß V^p, dann ist die Spannung am Emitter El des Transistors Tl gleich der Spannung am Emitter E3 des Transistors T3. Da auch die Widerstände Rl und R2 und die Ströme durch diese Widerstände gleich groß sind, erhält man am Kollektor C2 des Transistors T2 eine Spannung, die gleich der Spannung am Kollektor C4 und der Basis B4 des Transistors T4 ist.

Nunmehr sei angenommen, am Eingang V_JN werde ein Signalpegel mit einer vorgegebenen Signalamplitude und einem ersten, vorgegebenen Bezugspegel angelegt, der auch als Referenzspannung am Anschluß Vp liegen kann.Beschreibt der Signalpegel zunächst einen positiven Amplitudenausschlag der vorgegebenen Größe, so wird auch die Spannung am Emitter El des Transistors Tl um diese Amplitude angehoben, da der Transistor Tl als Emitterfolger arbeitet. Die Ströme durch die Transistoren T2 und T4 bleiben

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jedoch gleich groß, da diese Transistoren eine geraeinsame Basis und einen gemeinsamen Emitter aufweisen. Vernachlässigt man den geringen Ladungseffekt im Transistor T5, so bleibt der Strom durch den Widerstand Rl und der Spannungsabfall an diesem Widerstand in gleicher Größe erhalten, während die Spannung am unteren Anschluß des Widerstandes Rl entsprechend der Signalamplitude am Eingang V™ angehoben wird. Am Ausgang 01 der erfindungsgemäßen Schaltung erhält man also ein Ausgangssignal, dessen Amplitude der Amplitude des Eingangssignals am Eingang V „ entspricht, dessen Bezugspegel aber um 2,0 Volt gegenüber dem Bezugspegel des Eingangssignals nach unten verschoben ist.

Eine positive Amplitude des Eingangssignals vom Bezugspegel von -1,25 Volt nach -0,75 Volt bewirkt also eine negative Amplitude des Ausgangssignals vom zweiten Bezugspegel von -3,25 Volt nach -2,75 Volt. Entsprechendes gilt für eine negative Amplitude des Eingangssignals, die ausgehend vom Bezugspegel von -1,25 Volt die Spannung von -1,75 Volt erreicht und am Ausgang eine Spannung von -3,75 Volt hervorruft.

Man erhält ein modifiziertes Ausführungsbeispiel, wenn Eingang V^ und Anschluß V_DT?T:, für die Referenzspannung vertauscht werden. Das heißt, das Eingangssignal wird der Basis B3 des Transistors T3 und die Referenzspannung wird der Basis Bl des Transistors Tl zugeführt. Am Ausgang 01 erhält man ein dem Eingangssignal entsprechendes Ausgangssignal, dessen Phase jedoch umgekehrt ist.

Als Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung sei die in der Zeichnung ebenfalls berücksichtigte Steuerung eines Betriebsspannungs-Schalttransistors erwähnt. Die die Transistoren Tl, T2, T3 und T4 enthaltende erfindungsgemäße Schaltung zur Signalpegelumsetzung steuert einen Transistor T5, der als Betriebsspannungsschalter dient. Dieser Transistor benötigt ein Eingangssignal, dessen Spannungspegel in der Nähe der negativen Betriebsspannung -V liegt, an die der Emitter E5 des Transistors angeschlossen ist. Die Basis B5 des Transistors T5 ist über eine Leitung L6 mit dem

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Ausgang Ol der erfindungsgemäßen Schaltung verbunden. Der Kollektor C5 des Transistors liegt am unteren Anschluß eines Lasttransistors R3, dessen oberer Anschluß über eine Leitung L7 mit der positiven Betriebsspannung +V verbunden ist. Der Ausgang 02 steht über eine Leitung L9 mit dem Kollektor C5 des Transistors T5 in Verbindung.

Die erfindungsgemäße Schaltung zur Signalpegelumsetzung verschiebt im betrachteten Ausführungsbeispiel den Eingangsbezugspegel von -1,25 Volt zu einem Ausgangsbezugspegel von -3,25 Volt. Der umbesetzte Signalpegel wird über den Ausgang 01 der Basis B5 des Transistors T5 zugeführt. Liegt das Signal an der Basis B5 hoch, d.h. bei -2,57 Volt, so geht der Transistor T5 in Sättigung und die Spannung am Ausgang 02 fällt etwa auf die negative Betriebsspannung -V ab. Erscheint am Ausgang 01 eine negative Signalamplitude von -3,75 Volt, so wird der Transistor T5 gesperrt 'und am Ausgang 02 erscheint etwa die positive Betriebsspannung +V. Die Ausgangsspannung des Betriebsspannungs-Schalt- transistors T5 kann also zwischen der positiven und der negativen Betriebsspannung umgeschaltet werden.

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- 7 PATENTANSPRÜCHE

Schaltung zur Signalpegelumsetzung durch Bezugspegelverschiebung unter Beibehaltung der Signalamplitude, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Signal mit einem ersten Bezugspegel empfangende Eingangsstufe über eine Impedanz mit dem Ausgang einer Konstantstromquelle verbunden ist und daß der Ausgang der Konstantstromquelle gleichzeitig den Ausgang für das Signal mit dem zweiten, verschobenen Bezugspegel bildet.

Scnaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe einen Transistor (Tl) enthält, dessen Basis den Eingang bildet und dessen Emitter mit dem einen Anschluß der Impedanz verbunden ist.

Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz aus einem Ohm¹sehen Widerstand besteht.

Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle einen Transistor (T2) enthält, dessen Kollektor den Ausgang bildet und dessen Basis eine definierte Spannung zugeführt wird.

Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der Konstantstromquelle über eine an die Basis des sie bildenden Transistors (T2) angeschlossene Referenzspannungsquelle gesteuert ist.

Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle einen Transistor (T3) enthält, an dessen Basis eine dem ersten Bezugspegel entsprechende Referenzspannung angelegt ist, und dessen Emitter über ein Impedanznetζwerk an die Basis des die Konstantstromquelle bildenden Transistors (T4) angeschlossen ist.

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7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanznetzwerk aus zwei in Reihe geschalteten Impedanzen besteht, an deren gemeinsamen Verbindungspunkt die Basis des die Konstantstromquelle bildenden Transistors (T4) angeschlossen ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Impedanz ein Widerstand (R2) und die andere eine Diode ist.

9. Schaltung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (Rl) der Eingangsstufe und der Widerstand (R2> der Referenzspannungsquelle gleich groß sind.

10. Schaltung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode aus einem Transistor (T4) besteht, dessen Kollektor-Basisstrecke kurzgeschlossen ist und dessen Basis-Emitterstrecke mit der Basis-Emitterstrecke des die Konstantstromquelle bildenden Transistors (T2) parallel geschaltet ist.

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