DE2329643B2

DE2329643B2 - Schaltung zur Signalpegelumsetzung

Info

Publication number: DE2329643B2
Application number: DE2329643A
Authority: DE
Inventors: Steven Underhill Vt. Platt; Jehoshua Naphtali Suffern N.Y. Pomeranz; Dinesh Kumar Essex Junction Vt. 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: 1981-01-15
Also published as: DE2329643A1; JPS4952959A; GB1438797A; IT989193B; FR2191341A1; FR2191341B1; US3778640A; JPS5738056B2; CA1014623A; DE2329643C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Sijgnalpegelumsetzung durch Bezugspegelverschiebung unter Beibehallüng der Signäläitiplifude.

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

ίο aber äußerst unvorteilhaft, da der Bezugsjtegel 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 ausreichend.
Aus der US-PS 35 01 647 ist eine als emittergekoppel-

ter Stromübernahmeschalter ausgeführte logische Schaltung bekannt, die ebenfalls eine Signalpegelumschaltung gestattet. Dabei ist eine Bezugspegelregeleinrichtung vorgesehen, die den jeweiligen Bezugspegel in Abhängigkeit vom zugeführten Signalpegel festlegt

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Schaltung zu Signalpegelumsetzung durch Bezugspegelverschiebung unter Beibehaltung der Signalamplitude anzugeben, wobei es diese Schaltung gestattet, eine vorgegebene Pegelverschiebung exakt zu erreichen, und die eine von Schwankungen von Diodenspannungen, Temperaturänderungen und Betriebsspannungstoleranzen unabhängige Konstanz aufweist

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 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 Schaltungsuufbau 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 VV ist mit der Basis B1 eines ersten Transistors Π verbunden, dessen Kollektor Cl an einer positiven Betriebsspannung + V liegt Der Emitter E1 des die Eingangsstufe bildenden Transistors TX ist mit dem oberen Anschluß einer aus einem Widerstand RX bestehenden ersten Impedanz verbunden, deren unterer Anschluß an den Kollektor C2 eines eine Konstantstromquelle bildenden Transistors 7*2 angeschlossen ist.

Der Emitter £2 des Transistors T2 liegt an einer negativen Betriebsspannung — V.

An einen Anschluß Vhefwird eine Referenzspannung angelegt. Dieser Anschluß ist mit der Basis S3 eines Transistors T3 verbunden. Der Kollektor C3 dieses Transistors steht über eine Leitung L1 mit der positiven Betriebsspannung + V in Verbindung. Der Emitter dieses Transistors ist mit dem oberen Anschluß einer auf einem Widerstand /?2 bestehenden zweiten Impedanz verbunden. Die beiden Widerstände R 1 und R 2 weisen gleich große Widerstandswerte auf.

Der untere Anschluß des Widerstandes R 2 liegt am Kollektor eines als Diode geschalteten Transistors 7"4. Der Kollektor C4 dieses Transistors ist über eine

Leitung L 2 mit der Basis BA kurzgeschlossen. Der Emitter £"4 des Transistors 74 ist über eine Leitung L 3 mit der negativen Betriebsspannung - V verbunden. Die Basis B 4 dieses Transistors ist über eine Leitung L 4 an die Basis B 2 des Transistors 72 geführt Bei einer Verwirklichung dieser Schaltung in monolithisch integrierter Struktur werden die Basis B 2 des Transistors T2 und die Basis BA des Transistors TA einerseits und der Emitter £2 des Transistors T2 und der Emitter EA des Transistor= T4 andererseits jeweils durch eine m gemeinsame Halbleiterzone dargestellt.

Der Ausgang 01 der erfindungsgemäßen Schaltung steht über eine Leitung L 5 mit dem Kollektor C2 des Transistors T2 und dem unteren Anschluß des Widerstandes R1 in Verbindung. Außerdem ist der is Ausgang OX über eine Leitung L 6 mit der Basis S5 eines den Betriebsspannungs-Schalttransistor bildenden Transistors 75 verbunden. Dieser Transistor ist als Beispiel tür einen Anwendungsfall in die erfindungsgemäße Schaltung eingefügt Der Kollektor CS des Transistors 75 ist über einen Lastwiderstand A3 und eine Leitung L? mit der positiven Betriebsspannung + ^verbunden. Der Emitter ES dieses Transistors steht über eine Leitung L 8 mit der negativen Betriebsspannung — V in Verbindung. Der Ausgang O 2 des Betriebsspannungs-Schalttransistors ist über eine Leitung L 9 mit dem Kollektor CS verbunden.

Es ergibt sich folgende Wirkungsweise: Zum Zwecke der Beschreibung sei angenommen, die positive Betriebsspannung + V sei Massepotential, die negative jo Betriebsspannung — V betrage —4 Volt und die Referenzspannung an Anschluß Vref werde auf einem Wert von -1,25 Volt gehalten. Die Größe der Widerstände R 1 und R 2 betrage jeweils 1,25 kOhm. Es zeigt sich, daß der Strom durch die Transistoren T3 und TA durch den Widerstand R2 bestimmt wird. Die Spannung am oberen Anschluß des Widerstandes R 2 ist gleich der, um den Spannungsabfall am Basis-Emitterübergang des Transistors T3 verminderten Referenzspannung an Anschluß Väefund beträgt also etwa —2,0 Volt Die "spannung am unteren Anschluß des Widerstandes R 2 ist gleich der um den Spannungsabfall an der Basis-Emitterstrecke des Transistors TA erhöhten negativen Betriebsspannung - V und beträgt also etwa -3,25 Volt Der Spannungsabfall am Widerstand R 2 beträgt also 1,25 Volt Damit ist der Strom durch den Widerstand R 2 u;jd ebenfalls durch die Transistoren 73 und TA festgelegt und beträgt bei einem Spannungsabfall von 1,25 Volt und einem Widerstandswert von 1,25 kOhm, also I₁OmA. Da die Transistoren T2 und 74 eine gemeinsame Basis und einen gemeinsamen Emitter aufweisen, sind die Ströme durch Transistor T2 und TA gleich groß. Nimmt man zunächst an, die Spannung am Eingang Vw sei gleich der Referenzspannung an Anschluß Vref, dann ist die Spannung am Emitter Ei des Transistors Ti gleich der Spannung am Emitter E3 des Transistors T3. Da auch die Widerstände R i und R 2 und die Ströme durch diese Widerstände gleich groß sind, erhält man am Kollektor C2 des Transistors Γ2 eine Spannung, die gleich der Spannung am Kollektor CA und der Basis BA des Transistors TA ist.

Nunmehr sei angenommen, am Eingang Vw werde ein Signalpegel mit einer vorgegebenen Signalamplitude und einem ersten, vorgegebenen Bezugspegel μ angelegt, der auch -sls Referenzspannung am Anschluß VW liegen kann. Beschreibt der Signalpegel zunächst einen positiven Amplitud' nausschlag der vorgegebenen Größe, so wird auch die Spannung am Emitter E\ des Transistors Ti um diese Amplitude angehoben, da der Transistor 71 als Emitterfolger arbeitet Die Ströme durch die Transistoren 72 und Γ4 bleiben jedoch gleich groß, da diese Transistoren eine gemeinsame Basis und einen gemeinsamen Emitter aufweisen. Vernachlässigt man den geringen Ladungseffekt im Transistor 75, so bleibt der Strom durch den Widerstand R 1 und der Spannungsabfall an diesem Widerstand in gleicher Größe erhalten, während die Spannung am unteren Anschluß des Widerstandes R1 entsprechend der Signalamplitude am Eingang Vm angehoben wird Am Ausgang 01 der erfindungsgemäßen Schaltung erhält man also ein Ausgangssignal, dessen Amplitude der Amplitude des Eingangssignals am Eingang V_w entspricht dessen Bezugspegel aber um 2,0 Volt gegenüber dem Bezugspegei 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 Ar ;gangssignals vom zweiten Bezagspege! von -3,25 Volt nsch -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_1n und Anschluß V_REF für die Referenzspannung vertauscht werden. Das heißt das Eingangssignal wird der Basis B 3 des Transistors 73 und die Referenzspannung wird der Basis B1 des Transistors Ti zugeführt Am Ausgang Oi 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 71, 72, 73 und 74 enthaltende erfindungsgemäße Schaltung z:ir Sipnalpegelumsetzung steuert einen Transistor 75, der als Betriebsspannungsschalter dient Dieser Transistor benötigt ein Eingangssignal, dessen Spannungspegel in der Nähe der negativen Betriebsspannung — V liegt an die der Emitter ES des Transistors angeschlossen ist Die Basis BS des Transistors 75 ist über eine Leitung L 6 mit dem Ausgang Oi der erfindungsgemäßen Schaltung verbunden. Der Kollektor CS des Transistors liegt am unteren Anschluß eines Lasttransistors A3, dessen oberer Anschluß über eine Leitung L 7 mit der positiven Betriebsspannung + V verbunden ist Der Ausgang O 2 steht über eine Leitung L 9 mit dem Kollektor O S des Transistors 75 in Verbindung.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Schaltung zur Signalpegelumsetzung durch BezugEpegelverschiebung unter Beibehaltung der Signalamplitude, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Signal mit einem ersten Bezugspegel empfangende Eingangsstufe einen Transistor (TX) enthält, dessen Basis den Eingang bildet und dessen Emitter über eine Impedanz (7? 1) 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

Z Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (R 1) aus einem ohmschen Widerstand besteht

3. Schaltung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Konstantstromquelle einen Transistor (T2) enthält dessen Kollektor den Ausgang bildet und dessen Basis eine definierte-Spannung zugeführt wird.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Strom der Konstantstromquelle Ober eine an die Basis des sie bildenden Transistors (T2) angeschlossene Referenzspannungsquelle gesteuert ist

5. Schaltung nach Anspruch 4, 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 Impedanznetzwerk an die Basis des die Konstantstromquellc bildenden Transistors (T4) eingeschlossen ist

6. Schaltung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet daß das Impedanznetzwerk aus zwei in Reihe geschalteten Impedanzen besteht, an deren gemeinsamen Verbindungspunkt die Basis des die Konstantstromquelle bildenden Transistors (T2) angeschlossen ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Impedanz ein Widerstand (R 2) und die andere eine Diode ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerütand (R 1) der Eingangsstufe und der Widerstand (R 2) der Referenzspannungsquelle gleich groß sind.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode aus einem Transistor (TA) besteht, dessen Kollektor-Basisstrccke kurzgeschlossen ist und dessen Basis-Emitterstrecke mit der Basis-Emitterstrecke des die Konstantstromquelle bildenden Transistors (T2) parallel geschaltet ist