DE2345421B2

DE2345421B2 - Monolithisch integrierbare Schaltungsanordnung für einen linearen Frequenz-Spannungswandler

Info

Publication number: DE2345421B2
Application number: DE2345421A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7800 Freiburg Hoehn
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1973-09-08
Filing date: 1973-09-08
Publication date: 1980-04-03
Also published as: DE2345421A1; US3870898A; DE2345421C3

Description

Aufgabe

Derartige Schaltungen sollen möglichst umfassend monolithisch integrierbar sein, d. h. möglichst wenig äußere Schaltelemente erfordern, was jedoch von der Anordnung nach der US-OS 35 12 013 nicht optimal erfüllt wird, da die beiden Kondensatoren und weitere Schaltelemente nicht integriert sind. Die Aufgabe der im Patentanspruch definierten Erfindung besteht daher

Γ) darin, die bekannte Schaltung so umzugestalten und weiterzubilden, daß nur noch ein dem Lade-Kondensator entsprechender Kondensator erforderlich ist.

Vorteile

κι Durch die Erfindung wird erreicht, daß sowohl in der Lade- als auch in der Entl?ciephase der einzige Kondensator auf denselben Innenwiderstandswert arbeitet. Das Kondensatorpolential ist außerdem, abgesehen von Frequenz- bzw. Tastverhältnisabhängigkeit, nur zur Betriebsspannung proportional. Ferner ist die am Kondensator C erzeugte GSeichspannung U nicht nur von den Toleranzen des Kondensators C abhängig, sondern diese gehen lediglich in die Welligkeit der Spannung U ein, die niedrig ist, da der

Vi Kondensator C während der Dauer eines Eingangsimpulses nicht bis auf die Nullspannung entladen wird. Auch die Toleranzen des integrierten Lade-Widerstandes R 7 wirken sich nur auf die Welligkeit aus.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung wird nun anhand des in der Fuur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Der Frequenz-Spannungswandler besteht im wesent-

wi liehen aus dem symmetrischen Differenzverstärker DV, der die Verstärkertransistoren Ti, T2 enthält, aus dem Zusatztransistor Γ3 und aus dem Kondensator C. Die Verstärkertransistoren Ti, T2 sind in bekannter Weise dadurch zum symmetrischen Differenzverstärker DV

b"> zusammengeschaltet, daß sie den gemeinsamen Emitterwiderstand R 5 und die beiden Kollektorwiderstände Ri, RI aufweisen. Der eine Eingang des Differenzverstärkers DV, nämlich die Basis des

Verstärkertransistors Ti, liegt am Abgriff des aus den Widerständen R 3, R 4 gebildeten Spannungsteilers, der Ober der Betriebsspannung Ug liegt.

Der andere Eingang des Differenzverstärkers, also die Basis des Verstärkertransistors T2, liegt einerseits über den Widerstand Ä6 am Schaltungsnullpunkt, der mit dem negativen Pol der Betriebsspannung U_B identisch ist Andererseits ist an der Basis des Verstärkertran*iistors T2 der Emitter des Zusatztransistors TZ angeschlossen, dessen Kollektor über den Ladewiderstand Λ 7 am spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle, also am positiven Pol der Betriebsspannung Ub, liegt Die Basis des Zusatztransistors T3 ist mit dem Kollektor des Verstärkertransistors T2 verbunden, während der Kollektor des Zusatztransistors T3 am einen Belag des Kondensators C angeschlossen ist Der andere Belag liegt im Schaltbild der Figur der Zeichnung am Schaltungsnullpunkt, jedoch ist es auch möglich, diesen Belag an den spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle t/fläniüschHeßen.

Die am Kollektor des Zusatztransistors T~ und somit am Kondensator C liegende Spannung U ist dem Schwellenwertschalter S zugeführt, dessen Schwellenwert durch den einstellbaren Spannungsteiler P bestimmt wird, der über der Betriebsspannung Ub liegt.

Das Rechtecksignal, dessen Frequenz in eine Spannung umgewandelt werden soll, wird über den Eingang Edem Kollektor des Verstärkertransistors TI und somit auch der Basis des Zusatztransistors TZ zugeführt.

Anstatt der Kollektorwiderstände Al, Rl können selbstverständlich auch in bekannter Weise Konstantstromquellen vorgesehen werden, was insbesondere bei Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltung in monolithisch integrierter Bipolartechnik von Vorteil ist.

Bei der in der Figur der Zeichnung gezeigten Polarität der Bauelemente und der Betriebsspannungsquelle, also bei Verwendung von npn-Transistoren. wird die erfindui jsgemäße Schaltung am Eingang E durch negative Impulse angesteuert, deren Impulsdauer ι, konstant ist, während deren Periodendauer ι und somit deren Frequenz variabel ist. Die Ansteuerung erfolgt zweckmäßigerweise über einen weiteren Transistor, nämlich den Transistor Γ4, dessen Emitter am Schaltung:;nullpunkt liegt, dessen .Collektor mit dem Kollektor des Verstärkertransistors 7"2 verbunden ist und dessen Basis mit dem Eingang E in Verbindung sieht.

Während der Dauer I₁ der negativ gerichteten Impulse ist der weitere Transistor 7"4 gesperrt und beeinflußt somit den Differenzverstärker DV nicht, so daß sich an den beiden Basen der Verstärkertransistoren Π und T2 die gleichen Potentiale Ut = Uy einstellen. Der Zusatztransistor 7"3 hat in diesem Zustand eine dem Längstransistor einer Serienregelschaltung weitgehend identische Funktion, d. h. er erzeugt einerseits an der Basis des Verstärkertransistors TI die konstante Spannung U2 und andererseits arbeitet er außerhalb der Sättigung im aktiven Bereich. Ein auf konstantem Emitterpotential liegender Transistor ist aber von seinem Kollektor her betrachtet eine Konstantstromquelle mit sehr großem (theoretisch unendlichem) Innenwiderstand, deren Strom vom Emitterwiderstand also dem Widerstand R 6, bestimmt ist Wird diese Konstantstromquelle durch den Ladewiderstand R 7 als Abschlußwiderstand ergänzt, so stellt

to diese Anordnung wiederum eine Konstantspannungsquelle mit dem Innenwiderstand R 7 dar.

Im Kollektor des Zusatztransistors T3 fließt somit ein konstanter Strom der Größe UiIRS, der sich aus einem Entladestromanteil aus dem Kondensator C und einem über den Ladewiderstand R 7 fließenden Teil zusammensetzt Trotz dieser Aufteilung des Entladestroms ist aber der Innenwiderstand, den die Entladestromphase dem Kondensator C bietet gleich dem Ladewiderstand R 7.

-'ο Während der außerhalb von /, liegenden Zeiten der Periodendauer t ist der weitere Transistor T 4 leitend, so daß der Zusatztransistor T3 gesperrt ist und sich der Kondensator C über den Ladewiderstand R 7 aufladen kann.

Die Schaltung weist somit bezüglich des Kollektors des Zusatztransistors T3, an dem der Kondensator C liegt, das Verhalten einer pulsierenden Spannungsquelle auf, die für beide Spannungszustände denselben Innenwiderstand R 7 aufweist. Bei der Eingangsfre-

«) quenz Null stellt sich am Kondensator C, wie bei der bekannten Anordnung auch, eine Spannung ein, deren Wert gleich dem der Betriebsspannung Ua is». Mit steigender Frequenz sinkt diese Spannung linear mit der Frequenz ab, bis sie — im Falle der Ansteuerung mit

i"> Rechteckimpulsen konstanter Breite — bei einem Tastverhältnis des Eingangssignals von 100% ihren tiefsten Wert erreicht. Für die Kondensatorspannung U gilt folgende Beziehung:

U = U₁

I -T

Rl

wobei mit 7"das Tastverhältnis t/t bezeichnet ist.

Die am Kondensator Csich einstellende Spannung U ist somit bei konstant vorgegebenen Widerstandsverhältnissen, abgesehen von ihrer Frequenz- bzw.

in Tastverhältnisabhängigkeit, lediglich von der Betriebsspannung Ud abhängig und dieser proportional. Die Widerstandsverhältnisse können bei monolithisch integrierter Realisierung der Schaltung deshalb als temperatur- und spannungsunabhängig angenommen werden,

ν· weil die Widerstände auf demselben Halbleiterkörper angeordnet sind und gute thermische Kopplung untereinander sowie niedrige relative Toleranzen aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Monolithisch integrierbare Schaltungsanordnung für einen linearen Frequenz-Spannungswandler, bei dem an einem Kondensator in Abhängigkeit vom Tastverhältnis bzw. der Folgefrequenz eines Rechtecksignals der zu wandelnden Frequenz eine entsprechende Spannung erzeugt wird, die in einer Schwellenwertschaltung mit einem betriebsspannungsabhängigen Schwellenwert verglichen wird, wobei die am Kondensator erzeugte Spannung dieselbe Betriebsspannungsabhängigkeit wie der Schwellenwert hat und der Kondensator über einen Ladewiderstand an der Betriebsspannungsquelle bzw. über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Zusatztransistors, am Schaltungsnullpunkt liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein symmetrischer Differenzverstärker (DV) mit zwei Verstärkert/ßnsistoren (7*1, T2) vorgesehen ist, dessen einer Eingang am Abgriff eines über der Betriebsspannung (Ub) liegenden Spannungsteilers (R 3, R 4) angeschlossen ist und dessen anderer Eingang einerseits über einen Widerstand (RG) am Schaltungsnullpunkt und andererseits über die Emitter-Kollektor-Strecke des Zusatztransistors (Γ3) und den Ladewiderstand (R 7} am spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle liegt, daß die Basis des Zusatztransistors mit dem Kollektor des mit seiner Basis am Emitter des Zusatztransistors liegenden ''erstärkertransistor (72) verbunden ist, daß der Kondensator (C) zwischen dem Kollektor des Zusatztransistor:, und eiwem der beiden Pole der Betriebsspannungsqueile liegt und daß das Rechtecksignal der Basis des Zusai-transistors und dem Kollektor des damit verbundenen Verstärkertransistors (Γ2) zugeführt ist.

Stand der Technik

Die US-PS 35 12 013 beschreibt eine Frequenz-Detektor-Schaltung, deren vorzeichenbehaftete Abweichung der Frequenz einer Sinusspannung vom Sollwert an einem Integrier-Kondensator, dort mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet, unterhalb des Sollwertes eine Gleichspannung, oberhalb davon jedoch die Spannung Null erzeugt. Hierzu dient ein integrierter Differenzverstärker, dessen einer Eingang am Abgriff eines über der Betriebsspannung liegenden Spannungsteilers angeschlossen ist, während am anderen Eingang die Ladespannung eines Lade-Kondensators, dort mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet, liegt, die durch Aufladung über einen Widerstand aus der Betriebsspannung wihrend der Dauer der negativen Halbwelle der Sinusspannung dadurch erzeugt wird, daß der Lade-Kondensator während der positiven Halbwelle über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Zusatztransistors, der als Schalttransistor wirkt, kurzgeschlossen wird.

Der integrierte Differenzverstärker dient als spannungsüberwachende Schwellenwertschaltung und wird bei schwellenüberschreitender Kondensatorspannung im Takt der Frequenz der Sinusspannung durchgesteuert, so daß am Integrier-Kondensator nur bei negativer Abweichung von der Sollfrequenz eine Gleichspannung auftritt. Lade-Kondensator und Spannungsteiler werden dabei aus derselben Betriebsspannungsquelle versorgt, so daß Ladespannung und Schwellenwert dieselbe Betriebsspannungsabhängigkeit aufweisen und sich auch die Temperaturkoeffizienten kompensieren.

s Das lediglich der Feststellung einer Frequenzunterschreitung dienende Grundprinzip dieser US-PS 35 12 013 erlaubt bei entsprechender Bemessung der Zeitkorcstante der Integrierschaltung im Bereich unterhalb der Grenzfrequenz durchaus eine lineare Frequenz-Spannungswandlung. Man kann die Schaltung dann so auslegen, daß in Abhängigkeit von der Folgefrequenz bzw. dem Tastverhältnis eirer Rechteckspannung an einem einzigen, in seiner Funktion dem genannten Lade-Kondensator vergleichbaren Konden-

ic sator eine Gleichspannung mit entsprechender Restwelligkeit erzeugt wird, die als das eine Eingangssignal einer Schwellenwertschaltung dient. Derartige Frequenz-Spannungswandler werden beispielsweise bei elektronischen Drehzahl- oder Geschwindigkeitsmeßschaltungen für Kraftfahrzeuge benötigt, wenn die frequenz- und somit drehzahl- oder geschwindigkeitsabhängige Spannung nicht nur an einem Instrument angezeigt, sondern auch zum Auslösen optischer oder akustischer Signale bei Überschreiten eines Schwellenwertes herangezogen werden soll.