DE2355407A1

DE2355407A1 - Schmitt-trigger

Info

Publication number: DE2355407A1
Application number: DE19732355407
Authority: DE
Inventors: Masayasu Niimi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-11-08
Filing date: 1973-11-06
Publication date: 1974-05-16
Also published as: NL7315266A; JPS4969057A; FR2205781A1

Description

S chmi tt-Trigger
Die Erfindung betrifft einen Schmitt-Trigger.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Schmitt-Trigger mit niedriger Hysterespannung, welcher Transistoren Q₁ und Q2/ deren Emitter über einen gemeinsamen Emitterwiderstand an Masse liegen, wobei der Kollektor des Transistors Q₁ an die Basis des Transistors Q₂ angeschlossen ist und die Kollektoren der Transistoren jeweils über Lastwiderstände mit einer Spannungsquelle verbunden sind und einen Transistor Q₃ aufweist, dessen Kollektor an die Spannungsquelle angeschlossen ist, wobei dessen Emitter mit dem Emitterwiderstand und dessen Basis beispielsweise mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden sind.

Die Schmitt-Triggerschaltung wird als Monitorschaltung für die obere und die untere Grenze von Spannungen sowie als Schaltung zum Umwandlung eines Analogsignals in ein Digitalsignal verwendet» Außerdem wird eine Schmitt-Triggerschaltung

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auch in einer Impulsformsehaltung usw. verwendet. Die Schmitt-Triggerschaltung ist eine elektronische Schaltung mit großer Anwendungsmöglichkeit.

Der Schmitt-Trigger bzw. die Schmitt-Triggerschaltung liefert ein digitales Signal "EIN" oder "AUS" als Ausgangssignal in Abhängigkeit davon, ob die Eingangsspannung höher oder niedriger als eine bestimmte Stellspannung ist. Die Eingangsspannung der Schaltung zur "EIN"-Schaltung und die Eingangsspannung für diese Schaltung zur "AUS"-Schaltung sind nicht gleich und weisen notwendigerweise eine Differenz auf. Dies wird als Hysterese-Phänomen bezeichnet. Eine Schaltung mit reduziertem Hysterese-Phänomen wird für die oben erwähnten Verwendungszwecke erwünscht.

Die bekannte Schmitt-Triggerschaltung besitzt den Nachteil, daß die Widerstände jedesmals geändert werden müssen, wenn die Bezugsspannung geändert wird, wie sich dies auch aus der. nachstehenden Erläuterung ergibt.

Eine Schaltung mit niederiger Hysterese ist bereits vorgeschlagen worden, bei der eine Diode einer Vorwärtsspannung ausgesetzt ist; die Emitterspannung ist im wesentlichen dadurch konstant gehalten, daß die Tatsache ausgenützt wird, daß die Spannungsänderungen aufgrund der Stromänderungen auf der Basis der Spannungs-Stromcharakteristik der Diode geringfügig sind; der Durchlaßwiderstand der Diode wird als Emitterwiderstand verwendet. Vom gleichen Erfinder wurde bereits ein Schmitt-Trigger vorgeschlagen, der die Emitterspannung im wesentlichen dadurch konstant halten soll, daß die Spannungs-Stromcharakteristik einerZenerdiode in Sperrrichtung ausgenützt wird. Beide Schaltungen zeigen eine kleine

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Hysterese. Sie besitzen jedoch den Nachteil, daß die Bezugsspannung nicht willkürlich geändert werden kann. Insbesondere wird bei der bereits vorgeschlagenen Schaltung, welche die Durchlaßrichtungsverbindung der Diode benützt, die Bezugsspannung auf nahezu 0 Volt begrenzt.

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, eine Schmitt-Triggerschaltung zu schaffen, die die vorstehenden Probleme löst, bei der das Hysteresephänomen gering _;ist und die ein sicheres Festsetzen bzw. Einstellen der Bezugs- Spannungen erleichtert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Transistoren Q und Q₂ über einen gemeinsamen Emitterwiderstand R an Masse liegen, daß der Kollektor des Transistors Q, an die Basis des Transistors Qj, die Kollektoren der Transistoren Q und Q jeweils über einen Lastwiderstand R_cl bzw. R_2 an eine Spannungsquelle angeschlossen sind und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die einen Stromfluß in der gleichen Richtung wie der Stromfluß durch den Emitterwiderstand R^ hervorruft und daß diese Einrichtung an den Emitter des Transistors Q. bzw. Q_ angeschlossen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß als Einrichtung zur Hervorrufung eines Stromflusses in den Emitterwiderstand ein Transistor Q., vorgesehen ist, dessen Kollektor mit der Spannungsquelle und dessen Emitter mit dem Emitterwiderstand R_E verbunden ist, daß die Basis des Transistors Q. einen Eingangsanschluß darstellt, der Kollektor des Transistors einen Ausgangsanschluß darstellt und daß die Basis des Transistors einen Anschluß für eine Bezugsspannung bildet.

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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Basis des Transistors Q₁ einen Anschluß für eine Bezugsspannung, der Kollektor des Transistors Q₂ einen Ausgangsanschluß und die Basis des Transistors Q_ einen Eingangsanschluß darstellen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Schmitt-Triggers,

Fig. 2 eine abgewandelte Schaltungsanordnung,

Fig. 3 eine Darstellung der Eingangs-Ausgangsspannungscharakteristik der Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Darstellung der Eingangs-Ausgangsspannungscharakteristik der Schaltung gemäß Fig. 2 und

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des Grundaufbaues von Schmitt-Triggern.

Der Grundaufbau eines Schmitt-Triggers bzw. einer Schmitt-Triggerschaltung ist in Fig. 5 veranschaulicht. Der Schmitt-Trigger weist Transistoren Q und Q auf, deren Emitter über einen gemeinsamen Emitterwiderstand R^ an Masse liegen. Der Kollektor des Transistors Q ist an die Basis des Transistors Q₂ angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren Q. und Q_ sind über Lastwiderstände R^. bzw. R „ an eine Leistungsquelle angeschlossen. Ein Zustand, in dem der Transistor ausgeschaltet bzw. gesperrt und der Transistor Q eingeschaltet bzw. durchgeschaltet ist, entspricht dem Fall, .in

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dem die Eingangsspannung niedriger ist als die Bezugsspannung. Eine Eingangsspannung V-/ bei der der Transistor Q vom AUS-Zustand in den EtN~Zustand verbracht wird, ist nachstehend berechnet; .

^VCC * ^ftdl^BlB ^{+ V}BE2

_{Eb BE1} (2)

Aus (1) ergibt sich:

¹B - = ^(VCC - ^VBE2^)/(RC1

(4) wobei hf„ den Stromverstärkungsfaktor des an Masse liegenden

Xj

Emitters des Transistors Q„ bei Sättigung darstellt.

Eine Spannung V_, bei der der Transistor Q vom "EIN"-Zustand in den "AUS"-Zustand schaltet und der Transistor Q₂ vom "AUS"-Zustand in den "EIN"-Zustand verlagert wird, wird nachstehend in ähnlicher Weise berechnet:

^VB = ^(VCC - ^VCE ^(Sat) >; *e' ^{RC1 ⁺ V ^{+ V}BE1

wobei V_,_ (Sat) die Kollektor-Emittersättigungsspannung des Transistors Q angibt.

Die Hysteresespannung wird durch V - V ausgedruckt^ die sich, wie nachstehend angegeben _t ergibt:

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^VA - V = V^hfE^(VCC - ^VBE2>^/(RC1 ⁺ V^hfE>

• - ^{VCC - ^VCE^} V^(RC1 ⁺ V (6)

^{Da iV}CC ~ ^VCE^} * ^(VCC " ^VBE2^{)f müssen hier} Vergleiche zwischen ^R _E*hf_E/(^R _cl + Rg'hfg) ^{und 51}E^ ^^RC1 ^{+ R}E^ angestellt werden. .

Somit ergibt sich offensichtlich, daß der Emitterwiderstand Rg relativ zum Lastwiderstand Rp, gleich gemacht werden muß, um die Hysterese-Spannung klein zu gestalten. Um jedoch eine hohe Bezugsspannung einzustellen, muß das Verhältnis des Emitterwiderstand R zum Lastwiderstand R groß gemacht werden. Dies führt unausweichlich zu einer großen Hysteresespannung. Bislang war es allgemein üblich, daß das Verhältnis des Emitterwiderstands zum Lastwiderstand bei einem Schmitt-Trigger groß gemacht wurde und daß zur Reduzierung des Hysterese-Phänomens bei einer eingestellten Bezugsspannung die Basisspannung des Transistors Q durch Hinzufügung eines Vorwiderstands dicht an die Emitterspannung des Zustand, in dem der Transistor Ql "EIN"-geschaltet ist, herangebracht wurde.

Der vorgeschlagene Schmitt-Trigger besitzt somit den Nachteil, daß die Widerstände jedesmal geändert werden müssen, wenn die Bezugsspannung geändert wird.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schmitt-Triggers veranschaulicht. Gemäß Fig. 1 sind Transistoren Q₁, Q₂ und Q-, vorgesehen, die über einen gemeinsamen Emitterwiderstand R an Masse liegen; der Kollektor des Transistors Q ist an die Basis des Transistors Q_ angeschlossen, die Kollektoren der Transistoren Q. bzw. Q₂ sind

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über Lastwiderstände R bzw. R₀ mit einer Spannungsquelle

Vv JL \*>£

V_cc und der Kollektor des Transistors Q₃ mit der Spannungsquelle V „ verbunden. In der Schaltung liegt die Basis des Transistors Q am Eingangsanschluß IN, der Kollektor des Transistors Q am Ausgangsanschluß OUT und die Basis des Transistors Q₃ an der Bezugsspannung V_g an. In Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannung befindet sich die Schaltung entweder in dem Zustand, in dem der Transistor Q. eingeschaltet oder in dem Zustand, in dem der Transistor Q_ eingeschaltet ist. Damit der Transistor Q₂ ständig einen Stromfluß zu dem Emitterwiderstand R unabhängig von den Zuständen verursacht, ist der Widerstand R^ auf einen angemessenen kleinen Wert eingestellt.

An diesem Zeitpunkt bewirken die Transistoren Q und Q₃ eine Betriebsweise, die derjenigen eines Differentialverstärkers ähnlich ist und die Schaltungszustände werden durch eine geringfügige Änderung des Eingangs umgekehrt. Daher tritt das Hysteresephänomen nur geringfügig in Erscheinung. Die Bezugsspannung wird in solcher Richtung erhalten, daß der durch den Transistor Q-_ verursachte Strom in der gleichen Richtung fließt, wie der durch den Transistor Q, oder Q, verursachte Strom, der durch den Emitterwiderstand R^ fließt.

Aufgrund der Einführung einer Methode, durch die die Bezugsspannung V an die Basis des Transistors Q angelegt wird, kann der durch die Bezugsspannungsquelle zu liefernde Strom klein sein. Daher ist der Einfluß der inneren Impedanz der Bezugsspannungsquelle klein. Die Lieferung einer stabilen Bezugsspannung V kann somit vergleichsweise einfach gemacht

bzw. durchgeführt werden.

Die Charakteristiken bzw. Kennlinien der Eingangs- und Aus-

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gangsspannungen bei V = 7,5 V, V = 5 V, R und R_c2 = IO kOhm und Rg = 4,3 kOhm in der Schaltung dieser Ausführungsform werden durch Experimente berechnet. Die Ergebnisse der Eingangs-Ausgangs-Kennlinien sind in Fig. 3 veranschaulicht. Eine Spannungsdifferenz aufgrund des Hysterese-Phänomens in Fig. 3 beträgt etwa 0,01 V.

Wie zuvor in Verbindung mit der Ausfuhrungsform dargestellt wurde, kann die Erfindung ihre Aufgabe erfüllen und kann ihre Wirkungen hervorbringen. Der Grund dafür ist nachstehend angegeben.

Wie zuvor erläutert wurde, liegt einer der Gründe des Hysterese-Phänomens in dem Emitterwiderstand. I» Übereinstimmung mit der Erfindung wird dsr Emitterwiderstand bis zu einem gewissen Grade klein gemacht, wodurch das Hysterese-Phänomen reduziert wird. Was die Referenzspannung angeht, so wird die Spannungsquelle auf neue Weise geliefert. Im Fall der bereits vorgeschlagenen Anordnung müssen die Widerstände, die an verschiedenen Teilen benützt werden, jedesmal, wenn die Bezugsspannung gesetzt wird, berechnet bzw. abgeschätzt werden. Demgegenüber kann erfindungsgemäß die Schaltungsanordnung die gleiche für jede Referenz- bzw. Bezugsspannung sein. Außerdem ist das Hysterese-Phänomen klein. Auf diese Weise wird die Lieferung von stabilen Bezugsspannungen'vergleichsweise einfach möglich.

Zusätzlich zu der vorstehenden Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung einen Gesichtspunkt einer Ausführung besitzen, wie er nachstehend beschrieben ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Basis des Transistors Q. (vergl. die Schaltung nach Fig. 1), zum Bezugsspannungs-

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Anschluß gemacht; der ,Kollektor des Transistors Q₂ stellt wieder den Ausgangsanschluß dar und die Basis des Transistors Qo stellt den Eingangsanschluß dar. Sogar in diesem Fall kann jedoch genau der gleiche Effekt, wie bei der vorstehenden Ausführungsform, erreicht werden.

In Übereinstimmung mit·.der Schaltungsanordnung wird der Transistor Q nicht gesättigt, wenn nicht ein beträchtlich großes Eingangssignal angelegt wird, da der Kollektor des Transistors Q an die Leistungs- bzw. Spannungsquelle V angeschlossen ist.

Infolgedessen ist die Eingangsimpedanz, von dem Eingangsanschluß her gesehen, in dieser Schaltung groß. Sogar wenn die innere Impedanz bzw. der Innenwiderstand einer Signalquelle hoch ist, kann.eine Erniedrigung der effektiven Eingangsimpedanz, die an den Eingangsanschluß angelegt wird, ,verhindert werden. .

In Fig.· 4 sind die Relationen zwischen den· ,Eingangs Spannungen und Ausgangsspannungen der vorstehenden rSchaltung bei V „ = 7,5 V, Vg = 5 V, R und R_c2 = 10 kQhnvund R^ ^ 4,3 kOhm veranschaulicht. Bei, der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die Polarität des Ausgangs entgegengesetzt zur Polarität bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Das Hysterese-Phänomen weist - wie im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 1 einen kleinen Wert von nahezu 0,01 V auf.

Der Transistor Q-- kann auch über einen Widerstand an die Spannungsquelle angeschlossen sein. Ein Widerstand oder dergleichen kann zwischen den Kollektor des Transistors Q₁ und die Basis des Transistors Q₂ eingeschaltet sein, so daß der Transistor .Q₂ ausgeschaltet bzw. gesperrt wird/ohne

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zu versagen bzw. auszusetzen, sogar wenn die Sättigungsspannung des Transistors Q_ hoch ist. Der Transistor Q-kann außerdem in einer Darlington-Verbindung vorgesehen sein. Ein geeigneter Widerstand kann außerdem an dem Eingangsanschluß angeschlossen sein. Ferner kann ein Feldeffekttransistor auch an Stelle des Transistors Q_ verwendet werden. ^:.

Bei den Anordnungen der vorliegenden Erfindung kann die Bezugsspannung natürlich mit einer geeigneten Stromquelle neben dem Verfahren erhalten werden, bei dem - wie bei
den Ausführungsbeispielen veranschaulicht wurde - der
Stromfluß in den Emitterwiderstand durch Verwendung des Transistors verursacht wird. Da die Schaltung eine positive Rückkopplungsschaltung ist, können darüberhinaus die
Eingangs- und Ausgangsanschlusse an anderen geeigneten
Stellen alsmoxstehend erläutert wurde, herausgeführt
werden.

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Claims

Pa te η t a n- Sprüche.

Schmitt-Trigger,-g ekenn ze ichnet durch einen ersten und einen zweiten Transistor (Q₁ bzw. Q₂), deren Emitter über einen gemeinsamen Emitterwiderstand an Masse liegen und der Kollektor des ersten Transistors (Q,) an die Basis des zweiten Transistors (Q^) angeschlossen ist, wobei die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors jeweils über einen ersten und zweiten Lastwiderstand (R_C1 bzw. Rpo) ^{an e}i^ne Spannungsquelle angeschlossen sind und durch eine Einrichtung (Q^) zur Hervorrufung eines Stromflusses in den Emitterwiderstand (R„) in der gleichen Richtung, wie der Stromfluß durch den Emitterwiderstand, wobei diese Ein- . richtung an einen der Emitter des ersten und zweiten Transistors angeschlossen ist. '
2. Schmitt-Trigger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (Qo) zur Hervorrufung eines Stromflusses in den Emitterwiderstand ein dritter Transistor ist, dessen Kollektor an die Spannungsquelle und dessen Emitter an den Emitterwiderstand (R_E) angeschlossen ist, daß die Basis des ersten Transistors einen Eingangsanschluß, der Kollektor des zweiten Transistors einen Ausgangsanschluß und die Basis

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- dritten Transistors einen Bezugsspannungsanschluß darstellen.
3. Schmitt-Trigger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (Q.J zur Hervorrufung eines Stromflusses in den Emitterwiderstand ein dritter Transistor ist/ dessen Kollektor an die Spannungsquelle und dessen Emitter an den Emitterwiderstand (Rg) angeschlossen sind, und daß die Basis des ersten Transistors einen Bezugsspannungsanschluß, der Kollektor des zweiten Transistors einen Ausgangsanschluß und die Basis des dritten Transistors einen Eingangsanschluß darstellen.

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