DE2514462C3 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines Spannungspegels - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines Spannungspegels

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines in einem ersten Potentialbereich liegenden Eingangssignals in ein in einem davon verschiedenen zweiten Potentialbereich liegendes Ausgangssignal. Dabei handelt es sich hierbei um eine Schaltungsanordnung, die als Schnittstellenschaltung Spannungsamplituden logischer Werte eines Systems in unterschiedliche Spannungsamplituden eines anderen Systems umwandelt.
Eine derartige Schaltung ist beispielsweise aus der US-PS 37 08 689 bekannt.
Solche Schaltungen werden auch als Pufferschaltungen bezeichnet. Beispielsweise werden solche Schnitt-Stellenschaltungen zwischen emit'srgekoppelten logischen Schaltkreisen (ECL) oder transistor-transistor-gekoppelten logischen Schaltkreisen (TTL) und Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistorschaltungen (MOS-FET) eingesetzt. Bei derartigen Schaltungen werden entweder von einer TTL oder ECL-Schaltung kommende Spannungspegel von 0 bis 1,5 Volt in MOS-Signale mit einer Amplitude von 0 bis etwa 8,5 Volt umgewandelt.
Will man beispielsweise Leitungen hoher Kapazität in
so heutigen Datenverarbeitungsanlagen mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit ansteuern, dann sind bei großen Signalamplituden beträchtliche Leistungen erforderlich. Die Verlustleistung ist dabei eine Funktion der Kapazität, der Spannungsamplitude und der Frequenz
(Leistung = C- V2 ■ f). Es ist in der heutigen Technik ganz allgemein anerkannt, daß die Übertragung eines Signals großer Amplitude in einer Maschine über beträchtliche Entfernungen nicht zugelassen werden kann. Man hat sich daher dafür entschieden, Signale mit niedriger Spannungsamplitude zu übertragen, wie sie beispielsweise in bipolaren logischen Schaltkreisen T3L, ECL, usw.) benutzt werden. Dafür sind jedoch schnell arbeitende Empfangsschaltungen niedriger Leistung erforderlich.
Es gibt jedoch zahlreiche Anwendungsgebiete, bei denen eine Schnittstellenschaltung zwischen Schaltungen mit niedrigem Spannungspegel und Schaltungen mit hohem Spannungspegel erforderlich ist. Beispielsweise
arbeiten die neuesten elektronischen Uhren in der Anzeige mit Flüssigkrista'tlen, die bei einer Batteriespannung von 1,5 bis 3 Volt zum Ansteuern ein Potential von etwa 15 Volt benötigen,
Aufgabe der Erfindung ist es also, eine verbesserte Schnittstellenschaltung mit gegenüber dem Stand der Technik höherer Schaltgeschwindigkeit zur Umwandlung von Spannungsamplituden logischer Signale zu schaffen, wie sie typischerweise bei ECL oder "PL-Schaltungcn auftreten, in solche, wie sie bei Metalloxidsilicium-Feldeffekttransistoren (MOS-FETs) auftreten. Die neue Schnittstellenschaltung soll neben einer höheren Schaltgeschwindigkeit auch noch im Vergleich mit bisher bekannten Schnittstellenschaltungen niedrigere Verlustleistung aufweisen.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß als Eingangsstufe ein als Emitterfolger geschalteter bipolarer Transistor vorgesehen ist, an dessen Basiselektrode das Eingangssignal zuführbar ist, daß eine aus komplementären Feldeffekttransistoren bestehende Ausgangsstufe an einem ersten Bezugspotential zur Erzeugung eines Ausg^ngssignals angeschlossen ist, wobei die Gate-Elektroden der komplementären Feldeffekttransistoren mit der Kollektorelektrode des bipolaren Transistors verbunden sind, daß ferner zwischen der Kollektorelektrode des bipolaren Transistors und dem ersten Bezugspotential ein Widerstandselement eingeschaltet ist und daß schließlich eine an einem zweiten Bezugspotential angeschlossene umsteuerbare Stromsenke sowohl mit der Emitterelektrode des bipolaren Transistors als auch der Iriverterstufe in Reihe geschaltet ist, wodurch die Ausgangsklemme bei leitendem bipolaren Transistor auf dem zweiten Bezugspotential gehalten ist, während der bipolare Transistor im leitenden Zustand als Emitterfolger arbeitet.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der Schnittstellenschaltung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 ein Impulsdiagramm zur Darstellung der an den verschiedenen Knotenpunkten der in F i g. 1 gezeigten Schaltung auftretenden Signale und F i g:. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt die neue Schnittstellenschaltung mit einem bipolaren NPN-Transistor Tl, an dessen Basis die Eiingangskiemme A angeschlossen ist. Das am Knotenpunkt A liegende Eingangssignal schwankt zwischen einem ersten Bezugspotential, in diesem Fall Erdpotential und einer zweiten Spannung Vl. Kl ist dabei «ine im Vergleich mit den noch zu beschreibenden Spannungen relativ niedrige Spannung. Das Eingangssignal liegt außerdem an der Gate-Elektrode eines P-Kanal-Feldeffekttransistors P2. Die Drain-Elektrode des Transistors P2 ist am Knotenpunkt B mit dem Kollektor des Transistors Tl verbunden. P2 wirkt als aktive Last für Ti. Die Source-Elektrcde des Transistors P2 ist an der Klemme D mit einem zweiten Bezugspotential V3 verbunden. In F i g. 1 ist das Potential V3 eine relativ hohe Signalspannung, wie sie als Auügangssignal von Feldeffekttransistoren üblicherweise auftritt und liegt bei etwa 0,8 Volt.
Der Ausgangsknotenpunkt B des bipolaren Transistors Tl ist mit den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren Pi und /V 2 verbunden. Diese Transistoren sind in einer üblichen ';, jmolementären FET-Inverterstufe miteinander verbunden, wobei eine Ausgangsklemme Can den miteinander verbundenen Drain-Elektroden angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors Ti ist am Knotenpunkt Edes Feldeffekttransistors Nl angeschlossen, der außerdem mit der Feldeffekttransistor-Inverterstufe in Reihe geschaltet ist.
Wie noch genauer zu beschreiben sein wird, führt der Transistor N i nicht nur den Emitterstrom des bipolaren Transistors 7*1, wenn dieser leitet, sondern verbindet auch den Ausgangsknotenpunkt Cmit Masse, wenn Ti gesperrt ist. N1 ist daher eine umsteuerbare Stromsenke, wobei der über diesen Transistor nach Erde abgeleitete Strom von dem an seiner Gate-Elektrode liegenden Potential abhängt.
Um das Ansprechverhalten der Schaltung weiter zu verbessern, sind die Transistoren Ni und N 2 so ausgelegt, daß das Verhältnis der Breite zur Länge des Kanals entsprechend hoch ist, wodurch sich ihre Steilheit, d. h. ihr Übergangsleitwort erhöht.
Arbeitsweise der Sch»Uung
Die Arbeitsweise der Schnittstellenschaltung läßt sich am besten anhand des Spannungsdiagramms oder Impulsdiagramms der Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 1 erläutern. Damit die Erfindung klar verständlicn wird, sind iv dem Diagramm die typischen Spannungen an den verschiedenen Knotenpunkten gezeigt. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die hier verwendeten Spannungswerte beschränkt.
Wenn das am Knotenpunkt A liegende Potential zum Zeitpunkt /0 auf Erdpotential (0 Volt) liegt, dann ist der bipolare Transistor 7*1 gesperrt und der Feldeffekttransistor P2 ist leitend. Mit leitendem Transistor P2 und gesperrtem bipolaren Transistor Ti ist das am Knotenpunkt B liegende Potential im wesentlichen gleich dem am Knotenpunkt D liegenden Potential, d. h. gleich V3. In dem Diagramm ist V3 gleich 0,8 Volt. Dieses Potential reicht aus, die Transistoren N 2 und N i leitend zu machen, während der P-Kanal-Transistor Pl gesperrt gehalten wird. Damit liegt aber die Ausgangsklemme Cüber den durch die Transistoren Λ/2 und N1 nt.zh Masse (0 Volt) gebildeten Stromkreis mit niedrigem Widerstand auf Erdpotential.
Wenn das am Knotenpunkt A liegende Signal zum Zeitpunkt fi auf Vi (1,5 Volt) ansteigt, wird der bipolare Transistor 7"1 eingeschaltet, da diese Spannung die Basis des Transistors Tl so weit vorspannt, daß ein Strom vom Kollektor nach dem Emitter von Tl fließen kann. Der P-Kanal-Transistor P2 bleibt leitend, da das Potential Vi nicht hoch genug ist, um P2 zu sperren. Damit wird aber ein Stromkreis vom Knotenpunkt D über die Transistoren P2 und Tl nach dem Knotenpunkt E aufgebaut. Das Potential am Knotenpunkt E steigt damit von Erdpotential auf V1 — Vbe (der Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter von Tl)an. Vi - V0C= 0,8VoIt.
Dieses Potential steigt, wie in dem Diagramm zu sehen, sehr schnell an. Daher ist die Spannung am Knotenpunkt £ zeitweise höher als das Erdpotential am Ausgangsknotenpjnkt C. Da das am Knotenpunkt B liegende Potential immer noch hoch ist, fließt ein Strom vom Knotenpunkt £zum Knotenpunkt C. Dara-is ergibt sich eine kleine, aber bedeutungsvolle Verbesserung in der Geschwindigkeit, mit der der Knotenpunkt C vom Erdpotential auf das Potential V3 gebracht wird. Wenn das am Knotenpunkt B herrschende Potential etwa 7 Volt erreicht hat, dann wird der Transistor Λ/2 wegen der Verrineerunß der zwischen seiner Gate- nnH
Source-Elektrode liegenden Spannung und seiner SchweilwiTtspannung rasch gesperrt.
Zum gleichen Zeitpunkt versucht die am Knotenpunkt E liegende Spannung zusammen mit der am Knotenpunkt B liegenden Spannung für die Gate-Elektrode den Transistor Ni leitend zu halten. Für diesen Zeitpunkt arbeitet der bipolare Transistor 7"I als Emitterfolger, und das am Knotenpunkt B liegende Potential fallt rasch von 8 Volt auf 3 Volt ab. Das nunmehr am Knotenpunkt B liegende verringerte Potential begrenzt den durch den N-Kanal-Transistor /Vl gezogenen Strom. Der Transistor PI schaltet voll ein. und bringt das an der Klemme C auftretende Ausgangssignal voll auf + V3.8.0 Volt.
Während der nächsten Phase, in der das Potential an der Klemme Λ von +Vl auf Erdpotential abfällt, wird der Transistor 7Ί gesperrt. Der Feldeffekttransistor Pl bleibt jedoch bei einem erhöhten Strom leitend. Der vom Knotenpunkt Düber den Transistor P2 nach dem
Knnlpnnunlt β flipßpnHp SirOiTl '^^' Aii-nlt Ann
Knotenpunkt B angenähert auf das an der Klemme D herrschende Potential + V3auf. Dieses Potential reicht aus. um Pi zu sperren und die N-Kanal-Transistoren Nl und Λ/2 einzuschalten. Dadurch geht aber das an der Klemme C liegende Potential sehr rasch auf Erdpotential über.
Aus der eben gegebenen Beschreibung erkennt man. daß der N-Kanal-Transistor NX als umschaltbare Stromsenke arbeilet, wobei der durch den Transistor N i nach Erdpotential fließende Strom von der an seiner Gate-Elektrode liegenden Spannung abhängt.
Wenn TI gesperrt ist, halten A/ 1 up.d *V2 *"cmcins2rn die Ausgangsklemme C auf Erdpotential. Wenn Ti eingeschaltet wird, dann stellt NI einen nach Erde führenden Stromkreis mit niedrigem Widerstand dar. Daraus ergibt sich eine Art positive Rückkopplungswirkung, so daß das Potential am Knotenpunkt Ekurzzeitig auf ein höheres Potential angehoben wird, als der Knotenpunkt C. Wie bereits erwähnt, ergibt sich dadurch eine wesentliche Verbesserung in der Anstiegszeit des bei C auftretenden Impulses. Ferner wird das Potential am Knotenpunkt B von etwa 8 Volt auf 3 Volt abgesenkt. Diese Kombination von gleichzeitiger Änderung der Schwellwertspannung und der zwischen Gate- und Source-Elektrode von Λ/2 liegenden Spannung sperrt /V 2 rasch, so daß die am Knotenpunkt Cliegende Spannung rasch auf 8 Volt ansteigt.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der statt der einzigen in Fig. 1 an Klemme D angeschlossenen Potentialquelle nunmehr zwei an den Klemmen G und H angeschlossene Potentialquellen benutzt werden. Der einzige Unterschied zwischen den in Fi g. I und Fig. 3 dargestellten Schaltungen besteht darin, daß das eine für die Source-Elektroden der Transistoren /'2 und Pi zur > Verfügung stehende Potential V3 durch zwei mit den Source-Elektroden der Transistoren Pl bzw. Pl verbundene gesonderte Potentialquellen V 3 und V5 ersetzt ist. Die Anschlüsse werden dabei an den Knotenpunkten 10 und 20 vorgenommen.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung bietet den Vorteil, daß die in der Schaltung verbrauchte Leistung dann verringert ist. wenn das Eingangspotential bei V I liegt. Da der Stromkreis zwischen P2. Transistor Tl und Transistor /V 1 der einzige zwischen den beiden Bezugspotentialen bestehende Stromkreis ist. wird in diesem Stromkreis praktisch der größte Anteil an Leistung verbraucht. Wenn daher für die Schaltung eine niedrige Potentialquelle zur Verfügung steht, dann kann die Verlustleistung dadurch herabgesetzt werden, daß ι man an cinr Source-Elektrode von P2 ein "erin^eres Bezugspotential V5 anlegt, während man das gewünschte ausgangsseitige Bezugspotential + V3 als Potentialquelle für den Transistor Pi beibehält. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Schwellwertspannung von P2 kleiner als 3 Volt ist, dann kann das Potential V5 etwa 4.0 Volt betragen, während das Potential V3 bei 0,8 Volt liegt. Das niedrigere Potential V5 reich; aus, um eine zufriedenstellende Arbeitsweise der Schalung sicherzustellen, während gleichzeitig die in dem zuvor erwähnten Stromkreis eintretenden Leistungsverluste herabgesetzt werden. Dies wird mit einer leichten Erhöhung der in dem Stromkreis Pi, N2 und N 1 erforderlichen Gleichstrornieistung erkauft.
Selbstverständlich sind ohne Abweichen vom Wesen und vom Anwendungsbereich der Erfindung auch gewisse Änderungen möglich. In der hier beschriebenen Ausführungsform wurde beispielsweise ein bipolarer NPN-Transistor benutzt. Selbstverständlich ist die Erfindung ebenso auf bipolare PNP-Transistoren anwendbar, wenn entsprechend Änderungen bei den Feldeffekttransistoren und bei der Polarität der Bezugspotentiale vorgenommen werden. Ferner wurde der am Kollektor des bipolaren Transistors angeschlossene Widerstand als Feldeffekttransistor dargestellt. Andere Widerstandselemente können selbstverständlich ebenfalls benutzt werden. Wie bereits erwähnt, ist es erwünscht, daß beide Transistoren NX und N2 ein relativ großes Verhältnis von Breite zu Länge der Gate-Elektrode aufweisen, um die Steilheit der Transistoren zu erhöhen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines in einem ersten Potentialbereich liegenden Eingangssignals in ein in einem davon verschiedenen zweiten Potentialbereich liegendes Auigangssignal, d a durch gekennzeichnet,
daß als Eingangsstufe ein als Emitterfolger geschalteter bipolarer Transistor (Tl) vorgesehen ist, an dessen Basiselektrode das Eingangssignal zuführbar ist,
daß eine aus komplementären Feldeffekttransistoren (Pi, Ni) bestehende Ausgangsstufe an einem ersten Bezugspotential (+ V3) zur Erzeugung eines Ausgangssignals angeschlossen ist, wobei die Gate-Elektroden der komplementären Feldeffekttransistoren mit der Kollektorelektrode des bipolaren Transistors verbunden sind,
daß ferner zwischen der Kollektorelektrode des bipolaren Transistors (Ti) und dem ersten Eezugspotentiai (V3) ein Widerstandselement (P2) eingeschaltet ist und
daß schließlich eine an einem zweiten Bezugspotential angeschlossene umsteuerbare Stromsenke (Ni) sowohl mit der Emitterelektrode des bipolaren Transistors als auch der Inverterstufe in Reihe geschaltet ist, wodurch die Ausgangsklemme bei leitendem bipolaren Transistor auf dem zweiten Bezugspotential gehalten ist, während der bipolare Transistor im leitenden Zustand als Emitterfolger arbeitet.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromsenke ein dritter, mit der Inverterstufe in Keine geschalteter Feldeffekttransistor (Ni) dient.
3. Schaltungsanordnung naci. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit des dritten Feldeffekttransistors (Ni) und des einen Feldeffekttransistors (N2) gleicher Polarität des komplementären Paares größer ist als die Steilheit des anderen Feldeffekttransistors (Pi) des komplementären Paares.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstandselement (Pl) ein aktives Bauelement dient.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als aktives Bauelement ein vierter Feldeffekttransistor (P2) dient, dessen Gate-Elektrode mit der Basis des bipolaren Transistors (Tl) verbunden ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Feldeffekttransistor (P2), ein bipolarer Transistor (Ti) und ein zweiter Feldeffekttransistor (Ni) von zum ersten Feldeffekttransistor entgegengesetzter Polarität zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugspotential in Reihe geschaltet sind, wobei das Eingangssignal der Basis des bipolaren Transistors (Ti) und der Gate-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors (Pl) zugeführt wird, daß zur Erzeugung des Ausgangssignals eine aus komplementären Feldeffekttransistoren (Pl, Nl) ausgebaute Inverterstufe zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugspotential in Reihe geschallet ist. und daß die Gate-Elektroden der komplementären Feldeffekttransistoren (P I, N2) und des zweiten Feldeffekttransistors (N 1) mit der Kollektorelektrode des bipolaren Transistors (N I) verbunden sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Bezugspotentiale (KJ, V5, Erde) vorgesehen sind, wobei das erste Bezugspotential größer ist als das dritte Bezugspotential, daß die aus komplementären Feldeffekttransistoren (Pi, N2) bestehende Inverterstufe zur Erzeugung des Ausgangssignals mit dem dritten Bezugspotential (-f-K3) verbunden ist, wobei die Gate-Elektroden der komplementären Feldeffekttransistoren mit dem Kollektor des bipolaren Transistors (Tl) verbunden sind, an dessen Basiselektrode das Eingangssignal liegt, daß das Widerstandselement (P 2) zwischen der Kollektorelektrode des bipolaren Transistors (Ti) und dem dritten Bezugspotential [+VS) eingeschaltet ist und daß die Stromsenke (Ni) zwischen dem zweiten Bezugspotential (Erde) einerseits und der Inverterstufe sowie der Emitterelektrode des bipolaren Transistors (Tl) eingeschaltet ist und bei gesperrtem, bipolaren Transistor das Ausgangssignal auf dem zweiten Bezugspotential hält, während der bipolare Transistor im leitendem Zustand als Emitterfolger arbeitet.
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