DE2712369A1

DE2712369A1 - Oszillator zur erzeugung von rechteckimpulsen

Info

Publication number: DE2712369A1
Application number: DE19772712369
Authority: DE
Inventors: Karl-Diether Dipl Ing Nutz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1977-03-22
Filing date: 1977-03-22
Publication date: 1978-09-28
Also published as: IT7821427A0; US4161703A; FR2385261A1; DE2712369C2; IT1093913B; GB1601326A

Description

Licent ia Pat'T.t-V-eiw.ilti.r.gs-GmbH

Theo Jo L -SL-J₁: η-,Lai 1, 6ΟΟ0 Frankfurt/Mai

Heilbronn, den 18. März 1977 PT-Ma/sr - im 76/28

Oszillator zur Erzeugung von Rechteckimpulsen

Die Erfindung betrifft einen Oszillator zur Erzeugung von Rechteckimpulsen mit einem Schmitt-Trigger. Ks : ■.·.t; bekannt, wie mit Hilfe einer Schmitt-Triggerschaltung beispielsweise aus einer sinusförmigen Eingangsspannung eine impulsförmige Rechtecksspannung erzeugt werden kann. Eine Schmitt-Triggerschaltung ändert ihren Ausgangszustand beim Erreichen eines bestimmten Einschalt. pegels und geht bei Erreichen eines Aussci.altpegels wieder in den Ausgangszustand zurück.

Für integrierte Digitalschaltungen benötigt man öfters einen Taktgenerator, dessen Frequenz in einem bestimmten Bereich um die Grundfrequenz f_Q abstimmbar ist. Der Variationabereich beträgt beispielsweise + 3O S. Ferner soll die integrierte Schaltung möglichst so aufgebaut sein, daß sie nur einen einzigen externen Anschluß aufweist* an den die zeitbestimmenden externen Bauelemente angeschlossen werden können.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung dieser Art anzugeben, die in Bipolartechnik integrierbar ist und deren Ausgangsfrequenz in einem bestimmten Bereich abstimmbar ist. Ferner soll die Schaltung möglichst von Temperaturschwankungen und von Schwankungen der Versorgungsspannung unabhängig sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Oszillator der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäQ dadurch gelöst, daß .ler Schmitt-Trigger über ein in Reihe geschaltetes RC-GLied gesteuert wird, daß eine Konstantstromquelle vorgesehen ist, die den zur Aufladung des Kondensators erforderlichen Strom l_v liefert und daß eine Stromspiegelscha L-tung vorhanden ist, die dafür sorgt, daß der Ent Ladest.rom des Kondensators mit dem Ladestrom übereinstimmt.

Die Ausgangsfrequenz des Oszillators wird durch Variation des Widerstandes im RC-Glied verändert. Die Stromversorgung der Oszillatorschaltung wird vorzugsweise über eine Stromspiegelschaltung vorgenommen, die einmal den Konstant3trotn an das RC-Glied liefert und zum anderen auch den Schmitt-Trigger mit einem Konstantstrom versorgt. Ferner versorgt diese er3te Stromspiegelschaltung auch einen weiteren Schaltungsteil, der zur Erzeugung einer die Umschaltspannung des Schmitt-Triggers bestimmenden Referenzspannung dient, mit einem weiteren Konstantstrom.

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Wenn der Schmitt-Trigger eine Eingangsspannung definierter Größe erreicht, ändert sich das Ausgangspotential des Schmitt-Triggers. Dies wird dadurch erreicht, daß einer der beiden Tranaistoren des Schmitt-Triggers sperrt, während der andere leitend wird. Dieser leitend werdende Transistor steuert eine zweite Stromspiegelschaltung an, durch die erfindungsgemäß dem RC-Glied ein Strom entzogen wird, der doppelt so groß ist wie der von der ersten Stromspiegelschaltung zugeführte Strom, so daß sich durch die Addition der beiden Ströme ein Entladestrom einstellt, der dem Ladestrom entspricht.

Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im folgenden noch anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Die Figur 1 zeigt eine Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Oszillators. In der Figur 2 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dargestellt, die sich insbesondere für die "Realisierung in Bipolartechnik im Rahmen einer integrierten Halbleiterschaltung eignet. Dieser in der Figur 2 dargestellte Oszillator erhält sein Einschaltsignal beispielsweise von einem vorgeschalteten Baustein der integrierten Schaltung und gibt das impulsförmige Ausgangssignal bestimmter Frequenz an eine nachgeschaltete Logikschaltung zur Weiterverarbeitung ab.

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Gemäß der Figur 1 wird ein in Reihe geschaltetes RC-Glied aus dem Kondensator C und dem Widerstand R₁^ mit einer Konstantstromquelle I verbunden. An das RC-Glied ist die Eingangselektrode des Schmitt-Triggers 1 angeschlossen, an dessen Ausgang sich eine impulsförmige Rechtecksspannung einstellt. Ferner ist an das RC-Glied eine Stromspiegelschaltung 2 angeschlossen, auf die die Konstantstromquelle in der Entladephase des Kondensators C umgeschaltet wird.

Bei kurzgeschlossenem Widerstand tL·, liegt am Kondensator C_T eine reine Dreiecksspannung, wie dies in der Figur 1 dargestellt ist. Der Kondensator C„ wird zunächst aus der Konstantstromquelle I_R aufgeladen. Bei Erreichen der oberen Schwellenspannung des Schmitt-Triggers 1 wird die Konstantstromquelle über den Ausgang des Schmitt-Triggers auf einen Stromspiegel 2 umgeschaltet, der dafür sorgt, daß der Kondensator mit dem von der Konstantstromquelle gelieferten Strom entladen wird. Dieser Entladeprozeß wird fortgesetzt, bis am Eingang des Schmitt-Triggers 1 die untere Schwellenspannung des Schmitt-Triggers erreicht ist. Am Ausgang des Schmitt-Triggers 1 steht somit eine Rechtecksspannung der Frequenz f.. mit einem

Tastverhältnis 1 : 1 und der Periodendauer T? Τ

IQaX

wobei C_ der Periodendauer der Dreieckseingangsspannung max

entspricht.

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Schaltet man nun in Serie zum Kondensator C einen Widerstand R^, fällt an diesem Widerstand eine Spannung der Größe I . FL, ab. Der daraus resultierende Spannungsverlauf der Eingangsspannung am Schmitt-Trigger ist in der Figur 1 gleichfalls dargestellt. Zunächst springt beim Einschalten der Konstantstromquelle die Spannung am Eingang des Schmitt-Triggers auf den Wert U^₁, = I_K . 1^. Dann beginnt die Aufladephase des Kondensators C , wodurch die Eingangsspannung am Schmitt-Trigger gleichförmig ansteigt. Wenn die obere Schwellenspannung de3 Schmitt-Triggers erreicht ist, wird das Ausgangspotential des Schmitt-Triggers umgeschaltet und damit die Konstantstromquelle auf die Stromspiegelschaltung umgeschaltet. Dadurch kann sich der Kondensator C entladen. Durch den Spannungsabfall am Widerstand R,^ sinkt die Eingangsspannung des Schmitt-Triggers zunächst sprunghaft um den Wert U„ und fällt dann gleichförmig aufgrund der Entladung des Kondensators mit dem Strom I bis zur unteren Schwellenspannung ab. Der durch die Auf- und Entladung des Kondensators bedingte Spannungshub ist mit dem Wert ^u bezeichnet.

Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, verkürzt sich durch die Zuschaltung des Widerstandes die Periodendauer der Eingangsspannung auf den Wert TT . Dadurch verändert sich

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auch die Impulsfrequenz am Ausgang des Schmitt-Triggers und hat nun den größeren Wert £"

Je größer somit der Widerstand R,^ wird, desto größer wird auch der Spannungsabfall LJ_R„, und /^U_rT wird immer kleiner. Ein kleineres & U.™ bedeutet aber, da der Umladestrom konstant bleibt, eine Verkürzung der Periodendauer t^ , die somit eine Funktion von C„, und IL·, ist.

In der Figur 2 ist eine vorteilhafte Realisierung der bisher im Prinzip beschriebenen Grundschaltung dargestellt, über einen Einschalttransistor T₁ wird ein Multikollektor-Transistor T„ angesteuert. In der Kollektorzuleitung des Transistors T., die zugleich mit einem der Kollektoren des Transistors Ί' verbunden ist, befindet sich ein Widerstand R_K, über den der Konstantstrom I eingestellt wird. Ein weiterer Kollektor des Transistors T₂ ist mit der Reihenschaltung aus dem Widerstand R₁^ und dem Kondensator C^ verbunden. Parallel zu dem RC-Glied ist die Emitter-Kollektoratrecke eines Transistors T^ geschaltet. Ein weiterer Kollektor des Transistors T_ ist mit der Schmitt-Triggerschaltung aus den Transistoren T₃ und T. verbunden, wobei die beiden Emitterelektroden der beiden Transistoren direkt an die Kollektorelektrode des Transistors T_ angeschlossen sind. Die

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Basiselektrode des Transistors T₃ ist an das RC-Glied angeschlossen. Am Kollektor des Transistors T-, wird das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers abgenommen. An die Basiselektrode des Transistors T. ist der Widerstand R angeschlossen, der andererseits mit der Schaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung verbunden ist. Diese Schaltung zur Erzeugung der Referenzspannung besteht aus den beiden in Reihe geschalteten Widerständen R₂ und R.. und dem Transistors T₉, dessen Emitter-Kollektorstr^cke parallel zu dem Spannungsteiler gesch.i Ltet ist. Die Basiselektrode des Transistors T_c) ist an die Verbindung zwischen den beiden Widerständen R_ und R., angeschlossen. Diese Schaltung zur Erzeugung der Referenzspannung ist mit einem weiteren Kollaktor des Transistors T„ veriiu:<-

ι, wobei dieser Kollektor so ausgelegt xSt, daß über ihn ein Strom fließt, der doppelt so groß ist wie der an den Schmitt-Triggern und das RC-Glied abgegebene Konstantstrora I .

Die zweite Stromspiegelschaltung besteht aus den Transistoren T_c, T,,, T_ und T₀. Zwischen die Basiselektrode

Do/ O

des Transistors Tj. und die Basiselektroden der Transisto-

ren T^, T-, und T_Q ist ein Verzögerungsglied aus einem ο / ο

Widerstand R₁ und der Diode D. geschaltet. Die beiden Bauelemente R₁ und D₁ wirken wie ein RC-Glied. Der Transistor T igt in die Kollektorzuleitung des Transistors

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T₃ geschaltet, wobei die beiden Kollektoren der komplementären Transistoren T₃ und T_g zusaniniengeschaltet sind. Die Basiselektrode des Transistors T_g ist mit der Kollektorelektrode des Transistors T_ und zugleich mit der Kollektorelektrode des Transistors T. und den Basiselek-

troden der Transistoren T₇ und T„ verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors T_Q ist an den Widerstand R.

ο 4

und zugleich an die Basiselektrode des Transistors T. angeschlossen. Die Emitterelektroden der Transistoren T₅, Τ,, T_, Tg und T_ sind an einen Pol der Versorgungsspannung angeschlossen. Die Transistoren T₂ , T₃ und T. sind beispielsweise pnp-Transistoren, während" es sich bei den Transistoren T₁, T₁., T_fi, T-, T„ und T_q um npn-Transistören handelt.

Die Schaltung funktioniert wie folgt: Durch ein Einschaltsignal an der Steuerelektrode des Transistors T₁ wird der als Stromspiegel geschaltete Multi-Kollektortransistor T₂ freigegeben. Die 3 Kollektoren, die mit dem RC-Glied, der Kollektorstrecke, des Einsehalttransi-v stora T₁ und dem Schmitt-Trigger verbunden sind, sind beispielsweise gleich groß, so daß über all diese Kollektorstrecken der gleiche Konstantstrom I fließen muß. Der Kollektor des Transistors T_, der mit der Referenzs pannung s schal tung verbunden ist, sei beispielsweise doppelt so groß wie die übrigen Kollektoren, so daß über

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diesen Kollektor der Strom 2 χ I_T. abfließt. Die Referenz-

SS.

sapnnungsachaltung aus den Widerständen R~ , R-. und dem Transistor T_ funktioniert wie eine Zenerdiode, so daß sich am Kollektor von T~ eine Spannung U einstellt, die im wesentlichen von der Versorgungsspannung unabhängig ist. Diese Referenzspannung liegt bei stromlosem Transistor T„ auch an der Basiselektrode des Transistors T₄ und bestimmt somit den oberen Schwellwert des Schmitt-Triggers.

Wenn der Kondensator C ungeladen ist und der Multikollektor-Transistor T über den Einschalttransistor T eingeschaltet wird, ist zunächst der Transistor T, des Schmitt-Triggers leitend, da über die Basiselektrode dieses Transistors ein Basisstrom zum RC-Glied abfließen kann. Über den Transistor Ί-. fließt im wesentlichen der Strom I , der über die Ausgangsleitung des Schmitt-Triggers abfließt. Am RC-Glied springt zunächst die Spannung auf den Wert I . R₁^ und steigt dann gleichförmig so lange an, bis an der Basiselektrode des Transistors T₃ eine der Spannung an der Basiselektrode von T. entsprechende Spannung anliegt» Jetzt wird der Transistor T₄ leitend, der seinerseits wiederum die Transistoren T,, T-, und T₀

durchsteuert. Durch die Umschaltung des Transistors Το

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fließt nunmehr über den Widerstand R. ein" Strom I , so daß am Widerstand R. im wesentlichen die Spannung I . R abfällt. Um diese Spannung, die die Schalthysterese des Schmitt-Triggers bestimmende Spannung &U ist, wird das Basispotential des Transistors abgesenkt. Die Transistoren Tg, T₇ und Tg sind vollkommen identisch in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut, so daß über alle 3 Transistoren der gleiche Konstantstrom I fließt. Der Transistor Tg entnimmt dabei seinen Konstantstrom im wesentlichen dem der Referenzspannungsschaltung zugeführten Strom, während durch den Transistor T₇ der dem Schmitt-Trigger zugeführte Konstantstrom fließt. Der Konstantstrom durch den Transistor Tg wird über die Ausgangselektrode des Schmitt-Triggers bezogen.

Der Basisstrom, der durch die Transistoren T,, Ύ_η und T-,

D / O

fließt, wird in gleicher Größe auch dem Transistor T_r zugeführt. Allerdings ist zwischen dem Transistor T_r und dem Transistor T, das Verzögerungsglied aus der Diode D₁

ο ]

und dem Widerstand R₁ geschaltet. Dieses Verzögerungsglied bewirkt, daß der Transistor Τ~ erst dann durchgeschaltet wird, wenn das Potential an der Basiselektrode des Transistors T. merklich abgesunken ist. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Schmitt-Trigger zu schwingen beginnt.

Der Transistor T₅ ist wiederum gleich aufgebaut wie die

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Transistoren T_r , T_n und Τ_α, weist jedoch die doopelte

b / ο

Emitterfläche auf, so daß er wie zwei parallel geschaltete Transistoren wirkt. Über den Transistor T₁- muß somit der doppelte Strom wie über die Transistoren T,, T_n und

T₀ abfließen. Dem RC-Glied wird somit nach wie vor ο

vom Multikollektortransistor T₁ der Konstantstrom I zugeführt. In entgegengesetzter Richtung fließt jedoch der Endladestrom der Größe 2 χ I„, so daß der Kondensator L nunmehr mit dem Strom 1-2x1 - -E entladen wird.

1 K K. K.

Diese Entladung wird fortgesetzt, bL.i die Spannung an der Basiselektrode des Transistors T-. den Wert der an den Basiselektrode des Transistors T. anliegenden Spannung erreicht. Dies ist zugleich der untere Schwellenwert des Schmitt-Triggers, bei dessen Erreichen der Tran.T;.oi,j,-T., wieder durchgesteuert und der Transistor T. gesperrt

Bei gesperrtem Transistor T., liegt am Kollektor dieses Transistors und somit am Ausgang des Schmitt-Trigger3 ein niederes Potential an, das auf einen hohen Potentialwert springt, so bald der Transistor T, leitend wird und der Transistor T. gesperrt wird.

Die Tatsache, daß die Hysterese des Schmitt-Triggers über den Transistor T„ gesteuert wird, macht die Schaltung

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weitgehend unabhängig von Baue leinen ta treuungen. Die Ausgangsfrequenz des Schmitt-Triggers ist weitgehend unabhängig von der Größe des Konstantstromes. Bei einem niedrigeren Konstantstrom wird die Anstiegsflanke der Spannung am Kondensator zwar flacher doch gleichzeitig wird der untere Schwellenwert des Schmittriggers angehoben, da der Spannungsabfall am Widerstand R₄ kleiner wird. Durch entsprechende Dimensionierung des Widerstandesverhältnisses R₄/ R kann somit: erreicht werden, daß die Ausgangsfrequenz von der Größe des Konstantstromes I_x. weitgehend unabhängig ist.

Bei einer Integrierung der beschriebenen Schaltung im Rahmen einer logischen Gesamtschaltung, beispielswei-,-r» in einer Schaltung f.ür einen Lichtdimmer, benötigt der beschriebene Frequenzoszillator nur einen einzigen gesonderten Anschluß an den das RC-Glied extern angeschlossen werden kann. Der Widerstand R_T wird dabei vorzugsweise ein Potentiometer sein, um eine Frequenzänderung bzw. eine Frequenzabstimmung des Oszillators vornehmers zu können.

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Claims

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Patentansprüche

■ Ty Oszillator zur Erzeugung von Rechteckimpulsen mit einem Schmitt-Trigger, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmitt-Trigger über ein in Reihe geschaltetes RC-Glied gesteuert wird, daß eine Konstantstromquelle vorgesehen ist, die den zur Aufladung des Kondennators erforder Liehen Strom (Γ ) liefert, und daß eine Stromspiegelschaltung vorhanden ist, die dafür sorgt, daß der Entladestrom des Kondensators (C_.) mit dem Ladestrom übereinstimmt.
2) Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators durch Variation des Widerstandes (R^ des RC-Gliedes veränderbar ist.
3) Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantetrom einer ersten Stromspiegelschaltung (T_) entnommen wird, die zugleich den Schmitt-Trigger (T,, T.) mit einem Konstantstrom und eine Schaltung (R₂* ^R-»» ^Tq) zur Erzeugung einer, die Umschaltspannung des Schmitt-Triggers bestimmenden Referenzspannung U_.,„ mit einem weiteren Konstantstrom versorgt.

IVCiC

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ORIGINAL INSPECTED
4) Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Umschalten des Schmitt-Triggers (T , T.) nach Erreichen einer definierten Spannung am RC-Glied über den leitend werdenden Transistor (T.) des Schmitt-Triggera eine zweite Stromspiegelschaltung (T,., T_, T„, T₁.) angesteuert wird, durch die dein RC-Glied ein Strom entzogen wird, der doppelt so groß ist wie der von der ersten Stromspiegelschaltung zugeführte Strom, so daß sich durch die Addition der beiden Strome ein Entladestrom einstellt, der dem Ladestrom entspricht.
5) Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem RC-Glied ein Transistor (T₅) parallel geschaltet ist, der als Teil der zweiten Stromspiegelschaltung 30 dimensioniert ist, daß über ihn im durchgesteuerten Zustand ein Strom fließt, der doppelt so groß ist, wie der von der ersten Stromspiegelschaltung dem RC-Glied zugeführte Konstantstrom.
6) Oszillator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Steuerelektrode des zum RC-Glied parallel geschalteten Transistors (T₅) und den übrigen Teil der zweiten Stromspiegelschaltung ein Verzögerungsglied geschaltet ist.

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7) Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied ein RC-Glied ist, wobei die Kapazität durch eine Diode (D₁) gebildet wird.
8) Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantstrom, der von der ersten Stromspiegelschaltung (T₂) an die zur Erzeugung der Referenzspannung vorgesehene Schaltung (R-, R₃, T_g) abgegeben wird, größer ist als der an das RC-Glied abgegebene Konstantstrom, so daß ein Teil dieses größeren Konstantstroms zur Bildung der Schalthysterese nach dem Umschalten des Schmitt-Triggers verwendet werden kann.
9) Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Referenzspannungsschaltung abgegebene Konstantstrom doppelt so groß ist wie der an das RC-Glied abgegebene Ladestram.
10) Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromspiegelschaltung aus einem Multi-Kollektor-Transistor (T₂) besteht, wobei über die einzelnen Kollektoren der Fläche dieser Kollektoren entsprechende Konstantströme abgegeben werden.

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