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Die Erfindung betrifft eine Pegelverschiebeeinrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eingangsschaltungen für logische Signale, Pegelverschiebeeinrichtungen für logische Signale und Schaltungen zum Trennen von logischen Eingabe- und Ausgabeschaltungen sind in großer Vielzahl bekannt. Zum Stande der Technik sei beispielsweise auf die US- Patentschriften 35 18 449, 37 57 137, 38 79 576 und 39 70 875 und die Literaturstelle Motorola Staff "MECL III Integrated Circuits" Book, 3. Ausgabe, September 1973, Seiten 1-7 und 8, verwiesen.
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In den Patentschriften ist insbesondere auf die Gleichlaufeigenschaften von Transistoren und/oder Dioden hingewiesen, die auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert sind. Insbesondere ist auf die US-Patentschrift 38 79 576 und die genannte Veröffentlichung zu verweisen, die u. a. eine Trennschaltung für Signale beschreiben, bei der Gleichlaufeigenschaften zum Zwecke der Kompensation von Anschlüssen von sich ändernden Umgebungsbedingungen angesprochen sind.
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Im Zuge der Fortentwicklung der Technik sind die Anforderungen an entsprechende Schaltungen beträchtlich gestiegen.
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Aus der DE-OS 23 63 735 und der Zeitschrift "Electronics", 19. Februar 1976, S. 115, sind bereits Pegelverschiebeeinrichtungen für logische Signale bekannt, die einen Transistor in Basisschaltung aufweisen, dessen Emitter mit dem Eingang verbunden ist, dessen Kollektor den Ausgang bildet und dessen Basis an ein Referenzpotential angeschlossen ist.
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Der Transistor bewirkt eine Entkopplung zwischen Ein- und Ausgang. Maßnahmen zur Optimierung dieser Einrichtung hinsichtlich der Einflüsse von Temperaturschwankungen und Veränderungen im Herstellungsprozess sind nicht vorgesehen.
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Ebenso sind keinerlei Vorkehrungen getroffen, eine gegenseitige Beeinflussung durch die Signale am Emitter-Basisübergang der Transistoren entsprechender auf demselben Halbleiterchip integrierter Einrichtungen zu vermeiden. Die Gleichlaufeigenschaften für den Basis-Emitterübergang des Transistors sind nicht gegeben.
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Es ist demzufolge die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe eine Pegelverschiebeeinrichtung anzugeben, die logische Signalpegel mit relativ großem Hub in entsprechende Signalpegel mit relativ kleinem Hub umwandelt und insbesondere zum Einsatz in emittergekoppelter Logik geeignet ist. Dabei wird besonderer Wert gelegt auf die exakte Trennung zwischen Eingang und Ausgang und eine optimale Stabilität der Einrichtung.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.
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Zusammenfassend kann die Erfindung darin gesehen werden, daß ein Transistor in Basisschaltung verwendet wird, dessen Emitter über einen Widerstand mit dem Eingang verbunden ist, dessen über einen Lastwiderstand mit Betriebspotential verbundener Kollektor den Ausgang bildet und dessen Basis an eine Referenzpotential-Regelschaltung angeschlossen ist. Die Referenzpotential-Regelschaltung umfaßt eine zwischen Betriebspotential und einem festen Bezugspotential angeordnete Reihenschaltung aus einem Widerstand, zwei Dioden und einem zweiten Widerstand. Der Transistor und die Dioden sind so ausgelegt, daß die Basis-Emitterspannung des Transistors mit der Spannung am Übergang der Dioden identisch ist. Vorteilhafterweise werden die beiden Widerstände gleich groß gewählt. Die Anordnung des Transistors in Basisschaltung gewährleistet die angesprochene Trennung zwischen Eingang und Ausgang. Dabei ist die Basis mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt des einen Widerstandes mit den restlichen Elementen der Reihenschaltung verbunden. Dadurch erreicht man, daß bei leitendem Transistor die Basis-Emitterpsannung gleich der Hälfte des Betriebspotentials ist. Vorzugsweise liegt die Größe des Lastwiderstandes in der Größenordnung anderer auf dem gleichen Halbleiterchip mit integrierter Lastwiderstände. Der mit dem Emitter des Transistors verbundene Widerstand am Eingang ist so gewählt, daß der Signalpegel am Ausgang auch einen zweckmäßigen niedrigeren Signalpegel gebracht wird, wenn der bestimmte, niedrige Signalpegel am Eingang zugeführt wird. Diese Bedingung liegt vor, wenn das Eingangssignal beispielsweise auf dem am meisten positiven zulässigen Pegel liegt und das Ausgangssignal höchstens gerade den noch zulässigen positiven Pegel erreicht. Man erzielt damit den angestrebten Gleichlauf in optimaler Weise.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigt
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Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Pegelverschiebeeinrichtung,
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Fig. 2 das ausführliche Schaltbild einer erfindungsgemäßen Pegelverschiebeeinrichtung und
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Fig. 3 eine graphische Darstellung des Schaltverhaltens der erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Das in Fig. 1 dargestellte, vereinfachte Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Pegelverschiebeeinrichtung hoher Qualität umfaßt im wesentlichen einen Verstärker 14 in Verbindung mit einer Referenzpotential-Regelschaltung 16 die zwischen Eingängen 10 und Ausgängen 20 angeordnet sind. Über den Verstärker 14 erfolgt in Abstimmung mit der Referenzpotential-Regelschaltung 16 die Pegelverschiebung. In Erwägung gezogen ist beispielsweise am Eingang obere logische Signalpegel von 1,6 bis 5 Volt und untere Signalpegel von 0 bis 0,96 Volt durchzuführen, die dann in Signalpegel umgewandelt werden, die sich beispielsweise um ein halbes Volt unterscheiden. Beispielsweise werden logische Signalpegel am Eingang von 0 und + 5 Volt in ein logisches Signal umgewandelt, das durch die Pegel 2,5 und 3 Volt definiert ist. Das in Fig. 2 dargestellte schaltungsmäßige Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pegelverschiebeeinrichtung ist gewöhnlich mit vielen anderen solchen Einrichtungen auf einem Halbleiterchip integriert. Das Eingangssignal wird über die Eingänge 10 zugeführt, die über eine Diode 22 verbunden sind. Diese Diode wird vorgesehen, um beispielsweise von leitenden Ausgangstreibern stammende negative Spannungen zu begrenzen. Zwischen dem Eingang 10 und dem Emitter eines Transistors 26 ist ein Widerstand 24 angeordnet. Der Kollektor des Transistors 26 ist mit einem Lastwiderstand 28 verbunden. Der Lastwiderstand 28 ist durch eine Diode 29 überbrückt, die die Sättigung des Transistors 26 bei höheren Strompegeln verhindert, die bei extrem niedrigen Eingangssignalpegeln auftreten können. Der Transistor 26 ist in Basisschaltung angeordnet, wobei die Basis an die Referenzpotential-Regelschaltung 16 geführt ist. Diese Schaltung umfaßt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 30, zwei Dioden 32 und 34 und einem weiteren Widerstand 36. Die Reihenschaltung ist zwischen einem positiven Betriebspotential und einem Bezugspotential (Masse) angeordnet. Der Kollektor des Transistors 26 ist mit dem Ausgang 20 verbunden, während die Basis am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 30 und der Diode 32 der Referenzpotential-Regelschaltung liegt. Selbstverständlich ist anstelle des npn-Transistors 26 auch ein pnp-Transistor einsetzbar, wenn die übrigen Polaritäten dann entsprechend umgekehrt werden. Die Referenzpotential- Regelschaltung 16 hält die Spannung an der Basis des Transistors 26, die normalerweise durch Temperatureinflüsse und auch durch Veränderungen im Herstellungsprozeß stark beeinflußt sind, auf einem Pegel, bei dem der erforderliche Eingangssignalpegel relativ unabhängig von diesen Schwankungen ist. Ein besonderer Vorteil der Referenzpotential-Regelschaltung 16 liegt auch darin, daß eine gegenseitige Beeinflussung durch die Signale am Emitter-Basisübergang der Transistoren 26 der entsprechenden Schaltung auf demselben Halbleiterchip verhindert werden. Die einzelnen Referenzpotential-Regelschaltungen der Pegelverschiebeeinrichtungen auf demselben Halbleiterchip sind lediglich mit dem Empfänger und der Versorgungsspannung gekoppelt. Die Versorgungsspannung kann dabei durch geeignete, außerhalb des Halbleiterchips anzuordnende Kapazitäten geglättet werden. Der Beitrag der Referenzpotential-Regelschaltung zu Belastungsänderungen der Versorgungsspannungsquelle entspricht nur dem Kehrwert des Stromverstärkungsfaktors im Vergleich zu dem Beitrag der vom Kollektorstrom stammt, der über die Widerstände 28 und 24 schließt. Nachdem wird gezeigt, daß für die Basis-Emitterspannung des Transistors 26 ein vollkommener Gleichlauf erreichbar ist. Abgesehen von der kleinen, vom Massestrom des Transistors 26 herrührenden Belastung gilt:
I 36 = I 30 = (V CC - 2 × V BE )/(R 36 + R 30)
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Dabei geben I 36 und I 30 den Strom in den Widerständen 30 und 36 in Ampere an;
V CC entspricht dem angelegten Betriebspotential in Volt;
V BE ist die Basis-Emitterspannung der Dioden 32 und 34 und des Transistors 26;
die Dioden 32 und 34 können so ausgelegt werden, daß die Emitterstromdichte angenähert gleich ist der Emitterstromdichte im Transistor 26, wenn dieser den logischen Nennstrom zieht. Auf diese erreicht man, daß die V BE&min;s für diese Bauelemente nahezu gleich sind;
R 30 und R 36 sind die Widerstandswerte der Transistoren 30 und 36 in Ohm.
V b = 2 × V BE + I 36 ×R 36
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Dabei ist V b die Spannung an der Basis des Transistors 26.
V b = 2 × V BE + (V CC - 2V BE ) × R 36/(R 36 + R 30)
= V BE (2 - 2 × R 36/(R 36 + R 30) + V CC × R 36/(R 36 + -R 30).
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Für vollkommenen Gleichlauf gilt dann:
R 30 = R 36 und V BE (32) = V BE (34); außerdem ist
V b = V BE + V CC /2 und V e = V CC /2, und zwar unabhängig
von V BE und den Widerstandswerten.
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Die bisher beschriebene Einrichtung basiert auf einer 2:1 Abstufung des Referenzpotentials, es lassen sich jedoch auch andere Abstufungen vornehmen. Beispielsweise kann eine Referenzpotential-Regelschaltung eingesetzt werden mit drei identischen Dioden und drei identischen Widerständen, wobei die Abgriffe zwei Dioden und einen Widerstand von der anderen Diode und den anderen Widerständen trennen. Dann gilt:
V b = V BE + V CC /3 und V e = V CC /3
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Aus praktischen Gründen wird bei der Halbleiterherstellung wird der Basis-Emitterspannungsabfall auf ganze Vielfache einer V BE für ein bestimmtes Halbleiterchip. Normalerweise werden der Einfachheithalber auch die Widerstandswerte als ganze Vielfache festgelegt, wenn die V BE&min;s ganze Vielfache sein müssen und/oder wenn im Rahmen der gesamten auf demselben Halbleiterchip herzustellenden Halbleiteranordnung eine Anzahl von Widerständen mit gleichen Werten vorzusehen sind.
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Man kann also feststellen, daß der Gleichlauf für die Basis- Emitterspannung nahezu vollkommen erreichbar ist. Die Emitterspannung des Transistors 26 beträgt im leitenden Zustand angenähert V CC /2. Durch Einstellung des Wertes des Widerstandes 24 im Emitterkreis des Transistors kann diese Spannung auf das korrekte Referenzpotential gebracht werden. In einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt der Wert des Kollektorlastwiderstandes 28 zweitausend Ohm, um eine Angleichung an die weiteren, auf der Gesamtanordnung verwendeten Lastwiderstände zu erreichen. Die Widerstände 30 und 36 weisen Werte von dreitausend Ohm auf, um den Basisstrom des Transistors 26 auf einen vernachlässigbaren Wert zu reduzieren. Der Wert des Transistors im Emitterkreis des Transistors muß in einem bestimmten Verhältnis zum Wert des Lastwiderstandes stehen. Aus einem Bereich möglicher Widerstandswerte für den Widerstand 24 im Emitterkreis des Transistors von 910 bis 1760 Ohm wurde beispielsweise der Wert von 1500 Ohm gewählt. Es sei daran erinnert, daß für die Widerstände 30 und 36 ebenso wie für den Widerstand 24 und den Lastwiderstand 28 Gleichlauf herrschen muß; die exakten Werte sind jedoch innerhalb einer Toleranz von + oder - 25% wählbar. Wesentlich ist nur, daß sich die Werte zusammen verändern.
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Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Schaltverhaltens der erfindungsgemäßen Einrichtung. Die Ausgangsspannung ist in Bezug gesetzt zu dem angelegten Betriebspotential V CC . Die Eingangsspannung ist für einen annehmbaren Bereich nach unten und nach oben mit über dem doppelten des letzten Wertes angegeben. Die angestrebte Funktion erhält man an den angegebenen Punkten entlang des gestrichelt dargestellten Rechteckes. Jede beliebige Kurve der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung muß sowohl oben als auch unten das Rechteck schneiden. Dies tritt ein, wenn der Widerstand 24 im Bereich von 910 bis 1760 Ohm liegt.