DE2946548C2

DE2946548C2 - Bistabile Schaltung mit Hysterese- Verhalten, insbesondere für Drehmelder

Info

Publication number: DE2946548C2
Application number: DE2946548A
Authority: DE
Inventors: Mark Los Altos Calif. Leonard
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1978-11-27
Filing date: 1979-11-17
Publication date: 1985-03-14
Also published as: DE2946548A1; JPS5573133A; US4271364A

Description

daß der erste Halbleitcrübergang (Q 2) in Verbindung mit dem ersten Widerstand (R 2) eine erste Vorspannung für einen sechsten llalblci- 4¹S terübergang (Q 1) erzeugt,
daß der /weite Halbleiterübcrgang (QAl) in Reihe mit einem zweiten Widerstand (R 41) geschaltet ist und eine zweite Vorspannung für den dritten HalblciterübergangfC? 45) erzeugt, daß der vierte Halbleiterübcrgang (Q48) in Reihe mit einem dritten Widersland (R 42) geschaltet ist und eine dritte Vorspannung für den fünften Halbleitcrübcrgang f(?46) erzeugt,
daß die Refcrenzstromquellc eine Slromstcucreinrichtung (Q 101. Q 102. Q 103 . Q3) aufweist, die mil dem ersten (Q2) und dem sechsten (Qi) Halbleiterübcrgang verbunden ist und eine vorgegebene Beziehung zwischen den .Strömen herstellt, die durch den ersten und den sechsten μ Halbleiterübcrgang fließen,
daß die Signaleinrichtung (Q4Q, (?41) einen ersten und einen /weiten Signalstrom erzeugt, deren Summe den Strömen durch den ersten und den sechsten Halblcitcrübcrgang entsprich!. und

daß /.um Umschalten der Schallvorrichtung (Q 45. Q 46. Q 47. Q 48) der erste und der zweite Signaislrom sich um einen vorgewählten Faktor unterscheiden müssen, der durch das Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand bestimmt ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der /weite (Q 47) und dritte f(?45) und der vierte (C 48) und fünfte (<?46) Halbleiterüjergang jeweils aneinander angepaßt sind.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte (Q 45) und der fünfte (Q 46) Halblcitcrübergang Übergänge von integrierten Transistoren sind.

4. Schaltung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet. daB der zweite (7? 41) und der dritte (R 42) Widerstand gleiche Werte haben, die kleiner als der Wert des ersten Widerstandes (R 2) sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des ersten Widerstandes (R 2) ein vorgegebenes Vielfaches des Wertes des zweiten (R 4\) und des dritten (R 42) Widerstandes ist.

6. Schallung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des ersten Widerstandes (R2) das achtfache des Wertes des /weiten (R4\) und des dritten (R 4iiWidcrstandes ist.

7. Schaltung nach Anspruch 4. 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors mit dem drillen Halblcilcrübcrgang f(?45) den ersten Signalstrom empfängt und daß die Basis des Transistors mit dem fünften Halblciterübcrgang (Q 46) den zweiten Signalstrom empfängt.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des ersten Halblciterübergangs (Q2) ein vorgegebenes Vielfaches der Fläche des sechsten Halblcitcrübcrgangs((? 1) ist.

9. Schaltung nach Anspruch K, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des ersten Halbleitcrübergangs (Q2) doppelt so groß wie die Fläche des sechsten Halblcitcrübcrgangs (Q I) ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bislabile Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1;

Zur .Stabilisierung des Ausgangssignals eines Drehmelders wird häufig angestrebt, daß dieser ein gewisses Hysterese-Verhalten zeigt. Bei den bekannten Drehmeldern, bei denen integrierte Schaltungen verwendet werden, ergeben sich jedoch Schwierigkeiten mit der Reproduzierbarkeit der Hysterese-Charakteristik. Dies liegt an Streuungen der Werte von Widerständen und Übergängen in den integrierten Schaltungen.

Aus DE-OS 22 21 004 isi cine bistabile Schaltung mit Hysterese-Verhalten bekannt, bei der entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch I eine kreiizgekoppcltc Anordnung zweier Stromspicgel zum Erzielen einer Schalthysicrcsc eingesetzt wird. Die Hysterese beruht darauf, daß das Produkt der Spicgelverhältnisse dieser Stromspicgel größer als I ist. Ein Stromspiegcl ist hierbei in bekannter Weise aufgebaut aus einem integrierten Transistor, dessen Basis-Emitter-Strecke ein P-N-Übcrgang parallel geschaltet ist. Der P-N-Übcrgiing kann eine integrierte Diode oder ein als Diode geschalteter integrierter Transistor sein.

Das Spicgelvcrhältnis wird in ebenfalls bekannter Weise durch das Flächcnverhälmis zwischen dem Tran-

siMor und dem P-N-Übcrgang bestimmt. Alternativ k;inn gemäß der genannten Veröffentlichung sowohl mit dem P-N Übergang als aiich mit dem Transistor jeweils ein Widerstand in Reihe geschaltet werden, wo- ■ nach das .Spiegelverhältnis durch das Verhältnis dieser beiden Widerstände gegeben ist. Bei beiden Möglichkeiten /um Bestimmen des Spicgelverhältnisses gehen hersiellungsbcdingtc Schwankungen des Verhältnisses zwischen den Flächen zweier Halbleilerübergängc bzw. zwischen zwei Widerständen linear in die Größe der Hysterese ein.

Durch das Kennzeichen von Anspruch 1 wird demgegenüber die Aufgabe gelöst, eine bistabile Schaltung gemäß dem Oberbegriff so weiterzubilden, daß herstellungsbedingte Schwankungen von Widerstandsverhältnissen sich weniger stark auf die Hystcresecharakteristik auswirken.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird die Hystcresecharakteristik so durch das Verhältnis zweier Widerstände festgelegt, daß das Widerstandsverhältnis als Exponent in eine Radizierung (Wurzelbcr.iehung) höherer Ordnung eingeht. Hierbei geht ein relativer Fehler des Widerstandsverhältnisses in den relativen Fehler des Endergebnisses schwächer ein als bei einer linearen Abhängigkeit.

Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Drehmelders,

Fig.2 ein allgemeines Blockschaltbild eines optischen (Comparators,

Fig.3 ein detailliertes schematischcs Schaltbild der VorspariP.up.gsversorgung des optischen !Comparators gemäß F i g. 2,

Fig.⁴ ein detailliertes schcmatisches Schaltbild des Ausgangsverstärkers des optischen Komparators gemäß F i g. 2.

In der Explosionszeichnung gemäß Fig. I ist ein Drehmelder mit der Kompaiatorschallung dargestellt. Es werden drei kollimierte Lichtstrahlen durch einen Lichtquellenmodul 10 erzeugt urd durch ein Codicrrad 20 und eine feste Phascnplatie 30 moduliert. Die modulierten Lichtstrahlen werden durch einen Detektormodul 40 gespalten und fokussiert und auf Photodclcktoren auf einer Schaltungsplatte 45 geleitet. Die Photodetektoren sind mit Koinparatorschaltungen verbunden derart, daß digitale und analoge Ausgangssignalc entsprechend dem relativen Winkel zwischen dem Codierrad 20 und der Phasenplatte 30 erzeugt werden. Diese Komparatorschaliungen auf der Schaltungsplatte 43 werden nachstehend ausführlich beschrieben.

Referenzstrom und Regelkreise

Grundlage der Komparalorschaltungen ist eine Rcfercn/siromquclle 380 wie in F i g. 3 gezeigt ist.

ί ine grundlegende Stromreferenzschaltung 380 enthüll Transistoren Q 1. Q2. QX Q 10J. Q 102. Q 103 und einen Widerstand R?.. Die pnp-Transistorcn Q\0\, (J 102 und Q !03 bilden einen Wilsonschen Stmmspie-KeI. der in einen Knotenpunkt 4 einen Strom einprägt, d gleich dem Stron ist, der in einen Knotenpunkt 3 (ließt, und der hierbei den vorherigen Strom auf den lci/tcrcn »spiegelt«. Dieser Teil der Schaltung wirkt als Slronircgler um die Ströme, die durch Q 1 und Q 2 fließen, /μ definieren. Der Transistor Q 103 verbessert die Genauigkeit des BasisspiegeK durch Erhöhung der Ausgangsimpedanz und Kompensation der Basissiröme der Transistoren ζ) 101 und Q 102. Die Transistoren Q ¹I. Q 2 und Q 3 bilden einen ähnlichen Wilsonschen Slroiiispicgel, mit der Ausnahme, daß der Transistor Q2 eine doppelt so große aktive Fläche wie der Transistor Q 1 hat und daß er einen Widersland R 2 in seinem Emitterkreis enthält. Dieser Spiegel zieht einen Strom aus dem Knotenpunkt 3, der dem Strom entsprich?, der in den Knotenpunkt 4 fließt. Bei niedrigem Strom ist der Spannungsabfall an R 2 klein. Bei gleichen Emiiter-Basis-Spannungen erzeugt der Transistor Q 2 daher einen Strom der doppelt so groß wie der des Transistors Q 1 ist, und der Strom vom npn-Stremspiegel in den Knotenpunkt 3 ist doppelt so groß wie der Strom in dem Knotenpunkt 4. Der pnp-Stromspiegel erhält vom Transistor ¹Q 2 den höheren Strom '.md vergrößert weiter den Strom durch den Transistor Q 1 und den Knotenpunkt 4. Dieser Strom wird wiederum durch den Transistor Q2 multipliziert, bis der Strom durch R 2 an R 2 einen Spannungsabfall bewirkt, der die Emi:ter-Basis-Spannung des Transistors ζ? 2 um einen Betrag verringer., der ausreicht, den Strom vom Transistor Q 2 auf die Hälfte zu begrenzen. Der Spannungsabfall an R 2, der dieser 2 :1-Stromänderung entspricht, beträgt bei Raumtemperatur ungefähr 16 mV. Der Strom durch den Widerstand R 2 ist demnach gleich V/R, wobei V die Spannung ist. die zur Erniedrigung der Emitter-Basis-Spannung von Q2 um einen Betrag erforderlich ist, der ausreicht, die Flächendifferenz zwischen den Transistoren Qi und ζ) 2 zu kompensieren. R ist der Widerstandswert des Widerslandes R 2. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Strom durch jeden Transistor ungefähr 25 μΑ. und der Ausgangsstrom / beträgt ungefähr 50 μΑ.

Eine Startschaltung 390 ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß die grundlegende Stromreferenzschaltung 380 sich nicht bei einem Strom Null stabilisiert. Ein Widerstand R 1 liefert einen kleinen Strom in den pnp-Spiegel Q 107, der Strom durch eine Diode D 1 in den Knotenpunkt 4 liefert. Der Spiegel Q 10/ gibt nur ein Siebtel seines Eingangsstroms ab: dieses minimiert den Energieverbrauch. Sobald die Stromreferenzschaltung 380 richtig arbeitet, wird ein Transistor Q 14 eingeschaltet, dereinen Knotenpunkt 18 auf einen niedrigen Pegel zieht, und die Diode D 1 isoliert die Stromreferenzschaltung 380 von der Startschaltung.

so Der Transistor Q 14 wird mit einem Nominalstrom von 7 μΑ angesteuert, der von dem 1 : 7-Spiegel Q 106 erzeugt wird. Q 106 wird durch einen Transistor Ql angesteuert. Der vom Transistor Ql erzeugte Strom wird auch zur Vorspannung eines Transistors Q 110. der analogen Ausgangsklemmschaltung, benutzt, der mis dem Transistor Q 106 und dem diodenmäßig geschalteten Transistor Q 13 verbunden ist, wodurch ein Knotenpunkt 15 auf 2 Vμ unterhalb VCCgesetzt wird. Dadurch wird die Basis-Spannung für den Transistor Q 110 festgesetzt, welcher leitet, wenn sein Emitter über VCC- Vh, ansteigt.

Die grundlegende Siromrcferenzschaltung 380 liefert einen Strom von 50 μΑ in den Knotenpunkt 7. Die Spannung am Knotenpunkt 7 steigt an, bis der Transistor Q4

t>5 genügend Strom in den Knotenpunkt 8 liefert, daß der Transistor ζ) 8 im wesentlichen die gesamten 50 μΑ von der Stromreferenzschaltung 380 leitet. 0er Strom durch ζ) 8 wird in den Transistoren Q5,Q6,Q7 und <?9 repli-

d. die „»«π dicer tL,,o™ *. den, *-»

anderen Worten. <?8 ist ein _. _r

wirkt, daß die Stromquellen und -senken, die damit ver bunden sind, im wesentlichen den gleichen Strom fuhren Der Strom vom Kollektor des Transistors 09 wird in ähnlicher Weise auf den Transistor Q 108 und den

¹⁰

^u"^{pr0n8licten lrome}

₅₀
h [Λ β \

_upd _γάκ _{photO5lrome in} den Photodc-™£ ₃₁₀ und 320. !»Ils die Photoströme mit einer

sfes£i&JÄÄ4

~DÜrch den Transistor Q 109 wird cn log.scncr_,„,,„-gehender Strom erzeugt. Der Transistor Q IOwird durch den Transistor 05 angesteuert. Zur weiteren Isola.ion dieses logischen hoch/ichenden Stroms von der Stromreferenzschaltung 380 .st m.t dem Transistor 05 ein Transistor Q 15 in Kaskade geschalte, und durch eine Diode D2 vorgespannt. Dieser hoeh/.iehendc Strom hat eine Amplitude von ungefähr 150 μ A.

Die Referenzspannung V_n, entw,ckclt sich an den diodenmaßig verbundenen Transistoren Ο 10 g Mund

<p 12 durch einen 50 μΑ-Strom vom Transistor Q 109. Ausgangsverstärker

DerAusgangsverst.rkeraeOinn^iststarker^-

tailliert im Schaltbild der Fig.4 dargesteju D.«s Au,-

gange der Operationsverstärker 340 und 420 sind m.t

^gden⁸Basen von Transistoren.<?« ^w ?« v^ndcj

Diese Transistoren bilden ein wnec..«-.^-. -~- -^

sind in Größe und Geometrie an die d'odcnmaBig vcr-

faundenen Transistoren 350 und 410 in den[Ruckkopp.

,ungsschleifen der Transimpedanz-Versiarker 330 und

400 der Fig. 2 angepaßt. Die Spannung/Strom-Tranv

formation im Diffcrentialpaar 365 ist d aber_.nve« gc-

gcnübcr der Transformation, die durch de Tr.ins.mpc

dan_Z-Verstärker bewirkt wird. P^^'l"¹^"^;

toströme die durch Photod.oden 310 und 320 criüBl

wurden, wird daher durch die Transimpedan/-VcrMar-

ker in eine Spannungsdifferenz. transform,ert und durch

die Transistoren <? 40 und Q4t zurück m cn -SironiVcrhältnis verwandelt. Die Kollektorströme der Trans.smren ρ40 und (?*< haben das gle.che Verhältnis wie die Phoioströme. ledoch ist die Summe der Kollektorsiro_mc der durch die Stromquelle 06 erzeugte Nominal-Srom von 50 _μΑ. Nimmt man an. daß /wc. optische Signale von einer gleichen Lichtquelle erzeug..werden geben die Ströme aus dem Differentia paar Q40 und 041 nur das Verhältnis der Verluste in den beiden opt-sehen Wegen wieder. z.B. die Position einer «c.e ... einem System, wie es in Fig. 1 gezeigt wurde

Die Ströme /1 und / 2 aus dem D.ffcrcnualpaar 0 40_ 041 werden durch pnp-Transistoren Q 141 und Q> 142 gespiegelt. Der gespiegelte Strom /1 von der Klemme IdesTransistors 0141 wird wieder durch Transistoren 042. 043 und 044 gespiegelt, so daß cmc -Sfomsenkc der Größe / 1 entsteht. Der gesp.cgeltc Strom /2 von der Klemme B des Transistors 0 142 b.Wct eine .Stromquelle der Größe /2. Diese be.den Strome, von denen ....jj—: -^ ■ _crf_orclcrl, _duU das Ansteuerung Jcnn/uchnc ^ _/urückgchcn muß. oe

zu^tm D _h;i„_c| ,„ _{dcr Nühc} des idealen

» Ji ^g « l· l· _{cin Tcj}, _{dcr Schaltung} b.stab.l. In um:seiη. r' „ . _{dic obcn} beschriebenen Tranrig. «. u ^cs. ^. _{mc (f und J2 dic pholo}.

^^_Γ ,J₁₁^_n. J_KlenmK«n y .4M und ^ 142Λ ersiromc _is(orcn ^_{45 und} (?46 sind über ₂s «^u«"-ⁿ _vfi._{hundcn und bi}|_dcn eine Hysterese-Schaltung, «reu/ _{c j|cs F},. _n
namic _/ ^ ^_{0 /2} ^ _{den Transistoren} ς)Hl

und O 142 sind auf das Flipflop geschaltet und biMcn ^ ^„^«», _Sct, und R^ls.römeD.o-

denm^g «^-^SSl^ Snitoren

gieren ag^ _{f cincn etwas übcr} Eins liegenden Q 45 und V ^_{5 p q js}, _{dah cin}

^^^ge,,, _v„n denen Jeder dem anderen _Stcucrslronl entnimmt. DieTransöioren (?47 und 048 ^^cucrs^_idcrMändc „ 41 und R 42 in ihren jeweiligen haben^^a widerstände erhöhen die Bas.s-

C>45 und ^46. |cde Seite

**¹™

Jc I MP- _{Ej wodurch dic} Hystcresewjr-

auintr, ^ widerstände R 41 und

^Jf £ ein Achtel des Wertes des Widerstandes _{wman[c[i durch die Stromquelle <?6 wird ^™ stromrcplikalor Q*. Deshalb

gcs^^rl \ _{dic S(ronisiarkc} durch die l-hpflopsu-uc" κ γ ^ ^^ _{Schallung 5ΐΓ}«

_icgcln. die durch Q40 und 041

^₆ ^F _ehen. Da der Widerstand /Ml die ν B ^^ _{d da dcr s}

Ba W™
durch «4 von

^^^^ _{upd da}

_R ₂ bestimmt wird, wird die ^^ _{d W(}

_ηκ der Widerstände R 41 und R 2 ge_{tc widcrsland}swcric Die et fol_Bendcrmaßen: der Transistor Q 47 ;_{usoviel Slr()IT1} wie der Transistor 02 am Siltpunkt der Flipflopschaltung. d. h. wenn /1 und /2 Sch. '»P^un" ^p _{ß sj}'_nd „_{a dcr Werl dcs} Widcrstan-

ungefähr ^e g _Wcrtcs ^ _{widcrsl d s} _R 2

de Λ 41 c ^^ _{durch jhn h d} „.

M) betrag . jW B ^₁ ^ _{R4| ein} Achtel des

.s^ de ρ ^ _Qa ^_{n durch eincn Trans},s_lor

wngsa ₍:_xpc)ncnli_a|f_Unklion der angcleg-

_{isl und dic}^_pannung am Widerstand R 2 _Spannungsdirferenz ist. die einem

^{045 ta c}

Basis-limitter-Spannung, clic größer als die Hasis-limitlei Spannung des Transistors y47 ist. und /war um einen Hetrag. der gleich dem Spannungsabfall am Widersland R41 ist. Der Sijoni durch den Transistor (^45 beträgt daher ungefähr \2 ■ I I. oder ungefähr 1,(W /1. Diis bedeutet, dal) am Arbeitspinki der Spiegel Q45 ν '/,ι mehr Strom aufnehmen kann als der l^:.ingangsspiegelsiroin nach Q47. 12 muß daher /1 um ungefähr (I₁(N-I) /I oder Ψ'/u übersteigen, bevor Q45 und der Zustand des HipHops sich ündert. Hierbei wird llysicre- to se en eicht. Die Transistoren Q 46 und y48 die ein Siromspiegel bilden und der Widerstand W42 arbeiten zusammen in ähnlicher Weise und erzeugen eine llysterescwirkung wahrend der umgekehrten Zustandsänderung wenn Q4f> geschallet wird. Die Größe der Hysteresc wird durch die begrenzte bcta-Vcrstärkung der Transistoren reduziert, jedoch ist die Zustandsänderung abrupt, auch wenn sich die Strome langsam ändern, solange die Transistoren Q 45 und Q 46 mehr Strom als /2 b/w. /1 aufnehmen können.

Der Zustand der Hysterese-Schaltung aus den Transistoren (? 46 und (?45 wird das logische Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal wird von der Ausgangsschaltung, die von einem Diffcrentialpaar Q 143 und Q 144 gebildet wird, aufgenommen und durch Transistoren Q 145 und Q 146 gepuffert. Der Strom von einer Quelle Q 109f wird so geschaltet, daß er entweder einen Transistor 049 oder einen Transistor ζ) 50 ansteuert. Der Transistor ζ)49 ist vorgesehen, um die Abschaltung des Transistors ζ)50 zu beschleunigen. Wenn ζ) 50 gesperrt jo ist. wird das Ausgangssignal durch einen Transistor Q XOSA auf einen hohen Spannungspegel gezogen. Der Widerstand /?40 hilft, den Transistor ζ) 49 in seinen nichtleitenden Zustand zu bringen.

Hierzu 4 Blau Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Bistabile integrierte Schaltung mit Hysterese-Verhalten, insbesondere für Drehmelder,

— mit einer Referenzstromquelle /um Erzeugen eines Referenzstromes, die einen ersten Halbleiterübergang (Q2) aufweist, der in Reihe mit einem ersten Widersland (R 2) geschaltet ist,

— mit einer Signaleinrichtung (040. (?41). die mit der Referenzstromquelle verbunden ist und auf ein erstes und ein zweites Eingangssignal hin einen ersten bzw. einen zweiten Signalstrom erzeugt, deren Summe dem Referenzsirom entspricht.

— mit einer mit der Signaleinrichtung verbundenen Schaltvorrichtung f<?45. Q 46, Q 47, Q48) mit HysteriseVerhalten, die einen logischen Schaltzustand einsprechend dem ersten bzw. zweiten Signalstrom liefert und einen ersten Stromspiegel mit einem zweiten Halbleiter-Übergang (Q47) und einem dritten Halbleiter-Übergang f(?45) aufweist, wobei der zweite Halbleiterübergang an den e^rsten Signalstrom und der dritte Haibleilerübergang an den zweiten Signalsirom angeschlossen ist, sowie einen zweiten Stromspiegc! mit einem vierten HaIbleitcrübergang (X?48) und einem fünften HaIblcitcrüberg^ ig (Q 46) aufweist, wobei der vierte Halbleiterübergang an der? /weiten Signalstrom und der fünfte Halbleitcrübergang an den ersten Signalstrom angeschlossen ist,

— und mit einer Ausgangsschaltung (Q 145, Q 146, QSO), die mit mindestens einem der beiden Stromspiegel verbunden ist und auf die Stromleitung durch den ersten und den zweiten Stromspiegel hin ein logisches Ausgangssignal abgibt,

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dadurch gekennzeichnet,