DE3013172A1 - Transistorschaltung mit zwei vergleichspegeln - Google Patents

Description

_ D_n... ,.,_ _ If₁....-. Patentanwälte und

- DÜHLING - IVtNNE Vertreter beim EPA

GD Dipl.-Ing. H.Tiedtke

RUPE - r ELLMANN _ Dipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe 3013172 Dipl.-Ing. B. Pellmann

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3. April 1980

DE 0314 / case TK-5G

TOKO KABUSHIKI KAISHA

Tokyo / Japan

Transistorschaltung mit zwei Vergleichspegeln

Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistorschaltung mit zwei Vergleichspegeln oder Schwellenwerten, die sich leicht dimensionieren läßt und im wesentlichen von Umgebungstemperaturänderungen unabhängig ist,

Bei üblichen Schmitt-Triggerschaltungen besteht das Problem, daß aufwendige Temperaturkompensationsmaßnahmen ergriffen werden müssen, um temperaturstabile Vergleicherpegel bzw. Schwellenwerte zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Transistorschaltung mit zwei verschiedenen Vergleichspegeln bzw. Schwellenwerten zu schaffen, die einfach aufgebaut und leicht dimensionierbar ist.

03GÜ43/0790

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Weiterhin sollen die beiden unterschiedlichen Vergleichspegel bzw. Schwellenwerte von Umgebungstemperaturänderungen unabhängig sein.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln im wesentlichen durch eine mit zwei verschiedenen Vergleichspegeln bzw. Schwellenwerten arbeitende Transistorschaltung gelöst, die einen Vergleicher, der über einen Eingangsanschluß eine Eingangsspannung und über einen Vergleichspegel-Anschluß einen der Vergleichspegel erhält, die Eingangsspannung mit dem Vergleichspegel vergleicht und über einen Ausgangsanschl-uß selektiv einen von zwei verschiedenen Ausgangssignalwerten abgibt, einen Vergleichspegelgenerator, der über den Vergleichspegel-Anschluß mit dem Vergleicher verbunden ist und selektiv einen der beiden Vergleichspegel erzeugt und dem Vergleicher zuführt, und eine sowohl mit dem Vergleichspegelgenerator als auch dem Vergleicher verbundene Steuereinrichtung aufweist, die den Vergleichspegelgenerator derart steuert, daß der Vergleichspegel in Abhängigkeit von dem jeweiligen neuen Zustand des Vergleichers geändert wird.

in den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet.

Der in Betracht gezogene Stand der Technik sowie mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:
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Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer üblichen Schmitt-Triggerschaltung,

Fig. 2 eine schematische Hysteresekurve, die die

Arbeitsweise der bekannten Schmitt-Triggerschaltung sowie der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, und

Fig. 3 bis 5 schematische Schaltbilder eines

ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Transistorschaltung.

Zunächst sei in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 auf den in Betracht gezogenen Stand der Technik näher eingegangen.

Fig. 1 stellt ein schematisches Schaltbild einer üblichen Schmitt-Triggerschaltung dar, die als Spannungsvergleicher arbeitet und zwei Transistoren Q₁ und Qp sowie drei Widerstände R, , flp und R„ aufweist. Wenn im Betrieb der Spannungswert eines an einem Eingangsan-Schluß 2 anliegenden Eingangssignals zunächst niedriger als ein erster Vergleichsspannungswert V₁ (Fig. 2) ist, sperrt der Transistor Q₁, während der Transistor Q_? leitet. Dies hat zur Folge, daß über einen Ausgangsanschluß 4 eine niedrige Ausgangsspannung V₁. erhalten wird. Wenn das Eingangssignal auf den ersten Vergleichsspannungswert V₁ ansteigt, geht der Transistor Q₁ in den leitenden Zustand über, während der Transistor

'2 in den Sperrzustand übergeht. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 gibt daher über den Ausgangsanschluß 4 eine hohe Ausgangsspannung V_R ab. Der erste Vergleichs-

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spannungswert bzw. Schwellenwert V₁ läßt sich ausdrücken durch:

^Vl = (^VCC - ^E(SHt)) ^{R3 /(R2 + R3) + V}

BE

Hierbei bezeichnen V_cc die Versorgungsspannung, V_n-, .x die Kollektor-Sättigungsspannung des Transi-λ Litt· \ sax. j

stors Q„ und V_RF die Emitter-Basis-Spannung des Transistors Q₁ .

Wenn das Eingangssignal dagegen nach dem Überschreiten des Vergleichsspannungswertes V₁ auf einen zweiten Vergleichsspannungswert V_? (Fig. 2) abfällt, kehrt die Schmitt-Triggerschaltung gemäß Fig. 1 wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurück und gibt über den Ausgangsanschluß 4 die niedrige Spannung V_T ab. Der zweite Vergleichsspannungswert V_? ist durch folgende Gleichung gegeben:

- ^VCE(sat)^{) R3}

wobei V'q-g;(gat) ^{die Kol}l^ektor-^Säi;'^tig^ung^ssP^annung des

Transistors GL bezeichnet.

Wenn davon ausgegangen wird, daß V'„, .. mit or« ^Ji \ sat /

^VCE(sat) ¹⁰⁶⁰^i⁵⁰" ist» kann aus den Gleichungen (1) und (2) ein Schalthysteresebereich V_uvo abgeleitet wer

rii ο

den:

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^VHYS ^{= V}l - ^V2

= (V„„ - V^, . . ) R3

'CC ^vCE(sat) _{x πΟ} ^ _R3

^-V O»

Rl + R3

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich somit, daß der erste Vergleichsspannungswert V₁ und der zweite Vergleichsspannungswert V₀ von Umgebungstemperaturänderungen nachteilig beeinflußt werden, da ν_ατΓ einen tempers £j

raturabhängigen Parameter darstellt. Bei der üblichen
Schmitt-Triggerschaltung besteht somit das Problem, daß Maßnahmen zur Kompensation von Umgebungstemperaturänderungen getroffen werden müssen, um temperaturstabile
Vergleichspegel bzw. Schwellenwerte zu gewährleisten.

Zur Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Transistorschaltung sei nun näher auf Fig. 3 eingegangen. Die Transistorschaltung gemäß

Fig: 3 umfaßt einen ersten Transistor Q₀ und einen zwei-

ten Transistor Q., deren Emitter direkt miteinander verbunden und an eine Konstantstromquelle I_c angeschlossen sind. Die Basis des Transistors Q„ ist mit dem Eingangsanschluß 2 verbunden, während die Basis des Transistors Q₄ mit einem Verbindungspunkt 6 eines Spannungsteilers
5 verbunden ist. Der Spannungsteiler 5 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus drei Widerständen R., R₁-
und R_fi, die in Reihe zwischen eine Stromversorgungsleitung 8 und Masse geschaltet sind. Der Kollektor des

Transistors Q₀ ist mit der Basis eines Transistors Q_c
^ "

verbunden, die wiederum direkt mit dessen Kollektor ver-

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bunden ist, so daß der Transistor Q_c als Diode wirkt.

Außerdem ist die Basis des Transistors Q_c mit der Basis

eines mehrere Kollektoren aufweisenden Transistors Q₇ verbunden. Der Kollektor des Transistors Q. ist mit einem ersten Kollektor C₁ des Transistors Q₇ verbunden. Ein zweiter Kollektor C„ ist mit der Basis eines Transistors Q,- verbunden, der als Steuerelement für den Spannungsteiler 5 dient. Ein dritter Kollektor C, ist mit dem Ausgangsanschluß 4 verbunden. Der Emitter des Transistors Q₇ ist an die Stromversorgungsleitung 8 angeschlossen. Der Emitter des Transistors Qj. liegt an Masse, während sein Kollektor mit einem Verbindungspunkt 10 des Spannungsteilers 5 verbunden ist.

Die Transistoren Q_fi und Q₇ bilden eine sog. Stromspiegel-Schaltung. Somit werden die durch die Kollektoren C₁ bis C_Q fließenden jeweiligen Ströme von dem über den Kollektor des Transistors Q_Q fließenden und mit ihnen vorzugsweise identischen Strom gesteuert.

Wenn im Betrieb die an dem Eingangsanschluß 2 anliegende Eingangsspannung zunächst unterhalb eines ersten Schwellenwertes bzw. Vergleichsspannungswertes V' liegt, ist der Transistor Q„ gesperrt, während der Transistor Q. leitet. In diesem Falle befindet sich der Transistor Q im Sperrzustand, so daß der erste Vergleichsspannungswert V' folgendermaßen gegeben ist:

R5 + R6

V- = V (4)

^{1 UL}- R4 + R5 + R6

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Da der Transistor Q„ sperrt, kann kein Strom über den Transistor Q_ fließen. Dies hat zur Folge, daß der Transistor Q₇ sperrt, so daß der Transistor Q. keinen Strom von dem Transistor Q₇ erhält, obwohl er zum Leiten vorgespannt ist. Wenn die Eingangsspannung auf den ersten Vergleichsspannungswert V' ansteigt, wird der Transistor Q„ durchgeschaltet, was das Durchschalten der Transistoren Q₇ und Q₁- zur Folge hat. Das Durchschalten des Transistors Q₁- bewirkt, daß der Vergleichsspannungswert V' an dem Verbindungspunkt 6 von dem Wert V' auf einen zweiten Vergleichsspannungswert V' übergeht, der folgendermaßen definiert ist:

^R5

^V'2-^VCC

wobei Vp_F/ .v die Kollektor-Sattigungsspannung des

Transistors Q₁- ist.

In Gleichung (5) ist der Betrag von V , * jedoch derart klein, daß er vernachlässigbar ist und sich der zweite Verglexchsspannungswert V' in der nachstehend wiedergegebenen Form festlegen läßt:

R5

2 = ^VCC

R4 + R5

Somit läßt sich ein Schalthysteresebereich V' „„ fol-

rii ο gendermaßen definieren:

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^V'hYS

/ R5 + RG R5 \

= V ί . (7)

\ R4 + R5 + R6 R4 + R5 /

Da der erste Vergleichsspannungswert V' somit lediglich eine Funktion von V^_n und den Widerstandswer-

L/O

ten der Widerstände R. bis R_fi ist, ist sein Betrag V' unabhängig von jeglichen Umgebungstemperaturänderungen. Darüber hinaus ist V_rF, . ·, im Vergleich zu Y_cc sehr klein und im Vergleich zu V₁₃₁-, sehr stabil in bezug auf Umgebungstemperaturänderungen, so daß der zweite Vergleichsspannungswert V' ebenfalls im wesentlichen frei von Beeinflussungen durch Umgebungstemperaturänderungen ist. Durch diese Schaltungsanordnung kann somit die beim Stand der Technik vorhandene Temperaturabhängigkeit der Vergleichspegel bzw. Schwellenwerte vollständig vermieden werden.

Es sei nun näher auf die Fig. 4 und 5 eingegangen, in denen ein zweites und ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Transistorschaltung dargestellt sind. Der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die beim ersten Ausführungsbeispiel vorhandenen Transistoren Q₆ und Q„ nunmehr zu einem einzigen Mehrfachkdllektor-Transistor Q„ zusammengefaßt sind. Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist in bezug auf seine Arbeitsweise mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch, weist jedoch eine bessere Eignung für die Herstellung als integrierter Schaltkreis auf, da der Transistor Q_R weniger Raum einnimmt.

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Der Unterschied zwischen dem ersten und dem dritten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß der bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorhandene Transistor Q„ nunmehr in drei getrennte Transistoren Q_q, Q_1n und Q₁₁ aufgeteilt ist. Da die Arbeitsweise des dritten Ausführungsbeispiels mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels identisch ist, erübrigt sich eine weitere Beschreibung.

Sämtlichen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Vergleichspegel bzw. Vergleichsspannungswerte V' und Vp auf einfache Weise bestimmt oder vorgegeben werden können, da sie jeweils lediglich eine Funktion von V^-, und den Widerstandswerten der Widerstände sind.

Im-übrigen können bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Widerstände des Spannungsteilers 5 auch durch andere geeignete Bauelemente, wie z. B. durch Zenerdioden, ersetzt und darüber hinaus weitere Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden.

Bei der vorstehend beschriebenen Transistorschaltung erhält somit ein Vergleicher eine Eingangsspannung sowie einen von zwei Vergleichspegeln und gibt in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis selektiv eines von zwei Ausgangssignalen ab, die verschiedene Werte aufweisen. Ein Vergleichspegelgenerator ist mit dem Vergleicher verbunden und führt in Abhängigkeit von einer

durch eine Steuereinrichtung erfolgenden Steuerung selektiv eines der beiden Vergleichspegel dem Vergleicher zu. Die Steuereinrichtung ist sowohl mit dem Vergleichspegelgenerator als auch dem Vergleicher verbunden und steuert den Vergleichspegelgenerator derart,

daß der Vergleichspegel in Abhängigkeit von dem jewei-

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1 ligen neuen Zustand des Vergleichers geändert wird.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   1/ Transistorschaltung mit zwei verschiedenen Vergleichspegeln, gekennzeichnet, durch einen Eingangsanschluß (2), durch einen Ausgangsanschluß (4), durch einen Vergleichspegel-Anschluß (6), durch einen Ver

   gleicher (Q bis Q₇,

   „;

   Q_g bis

   der über den

   Eingangsanschluß (2) eine Eingangsspannung und über den Vergleichspegel-Anschluß (6) einen der Vergleichspegel zum Vergleich der Eingangsspannung mit dem jeweiligen Vergleichspegel erhält und über den Ausgangsanschluß (4) selektiv eines von zwei Ausgangssignalen abgibt, die verschiedene Werte aufweisen, durch einen mit dem Vergleicher über den Vergleichspegel-Anschluß (6) verbundenen Vergleichspegelgenerator (5), der selektiv einen der beiden Vergleichspegel erzeugt und dem Vergleicher zuführt, und durch eine mit sowohl dem Vergleichspegelgenerator als auch dem Vergleicher verbundene Steuereinrichtung (Q₁-), die den Vergleichspegelgenerator derart steuert, daß der Vergleichspegel in Abhängigkeit von dem jeweils neuen Zustand des Vergleichers geändert wird.
2. 2. Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch

   X/rs

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   gekennzeichnet, daß der Vergleichspegelgenerator (5) ein Spannungsteiler (R , R₅, R_g) ist.
3. 3. Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher eine mit der Steuereinrichtung (Q₁-) verbundene Stromspiegel-Schaltung (Q₆, Q₇; Q₈; Q₅₅ Q_g, Q₁₀, Q₁₁), eine Konstantstromquelle (L) und einen ersten Transistor (Qq) sowie einen zweiten Transistor (Q ) aufweist, deren Emitter mit der Konstantstromquelle (I„) und deren Kollektoren mit der Stromspiegel-Schaltung verbunden sind, während die Basis des ersten Transistors (Q₀) mit dem Eingangsanschluß (2) und die Basis des zweiten Transistors (Q₄) mit dem Vergleichspegel-Anschluß (6) verbunden sind.
4. 4. Transistorschaltung nach einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein dritter Transistor (Qc) ist, dessen Basis mit der Stromspiegelschaltung, dessen Kollektor mit dem Vergleichspegelgenerator (5) und dessen Emitter mit Masse verbunden sind.
5. 5. Transistorschaltung nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegel-Schaltung einen vierten Transistor (Q_fi)j dessen Basis mit sowohl dem Kollektor des vierten Transistors als auch dem Kollektor des ersten Transistors (Q₀) und dessen Emitter mit einer Stromversorgungsquelle (8) verbunden sind, und einen Mehrfachkollektor-Transistor (Q₇) mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Kollektor (C₁, C„ bzw. C₃), dessen Basis mit der Basis des vierten Transistors (Q_c), dessen erster Kollektor

   (C₁) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q₄), dessen zweiter Kollektor (C_?) mit der Basis des drit-

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   ten Transistors (Q₁-), dessen dritter Kollektor (C„) mit dem Ausgangsanschluß (4) und dessen Emitter mit der Stromversorgungsquelle (8) verbunden sind, aufweist.
6. 6. Transistorschaltung nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegel-Schaltung einen Mehrfachkollektor-Transistor (Q_ft) ^mit einem ersten, einem zweiten, einem dritten und einem vierten Kollektor aufweist, dessen Basis sowohl mit dem ersten Kollektor als auch dem Kollektor des ersten Transistors (Q_Q), dessen zweiter Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q₄), dessen dritter Kollektor mit der Basis des dritten Transistors (Q₁-), dessen vierter Kollektor mit dem Ausgangsanschluß (4) und dessen Emitter mit einer Stromversorgungsquelle (8) verbunden sind.
7. 7. Transistorschaltung nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegel-Schaltung einen vierten Transistor (Q_fi)> einen fünften Transistor (Qq), einen sechsten Transistor (Q_1n) und einen siebten Transistor (Q₁₁) aufweist, deren Basen sämtlich miteinander und deren Emitter sämtlich mit einer Stromversorgungsquelle (8) verbunden sind, während die Basis des vierten Transistors (Q_R) sowohl mit dem Kollektor des vierten Transistors als auch dem Kollektor des ersten Transistors (Q_Q), der Kollektor

   des fünften Transistors (Qq) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q₄), der Kollektor des sechsten Transistors (Q₁₀) mit der Basis des dritten Transistors (Q₁-) und der Kollektor des siebten Transistors (Q₁₁) mit dem Ausgangsanschluß (4) verbunden sind.

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