DE3013172C2

DE3013172C2 - Transistor-Vergleicherschaltung

Info

Publication number: DE3013172C2
Application number: DE3013172A
Authority: DE
Inventors: Koichi Tokio/Tokyo Sakai
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 1979-04-05
Filing date: 1980-04-03
Publication date: 1991-01-24
Also published as: JPS55144437U; US4375598A; DE3013172A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistor-Vergleichcrschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentan-Spruchs 1.

Bekanntermaßen besteht bei Transistor-Vergleicherschaltungen in Form üblicher Schmitt-Triggerschaltungen das Problem, daß aufwendige Temperaturkompensationsmaßnahmen ergriffen werden müssen, um temperaturstabile Vergleichspegel bzw. Schwellenwerte zu gewährleisten.
So ist z. B. aus der DE-AS 2b 01 572 eine Schmitt-Triggerschaltung mit Hystereseeffekt bekannt, bei der ein

so von einem ersten und zweiten Transistor gebildeter Differenzverstärker Verwendung findet, dessen Steuerspannung den die Eingänge des Differen/.verstärkers bildenden Basen der beiden Transistoren zugeführt wird. Solange die Basisspannung des ersten Transistors unter derjenigen des zweiten Transistors liegt, wirkt der erste Transistor mit seiner Basis-Emitter-Strccke als Diode, deren Strom den Gesamtstrom einer ersten Konstantstromquelle um einen Teilstroni derart verringert, daß der über den zweiten Transistor fließende restliche

Teilstrom beeinflußt wird. Der zweite Transistor arbeitet in Basisschaltung und führt im wesentlichen den zweiten Teilstrom einer aus einem dritten und vierten Transistor bestehenden Stromspiegelschaltung zu. Sobald bei dieser Steuerung mit Hilfe des Basisstroms des ersten Transistors der maximal über den vierten Transistor fließende gespiegelte Teilstrom die Stromkapa/.ität einer zweiten Konstantstromquelle unterschreitet, wird durch den überschüssigen Strom dieser zweiten Konstantstromquelle ein Schaltvorgang an einem fünften

w) Transistor hervorgerufen Wenn dieser fünfte Transistor durchgcschallcl ist, arbeitet der erste Transistor als Emitterfolger zur weiteren Steuerung des Teilstroms der ersten Konstantstromquelle, durch den wiederum der Teilstrom für den /weilen Transistor und die Stromspicgclschaliiing gesteuert wird. Fällt dann die Basisspannung des ersten Transistors so weit ab, daß der über die Stronispicgclschaltung zum vierten Transistor gespiegelte Teilstrom die Stromkapa/.ität der /weiten Konstanlstromqiiclle erreicht, sperrt der fünfte Transistor

bü wieder, wodurch die ursprüngliche Funktion des ersten Transistors als Diode wieder hergestellt wird. Die Schaltpegelumstellung erfolgt somit im wesentlichen dadurch, daß /wischen den Funktionen des ersten Transistors als Diode einerseits und Emitterfolger andererseits umgeschaltet wird, womit ein möglichst großer regelbarer Hystcrcsebcrcich erreicht werden soll. Die Verwendung von zwei Konsiantstromqucllcn zur Bildung der

Steuerstrompegel ist jedoch recht aufwendig. Darüber hinaus ist auch in diesem Falle eine temperaturabhängige Einhaltung der Steuerstrompegel mit Schwierigkeilen verbunden.

Weiterhin ist aus der DE-OS 22 44 581 eine z. B. bei Kraftfahrzeugen als Drehzahlschaher für eine Wandlerschaltkupplung verwendbare Transistor-Schalteinrichtung bekannt, bei der zur Vergleichspegel-Umschaltung ein Schaltvorgang an einem Spannungsteiler erfolgt. Maßnahmen zur Unterdrückung von Temperatur- und Ausgangsbelastungsabhängigkeit sind jedoch nicht getroffen.

Darüber hinaus ist aus der DE-OS 22 26 418 eine Transistor-Vergleicherschaltung der eingangs genannten Art mit einer Differenzstufe aus einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor bekannt, die über ihre Basen jeweils mit einem Eingang bzw. einem Vergleichspegel-Spannungsteiler-Ausgang, über ihre Emitter gemeinsam mit einer Konstantstromquelie und über ihre Kollektoren jeweils mit einer Basis-Emitter-Strecke und einer ersten bzw. zweiten Emitter-Kollektor-Strecke einer Stromspiegelschaltung verbunden sind. Hierbei sind der zweite Transistor sowie die zugehörige zweite Emitter-Kollektor-Sirccke der Stromspiegelschaltung Bestandteile eines nachgeschalteten Rückkopplungsschaltgliedes, so daß eine gegenseitige Beeinflussung auftritt. Dies hat zur Folge, daß je nach Schaltzustand der G esamtschaltung der zwei te Transistor mit einem im Vergleich zum ersten Transistor unterschiedlichen Kollektorstrom betrieben wird, der für die Wirkungsweise dieser Triggerschaltung von wesentlicher Bedeutung ist und sich noch steigern läßt, indem der erste Transistor mit einer größeren Emitterfläche als der zweite Transistor versehen wird. Aufgrund der unterschiedlichen Kollektorströme werden der erste und zweite Transistor jedoch mit verschiedenen Arbeitspunkten betrieben, was bei der bekannten Temperaturabhängigkeit von Halbleitern dazu führt, daß die Schaltung ein temperaturabhängiges Ansprechverhalten aufweist. Darüber hinaus ist das nachgesehaltete Rüekkopplungsschaltglied ebenfalls tempe- ja raturabhängig und außerdem noch durch die jeweilige Ausgangslasl beeinflußbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Transistor-Vergleicherschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß ein Schaltvorgang bei jeweils einem von zwei leicht einstellbaren Vergleichspegeln erfolgt, welche weitgehend temperatur- und ausgangsbeUistungsunabhängig sind. >■>

Diese Aufgäbe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Erfindungsgemäß sind somit die Kollektorstromstrecken der beiden Transistoren der Differenzstufc symmetrisch ausgestaltet, damit die beiden Transistoren stets mit gleichen Kollektorströmen beaufschlagt werden können. Damit diese Stromsymmetrie nicht vom Umschalten des Vergleichspegels nachteilig beeinflußt wird, ist die Stromspiegelschaltung mit einer dritten Emittrr-Kollektor-Strecke versehen, die keinerlei Rückwirkung auf jo die erste und zweite Emitter-Kollektor-Strecke hat. Eine Beeinflussung der Stromsymmetrie durch eine etwaige Ausgangsbelastung wird durch eine vierte Emitler-Kollektor-Strecke vermieden, die ebenfalls keine Rückwirkung hat.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein s^hematisches Schaltbild einer üblichen Schmitt-Triggerschaltung,

Fig. 2 eine Hysterese-Kennlinie, die die Arbeitsweise von Transistor-Vergleicherschaltungen veranschaulicht, und

F i g. 3 bis 5 schematische Schaltbilder eines ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Transistor-Vergleicherschaltung.

Zunächst wird in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 auf eine übliche Schmitt-Triggerschaltung näher eingegangen.

Fig. 1 stellt ein schematisches Schaltbild einer solchen Schmitt-Triggerschaltung dar, eic als Spannungsvergleicher arbeitet und zwei Transistoren Qi und O: sowie drei Widerstände /?,, R_: und R₁ aufweist. Wenn im Betrieb der Spannungswert eines an einem Eingangsanschluß 2 anliegenden Eingangssignals zunächst niedriger als ein erster Vergleichsspannungswert Vi (F i g. 2) ist, sperrt der Transistor Q\, während der Transistor Q? leitet. Dies hat zur Folge, daß über einen Ausgangsanschluß 4 cine niedrige Ausgangsspannung V/ erhalten wird. Wenn das Eingangssignal auf den ersten Vergleichsspannungswert V, ansteigt, geht der Transistor Q] in den leitenden Zustand über, während der Transistor (finden Sperrzustand übergeht. Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 gibt daher über den Ausgangsanschluß 4 eine hohe Ausgangsspannung Vn ab. Der erste Vergleichsspannungswert bzw. Schwellenwert Vi läßt sich ausdrücken durch:

V, = (Vcc- V_n^₁₀)RiZ(Rl + R3) + V₁₁₁; (1)

Hierbei bezeichnen V« die Versorgungsspannung, V₍/_:i„,)die Kollektor-Sättigungsspannung des Transistors (^2und Vßfdie Emitter-Basis-Spannung des Transistors Qi.

Wenn das Eingangssignal dagegen nach Überschreiten des Vergleichsspannungswertes Vi auf einen zweiten Vergleichsspannungswert V₂ (F i g. 2) abfällt, kehrt die Schmitt-Triggerschaltung gemäß F i g. 1 wieder in ihren wi ursprünglichen Zustand zurück und gibt über den Ausgangsanschluß 4 die niedrige Spannung V/ ab. Der zweite Vergleichsspannungswert V₂ ist dutch folgende Gleichung gegeben:

V₂ = (V, ν - V'_rih,,j) R V(R 1 + R 3) + V₁₁₁. (2)

wobei VVr^,,,;die Kollektor-Sättigungsspannung des Transistors Q, be/eichnel.

Wenn davon ausgegangen wird, daß V'</.,,.,,j mit V< 7.·^.,,; identisch ist. kann aus den Gleichungen (1) und (2) ein

Schalthysteresebereich V,,>_s abgeleitet werden:

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich somit, daß der erste Vergleichsspannungswert V₁ und der zweite Vergleichsspannungswert V₂ von Umgebungstcmperaturänderungen nachteilig beeinflußt werden können, da Vm einen temperaturabhängigen Parameter darstellt. Bei üblichen Schmitt-Triggcrschaltungen besteht somit das Problem, daß Maßnahmen zur Kompensation von Umgebungstemperaturänderungen getroffen werden

ίο müssen, um temperaturstabile Vergleichspegel bzw. Schwellenwerte zu gewährleisten.

Zur Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Transistor-Vergleicherschaltung sei nun näher auf F i g. 3 eingegangen. Die Transistor-Vergleichsschaltung gemäß F i g. 3 umfaßt einen ersten Transistor Qi und einen zweiten Transistor ζλι, deren Emitter direkt miteinander verbunden und an eine Konstantstromquclle /y angeschlossen sind. Die Basis des Transistors Qs ist mit dem Eingangsanschluß 2 verbun-ι den. während die Basis des Transistors Q* mit einem Verbindungspunkt 6 eines Vergleichspegel-Spannungsteiiers 5 verbunden ist. Der Vcrgieichspegei-Spannungsteiier 5 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus drei Widerständen Rt. /?', und Rt, die in Reihe zwischen eine Stromvcrsorgungsleitung S und Masse geschaltet sind. Der Kollektor des Transistors Q₁ ist mit der Basis eines Transistors Qt, verbunden, die wiederum direkt mit dessen Kollektor verbunden ist, so daß der Transistor Q* als Diode wirkt. Außerdem ist die Basis des Transistors Qf mit der Basis eines mehrere Kollektoren aufweisenden Transistors Qi verbunden. Der Kollektor des Transistors Q, ist mit einem ersten Kollektor Ci des Transistors Qi verbunden. Ein zweiter Kollektor Ci ist mit der Basis eines Transistors Q^ verbunden, der als Steuerelement für den Verglcichspegel-Spannungsteiler 5 dient. Ein dritter Kollektor Cj ist mit dem Ausgangsanschluß 4 verbunden. Der Emitter des Transistors Qi ist an die Stromversorgungsleitung 8 angeschlossen. Der Emitter des Transistors Q-, liegt an Masse, während sein Kollektor mit einem Verbindungspunkt 10 des Spannungsteilers 5 verbunden ist.

Die Transistoren Qt und Qi bilden eine Stromspiegelschaltung. Somit werden die durch die Kollektoren C\ bis Ci fließenden jeweiligen Ströme von dem über den Kollektor des Transistors Qt fließtenden und mit ihnen vorzugsweise identischen Strom gesteuert.

Wenn im Betrieb die am Eingangsanschluß 2 anliegende Eingangsspannung zunächst unterhalb eines ersten Schwellenwertes bzw. Vergleichsspannungswcrtes V'\ liegt, ist der Transistor Qt gesperrt, während der Transistor Qt leitet. In diesem Falle befindet sich der Transistor ζ>-, im Sperrzustand, so daß der erste Vergleichsspannungswert V'\ folgendermaßen gegeben ist:

y[-V_cc , (4)

R4+RS + R6

Da der Transistor Q_s sperrt, kann kein Strom über den Transistor Qt fließen. Dies hat zur Folge, daß der Transistor Q: sperrt, so daß der Transistor Qa keinen Strom vom Transistor Qi erhält, obwohl er zum Leiten vorgespannt ist. Wenn die Eingangsspannung auf den ersten Vorgleichsspannungswcrt V'i ansteigt, wird der Transistor Qi durchgeschü Itet. was das Durchschalten der Transistoren Qi und Q', zur Folge hat. Das Durchschalten des Transistors Q-, bewirkt, daß der Vergleichsspannungswert V₁ am Verbindungspunkt 6 vom Wert V'i auf einen zweiten Vergleichsspannungswert Vi übergeht, der folgendermaßen definiert ist:

*-^y+V ⁽⁵⁾

wobei Vcn*n)d\e Kollektor-Sättigungsspannung des Transistors ζ)', ist.

in Gleichung (5) ist der Betrag von V₁ if..n) jedoch derart klein, daß er vernachlässigbar ist und sich der zweite Vergleichsspannungswert V₂ in der nachstehend wiedergegebenen Form festlegen läßt:

V> V ^R5

^VV ⁽⁶⁾

Somit läßt sich ein Schalthysteresebereich V'/n.s folgendermaßen definieren:

Da der erste Vergleichsspannungswert V'i somit lediglich eine Funktion von Vorund den Widerstandswerten der Widerstände R, bis /?„ ist. ist sein Betrag V'i unabhängig von jeglichen Umgebungstemperaturänderungen. Darüber hinaus ist V₁ ·,,>.„; im Vergleich /u V,,· sehr klein und im Vergleich zu Vm: sehr stabil in bezug auf Umgebungstemperaturänderungen, so daß der zweite Vergleichsspannungswert Vi ebenfalls im wesentlichen frei von Beeinflussungen durch Umgebungstemperaturändcrungen ist. Durch diese Schaltungsanordnung kann somit eine Temperaturabhängigkeit der Vergleichspegel bzw. Schwellenwerte vollständig vermieden werden.

Es wird nun auf die F i g. 4 und 5 eingegangen, in denen ein zweites und ein drittes Ausführungsbeispiel der Transistor-Vergleicherschahung dargestellt sind. Der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die beim ersten Ausführungsbeispiel vorhandenen Transistoren Q_b und Q? nunmehr zu einem einzigen Mehrfachkollektor-Transistor Q₁, zusammengefaßt sind. Das zweite Ausführungs-

beispiel gemäß Fig. 4 ist in bezug auf seine Arbeitsweise mit dem eisten Ausführungsbeispiel identisch, weist jedoch eine bessere Eignung für die Herstellung als integrierter Schaltkreis auf, da der Transistor Q* weniger Raum einnimmt.

Der Unterschied zwischen dem ersten und dem dritten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß der beim ersten Ausführungsbeispiel vorhandene Transistor Qi nunmehr in drei getrennte Transistoren ζλι, ζ),» und Ow 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 V'i auf einfache Weise bestimmt oder vorgegeben werden können, da sie jeweils lediglich eine Funktion von Vcx und den Widerstandswertender Widerstände sind.

Im übrigen können bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Widerstände des Spannungsteilers 5 auch durch andere geignete Bauelemente, wie z. B. durch /enerdioden. ersetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistor-Vergleicherschaltung mit einer Differenzslufe aus einem ersten und einem zweiten Transistor, der über ihre Basen jeweils mit einem Eingang bzw. einem Vergicichspegel-Spannungsteiler-Ausgang, über ihre Emitter gemeinsam mit einer Konstantstromquelle und über ihre Kollektoren jeweils mit einer Basis-Emitter-Strecke und einer ersten Emitter-Kollektor-Strecke bzw. einer zweiten Emitter-Kollektor-Strecke einer ein Ausgangssignal und ein Vergleichspegel-Umschaltsignal erzeugenden Stromspiegelschaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Qs) und der zweite Transistor (Qa) sowie die erste und zweite Emitter-Kollektor-Strecke der Stromspiegelschaltung (Qb, Qr, Qs;

in Qa. Qi, CV Q\i) jeweils symmetrisch ausgebildet und mit gleichen Kollektorströmen beaufschlagt sind, und

daß die Stromspiegelschaltung eine dritte Emitter-Kollekior-Strecke, die das Vergleichspegel-Umschaltsignal einem dritten Transistor (Qs) zum Kurzschließen eines Teilwiderstands (R_b) des Vergleichspegel-Spannungsteilers (5) zuführt, und eine das Ausgangssignal bildende vierte Emitter-Kollektor-Strecke aufweist.

2. Transistor-Vergleicherschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor (Qt) über seine Basis mit der dritten Emitter-Kollekiorstrecke der Stromspiegelschaltung, über seinen

Kollektor mit dem Teilwiderstand (R_h) des Vergleichspegcl-Spannungsteilers (5) und über seinen Emitter mit Masse verbunden ist.

3. Transistor-Vergleicherschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegelschaltung einen vierten Transistor (Qh), dessen Basis mit seinem Kollektor sowie dem Kollektor des ersten

Transistors (Qs) und dessen Emitter mit einer StromversorgungsquelJe (8) verbunden sind, und einen Mehrfachkollektor-Transistor (Q₇) mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Kollektor (Q, C₂ bzw. C₃), dessen Basis mit der Basis des vierten Transistors (Qt), dessen erster Kollektor (Q) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q*), dessen zweiter Kollektor (C₂) mit der Basis des dritten Transistors (Qs), dessen dritter Kollektor (Cy) mit einem Ausgangsanschluß (4) und dessen Emitter mit der Stromversorgungsquelle

(8) verbunden sind, aufweist.

4. Transistor-Vergleicherschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegelschaltung einen Mehrfachkollektor-Transistor (Q») mit einem ersten, einem zweiten, einem dritten und einem vierten Kollektor aufweist, dessen Basis mit seinem ersten Kollektor sowie dem Kollektor des ersten Transistors (Q₃), dessen zweiter Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q*), dessen dritter

jo Kollektor mit der Basis des dritten Transistors (QJ), dessen vierter Kollektor mit einem Ausgangsanschluß (4)

und dessen Emitter mit einer Stromversorgungsqucllc (8) verbunden sind.

5. Transistor-Vergleicherschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegelschaltung einen vierten Transistor (Q*), einen fünften Transistor (Qt), einen sechsten Transistor (ζ>ιο) und einen siebten Transistor (Qu) aufweist, die sämtlich über ihre Basen miteinander und über ihre Emitter mit einer Strom Versorgungsquelle (8) verbunden sind, während die Basis des vierten Transistors (Qi,) mit seinem Kollektor sowie dem Kollektor des ersten Transistors (Qt). der Kollektor des fünften Transistors (Q*) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Qt), der Kollektor des sechsten Transistors (Qm) mit der Basis des dritten Transistors (Q*) und der Kollektor des siebten Transistors (Q₁₁) mit einem Ausgangsanschluß (4) verbunden sind.