HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Differentialumschaltschaltkreis, insbesondere
einen Umschaltschaltkreis, der aus einem Paar von Transistoren besteht, die gemeinsam
verbundene Emitter aufweisen, die für einen Digital/Analog(D/A)-Wandler verwendet
werden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Differentialumschaltschaltkreise nach dem Stand der Technik, die aus einem Paar von
Transistoren zusammengesetzt sind, die gemeinsam verbundene Emitter und eine Fest-.
stromquelle aufweisen, die mit den Emittern verbunden ist, haben den Nachteil eines
instabilen Ausgangspotentials aufgrund einer temperaturabhängigen Änderung der
Stromverstärkung.- Außerdem besteht in D/A-Wandlern usw., die eine Mehrzahl derartiger
Differentialumschaltschaltkreise verwenden, das Problem einer Änderung der
Stromverstärkungsfaktoren hFE aufgrund von Herstellungsdifferenzen von die Schaltkreise bildenden
Elementen.
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Ein herkömmliches Mittel, diese Schwankungen in einem für einen D/A-Wandler mit
einer Auflösung von mehr als 12 Bits zu überwinden, besteht darin, einen zusätzlichen
Transistor für jedes Transistorenpaar in einer sogenannten "Darlington-Schaltung"
vorzusehen.
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Die Darlington-Schaltkreise vermindern jedoch die Arbeitsgeschwindigkeit des
Schaltkreises. Um die Geschwindigkeit zu erhöhen, ist zwischen jedem der zwei Transistoren in
einer Darlington-Schaltung ein Widerstand eingesetzt worden. Dies führt jedoch zu einer
Stromschwankung durch den Widerstand.
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Zusammenfassend hat der Differentialumschaltschaltkreis nach dem Stand der Technik den
Nachteil einer verminderten Arbeitsgeschwindigkeit im Fall einer stabilen
Stromverstärkung und einer instabilen Stromverstärkung im Fall einer erhöhten
Arbeitsgeschwindigkeit.
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Bei einem anderen Differentialumschaltschaltkreis, der in IBM Technical Disclosure
Bulletin, Band 19, Nr. 7, Dezember 1976, Seite 2562,. beschrieben ist, ist lediglich eine
Seite Darlington-verschaltet. Während das andere Signal an die andere Seite angelegt wird,
wird der Darlington-Seite eine konstante Spannung zugeführt. Klemmdioden sind
vorgesehen, um die Geschwindigkeit des Umschaltvorgangs zu erhöhen. Wenn sich die
Temperatur ändert, wird jedoch der Wert des Stroms, der in den Klemmdioden fließt, stark
verändert und deshalb auch der Ausgangspegel.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Differentialumschaltschaltkreis zu schaffen, der sowohl eine stabile Stromverstärkung wie eine erhöhte
Arbeitsgeschwindigkeit hat und dessen Ausgang durch eine Änderung der Temperatur nicht
beeinflußt wird, ohne daß seine Schaltgeschwindigkeit vermindert wird.
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Die vorstehend genannte Aufgabe kann durch einen Differentialumschaltschaltkreis gelöst
werden, der einen ersten Stromumschaltschaltkreis umfaßt, der einen ersten
Eingangsanschluß hat, an den ein erstes Eingangssignal angelegt wird, und eine erste
Schwellenwertspannung, einen zweiten Stromumschaltschaltkreis, der eine zweite
Schwellenwertspannung hat, die verschieden von der ersten Schwellenwertspannung ist und eine
Konstantstromquelle, die gemeinsam mit den ersten und zweiten Umschaltschaltkreisen verbunden
ist. Der zweite Stromumschaltschaltkreis ist derart aufgebaut, daß er eine Mehrzahl von
Transistoren umfaßt, die in einer Darlington-Schaltung miteinander verbunden sind, in der
der gesamte vom Emitter eines Transistors einer vorausgehenden Stufe fließende Strom
der Basis eines Transistors einer folgenden Stufe zugeführt wird, und einen zweiten
Eingangsanschluß hat, an den ein zweites Eingangssignal angelegt wird, das komplementär
zum ersten Eingangssignal ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der vorliegenden
Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen hervor; es zeigen:
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Fig. 1, 2a und 2b Verdrahtungspläne herkömmlicher Differentialumschaltschaltkreise,
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Fig. 3a einen Verdrahtungsplan einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 3b und 3c Wellenformen der an den Schaltkreis von Fig. 3a angelegten Signalen,
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Fig. 4a bis 4d Erläuterungsansichten der Verdrahtungspläne in Fig. 3a und
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Fig. 5 einen Verdrahtungsplan einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevor die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben werden, wird eine Erläuterung
einiger Verdrahtungspläne nach dem Stand der Technik vergleichsweise angeführt.
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Fig. 1 zeigt einen Verdrahtungsplan eines herkömmlichen Schaltkreises. Dieser Schaltkreis
besteht aus einem Paar von Transistoren Tr2 und Tr3 mit herkömmlich verbundenen
Emittern. Widerstände R&sub2; und R&sub3; sind mit den Kollektoren der Transistoren Tr2 und Tr3
jeweils verbunden. Eine Konstantstromquelle ist mit dem gemeinsamen Emitter
verbunden, welche Quelle einen Transistor Tr1 und einen Widerstand R&sub1; umfaßt, der mit einer
Spannungsquelle V verbunden ist. Eine konstante Spannung Vref ist an die Basis des
Transistors Tr1 angelegt.
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Wenn das Basispotential des Transistors Tr3 höher ist als dasjenige des Transistors Tr2, ist
der Transistor Tr3 angeschaltet und ein Strom fließt durch den Widerstand R&sub3;. Das
Potential eines Ausgangsanschlusses AUS ist deshalb niedrig. Wenn andererseits das
Basispotential
des Transistors Tr3 niedriger ist als dasjenige des Transistors Tr2, kann kein Strom
durch den Widerstand R&sub3; fließen, und das Potential des Ausgangsanschlusses AUS ist
deshalb hoch.
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Der vorstehend genannte Schaltkreis hat den Nachteil, daß das Ausgangspotential
zusammen mit einer temperaturabhängigen Änderung des Stromverstärkungsfaktors hFE
schwankt. D.h., daß obwohl ein konstanter Strom durch den Emitter des Transistors Tr3
geschickt wird, wenn der Transistor Tr1 angeschaltet ist, das Verhältnis der Ströme des
Kollektors und der Basis sich zusammen mit der Temperatur ändert.
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Um diese und andere Schwankungen zu überwinden, sind, wie in Fig. 2a gezeigt,
zusätzliche Transistoren Tr4, Tr6 und Tr5 für die Transistoren Tr3, Tr2 und Tr1 jeweils in einer
Darlington-Schaltung vorgesehen gewesen. Unter der Annahme, daß die
Stromverstärkungsfaktor hFE des Transistors Tr3 und Tr4 gleich sind, ist der Stromverstärkungsfaktor
hFE des Darlington-Schaltkreises, der aus den Transistoren Tr3 und Tr4 besteht, (hFE)².
Dies erlaubt eine Verminderung des Einflusses einer Schwankung des
Stromverstärkungsfaktors hFE auf den Strom, der durch den Widerstand R&sub3; fließt. Dasselbe trifft auf die
Darlington-Schaltkreise zu, die aus den Transistoren Tr2 und Tr6 und den Transistoren
Tr1 und Tr5 bestehen.
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Der in Fig. 2a gezeigte Differential-Umschaltschaltkreis hat jedoch den Nachteil einer
verminderten Arbeitsgeschwindigkeit, da sowohl der aus den Transistoren Tr2 und Tr6
bestehende linke Schalter wie der aus den Transistoren Tr3 und Tr4 bestehende rechte
Schalter Darlington-Schaltkreise sind. Die Geschwindigkeit wird insbesondere deshalb
vermindert, weil die Potentiale an den Verbindungen , und nach einer Eingabe des
Signals in die Anschlüsse und nicht sofort bestimmt sind.
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Um diesen Nachteil zu überwinden, ist ein Widerstand R&sub4; zwischen die Emitter der
Transistoren Tr6 und Tr2 eingesetzt worden, wie in Fig. 2b gezeigt. Dies resultiert jedoch in
einer Schwankung des Stroms.
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Fig. 3a zeigt einen Plan eines Schaltkreises in Übereinstimmung mit einer
Ausführungsform der Erfindung. In den Schaltkreis von Fig. 3a werden, wie in den Fig. 3b und 3c
gezeigt, Komplementärsignale in den linken Transistor Tr2 und die rechten Transistoren Tr3
und Tr4 eingegeben. Das An- und Ab-Schalten dieser Transistoren ändert das Potential an
einer Verbindung 04 Wenn eine Spannung V&sub2; vom "H"-Eingang an einen Anschluß
und eine Spannung V&sub2; vom "L"-Eingang an einen Anschluß angelegt wird, sind die
Transistoren Tr3 und Tr4 angeschaltet und der Transistor Tr2 ist abgeschaltet. In diesem
Fall muß die Beziehung V&sub2; - V&sub1; > 0,8 V erfüllt werden, wobei der Wert 0,8 V die
Spannung von der Basis hinunter zum Emitter des einzigen Transistors ist. Das Potential an der
Verbindung beträgt deshalb V&sub2; - 1,5 V.
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Wenn die Spannung V&sub1; des "L"-Eingangs an den Anschluß und die Spannung V&sub2; des
"H" -Eingangs an den Anschluß angelegt wird, ist der Transistor Tr1 angeschaltet und
die Transistoren Tr3 und Tr4 sind abgeschaltet. In diesem Fall beträgt das Potential an der
Verbindung 04 V&sub2; - 0,8 V, was höher ist als V&sub2; - 1,5 V im ersten Fall, in dem die
Transistoren Tr3 und Tr4 angeschaltet sind. Wenn die Elektronen in dem Emitter des
Transistors Tr3 zum Emitter des Transistors Tr2 gezogen werden, wird der Transistor Tr3
deshalb sofort abgeschnitten. In diesem Schaltkreis trägt der Elektronenstrom zwischen den
Transistoren Tr2 und Tr3 zu einer hohen Schaltgeschwindigkeit bei.
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Dieser Schaltkreis wird in Bezug auf die Fig. 4a bis 4d näher erläutert, in denen n-p-n-
Transistoren dargestellt sind.
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Wenn die Spannung V&sub1; an die Basis des Transistors Tr2 angelegt und die Spannung V&sub2; an
die Basis des Transistors Tr4 angelegt wird, d. h. in dem stationären Zustand, in dem die
Transistoren Tr3 und Tr4 angeschaltet und der Transistor Tr2 ausgeschaltet ist (Fig. 4a),
wird die Basisemitterverbindung des Transistors Tr3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und
das Potential der Emitterseite der Verbindungsfläche beträgt etwa V&sub2; - 1,5 V.
Aufgrund des stationären Zustands ist die Basisemitterverbindung des Transistors Tr2
andererseits umgekehrt vorgespannt. Das Potential der Emitterseite der Verbindungsfläche
und der Verbindung 04 betragen deshalb V&sub2; - 1,5 V.
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Wenn die Spannung V&sub2; an den Transistor Tr2 angelegt und die Spannung V&sub2; an den
Transistor Tr4 (Fig. 4b) angelegt wird, wird die Basisemitterverbindung des Transistors
Tr2 in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Der Transistor Tr2 beginnt anzuschalten und das
Potential der Emitterseite der Basisemitterverbindung des Transistors Tr2 beginnt sofort
V&sub2; - 0,8 V zu werden. Die Spannung V&sub2;, die an die Basis des Transistors Tr4 angelegt
ist, versucht andererseits die Basisemitterverbindungen der Transistoren Tr3 und Tr4
umgekehrt vorzuspannen. Die Zeit, die für dieses umgekehrte Vorspannen notwendig ist, ist
länger als diejenige für die Vorwärtsvorspannung zwischen der Basis und dem Emitter des
Transistors Tr2. Obwohl das Potential der emitterseitigen Fläche der
Basisemitterverbindung
des Transistors Tr2 sich an V&sub2; - 0,8 V annähert, liegt das Potential der Fläche
des Transistors Tr3 deshalb nahe an V&sub2; - 1,5 V.
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In diesem Übergangszustand, der in Fig. 4b gezeigt ist, beträgt die Potentialdifferenz
zwischen den Verbindungsflächen und etwa 0,7 V, durch welche Differenz die
Elektronen des Majoritätsträgers vom Emitter des Transistors Tr3 zu demjenigen des
Transistors Tr2 bewegt werden. Das Ergebnis ist, daß dann, wenn der Transistor Tr1
beginnt, anzuschalten, der Emitter-des Transistors Tr2 mehr Elektronen aus demjenigen des
Transistors Tr3 zieht. Andererseits beginnt der Transistor Tr3 abzuschalten und das
Potential des Emitters des Transistors Tr2 nähert sich V&sub2; - 0,8 V an, wenn die Zeit verstreicht.
In dieser Zeit wirken Tr3 und Tr4 zusammen und beide werden stärker abgeschaltet.
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Fig. 4c zeigt einen stationären Zustand, in dem der Transistor Tr2 angeschaltet ist und die
Transistoren Tr3 und Tr4 abgeschaltet sind. In diesem Zustand betragen die Potentiale der
Flächen und und der Verbindung 04 sämtliche V&sub2; - 0,8 V.
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Wenn die Spannung V&sub1; an den Transistor Tr2 angelegt und die Spannung V&sub2; an den
Transistor Tr4 angelegt wird, beginnt der Transistor Tr4 abzuschalten und die Transistoren
Tr3 und Tr4 beginnen, anzuschalten (Fig. 4d). Während das Potential des Emitters des
Transistors Tr2 sofort geändert wird, ist dies für das Potential desjenigen des Transistors
Tr3 nicht der Fall. Wenn die Spannung V&sub1; an die Basis des Transistors Tr2 in dem An-
Zustand angelegt wird, beginnt das Potential der Verbindungsfläche mit anderen
Worten auf V&sub2; - 0,8 V zu fallen. In diesem Fall beträgt das Potential der Fläche
V&sub2; - 0,8 V. Die Potentialdifferenz V (> 0) bewegt die Elektronen des Emitters des
Transistors Tr2 deshalb zu demjenigen des Transistors Tr3. Das Ergebnis ist, daß der
Transistor Tr2 abgeschaltet und der Transistor Tr3 angeschaltet ist.
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Wenn die Transistoren Tr3 und Tr4 an- oder abgeschaltet werden, so ist aus der
vorstehenden Erläuterung klargeworden, daß der Transistor Tr2 die Elektronen zuführt oder
abzieht. Mit anderen Worten fördert der Transistor Tr2 die Arbeitsweise der Transistoren
Tr3 und Tr4. Der Schaltkreis gemäß dieser Erfindung kann deshalb sogar mit kleinen
Komplementärsignalen mit hoher Geschwindigkeit arbeiten.
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In dem Schaltkreis von Fig. 3 ändert sich das Potential der Verbindung im Gegensatz
zu herkömmlichen links- und rechts-symmetrischen Umschaltschaltkreisen um etwa 0,7 V,
abhängig davon, ob der Transistor Tr2 oder die Transistoren Tr3 und Tr4 angeschaltet
sind. Die 0,7 V-Schwankung im Potential an der Verbindung veranlaßt die
Spannungsdifferenz Vbe2 zwischen der Basis des Transistors Tr5 und dem Emitter des Transistors Tr2
aufgrund des sogenannten "Früheffekts" zu schwanken. Das Potential der Emitterseite des
Transistors Tr1 schwankt deshalb ebenfalls. In einem realen Schaltkreis beträgt die
Schwankung etwa 2 mV. Der Strom IR1 durch den Transistor R&sub1; schwankt deshalb, was
die Stabilität des Schaltkreises ungünstig beeinflußt. Dieser Strom IR1 wird durch die
folgende Gleichung ausgedrückt:
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wobei Vref . . . das an die Basis des Transistors Tr5 angelegte Bezugspotential,
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Vbe2 . . . die Spannungsdifferenz zwischen der Basis des Transistors Tr5 und dem Emitter
des Transistors Tr1,
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V . . . das Potential am Anschluß des Transistors R&sub1; sind.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die
Stromschwankung verhindert wird. In dem Schaltkreis sind Puffertransistoren Tr5, Tr1 und Tr8,
Tr7 in zwei Stufen eingesetzt, um die Stromquelle zu stabilisieren. Drei oder mehr Stufen
sind möglich. Wie in dieser Figur gezeigt, wird eine Bezugsspannung verwendet, um die
Spannung des Stromquellenwiderstands R&sub1; zu stabilisieren, und um den Ausgangsstrom
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¹r1 zu stabilisieren. Wenn die Bezugsspannung VR beträgt, kann der Strom IR1 durch die
folgende Gleichung ausgedrückt werden:
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Wenn der Basisstrombestandteil in einem bipolaren Transistor beseitigt werden soll, kann
ein Teil oder sämtliche der Transistoren in Fig. 5 durch Feldeffekttransistoren ersetzt
werden.