DE3521169C2

DE3521169C2 -

Info

Publication number: DE3521169C2
Application number: DE19853521169
Authority: DE
Inventors: Kurt 7153 Weissach De Erbele
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1985-06-13
Publication date: 1987-11-12
Also published as: DE3521169A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Signalanpassung in der elektronischen Digitaltechnik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

In der elektronischen Digitaltechnik sind verschiedene Schaltkreissysteme gebräuchlich, welche sich u. a. durch die Höhe ihrer Betriebsspannung unterscheiden. Sie unterscheiden sich ferner dadurch, ob und gegebenenfalls welcher der zwei Pole der Betriebsspannungsquelle mit einem Bezugspotential, z. B. Erdpotential oder Massepotential, verbunden ist. Bei einigen Schaltkreissystemen ist es der Pluspol, bei anderen der Minuspol. Die verschiedenen Schaltkreissysteme unterscheiden sich außerdem durch weitere Eigenschaften, wie z. B. die höchstmögliche Schaltgeschwindigkeit und den Energieverbrauch. Welches Schaltkreissystem man auswählt, hängt davon ab, welche seiner Eigenschaften im jeweiligen Anwendungsfall am wichtigsten sind.

In den zweiwertigen Schaltkreissystemen sind für die zwei möglichen logischen Zustände zwei Signalpegelwerte festgelegt, welche auf den Signalleitungen sowie Signalein- und ausgängen auftreten. In Schaltkreissystemen, in denen ein Pol der Betriebsspannungsquelle mit dem Bezugspotential verbunden ist, legt man als den ersten Signalpegelwert das Bezugspotential und als zweiten Signalpegelwert das Potential des nicht mit dem Bezugspotential verbundenen Pols der Betriebsspannungsquelle fest. In der Praxis lassen sich diese vorgenannten idealen Signalpegelwerte nicht erreichen, sondern man muß mit den für jedes Schaltkreissystem festgelegten Grenz-Signalpegelwerten rechnen. Beide Grenz-Signalpegelwerte liegen zwischen dem Bezugspotential und dem Potential des nicht mit dem Bezugspotential verbundenen Pols der Betriebsspannungsquelle, wobei der erste Grenz-Signalpegelwert dem Bezugspotential am nächsten liegt.

Für den ersten Grenz-Signalpegelwert ist ein höchstzulässiger Betrag festgelegt, um den er vom Bezugspotential abweichen darf. Für den zweiten Grenz-Signalpegelwert ist andererseits der geringste zulässige Betrag festgelegt, den er gegenüber dem Bezugspotential aufweisen muß.

Sollen zwei Schaltkreissysteme miteinander verbunden werden, welche sich in der Polarität ihrer Betriebsspannungen gegenüber dem Bezugspotential und möglicherweise auch noch in den Beträgen ihrer Betriebsspannungen unterscheiden, so sind zwischen den Signalausgängen des ersten Schaltkreissystems und den Signaleingängen des zweiten Schaltkreissystems Schaltungsanordnungen zur Signalpegelanpassung einzufügen.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus dem Buch "Digitale Elektronik" von Gerhard Wolf, Franzis-Verlag München, 1969, bekannt. Dort ist im Abschnitt 3.7 beschrieben, wie mittels einem ersten und einem zweiten Transistor eine Signalpegelanpassung zwischen zwei Schaltkreissystemen mit gegenüber dem Bezugspotential unterschiedlich gepolten Betriebsspannungen vorgenommen wird.

Diese bekannte Schaltungsanordnung weist keine bestimmte Schaltschwelle auf; d. h. die Spannung am Signalausgang des ersten Schaltkreissystems, bei welcher der erste Transistor vom leitenden in den gesperrten bzw. vom gesperrten in den leitenden Zustand übergeht, ist von seinen jeweiligen Eigenschaften, z. B. Exemplarstreuungen, abhängig. Diese bekannte Schaltungsanordnung ist also nur bei einem verhältnismäßig großen Unterschied zwischen den beiden Grenz-Signalpegelwerten brauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Signalpegelanpassung der obigen Art anzugeben, welche auch bei einem verhältnismäßig geringen Unterschied zwischen den beiden Grenz-Signalpegelwerten sicher arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches gelöst.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Fig. 1 dargestellten Beispiels erläutert.

Es bedeuten

B 1, B 2eine erste und eine zweite Betriebsspannungsquelle,U 1, U 2eine erste und eine zweite Betriebsspannung,S 1, S 2ein erstes und ein zweites Schaltkreissystem,R 1, R 2, R 3ein erster, zweiter und dritter Widerstand,TS 1, TS 2ein erster und ein zweiter Transistor,D 1 bzw. D 1′ein Referenzspannungselement, SAein Signalausgang, SEein Signaleingang, SP 1, SP 1 _max ,
SP 2, SP 2 _minSignalpegelwerte am Signalausgang SA, +P 1, -P 1,
+P 2, -P 2Pole der Betriebsspannungsquellen B 1 bzw. B 2, +P 1, -P 1′,
+P 2′, -P 2′Anschlüsse für die Betriebsspannungszuführung der Schaltkreissysteme, BPBezugspotential, EErde.

Die erste Betriebsspannungsquelle B 1 weist den Pluspol +P 1 sowie den Minuspol -P 1 auf, liefert die erste Betriebsspannung U 1 und versorgt damit über die Anschlüsse +P 1′ sowie -P 1′ das erste Schaltkreissystem S 1. Das gleiche gilt sinngemäß für die zweite Betriebsspannungsquelle B 2, ihrem Plus- bzw. Minuspol +P 2 bzw. -P 2, der zweiten Betriebsspannung U 2 und dem zweiten Schaltkreissystem S 2 mit seinen Anschlüssen +P 2′ sowie -P 2′. Von der ersten Betriebsspannungsquelle B 1 ist der Minuspol -P 1 mit dem Bezugspotential BP verbunden, bei der zweiten Betriebsspannungsquelle B 2 ist dies beim Pluspol +P 2 der Fall. Das heißt, die nicht mit dem Bezugspotential BP verbundenen Pole +P 1 bzw. -P 2 weisen unterschiedliche Polarität auf. Das Bezugspotential BP ist hier gleichbedeutend mit dem Erdpotential, was durch die Erde E angedeutet ist.

Zum Aufbau des ersten Schaltkreissystems S 1 bieten sich die integrierten Schaltungen aus der sogen. TTL(Transistor- Transistor-Logik)-Serie an, welche eine Betriebsspannung von 5 V erfordern. Das zweite Schaltkreissystem sei für eine Betriebsspannung von 12 V bemessen. Jedes Schaltkreissystem weist viele Signalein- und -ausgänge auf. Hier ist nur ein einziger Signalausgang SA des ersten Schaltkreissystems S 1 und ein einziger Signaleingang SE des zweiten Schaltkreissystems S 2 sowie die eine, diesen Signalausgang SA mit dem Signaleingang SE verbindende erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Signalpegelanpassung gezeichnet.

Bei einer Betriebsspannung U 1 von 5 V des ersten Schaltkreissystems S 1 werden als die idealen ersten und zweiten Signalpegelwerte SP 1 bzw. SP 2 das Bezugspotential, auch mit 0 V bezeichnet, und +5 V angenommen. Für die TTL-Serie sind an den Signalausgängen festgelegt:

erster Grenz-Signalpegelwert SP 1 _max= 0,4 V zweiter Grenz-Signalpegelwert SP 2 _min= 2,4 V.

Weist der Signalausgang SA einen Signalpegel unterhalb des ersten Grenz-Signalpegelwertes SP 1 _max auf, so ist der Transistor TS 1 leitend gesteuert und das Referenzspannungselement D 1 stromlos. Der Widerstand R 1 begrenzt durch seine Gegenkopplungswirkung den Kollektorstrom des ersten Transistors TS 1. Wegen der unmittelbaren Verbindung der Kollektorelektrode des ersten Transistors TS 1 mit der Basiselektrode des zweiten Transistors TS 2 ist der Kollektorstrom des ersten Transistors TS 1 bis auf den vernachlässigbaren, über den zweiten Widerstand R 2 fließenden Strom gleich dem Basisstrom des zweiten Transistors TS 2. Dieser ist somit leitend gesteuert. Da seine Emitterelektrode mit dem nicht am Bezugspotential liegenden Pol -P 2 der zweiten Betriebsspannungsquelle B 2 und seine Kollektorelektrode mit dem Signaleingang SE des zweiten Schaltkreissystems S 2 verbunden ist, liegt ein dem Potential des nicht mit dem Bezugspotential verbundenen Pols -P 2 entsprechender Signalpegel am Signaleingang SE.

Weist andererseits der Signalausgang SA einen Signalpegel oberhalb des zweiten Grenz-Signalpegelwertes SP 2 _max auf, so sind die Transistoren TS 1 sowie TS 2 gesperrt und das Referenzspannungselement stromführend. Über den dritten Widerstand R 3 liegt das Bezugspotential BP als Signalpegel am Signaleingang SE. Der zweite Widerstand R 2 bewirkt das sichere Sperren des zweiten Transistors TS 2.

Der sichere Übergang vom leitenden in den gesperrten Zustand des ersten Transistors TS 1 beim Wechsel vom ersten Grenz- Signalpegelwert SP 1 _max zum zweiten Grenz-Signalpegelwert SP 2 _min wird durch das Referenzspannungselement D 1 bewirkt. Als ein solches kommt jedes Bauelement in Frage, dessen Spannungsabfall, nämlich die Referenzspannung, konstant ist wenn nur ein bestimmter Mindeststrom überschritten ist, z. B. eine im Durchbruchbereich betriebene Zenerdiode oder eine im Durchlaßbereich betriebene Diode.

Die erforderliche Referenzspannung ergibt sich aus dem arithmetischen Mittelwert aus dem ersten Grenz-Signalpegelwert SP 1 _max und dem zweiten Grenz-Signalpegelwert SP 2 _min , erhöht um die Basis-Emitter-Durchlaß-Spannung des ersten Transistors TS 1. Für die Grenz-Signalpegelwerte des TTL- Serie von 0,4 bis 2,4 V ergibt sich ein arithmetischer Mittelwert von 1,4 V. Die Basis-Emitter-Durchlaß-Spannung eines hier angenommenen Silizium-Transistors beträgt 0,7 V. So kommt man auf eine Referenzspannung von 2,1 V. Ein entsprechendes Referenzspannungselement läßt sich durch drei in Reihe und im Durchlaßbereich betriebene Siliziumdioden verwirklichen. Ein solches Referenzspannungselement ist in der Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet und mit D 1′ bezeichnet. Man muß es sich anstelle des Referenzspannungselementes D 1 eingefügt denken.

Die Vorgänge beim Übergang vom leitenden in den gesperrten Zustand und umgekehrt werden an Hand der Fig. 2 erläutert. Auf der Abszisse ist der Signalpegel SP am Ausgang SA und auf der Ordinate der Kollektorstrom I _C des ersten Transistors TS 1 aufgetragen. Es sind zwei Kurven eingezeichnet, eine durchgehend ausgezogene und eine gestrichelte. Die durchgehend ausgezogene Kurve gilt für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung; die gestrichelte gilt für den Fall, daß das Referenzspannungselement weggelassen wurde.

Ohne Referenzspannungselement arbeitet der erste Transistor TS 1 als Emitterfolger, wobei der Kollektorstrom linear abhängig ist von der Spannung zwischen seiner Basiselektrode und dem Fußpunkt des Emitterwiderstandes R 1, in diesem Fall dem Pluspol +P 1. Diese Abhängigkeit ist durch die gestrichelte Kurve angegeben. Hierbei ist zu beachten, daß auf der Ordinate nicht die Spannung zwischen dem Pluspol +P 1 und der Basiselektrode sondern zwischen dieser und dem Bezugspotential BP aufgetragen ist und die Betriebsspannung U 1 5 V beträgt.

Mit einem Referenzspannungselement D 1′ von 2,1 V stellt sich bei einem Signalpegel SP von 5 V eine Spannung von 2,1 V an der Emitterelektrode gegenüber dem Bezugspotential BP ein. Das heißt, die Basis-Emitter-Strecke ist im Signalpegelbereich von 5 bis herab zu 2,1 V sicher gesperrt, und es fließt kein Kollektorstrom. Erst wenn man den Signalpegel über die Basis-Emitter-Durchlaßspannung von 0,7 V weiter auf unter 1,4 V absenkt, wird die Basis-Emitter-Strecke leitend, und es fließt ein Kollektorstrom, was durch den steilen Teil der ausgezogenen Kurve ausgedrückt wird. Durch den fließenden Kollektorstrom erhöht sich der Spannungsabfall am ersten Widerstand R 1, und entsprechend vermindert sich die Spannung am Referenzspannungselement, wodurch dieses bei weiterer Absenkung des Signalpegels schließlich stromlos wird. Dann wirkt der erste Transistor TS 1 als Emitterfolger mit der ihm eigenen Kollektorstrombegrenzung durch die Gegenkopplungswirkung des Emitterwiderstandes R 1. Das ist in der Fig. 2 dadurch angegeben, daß die ausgezogene Kurve in die gestrichelte Kurve übergeht und sich schließlich mit ihr deckt.

Es sind noch die zwei Grenz-Signalpegelwerte SP 1 _max und SP 2 _min von 0,4 bzw. 2,4 V eingezeichnet. Der Bereich, in dem das Umschalten von den leitenden in den gesperrten Zustand geschieht, weist gegenüber diesen Grenz-Signalpegelwerten einen ausreichend großen Sicherheitsabstand auf.

Aus dem Telefunken-Laborbuch, Band V, Herausgeber: ALLGEMEINE ELEKTRICITÄTSGESELLSCHAFT AEG-TELEFUNKEN, Seite 288, Bild 1, ist ein Transistorverstärker an sich bekannt, bei welchem die Emitterelektrode an einen aus einem Referenzspannungselement und einem Widerstand gebildeten Spannungsteiler angeschlossen ist. Gegenüber der erfindungsgemäßen Anordnung des aus dem ersten Widerstand R 1 und dem Referenzspannungselement D 1 bzw. D 1′ gebildeten Spannungsteilers besteht der Unterschied, daß der Widerstand und das Referenzspannungselement vertauscht ist. Dadurch ergeben sich auch unterschiedliche Funktionen:

- Bei dem bekannten Transistorverstärker ist das Referenzspannungselement immer stromführend, und bei leitend gesteuertem Transistor führt es zusätzlich seinen Kollektorstrom. Auch die Betriebsspannungsquelle wird entsprechend wechselnd belastet. Es fehlt die strombegrenzende Wirkung eines Emitterwiderstandes.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist entweder das Referenzspannungselement oder der erste Transistor stromführend, wodurch die erste Betriebsspannungsquelle annähernd gleichbleibend belastet wird mit dem Vorteil entsprechend geringer Spannungsschwankungen.

Der bekannte Transistorverstärker alleine ist zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe nicht geeignet. Seine Anwendung in einer Schaltungsanordnung zur Signalpegelanpassung wäre mit Nachteilen gegenüber der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verbunden.

Claims

Schaltungsanordnung zur Signalpegelanpassung in der elektronischen Digitaltechnik zwischen einem Signalausgang (SA) eines ersten (S 1) und einem Signaleingang (SE) eines zweiten (S 2) Schaltkreissystems, wobei das erste Schaltkreissystem (S 1) aus einer ersten Betriebsspannungsquelle (B 1) und das zweite Schaltkreissystem (S 2) aus einer zweiten Betriebsspannungsquelle (B 2) gespeist wird, wobei jeweils einer der zwei Pole einer jeden Betriebsspannungsquelle (B 1, B 2) so mit einem Bezugspotential (BP) verbunden ist, daß die nicht mit dem Bezugspotential (BP) verbundenen Pole unterschiedliche Polarität gegenüber dem Bezugspotential (BP) aufweisen mit folgenden Merkmalen:
- a) Die Schaltungsanordnung weist einen ersten (TS 1) und einen zweiten (TS 2) Transistor sowie Schaltmittel zur Begrenzung des Kollektorstromes des ersten Transistors (TS 1) auf.
- b) Der erste (TS 1) und der zweite (TS 2) Transistor sind zueinander komplementär.
- c) Der Signalausgang (SA) des ersten Schaltkreissystems (S 1) ist mit der Basiselektrode des ersten Transistors (TS 1) verbunden.
- d) Die Emitterelektrode des ersten Transistors (TS 1) ist mit dem nicht auf Bezugspotential (BP) liegenden Pol (+P 1) der ersten Betriebsspannungsquelle (B 1) verbunden.
- e) Die Kollektorelektrode des ersten Transistors (TS 1) ist mit der Basiselektrode des zweiten Transistors (TS 2) verbunden.
- f) Die Emitterelektrode des zweiten Transistors (TS 2) ist mit dem nicht auf Bezugspotential liegenden Pol (-P 2) der zweiten Betriebsspannungsquelle (B 2) verbunden.
- g) Die Kollektorelektrode des zweiten Transistors (TS 2) ist mit dem Signaleingang (SE) des zweiten Schaltkreissystems (S 2) verbunden.
Die Schaltungsanordnung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
- h) In die Verbindung zwischen der Emitterelektrode des ersten Transistors (TS 1) und dem nicht an Bezugspotential liegenden Pol (+P 1) der ersten Betriebsspannungsquelle (B 1) ist ein erster Widerstand (R 1) eingefügt.
- i) Zwischen der Emitterelektrode des ersten Transistors (TS 12) und dem Bezugspotential (BP) ist ein Referenzspannungselement (D 1) angeordnet.
- k) Die Kollektorelektrode des ersten Transistors (TS 1) ist unmittelbar mit der Basiselektrode des zweiten Transistors (TS 2) verbunden.
- l) Der erste Widerstand (R 1) und das Referenzspannungselement (D 1) sind folgendermaßen bemessen:
  - l1) Führt der Signalausgang (SA) des ersten Schaltkreissystems (S 1) einen ersten Grenz-Signalpegelwert (SP 1 _max), welcher nahe dem Bezugspotential (BP) liegt, so ist der erste Transistor (TS 1) sicher leitend gesteuert, das Referenzspannungselement (D 1) stromlos, und der erste Widerstand (R 1) wirkt als Schaltmittel zur Begrenzung des Kollektorstromes des ersten Transistors.
  - l2) Führt der Signalausgang (SA) des ersten Schaltkreissystems (S 1) einen zweiten Grenz-Signalpegelwert (SP 2 _min), welcher nahe dem Potential des nicht mit dem Bezugspotential (BP) verbundenen Pols (+P 1) der Betriebsspannungsquelle (B 1) liegt, so ist der erste Transistor (TS 1) sicher gesperrt und das Referenzspannungselement (D 1) sicher stromführend.