DE3528550C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen logischen Stromumschaltkreis
mit einer Konstantstromquelle, zwei zwischen
eine Versorgungsspannung und je einen Ausgangspunkt geschalteten
Lastelementen und einer Differenzsignaleingangsstufe,
die zwei Eingangspunkte für das Anlegen einer
Spannungsdifferenz aufweist und die Konstantstromquelle
mit jeweils einem der Lastelemente verbindet, wobei die
Konstantstromquelle eine vorgegebene Temperaturabhängigkeit
aufweist.
Aus dem Buch "Tietze-Schenk, Halbleiterschaltungstechnik",
2. Auflage, Springer Verlag 1971, S. 144 bis S. 151 Fig. 9.2,
ist eine Differenzverstärkerschaltung bekannt, die dem oben
beschriebenen Stromumschaltkreis entspricht und die dazu
dient, bei der Gleichspannungsverstärkung die Temperaturdrift
von Transistoren auszugleichen.
Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Beispiels für einen herkömmlichen
logischen Umschaltkreis, wie er beispielsweise
durch das "THE ECL HANDBOOK SECTION SELECTOR", 1974, Juli,
S. 2-7, Fig. 2-9, bekannt ist.
Der logische Stromumschaltkreis hat eine Stromumschaltvorrichtung
10 und einen Pegelschiebekreis 20, der mit deren Ausgangsstufe
gekoppelt ist. Die Stromumschaltvorrichtung 10 hat
einen Differentialverstärker 12 und eine Konstantstromquelle
14. Der Differentialverstärker 12 hat ein Paar npn-Transistoren
Q₁ und Q₂, deren Emitter gemeinsam mit einem Knotenpunkt
N₀ verbunden sind. Der Kollektor des Transistors Q₁ ist mit
einem Knotenpunkt N₁ verbunden, und an die Basis ist ein
Eingangssignal V IN angelegt. Der Kollektor des Transistors
Q₂ ist entsprechend mit einem Knotenpunkt N₂ verbunden, und
an die Basis ist eine Referenzspannung V ref angelegt. Die
Konstantstromquelle 14 hat einen npn-Transistor Q₃, dessen
Kollektor mit dem Knotenpunkt N₀ verbunden ist, an dessen
Basis eine Spannung V CS von einer Spannungsquelle für eine
Konstantstromsteuerung angelegt ist, und dessen Emitter über
einen Widerstand R₃ mit einer Stromquelle V EE verbunden ist.
Die Stromumschaltvorrichtung 10 ist weiterhin mit zwei Lastwiderständen
R₁ und R₂ versehen. Ein Ende eines jeden Widerstandes
R₁ und R₂ ist mit dem zugehörigen Knotenpunkt
N₁ und N₂ verbunden und das andere Ende ist mit einer
Stromquelle V CC verbunden. In Abhängigkeit vom Eingangssignal
V IN und der Referenzspannung V ref bewirkt somit die
Stromumschaltvorrichtung 10 eine Schaltoperation, um eine
logische Amplitude V l zu erzeugen, die innerhalb eines vorbestimmten
Bereiches als eine Spannung schwingen kann, die am
Lastwiderstand R₂ erscheint.
Weiterhin ist der Pegelschiebekreis 20 als eine Emitterfolgerschaltung
mit einem npn-Transistor Q₄ ausgebildet.
Der Kollektor des Transistors Q₄ ist mit einer Versorgungsspannung
V CCA , die Basis mit dem Knotenpunkt N₂ der Stromumschaltvorrichtung
und der Emitter mit einem Ausgangsknotenpunkt
N₃ und über einen Begrenzungswiderstand R T mit einer
Versorgungsspannung V T verbunden. Somit kann der Pegelschiebekreis
20 den Pegel der logischen Spannung von der Stromumschaltvorrichtung
10 verschieben und eine Ausgangsspannung
V OUT erzeugen, die zwischen einer Ausgangsspannung V OH mit
hohem Pegel und einer Ausgangsspannung V OL mit tiefem Pegel
schwingen kann.
In der so ausgebildeten Schaltung wird, wenn V BE(Q ₃) die
Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors
Q₃ ist, die logische Amplitude V l wie folgt ausgedrückt:
V l =(V CS -V BE(Q ₃)×(R₂/R₃) (1)
Die Temperaturcharakteristik der logischen Spannung V l
ist in Abhängigkeit von den Temperaturänderungscharakteristiken
der Spannungen V BE(Q₃) und V CS bestimmt, die im allgemeinen
abfallen, wenn die Temperatur steigt.
Weil die Spannung V BE(Q ₃) physikalisch festgelegt ist,
ist es erforderlich, die Temperaturcharakteristik von
V l durch die Spannung V CS zu steuern. Aus diesem Grund
liegt der Nachteil der herkömmlichen Schaltung darin, daß
es unmöglich ist, unter Verwendung einer Spannung V CS von
der gleichen Spannungsquelle zur Konstantstromsteuerung
eine logische Amplitude V l oder Ausgangsspannung V OL mit
niedrigem Pegel zu erhalten, die unterschiedliche Temperaturcharakteristiken
haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei dem eingangs
beschriebenen logischen Stromumschaltkreis eine gewünschte
Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung V l zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen logischen
Stromumschaltkreis gemäß der eingangs beschriebenen Art
gelöst, der durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet
ist.
Besondere Ausführungsarten des erfindungsgemäßen logischen
Stromumschaltkreises sind den Unteransprüchen 2 bis 18
zu entnehmen.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden
Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild eines Beispieles eines herkömmlichen
logischen Stromumschaltkreises;
Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform für einen logischen
Stromumschaltkreis der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Temperaturcharakteristiken
der Spannung V CS für eine Konstantstromsteuerung
und eine Ausgangstiefpegelspannung V OL bei dem
herkömmlichen logischen Stromschaltkreis; und
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Temperaturcharakteristiken
einer Spannung V CS für eine Konstantstromsteuerung
und eine Ausgangstiefpegelspannung V OL in dem logischen
Stromumschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird anhand der zugehörigen Figuren beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform
eines logischen Stromumschaltkreises gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der grundsätzliche Schaltungsaufbau des
logischen Schaltkreises gemäß Fig. 2 ist der gleiche wie
bei dem logischen Schaltkreis gemäß Fig. 1 mit der einzigen
Ausnahme, daß zwei Nebenschlußschaltkreise SH₁ und
SH₂ jeweils parallel zu den zwei Lastwiderständen R₁ und R₂
geschaltet sind. Der erste Nebenschlußschaltkreis SH₁ hat
eine Diode D₁ und einen Nebenschlußwiderstand R 1A , die in
Reihe geschaltet sind. Entsprechend hat der zweite Nebenschlußschaltkreis
SH₂ eine Diode D₂ und einen Nebenschlußwiderstand
R 2A , die in Reihe geschaltet sind. Die Dioden
D₁ und D₂ sind jeweils in Durchlaßrichtung zur Spannungsquelle
V CC geschaltet. Das Einstellen erfolgt so,
daß der Widerstand R₁ den gleichen Widerstandswert wie der
Widerstand R₂ hat, und die Diode D₁ die gleiche Anoden-Kathodenspannung
wie die Diode D₂ aufweist. Wie aus der vorstehenden
Beschreibung zu entnehmen ist, hat dieser
logische Schaltkreis eine solche Funktionsweise, daß
sowohl die Anoden-Kathoden-Spannung der Diode D₂ und der
Widerstandswert des Widerstandes R 2A als Korrekturfaktoren
wirksam sind, wenn der Pendelbereich der logischen Spannung
bestimmt wird, wodurch ermöglicht wird, daß die logische
Spannung eine gewünschte Temperaturcharakteristik hat.
Bei dem Schaltkreis der so aufgebauten Ausführungsform
ist bei leitendem Transistor Q₂ der Pendelbereich der
logischen Amplitude V l gemäß der Beziehung bestimmt, die
der folgenden Gleichung enspricht:
V l =(V CS -V BE(Q ₃)×(R₂/R₃)×{1-(V-V D(D ₂))/R 2A }
wobei V D(D ₂) die Spannung zwischen der Anode und der Kathode
der Diode D₂ ist. Die Spannung V D(D ₂) hat eine solche Temperaturcharakteristik,
daß ihr Wert fällt, wenn die Temperatur
steigt. Demgemäß kann durch Einstellen des Widerstandes
des Widerstandes R 2A auf einen geeigneten Wert
eine Justierung der Temperaturcharakteristik der Spannung
V D(D ₂) durchgeführt werden, wodurch eine Steuerung der
Temperaturcharakteristik der logischen Amplitude V l
möglich wird.
Die vorstehende Diskussion bezieht sich auf den Fall,
bei dem eine Einstellung des Widerstandswertes des Nebenschlußwiderstandes
erfolgt, der in dem neu zugefügten Nebenschlußstromkreis
vorgesehen ist, wodurch es möglich wird,
eine logische Spannung mit unterschiedlichen Temperaturcharakteristiken
als ein Ausgangssignal der Stromumschaltvorrichtung
10 zu erhalten. Es ist jedoch aus der
folgenden Analyse leicht zu ersehen, daß die vorstehende
Erörterung auch auf den Fall anzuwenden ist, bei dem
ein Ausgangssignal des gesamten logischen Schaltkreises,
der den Pegelschiebekreis enthält, behandelt wird, indem
davon ausgegangen wird, daß eine einfache qualitative
Beziehung zwischen einigen Schaltkreisparametern besteht.
Üblicherweise ist das Ausgangssignal der Stromumschaltvorrichtung
durch den Emitterfolger im Pegel verschoben.
Als ein Ergebnis wird eine logische Spannung, deren Pegel
so verschoben ist, erhalten. Insbesondere bei den in den
Fig. 1 und 2 gezeigten Schaltkreisen wird die Ausgangsspannung
als ein Ausgangspegel am Emitter des Transistors Q₄
erhalten, der den Emitterfolger konstituiert. Da ein
solcher logischer Schaltkreis üblicherweise zusammen mit
anderen logischen Schaltkreisen verwendet wird, gibt es
einige Beispiele dafür, daß der logische Schaltkreis unterschiedliche
Temperaturcharakteristiken haben muß.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Temperaturcharakteristiken
einer Spannung der Konstantstromquelle V CS
und einer Ausgangstiefpegelspannung V OL , bei Verwendung
des herkömmlichen logischen Schaltkreises gemäß
Fig. 1. Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, sind
für den Fall, daß drei
Ausgangstiefpegelspannungen (V OL (B),
V OL (A), V OL (C) ) unterschiedliche Temperaturcharakteristiken
haben sollen, drei Spannungen V CS (C),
V CS (A), V CS (B) ) für Konstantstromsteuerung erforderlich,
die unterschiedliche Temperaturcharakteristiken
haben.
Die folgende Erörterung wird unter Berücksichtigung
dieser Tatsache durchgeführt. Im allgemeinen wird
eine Ausgangstiefpegelspannung V OL durch die folgende
Gleichung ausgedrückt:
V OL =-V l -V BE(Q ₄)=-R₃/R₂ (V CS -V BE(Q ₃))-V BE(Q ₄) (3)
wobei V BE(Q ₄) eine Spannung zwischen der Basis und dem
Emitter des Transistors Q₄ ist. Wenn nun davon ausgegangen
wird, daß R₃ gleich R₂ ist und die Stromdichten
der Transistoren Q₃ und Q₄ einander gleich sind, wird
die Ausgangstiefpegelspannung V OL durch die folgende
Gleichung ausgedrückt:
V OL =-(V CS -V BE(Q ₃))-V BE(Q ₄)=-V CS (4)
Die Temperaturcharakteristik der Spannung V CS für
die Konstantstromsteuerung ist im wesentlichen identisch
der der Ausgangstiefpegelspannung V OL . Um
demgemäß mehrere Temperaturcharakteristiken unter
Verwendung desselben Mastersubstrates, auf dem
mehrere integrierte Schaltkreise, Chips, etc. ausgebildet
sind, zu realisieren, sind Stromquellen
für V CS entsprechend der jeweiligen Temperaturcharakteristiken
erforderlich. Im allgemeinen erfordert
ein Stromversorgungsschaltkreis zur Erzeugung
der Spannung V CS eine ausreichende Kapazität, um
Oszillation zu verhindern, was zu einer großen Besetzungsfläche
innerhalb des integrierten Schaltkreises
führt. Demgemäß ist es, vom Standpunkt der
Chipfläche aus betrachtet, nicht günstig, wenn
mehrere Stromquellenschaltkreise in komplizierter
Art und Weise vorhanden sind.
Im Gegensatz hierzu ermöglicht die vorliegende Erfindung
eine Ausgangstiefpegelspannung mit unterschiedlichen
Temperaturcharakteristiken durch die Verwendung
einer einzigen Spannung V CS für die Konstantstromquelle,
wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist. Insbesondere, wenn
der Widerstandswert des Widerstandes R 2A auf einen
kleinen Wert eingestellt ist, ist ein durch die Diode
D₂ in den Nebenschlußstromkreis SH₂ fließender Bypassstrom
erhöht. Damit hat die logische Amplitude V l Einfluß auf
die Temperaturcharakteristik der Diode D₂, wie dies
durch die Gleichung (2) ausgedrückt ist. Demgemäß
wird die Anoden-Kathoden-Spannung V D(D ₂) der Diode D₂
klein, wenn die Temperatur steigt, was dazu führt, daß
die logische Amplitude V l fällt. Als Ergebnis steigt
die Ausgangsniedrigpegel-Spannung V OL gemäß dem Ansteigen
der Temperatur, wodurch die Temperaturcharakteristik
gemäß V OL(B) (siehe Fig. 4) erhalten wird.
Wenn auf der anderen Seite der Widerstandswert des Widerstandes
R 2A auf einen großen Wert eingestellt ist, wird
der durch die Diode D₂ in den Nebenschlußstromkreis
SH₂ fließender Bypassstrom klein. Als Ergebnis hat
das Ausgangssignal des Pegelschiebekreises eine Temperaturcharakteristik,
die ähnlich der Temperaturcharakteristik
ist, welche bei dem herkömmlichen Schaltkreis ohne Nebenschlußstromkreis
erhalten wird. Bei diesem Beispiel
wird insbesondere eine Temperaturcharakteristik, wie
in der Fig. 4 durch V OL(C) angegeben, erhalten. Weiterhin
ist es durch geeignetes Auswählen des Widerstandswertes
des Widerstandes R 2A möglich, die Temperaturcharakteristik,
wie durch V OL(A) (Fig. 4) angegeben,
zu erhalten. Wenn demgemäß der vorstehend beschriebene
logische Schaltkreis mit dem Nebenschlußstromkreis als
ein integrierter Schaltkreis ausgebildet ist, werden
solche Elemente auf einem Mastersubstrat ausgebildet, um
Verdrahtungsänderungen der Nebenschlußstromkreise
zu vereinfachen, wodurch es möglich wird, eine Ausgangstiefpegelspannung
mit einer gewünschten Temperaturcharakteristik
zu erhalten. Weiterhin ist der
gemäß der vorliegenden Erfindung neu zugefügte Nebenschlußstromkreis
leicht mit einer Diode und einem
Widerstand auszubilden, was daher zu einer kleinen
Flächenbesetzung führt. Weiterhin befindet sich
bei dem Schaltungsaufbau gemäß der Erfindung
kein Widerstand oder keine Diode zwischen den Kollektoren
der Transistoren Q₁ und Q₂. Demgemäß ist die
Unabhängigkeit der Transistoren Q₁ und Q₂ nicht beeinträchtigt,
was das Erzielen eines Spannungsunterschiedes
zwischen diesen beiden Transistoren Q₁ und Q₂ erleichtert.
Zusätzlich kann das Einstellen der Ausgangshochpegelspannung
V OH ohne Beeinflussung der Dioden
D₁ und D₂ erfolgen.
Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, ist es mit
dem logischen Stromumschaltkreis gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich, die Temperaturcharakteristiken der
logischen Spannung oder einer Ausgangstiefpegelspannung
leicht zu steuern, indem einfach der Nebenschlußstromkreis
mit einer Diode und einem Widerstand dem Lastwiderstand
zugefügt wird, so daß diese parallel zueinander
geschaltet sind.
Claims (18)
1. Logischer Stromumschaltkreis mit einer Konstantstromquelle
(14), zwei zwischen eine Versorgungsspannung (V CC )
und je einen Ausgangspunkt (N₁, N₂) geschalteten Lastelementen
(R₁, R₂) und einer Differenzsignaleingangsstufe
(Q₁, Q₂), die zwei Eingangspunkte (V IN , V REF ) für das Anlegen
einer Spannungsdifferenz aufweist und die Konstantstromquelle
(14) mit jeweils einem der Lastelemente (R₁, R₂)
verbindet, wobei die Konstantstromquelle (14) eine vorgegebene
Temperaturabhängigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß jedem Lastelement (R₁, R₂)
je ein Nebenschlußzweig parallel geschaltet ist, der aus
der Serienschaltung eines Widerstandes (R 1A , R 2A ) und einer
in Durchlaßrichtung bezüglich der Versorgungsspannung
liegenden Diode (D₁, D₂) besteht, wobei der Widerstand
(R₁, R₂) in bezug auf die Anoden-Kathoden-Spannung (VD)
der jeweiligen Diode (D₁, D₂) so eingestellt ist, daß
die Spannung am jeweiligen Ausgangspunkt (N₁, N₂) eine
gewünschte Temperaturkennlinie hat, die von der Temperaturabhängigkeit
der Konstantstromquelle unterschiedlich
ist.
2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Differenzsignaleingangsstufe
(Q₁, Q₂) aus NPN-Transistoren besteht.
3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konstantstromquelle einen Transistor
(Q₃) aufweist, der mit einer Spannungsquelle (V CS )
zur Steuerung des Konstantstromes verbunden ist.
4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsquelle (V CS ) zur Konstantstromsteuerung
für die Konstantstromquelle (14)
eine einzige Temperaturcharakteristik hat.
5. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konstantstromquelle (14) einen
ersten Transistor (Q₃) vom NPN-Typ aufweist, dessen Kollektor
mit dem ersten Knotenpunkt (N₀) verbunden ist, dessen
Basis mit einer Versorgungsspannung für die Konstantstromsteuerung
beaufschlagt wird und dessen Emitter in
Reihe mit einem ersten Widerstand (R₃) mit einer zweiten
Spannungsquelle (V EE ) verbunden ist.
6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß, wenn einer der Transistoren der
Differenzsignaleingangsstufe leitend ist, die Amplitude
über das Lastelement (R₂) bestimmt ist durch die folgende
Gleichung;
V l =(V CS -V BE(Q ₃)×(R/R₃){1-(V l -V D(D ₂))/R X }wobei V l die logische Amplitude bedeutet, V CS die Versorgungsspannung
für die Konstantstromsteuerung, V BE(Q ₃)
die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des ersten
Transistors, R den Widerstandswert jedes der beiden
Lastelemente, R₃ den Widerstandswert des ersten Widerstandes,
V D die Spannung zwischen der Anode und Kathode
jeder der Dioden (D₁, D₂), und R X den Widerstandswert
jedes der Widerstandselemente.
7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Versorgungsspannung für die Konstantstromsteuerung,
die Spannung zwischen der Basis und
dem Emitter des ersten Transistors (Q₃) und die Spannung
zwischen der Anode und Kathode jeder der Dioden (D₁, D₂)
eine solche Temperaturcharakteristik haben, daß die
Spannungswerte abfallen, wenn die Temperatur ansteigt.
8. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß er ferner einen Pegelschiebekreis (20)
aufweist, zum Pegelverschieben der logischen Spannung.
9. Schaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pegelschiebevorrichtung als
Emitterfolgerschaltkreis (20) ausgebildet ist.
10. Schaltkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Emitterfolgerschaltkreis (20)
einen NPN-Transistor (Q₄) aufweist, dessen Basis mit
einem der Ausgangspunkte (N₂) des Stromumschaltkreises (10)
verbunden ist, dessen Kollektor mit einer dritten Spannungsquelle
(V CCA ) verbunden ist und dessen Emitter über
einen Abschlußwiderstand (R T ) mit einer vierten Spannungsquelle
(V T ) verbunden ist.
11. Schaltkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Emitterfolgerschaltkreis (20),
der die Pegelschiebeschaltung bildet, im Betrieb eine
Ausgangsspannung erzeugt, die zwischen einer Ausgangshochpegelspannung
und einer Ausgangstiefpegelspannung
pendeln kann.
12. Schaltkreis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangstiefpegelspannung (V OL )
eine Temperaturkennlinie hat, die virtuell identisch
ist zu der der Versorgungsspannung (V CS ) für die
Konstantstromsteuerung.
13. Schaltkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einstellung durchgeführt wird,
so daß der Widerstandswert eines jeden Widerstandselementes
(R 1A , R 2A ) auf unterschiedliche Werte gelegt wird, wodurch
die Ausgangstiefpegelspannung auf eine gewünschte Temperaturkennlinie
gebracht werden kann.
14. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der Transistoren (Q₁, Q₂)
ein PNP-Transistor ist.
15. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor (Q₃), der die Konstantstromquelle
(14) bildet, ein PNP-Transistor ist.
16. Schaltkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Emitterfolgerschaltkreis, der
die Pegelschiebevorrichtung bildet, einen PNP-Transistor
(Q₄) aufweist.
17. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die logische Schaltung als integrierter
Schaltkreis ausgebildet ist.
18. Schaltkreis nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl von logischen Schaltungen
auf einem Mastersubstrat vorgesehen sind, um Verdrahtungsänderungen
der Nebenschlußstromkreise bezüglich der Lastwiderstände
jeder logischen Schaltung wählen zu können,
und so erreichen zu können, daß jede der Ausgangstiefpegelspannungen
eine gewünschte Temperaturcharakteristik hat.
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