DE3528550C2 - - Google Patents

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.