DE3706319A1 - Multivibrator-schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Multivibrator- Schaltungsanordnung mit zwei Stromzweigen, die je einen Widerstand, den Hauptstrompfad eines Transistors sowie eine steuerbare Stromquelle in Reihenschaltung umfassen, wobei die Verbindungspunkte der Transistor-Hauptstrompfade mit den steuerbaren Stromquellen durch eine Kapazität miteinander verbunden sind, der Steueranschluß des Tran­ sistors je eines Stromzweiges mit dem Verbindungspunkt des Transistor-Hauptstrompfades und des Widerstandes des anderen Stromzweiges verbunden ist und die steuerbaren Stromquellen gegensinnig abwechselnd in einen ersten Zustand, in dem sie einen ersten Strom führen, und einen zweiten Zustand, in dem sie einen zweiten Strom führen, geschaltet werden, nach Patent ... (Patentan­ meldung P 37 02 854.5).

Die Multivibrator-Schaltungsanordnung nach dem Hauptpatent (Patentanmeldung P 37 02 854.5) dient als Verzögerungs­ anordnung zur Verzögerung eines Signales um eine be­ stimmte, in einfacher Weise einstellbare Verzögerungszeit und ist dabei einfach aufgebaut und universell einsetz­ bar. Die Verzögerungszeit steigt dabei in einem beliebig vorgebbaren Frequenzbereich bei Null beginnend mit der Frequenz an, wenn für den ersten und den zweiten Strom konstante Werte gewählt werden.

Es zeigt sich, daß eine derart bestimmte Verzögerungszeit außer von den Werten des ersten und des zweiten Stromes auch von den Kenndaten der Bauelemente der Multivibrator- Schaltungsanordnung abhängt. Insbesondere bei einem Aufbau als integrierte Schaltungsanordnung auf einem Halbleiter­ kristall ist die Verzögerungszeit mit den Streuungen und Temperaturabhängigkeiten behaftet, die die Bauelemente und von ihnen insbesondere die Widerstände und die Kapazität aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache Einstellmöglichkeit für die Verzögerungszeit zu schaffen, die unabhängig von der Einstellung der Verzöge­ rungszeit nach dem Hauptpatent (Patentan­ meldung P 37 02 854.5) und wahlweise mit dieser kombinier­ bar ist und eine von den Toleranzen der Bauelemente unab­ hängige Justierung der Verzögerungszeit gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine Multivibrator- Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art je einen den Verbindungspunkt des Transistor-Hauptstrompfades und des Widerstandes mit einem Stromsammelpunkt verbindenden und mit dem Transistor gemeinsam gesteuerten Zusatz-Haupt­ strompfad und eine mit dem Stromsammelpunkt verbundene Zusatzstromquelle auf. Die Zusatz-Hauptstrompfade können dabei durch getrennte Zusatztransistoren gebildet sein, deren Hauptstrompfade einseitig mit den Verbindungspunkten der Transistor-Hauptstrompfade und der Widerstände und deren Steueranschlüsse mit dem Steueranschluß des zuge­ hörigen Transistors des Stromzweigs verbunden sind. Die anderen Anschlüsse der Hauptstrompfade der Zusatztran­ sistoren sind dann mit dem Stromsammelpunkt verbunden.

Daneben können je ein Transistor-Hauptstrompfad und der zugehörige Zusatz-Hauptstrompfad beispielsweise in einem einzigen bipolaren Transistor mit einem Kollektor- und einem Basisanschluß sowie zwei gegeneinander isolierten Emitteranschlüssen zusammengefaßt sein. Die Strecke zwischen dem Kollektoranschluß und dem ersten Emitteranschluß bildet dann den Transistor-Hauptstrompfad, die Strecke zwischen dem Kollektoranschluß und dem zweiten Emitteranschluß den Zusatz-Hauptstrompfad. Der Basis­ anschluß bildet den Steueranschluß sowohl für den Transistor-Hauptstrompfad als auch für den Zusatz- Hauptstrompfad.

Die Erfindung ermöglicht auf einfache und genaue Weise die Einstellung der Verzögerungszeit unabhängig von Bauele­ mentetoleranzen. Gegenüber der Einstellmöglichkeit für die Verzögerungszeit nach dem Hauptpatent (Patentanmel­ dung P 37 02 854.5) gestattet sie einen zusätzlichen Abgleich unabhängig beispielsweise von einer mit der vorgenannten Einstellmöglichkeit gewählten Verzögerungs­ zeit-Charakteristik über der Frequenz eines zu verarbei­ tenden Signales. Anders ausgedrückt gewinnt man durch die Erfindung einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Ein­ stellung einer solchen Charakteristik. Der Abgleich ist in einfacher Weise durch Einstellen des Stromes der Zusatz­ stromquelle von Hand möglich, stattdessen kann auch ein Selbstabgleich durch einen die Zusatzstromquelle steuern­ den Regelkreis erfolgen.

Die erfindungsgemäße Einstellung der Verzögerungszeit kann auch für sich ohne Verbindung mit der Einstellung der Verzögerungszeit nach dem Hauptpatent (Patentanmel­ dung P 37 02 854.5) vorteilhaft dann eingesetzt werden, wenn die Multivibrator-Schaltungsanordnung eine frequenz­ unabhängige Verzögerungszeit aufweisen soll. Sie stellt dann eine besonders einfache und genaue Anordnung zur Einstellung dieser Verzögerungszeit dar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erläutert.

Die erfindungsgemäße Multivibrator-Schaltungsanordnung wird vorteilhaft als Verzögerungsanordnung in einem Frequenzdemodulator in integrierter Schaltungstechnik eingesetzt. Derartige Frequenzdemodulatoren werden z.B. für die Aufbereitung eines von einem plattenförmigen Aufzeichnungsträger, beispielsweise einer Bildplatte, ausgelesenen Videosignals verwendet. Sie kann weiterhin Verwendung finden in einer Anordnung zur Detektion der Überschreitung eines vorgegebenen Frequenzbereichs durch die Frequenz eines Signals, beispielsweise des von einer Bildplatte ausgelesenen Videosignals, und zwar ebenfalls als Verzögerungsanordnung in der in der älteren Patent­ anmeldung P 37 02 856.1 beschriebenen Weise.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Multivibrator-Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der steuerbaren Stromquellen und der Zusatzstromquelle,

Fig. 3 eine Abwandlung der Multivibrator-Schaltungs­ anordnung nach Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt eine Multivibrator-Schaltungsanordnung mit einem ersten Stromzweig, bestehend aus der Reihenschaltung eines ersten Widerstandes 30, des Hauptstrompfades eines ersten Transistors 31 sowie einer ersten steuerbaren Stromquelle 32, 33, und mit einem zweiten Stromzweig, bestehend aus der Reihenschaltung eines zweiten Wider­ standes 34, des Hauptstrompfades eines zweiten Transi­ stors 35 sowie einer zweiten steuerbaren Stromquel­ le 36, 33. Dabei umfaßt die erste steuerbare Stromquelle einen ersten Steuertransistor 32 und die zweite steuerbare Stromquelle einen zweiten Steuertransistor 36, deren Steueranschlüsse einen ersten bzw. zweiten Eingang 3 bzw. 4 der Multivibrator-Schaltungsanordnung bilden. In Fig. 1 sind die Steuertransistoren 32, 36 als bipolare Tran­ sistoren ausgebildet, deren Emitteranschlüsse miteinander und mit einem Anschluß 54 einer gemeinsamen Stromquelle 33 verbunden sind, die mit ihrem zweiten Anschluß mit Masse verbunden ist. Andererseits sind die Stromzweige über den ersten bzw. zweiten Widerstand 30 bzw. 34 mit einem Ver­ sorgungsspannungsanschluß 37 verbunden. Außerdem sind die Verbindungspunkte der Hauptstrompfade des ersten und des zweiten Transistors 31 bzw. 35 mit den Steuertransisto­ ren 32 bzw. 36 durch eine Kapazität 38 miteinander ver­ bunden, und es besteht eine Verbindung zwischen jedem der Steueranschlüsse des ersten und zweiten Transistors 31, 35, die daneben auch zwei Ausgänge 5, 6 der Multivi­ brator-Schaltungsanordnung bilden, mit dem Verbindungs­ punkt zwischen dem Hauptstrompfad und dem Widerstand im jeweils anderen Stromzweig. Die letzteren Verbindungen sind zur Signalverstärkung über Emitterfolgerstufen, bestehend je aus einem Transistor 39 bzw. 40 und einer mit dessen Emitteranschluß gekoppelten Stromquelle 41 bzw. 42, ausgeführt.

Die Multivibrator-Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird durch die Steuertransistoren 32, 36 in ihrem Schwingver­ halten beeinflußt. Werden beispielsweise mit den Steuer­ transistoren 32, 36 konstante Ströme eingestellt, werden also an deren den ersten bzw. zweiten Eingang 3, 4 bil­ dende Steuerelektroden Gleichspannungen angelegt, erhält man am ersten und zweiten Ausgang 5, 6 ein Ausgangssignal in Form gegensinnig gepolter Rechteckschwingungen, deren Tastverhältnis von den eingestellten Strömen im ersten und zweiten Stromzweig und dessen Frequenz zusätzlich von der Größe der Kapazität 38 abhängt. Werden dagegen durch ein Eingangssignal an den Eingängen 3, 4 die Steuertransisto­ ren 32, 36 abwechselnd gegensinnig in den leitenden und in den sperrenden Zustand geschaltet, folgt das Ausgangs­ signal an den Ausgängen 5, 6 den Verläufen des Eingangs­ signales an den Eingängen 3, 4 nach Ablauf einer durch den von der gemeinsamen Stromquelle 33 gelieferten Strom und den Wert der Kapazität 38 bestimmten Verzögerungszeit. Da der Strom in diesem Fall nur in jeweils einem der Strom­ zweige fließen kann, schwingt die Multivibrator- Schaltungsanordnung nicht selbsttätig.

Wird jedoch bei Erhöhen der Frequenz des Eingangssignales dessen halbe Periodendauer kürzer als die durch die Schal­ tungsparameter bestimmte Verzögerungszeit, wechselt das Eingangssignal an den Eingängen 3, 4 bereits seinen Wert, wenn der Umladevorgang der Kapazität 38 noch nicht abge­ schlossen und damit eine Änderung des Ausgangssignales an den Ausgängen 5, 6 noch nicht eingetreten ist. Der Umlade­ vorgang wird dann so lange unterbrochen, bis das Eingangs­ signal wiederum den Wert annimmt, den es während des Umladevorganges innehatte. Dann wird dieser beendet, und das Ausgangssignal an den Ausgängen 5, 6 ändert ebenfalls seinen Wert. Insgesamt folgt jedoch das Ausgangssignal mit seinem Verlauf nicht mehr dem Eingangssignal, und diese Abweichung führt zu einer Störung der Übertragungseigen­ schaften der Multivibrator-Schaltungsanornung. In dieser Betriebsweise reicht der "erlaubte" Frequenzbereich von Null bis zu einer oberen Grenze.

Werden dagegen die Steuertransistoren 32, 36 durch das Eingangssignal an den Eingängen 3, 4 derart angesteuert, daß sie anstelle in den gesperrten Zustand lediglich in einen ersten Zustand mit einem ersten Strom ID überführt werden, wird die Umladung der Kapazität 38 nicht völlig unterbunden. Vielmehr führt eine entsprechend der geringe­ ren Stromstärke des ersten Stromes ID verlangsamte selbsttätige Umladung auch bei konstantem Wert des Eingangssignales an den Eingängen 3, 4 dazu, daß das zweite Signal an den Ausgängen 5, 6 seinen Wert ändert, wenn eine Zeitspanne abgelaufen ist, die durch den Wert der Kapazität 38 und denjenigen des ersten Stromes ID bestimmt wird. Daraus resultiert eine untere Grenze für die Frequenz des Eingangssignales, unterhalb derer das zweite Signal nicht mehr dem Verlauf des Eingangssignals folgt. Der "erlaubte" Frequenzbereich, innerhalb dessen das Ausgangssignal dem verzögerten Eingangssignal ent­ spricht, wird jetzt von einer unteren, von Null verschie­ denen Grenze zusätzlich zu der bereits beschriebenen oberen Grenze berandet. Innerhalb des Frequenzbereiches variiert die Verzögerungszeit von Null an der unteren Grenze bis zu einem Maximalwert an der oberen Grenze.

Durch Wahl der Bauelementedaten, insbesondere durch Wahl der Größe des ersten Stromes ID im Verhältnis zum Gesamt­ strom ID+IL der gemeinsamen Stromquelle 33, können die Grenzen des Frequenzbereiches auf beliebige Werte einge­ stellt werden.

Bei der Multivibrator-Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind zwei Zusatztransistoren 50, 51 vorgesehen, die im vorlie­ genden Beispiel als bipolare Transistoren ausgebildet sind, deren (Zusatz-) Hauptstrompfade zwischen einen Stromsammelpunkt 52 und je einen der Verbindungspunkte der Hauptstrompfade des ersten bzw. des zweiten Transistors 31 bzw. 35 mit dem ersten bzw. zweiten Widerstand 30 bzw. 34 geschaltet sind. Über ihre Steueranschlüsse, die mit den Ausgängen 5 bzw. 6 verbunden sind, werden die Zusatz- Hauptstrompfade der Zusatztransistoren 50 bzw. 51 gemein­ sam mit den Hauptstrompfaden des ersten bzw. zweiten Tran­ sistors 31 bzw. 35 gesteuert. Vom Stromsammelpunkt 52 ist eine Zusatzstromquelle 53 gegen Masse geschaltet, die einen Strom IV führt.

Durch die Zusatztransistoren 50, 51 wird der Strom IV je nach Schaltzustand der Multivibrator-Schaltungsanordnung immer auf denjenigen der Widerstände 30, 34 geschaltet, der gerade Strom führt. Der Spannungsabfall am jeweils Strom führenden Widerstand wird damit um einen durch den Strom IV bestimmten, konstanten Spannungsabfall erhöht. Die Kapazität 38 wird dagegen weiterhin nur vom Strom der steuerbaren Stromquellen 32, 33, 36 umgeladen. Durch Verändern des Stromes IV wird unabhängig vom Ladestrom der Kapazität 38 die Spannungsschwelle für das Umschalten des ersten bzw. des zweiten Transistors 31 bzw. 35 verändert. Damit läßt sich die Verzögerungszeit zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal unabhängig vom Ladestrom und damit auch unabhängig von Fertigungstoleranzen der Schaltungsanordnung beeinflussen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl der Strom IV der Zusatzstromquelle 53 als auch die Differenz des ersten und des zweiten Stromes der steuerbaren Stromquellen 32, 33, 36 einstellbar sind. Wenn die steuerbaren Stromquellen 32, 33, 36 in ihrem ersten Zustand den ersten Strom ID und ihrem zweiten Zustand den zweiten Strom ID+IL führen, wird insbesondere die Summe I=IV+IL konstant gewählt. Dann sind auch die Spannungsabfälle an den Widerständen 30, 34 und somit die Spannungspegel des Ausgangssignals an den Ausgängen 5, 6 konstant, was zur Ansteuerung nachfolgender Schaltungsteile vorteilhaft ist.

Unter der Annahme, daß die Widerstände 30, 34 gleich sind, ergibt sich für die Verzögerungszeit T der folgende einfache Zusammenhang:

T=2RCI/IL.

Die Verzögerungszeit T hängt somit vom Verhältnis der Ströme I und IL ab. Zur Steuerung der Verzögerungszeit wird dieses Stromverhältnis verändert.

Fig. 2 zeigt eine einfache Anordnung, mit der die Ströme IL und IV gegensinnig ohne Veränderung ihrer Summe einstellbar sind. Dazu sind die gemeinsame Stromquelle 33 und die Zusatzstromquelle 53 durch einen aus zwei emitter­ gekoppelten, bipolaren Transistoren 60, 61 aufgebauten Differenzverstärker und eine vom Verbindungspunkt der Emitteranschlüsse der Transistoren 60, 61 gegen Masse geschaltete Konstantstromquelle 62 ersetzt. Der Differenz­ verstärker 60, 61 bildet dabei eine Stromaufteilschaltung für den Strom I der Konstantstromquelle 62. Die Stromauf­ teilung in die Ströme IL und IV erfolgt durch Anlegen einer passenden Einstellspannung an den Steueran­ schlüssen 63, 64 der bipolaren Transistoren 60, 61.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Multivibrator-Schaltungs­ anordnung gemäß Fig. 1 und 2, wobei identische Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Gegensatz zu Fig. 1 sind bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 der erste bzw. zweite Transistor 31 bzw. 35 mit dem zuge­ hörigen ersten bzw. zweiten Zusatztransistor 50 bzw. 51 zu je einem einzigen Transistor mit zwei gegeneinander iso­ lierten Emitteranschlüssen zusammengefaßt, die jeweils zusammen mit dem Kollektoranschluß den Hauptstrompfad bzw. den Zusatz-Hauptstrompfad bilden. Ein derartiger Aufbau der Transistoren ist besonders platzsparend und gewährleistet in hohem Maße eine gleichmäßige Steuerung der zusammengehörenden Hauptstrompfade bzw. Zusatz-Haupt­ strompfade.

In Fig. 3 sind weiterhin die steuerbaren Stromquellen anstelle mit Steuertransistoren 32, 36 mit zwei Konstant­ stromquellen 321, 361 parallel zu zwei Steuertran­ sistoren 322 bzw. 362 ausgeführt. Durch diese Aufteilung ist es in einfacher Weise möglich, die Ströme im ersten bzw. zweiten Stromzweig 30, 311, 321, 322 bzw. 34, 351, 361, 362 zwischen zwei genau bestimmbaren endlichen Werten zu schalten, ohne dafür eine Spannung exakter Größe an die Eingänge 3, 4 führen zu müssen. Die Steuertran­ sistoren 322, 362 können vielmehr zwischen einem möglichst ideal leitenden und einem völlig gesperrten Zustand umgeschaltet werden.

Die Konstantstromquelle 62 für den Strom I ist bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 über je eine Stromspiegel­ anordnung aus je zwei Stromspiegeltransistoren 70, 71 bzw. 72, 73 an den Verbindungspunkt 54 der steuerbaren Stromquellen 322, 362 bzw. den Stromsammelpunkt 52 ange­ schlossen, wobei die Stromaufteilschaltung jetzt durch zwei bipolare Transistoren 74, 75 von im Vergleich zu der Stromaufteilschaltung nach Fig. 2 entgegengesetztem Leitungstyp gebildet ist. Diese Art der Ankopplung der Konstantstromquelle ist besonders geeignet für einen Betrieb der Multivibrator-Schaltungsanordnung mit niedriger Versorgungsspannung, weil durch sie die Anzahl der zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß 37 und Masse in Reihe geschalteten Bauelemente klein gehalten wird.

Die Konstantstromquelle 62 kann zusätzlich einstellbar ausgebildet sein, so daß außer dem Verhältnis der Ströme IL und IV auch deren Summe verändert werden kann. Darüber hinaus kann eine Regelschaltung vorgesehen sein, die das Stromverhältnis z.B. an eine gewünschte Verzöge­ rungszeit T anpaßt.

Eine Aufteilung der steuerbaren Stromquellen 32, 33 bzw. 36, 33 in einen konstanten Dauerstrom liefernde Quellen 321, 361 und schaltbare Stromquellen mit Steuer­ transistoren 322, 362 kann auch bei der Schaltungsanord­ nung nach Fig. 1 vorgesehen sein. Außerdem kann der erste Strom ID in einem Spezialfall zu Null gewählt werden, so daß die Verzögerungszeit T frequenzunabhängig wird.

Claims (9)

1. Multivibrator-Schaltungsanordnung mit zwei Strom­ zweigen, die je einen Widerstand, den Hauptstrompfad eines Transistors sowie eine steuerbare Stromquelle in Reihen­ schaltung umfassen, wobei die Verbindungspunkte der Transistor-Hauptstrompfade mit den steuerbaren Strom­ quellen durch eine Kapazität miteinander verbunden sind, der Steueranschluß des Transistors je eines Stromzweiges mit dem Verbindungspunkt des Transistor-Hauptstrompfades und des Widerstandes des anderen Stromzweiges verbunden ist und die steuerbaren Stromquellen gegensinnig ab­ wechselnd in einen ersten Zustand, in dem sie einen ersten Strom führen, und einen zweiten Zustand, in dem sie einen zweiten Strom führen, geschaltet werden, nach Patent ... (Patentanmeldung P 37 02 854.5), gekennzeichnet durch je einen den Verbindungspunkt des Transistor-Hauptstrompfades und des Widerstandes (30 bzw. 34) mit einem Stromsammelpunkt (52) verbindenden und mit dem Transistor (31 bzw. 35) gemeinsam gesteuerten Zusatz- Hauptstrompfad (50 bzw. 51) und eine mit dem Stromsammel­ punkt (52) verbundene Zusatzstromquelle (53).

2. Multivibrator-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Strom der Zusatz­ stromquelle (53) als auch die Differenz des ersten (ID) und des zweiten Stromes (ID+IL) der steuerbaren Strom­ quellen (32, 33 bzw. 36, 33) einstellbar sind und daß dabei die Summe der eingestellten Ströme konstant ist.

3. Multivibrator-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle (32, 33 bzw. 36, 33) jedes Stromzweiges eine Parallelschaltung einer einen konstanten Dauerstrom liefernden Quelle (321 bzw. 361) und einer schaltbaren Stromquelle (322 bzw. 362) umfaßt.

4. Multivibrator-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme der steuerbaren Stromquellen (32, 33 bzw. 36, 33) und der Zusatzstrom­ quelle (53) über eine Stromaufteilschaltung (60, 61) aus einer Konstantstromquelle (62) abgeleitet sind.

5. Multivibrator-Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromaufteilschaltung (60, 61) einen Differenzverstärker mit zwei Transistoren (60 und 61) umfaßt, deren gekoppelte Emitteranschlüsse mit der Konstantstromquelle (62) verbunden sind, deren einer Kollektoranschluß (54) die Ströme der steuerbaren Strom­ quellen (32, 33 bzw. 36, 33) und deren anderer Kollektor­ anschluß den Strom der Zusatzstromquelle (53) liefert.

6. Multivibrator-Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme der steuerbaren Stromquellen (32, 33 bzw. 36, 33) und/oder der Zusatz­ stromquelle (53) von der Stromaufteilschaltung (60, 61) über Stromspiegelanordnungen (70, 71 bzw. 72, 73) abgegeben werden.

7. Multivibrator-Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem konstanten Dauerstrom entsprechende erste Strom (ID) verschwindet.

8. Multivibrator-Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung als Verzögerungs­ anordnung in einem Frequenzdemodulator.

9. Multivibrator-Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung als Verzögerungs­ anordnung in einer Anordnung zur Detektion der Über­ schreitung eines vorgegebenen Frequenzbereichs durch die Frequenz eines Signals.