DE3787603T2

DE3787603T2 - Temperaturkompensierter Hysterese-Puffer.

Info

Publication number: DE3787603T2
Application number: DE87307320T
Authority: DE
Inventors: Martin Chen
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 1986-08-27
Filing date: 1987-08-19
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2007-08-20
Also published as: EP0257971B1; JPS6359018A; ATE95353T1; EP0257971A3; DE3787603D1; EP0257971A2; US4730126A

Description

Die Erfindung betrifft temperaturkompensierte Hochgeschwindigkeits-Hystereseschaltungen, die ein vorbestimmtes Mindest-Hysteresefenster über einen großen Temperaturbereich gewährleisten, so daß die Schaltungen zur Verwendung für militärische Anwendungen geeignet und unter ungünstigen Umgebungsbedingungen einsetzbar sind.
Hystereseschaltungen sind allgemein bekannte Vorrichtungen zum genauen Erkennen einer Veränderung im Wert einer Eingangssignalspannung. Diese Schaltungen arbeiten mit variierenden Schwellenspannungswerten, so daß, wenn ein Eingangssignalwert "low" ist, ein hoher Schwellenwert, VIH, und wenn das Eingangssignal "high" ist, ein niedriger Schwellenwert VIL eingestellt wird. Durch das Beibehalten des Hysteresefensters, d. h., des absoluten Werts der Spannungsdifferenz von VIL und VIH, über einem gewissen Mindestwert, läßt sich eine vernünftige Gewißheit darüber erzielen, daß Rauschen oder Überspannungen nicht unbeabsichtigterweise das Überschreiten einer Schwellengrenze bewirken, um ein falsches Signal auszugeben, das einen Hub der Eingangssignalspannung angibt.
Diese Schaltungen müssen derart arbeiten, daß sie gültige Schwellenwertüberschreitungen erkennen und die Schwellenwertpegel entsprechend einstellen, d. h. wenn der Schwellenwert VIL eingestellt ist und überschritten wird, muß die Schaltung den Schwellenwert VIH einstellen und umgekehrt.
Ein Hysteresepuffer gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 ist aus EP-A-0 175 522 bekannt.
Einige Hystereseschaltungen sind nicht von den Ausgängen unabhängig. Üblicherweise werden die von einer Hystereseschaltung aus gegebenen Signale auch in die Schaltung selbst rückgeführt, um die Hysterese-Bezugspegel (die Schwellenspannungen VIL und VIH) einzustellen. Infolgedessen können die Hysterese-Bezugspegel durch Variable in der Ausgangsstufe, zum Beispiel den Ausgangsstrom, beeinflußt werden. Es ist daher erwünscht, eine Hystereseschaltung zu schaffen, die parallel zu der Ausbreitung von Daten zur Ausgangsstufe unabhängig vom Ausgang selbst arbeitet, um solche Variablen zu eliminieren.
Ferner wurde festgestellt, daß es erwünscht ist, ICC, den von einer Hystereseschaltung benötigten Gesamtstrom, gegenüber den von bekannten Schaltungen benötigten ICC-Pegeln zu verringern, um den Anforderungen militärischer Verwendungszwecke zu entsprechen.
Ferner hat sich gezeigt, daß es erwünscht ist, die Eingangscharakteristiken der bekannten Hystereseschaltungen durch Minimieren von IIL ("Strom bei niedrigem Eingang") zu verbessern, um zum Beispiel eine verbesserte Eingangsauffächerung zu erzielen.
Des weiteren ist es erwünscht, sicherzustellen, daß Hystereseschaltungen mit sämtlichen zuvor genannten Merkmalen ein vorgewähltes Mindest-Hysteresefenster über große Temperaturbereiche gewährleisten. Dieses Merkmal ist besonders über den üblicherweise für militärische Anwendungszwecke üblichen 200ºC umfassenden Betriebsbereich von -55ºC bis 155ºC erwünscht. Eine Gewährleistung eines vorgewählten Mindest- Hysteresefensters über einen großen Temperaturbereich würde die allgemeine Verwendung dieser Schaltungen unter ungünstigen Bedingungen ermöglichen. Bekannte Hystereseschaltungen verfügen nicht über diese Fähigkeit.
Schließlich wäre es vorteilhaft, wenn Hystereseschaltungen, die sämtliche zuvor genannten Merkmale aufweisen, in bezug auf die zur Herstellung der Schaltung selbst verwendeten Komponenten selbstkompensierend wären. Eine Selbstkompensationsfähigkeit zum Ausgleich von Herstellungsunterschieden von Komponenten würde zu einer weiteren Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Genauigkeit dieser Schaltungen beitragen.
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung einen temperaturkompensierten Hysteresepuffer mit einer oberen und einer unteren Schwelle, mit
(a) einer Eingangseinrichtung zum Empfangen eines Eingangsdatensignals;
(b) einer Ausgangseinrichtung zum Ausgeben eines das Eingangssignal wiedergebenden Ausgangsdatensignals;
(c) einem mit der Eingangseinrichtung gekoppelten ersten Signalpfad zum Einstellen einer oberen und einer unteren Hystereseschwelle als Funktion des Eingangssignals; und
(d) einem mit der Eingangseinrichtung und der Ausgangseinrichtung gekoppelten zweiten Signalpfad zum Ausbreiten der Eingangsdaten zu der Ausgangseinrichtung;
wobei der erste Signalpfad von dem zweiten Signalpfad getrennt ist;
wobei der erste Signalpfad eine Schwelleneinstelleinrichtung mit einer Stromschalteinrichtung aufweist, die derart geschaltet ist, daß sie auf das Eingangssignal hin reagiert, wobei die Stromschalteinrichtung von dem Ausgangssignal unabhängig gesteuert ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwelleneinstelleinrichtung ferner aufweist: eine Temperaturkompensationseinrichtung mit einer Reihenschaltung aus einer Schottky-Diode und einer ersten Widerstandseinrichtung mit einem Temperaturkoeffizienten, der demjenigen der Diode entgegengesetzt ist, wodurch der Spannungsabfall über der Temperaturkompensationseinrichtung im wesentlichen temperaturunabhängig ist; und eine zweite Widerstandseinrichtung;
wobei die Stromschalteinrichtung und die Temperaturkompensationseinrichtung parallel zueinander und zusammen an einem Schaltungspunkt in Reihe mit der zweiten Widerstandseinrichtung geschaltet sind, derart daß sie, wenn die Stromschalteinrichtung in Reaktion auf das im High-Zustand befindliche Eingangssignal eingeschaltet ist, durch die zweite Widerstandseinrichtung fließenden Strom vom Schaltungspunkt zieht, um die untere Schwelle einzustellen, und daß, wenn die Stromschalteinrichtung in Reaktion auf das im Low-Zustand befindliche Eingangssignal ausgeschaltet ist, die Temperaturkompensationseinrichtung durch die zweite Widerstandseinrichtung fließenden Strom vom Schaltungspunkt zieht, um die obere Schwelle einzustellen.
Die Schwelleneinstelleinrichtung weist Einrichtungen auf, die als Anti-Hysterese-Beseitigungseinrichtung wirken, um die Operation der Hystereseschaltung zu beschleunigen. Die Anordnung gewährleistet ein vorgewähltes Mindest-Hysteresefenster über den sich von -55ºC bis 155ºC erstreckenden Temperaturbereich von 200ºC und macht die Hystereseschaltung zur militärischen Verwendung und unter anderen ungünstigen Bedingungen einsetzbar.
Die Hystereseschaltung weist vorzugsweise eine pnp-Eingangsstufe auf, um IIL zu verringern und die Eingangscharakteristiken der Schaltung, insbesondere die Eingangsauffächerung, zu verbessern. Die Schaltung kann ebenfalls einen geringen ICC aufweisen und ist in bezug auf Herstellungsunterschiede, die in den zur Herstellung der Schaltung selbst verwendeten Komponenten inhärent sind, selbstkompensierend ausgelegt.
Es wird eine Hystereseschaltung beschrieben, die in der Lage ist, ihren Hysterese-Bezugspegel parallel zum Ausbreiten von Daten zum Ausgang der Schaltung einzustellen.
Des weiteren wird eine Hystereseschaltung beschrieben, die vorgewähltes Mindest-Hysteresefenster über einen großen Temperaturbereich gewährleistet. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, die ein Mindest-Hysteresefenster von 200 Millivolt über den genannten Temperaturbereich von 200ºC gewährleistet, um die Verwendung der Schaltung für militärische Zwecke und unter ungünstigen Bedingungen zu ermöglichen.
Ferner wird eine Hystereseschaltung beschrieben, die im Vergleich zu bekannten Hystereseschaltungen geringeren Icc und IIL benötigen, ohne die Operationsgeschwindigkeit der Schaltung zu verringern, und die ein automatisches Kompensieren von herstellungsbedingten Unterschieden zwischen den zur Herstellung der Schaltung verwendeten Komponenten ermöglicht.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der Betrachtung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in allen Figuren gleiche Elemente bezeichnen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fign. 1a-1d zeigen in Blockschaltbildern verschiedene Schaltungsanordnungen mit Hysteresepuffern. Die Fign. 1a und 1b zeigen bekannte Schaltungsanordnungen, die jeweils Inverter- und Nicht-Inverterfunktionen ausführen. Die Fign. 1c und 1d sind Blockschaltbilder der entsprechenden, zur Verwendung des erfindungsgemäßen neuartigen Hysteresepuffers geeigneten Schaltungsanordnungen.
Fig. 2 zeigt ein detailliertes Schaltungsdiagramm des erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Hochleistungs-Hysteresepuffers.
Fig. 3 zeigt in Tabellenform die verschiedenen Zustände der in Fig. 2 dargestellten Transistoren als Funktion des Zustands des Eingangssignals. Die Schaltung gemäß Fig. 2 ist durch die in Fig. 3 dargestellte Tabelle gekennzeichnet.

Detaillierte Beschreibung

In Fig. 1a ist ein typischer Hysteresepuffer 101 in Kombination mit einem Ausgangspuffer 102 von 48 mA, einer npn-Eingangsstufe 103 und einem Puffer 125 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung ist zum Invertieren des auf der Leitung 120 eingegebenen Signals betreibbar. In Fig. 1b ist eine analoge Schaltungsanordnung dargestellt, die das Eingangssignal nicht invertiert. Der einzige unterschied zwischen den in den Fign. 1a und 1b dargestellten Schaltungen besteht im Vorsehen des Inverters 104 in der Schaltung nach Fig. 1b.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen die Hystereserückführungsschaltung nicht vom Datenpfad getrennt ist. Infolgedessen können die Schwellenwerte VIL und VIH durch Variablen in der Ausgangsstufe, zum Beispiel den Ausgangsstrom, beeinflußt werden. Somit hängt das Hysteresefenster, das hier als die Differenz zwischen VIL und VIH über den Betriebstemperaturbereich der Hystereseschaltung definiert ist, von dem über den Ausgangspuffer 102 an die Last gelieferten Strom ab.
Zusätzlich zu der Tatsache der Abhängigkeit vom Ausgang, ist das Hysteresefenster gemäß der vorhergehenden Definition inhärent eine Funktion der Temperatur. Das Hysteresefenster der bekannten Schaltungsanordnungen weist erhebliche temperaturabhängige Schwankungen auf. Dies ist darin begründet, daß üblicherweise temperaturempfindliche Elemente, zum Beispiel Schottky-Dioden, zur Herstellung der Schaltungen verwendet werden. Infolgedessen hat nicht nur die Last, sondern haben auch Schwankungen der Temperatur einen erheblichen Einfluß auf den Grad, in dem das Hysteresefenster bekannter Schaltungen variiert. Kurz gesagt sind die bekannten Schaltungen in Situationen, in denen eine breite Spanne von Lasten und Temperaturen vorliegt, bestenfalls unzuverlässig, wenn nicht gar völlig unbrauchbar.
Ferner weisen die in den Fign. 1a und 1b dargestellten bekannten Schaltungsanordnungen den Nachteil auf, eine zeitlichen Verzögerung zu beinhalten, bevor ein Schwellenpegel geändert werden kann. Dies ist darin begründet, daß die Hystereserückkopplungsschleife ausgangsabhängig ist. Jegliches erforderliches Schalten folgt seriell dem Ausgang.
Zur Lösung der vorgenannten Probleme und zu Vergleichszwekken sind die Fign. 1c und 1d vorgesehen, die in Blockschaltbildform Hysteresepufferschaltungen darstellen, die zum Realisieren der Erfindung geeignet sind. Wie in Fig. 1c dargestellt ist, ist die npn-Eingangsstufe der bekannten Schaltung durch eine pnp-Eingangsstufe 180 ersetzt. Dies reduziert IIL und verbessert die Eingangscharakteristiken der Schaltung.
Fig. 1c stellt ferner die Hysteresepufferschaltung 181 mit einem ersten Signalpfad 185 dar, der zur pnp-Eingangsstufe 180 zurückgeführt ist, und einem zweiten Signalpfad, dem Pfad 186, der zum Koppeln von Daten (über den Inverter 187) mit dem Ausgangspuffer 188 dient. Fig. 1d entspricht der Darstellung in Fig. 1c, mit der Ausnahme, daß eine Nicht- Inverterschaltungsanordnung dargestellt ist.
Die in den Fign. 1c und 1d dargestellten separaten Rückkopplungs- und Datenpfade beschleunigen das Umschalten der Schwellenwerte in den erfindungsgemäßen Schaltungen. Beim Umschalten der Hysteresebezugspegel tritt eine geringere zeitliche Verzögerung auf, da das Schalten parallel zum Ausbreiten von Daten zur Ausgangsstufe erfolgt. Darüber hinaus eliminieren die separaten Pfade für Daten und für Signale zum Steuern der Hysteresebezugspegel das Problem der Beeinflussung der Schwellenpegel durch Variable in der Ausgangsstufe. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird aufgezeigt werden, daß bei Verwendung der im folgenden beschriebenen Temperaturkompensations- und Stromschalttechniken ein vorbestimmtes Mindest-Hysteresefenster über große Temperaturbereiche gewährleistet ist.
Fig. 2 zeigt die Einzelheiten der Schaltung eines als Inverter arbeitenden Hysteresepuffers. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung entspricht dem in gestrichelten Linien in Fig. 1c dargestellten Funktionsblock 199. Das im folgenden beschriebene Beispiel zum Ausbilden der in Fig. 1c dargestellten Inverterschaltung gemäß der Lehren der Erfindung kann von einem Fachmann geringfügig abgewandelt werden, um den in Fig. 1d dargestellten Nicht-Inverterpuffer auszubilden.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der Anfang des Rückführungs/Schwellenwerteinstellpfads der pnp-Transistor Q1. Der Anfang des die Daten leitenden Signalpfads ist durch den pnp-Transistor Q2 gebildet. Diese Pfade werden im folgenden als der erste und der zweite Signalpfad bezeichnet. Die pnp- Eingangsstufe ist gemäß Fig. 2 durch Q1 und Q2 gebildet.
Der erste Signalpfad, der die Rückführungsschleife zur pnp- Eingangsstufe beinhaltet, weist sämtliche in Fig. 2 dargestellte Komponenten außer denjenigen des im folgenden beschriebenen separaten zweiten Signalpfads auf. Die Komponenten des ersten Signalpfads arbeiten insgesamt als die Schwelleneinstelleinrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die Schwelleneinstelleinrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung weist insbesondere die Temperaturkompensationskette 201, die Anti-Hysterese-Beseitigungseinrichtung 202 und die selbstkompensierenden Widerstände R4 und R7 auf, die aus mehreren Widerständen bestehen, die jeweils denselben Widerstandswert aufweisen und sämtlich in Fig. 2 dargestellt sind.
Der in Fig. 2 dargestellte zweite Signalpfad besteht aus dem pnp-Transistor Q2, der Schottky-Diode D2A und dem Transistor Q4. Dieser Signalpfad verbindet den mit "in" bezeichneten Eingang mit dem als "out" bezeichneten Ausgang der Schaltung. Das Eingangssignal breitet sich entlang des zweiten Signalpfads zur (nicht dargestellten) Ausgangsstufe aus, die mit "out" verbunden ist. Das Invertieren des Eingangssignal kann zum Beispiel durch einen Inverter (zum Beispiel den in Fig. 1c dargestellten Inverter 187) erfolgen, der zwischen dem Hysteresepuffer und dem Ausgangspuffer angeordnet ist.
Um die Funktionsweise des ersten Signalpfads besser verstehen zu können, sollte auf die Fign. 2 und 3 gemeinsam Bezug genommen werden. Dies ermöglicht es, die in Tabellenform dargestellten Zustände (Fig. 3) der in Fig. 2 dargestellten verschiedenen Schaltungskomponenten als Funktion des Eingangs zu erkennen, der entweder "high" oder "low" ist, wobei diese Ausdrücke im folgenden definiert werden.
Lediglich zu Zwecken der Veranschaulichung wird die Schaltung entsprechend TTL-Normen beschrieben. Dementsprechend arbeitet die in Fig. 2 dargestellte Schaltung mit VCC von +5,0V, wobei ein Eingangssignal von mehr als +2,0V als "high" definiert ist, ein Eingangssignal von weniger als +0,8V als "low" definiert ist, die Schottky-Dioden bei +0,5V als "ein" definiert sind und VBE bei +0.8V und VCE bei +0,3V liegt, wenn die in Fig. 2 dargestellten Transistoren in der in Fig. 3 dargestellten Tabelle als "ein" gekennzeichnet sind.
Weitere Bedingungen und Definitionen, die dem Zweck des Beispiels und zur Erfüllung der genannten Spezifikationen für militärische Verwendungszwecke dienen, sind, daß VIH nicht größer als +2,0V und VIL nicht geringer als +0,8V sein darf, und daß, obwohl VIH und VIL variieren, die Differenz (d. h. das Fenster zwischen dem Minimum von VIH und dem Maximum von VIL) über den Temperaturbereich von -55ºC bis 155ºC stets größer als 200 Millivolt sein muß.
Die wesentlichen Elemente und Funktionen der in Fig. 2 dargestellten Schaltung werden im einzelnen im folgenden behandelt.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die genannte Temperaturkompensationskette 201 aus der Schottky-Diode D6 und dem Widerstand R7. Es ist der Zweck der Temperaturkompensationskette 201, den Spannungsabfall zwischen dem Schaltungspunkt "X" (in Fig. 2 dargestellt) und Masse über den bekannten Betriebstemperaturbereich der Schaltung verhältnismäßig konstant zu halten.
Bei dem vorliegenden Beispiel beträgt der Bereich 200ºC. Die Temperaturkoeffizienten der Schottky Diode D6 und des Widerstands R7 sind einander entgegengesetzt und erfüllen daher den Zweck der Kette.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung wird die höhere Schwelle VIH eingestellt, wenn das Eingangssignal "low" ist, d. h. VIH wird eingestellt, wenn der Transistor Q9 abgeschaltet ist und Strom über die Temperaturkompensationskette D6 und R7 an Masse geht. Die untere Schwelle VIL wird eingestellt, wenn Q9 eingeschaltet ist und der Strom über Q9 an Masse geht. Dies geschieht, wenn das Eingangssignal "high" ist.
Es sei darauf hingewiesen, daß ein wesentliches Merkmal der Erfindung durch die in Fig. 2 dargestellte Schaltung realisiert wird, da das Stromschalten zwischen der Kette D6, R7 und Q9 durch Hübe des Eingangsspannungssignals initiiert wird, ist jedoch ausgangsunabhängig.
Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß das Hysteresefenster durch Umschalten des Stroms zwischen D6 und Q9 erstellt wird. Es ist durch die Kombination aus der Temperaturkompensationskette und der Stromschalteinrichtung (Q9) sichergestellt, daß dieses Hysteresefenster über den Betriebsbereich der Schaltung wenigstens 200 Millivolt beträgt. Der Spannungsabfall über R7, D6 und Q9 beträgt ungefähr einen Schottky-Abfall. Der Q9-Abfall beträgt ungefähr einen Schottky-Abfall, da VCE von Q9 durch Q8 und D7 auf den Abfall von D7 begrenzt ist; der D6-Abfall beträgt einen Schottky- Abfall und der Spannungsabfall über R7 beträgt ebenfalls ungefähr einen Schottky-Abfall, wie im folgenden unter Bezugnahme auf die nachstehend genannte Formel (2) deutlich wird, mit der VR7 berechnet wird. Infolgedessen beträgt die Differenz zwischen dem Spannungsabfall über Q9 und dem Spannungsabfall über R7 und D6 ungefähr einen Schottky-Abfall, der stets über 200 Millivolt liegt.
Fig. 2 zeigt ferner, daß die Schwelleneinstelleinrichtung ferner aus der Anti-Hysterese-Beseitigungseinrichtung 202 besteht. Wie ,dargestellt, weist die Einrichtung 202 den Transistor Q5, den Widerstand R6 und die Schottky-Dioden D4, D4A und D5 auf. Diese Kette dient dem Ziehen von Strom, wenn das Signal an der Basis des Transistors Q3 zwei Schottky- Abfälle plus VBE überschreitet. Es ist der Zweck der Anti- Hysteresekette zu verhindern, daß der Schaltungspunkt X weiter ansteigt, wenn von der Schwelle VIH auf die Schwelle VIL umgeschaltet wird, d. h. die Schaltung dient zum Eindämmen der ansteigenden Spannung am Schaltungspunkt X, wenn die Eingangsspannung von "low" nach "high" schwingt. Die Einrichtung 202 hat den Gesamteffekt, daß sie den Hysteresepuffer beschleunigt, wodurch ein schnelles Umschalten zwischen den Schwellenpegeln erleichtert wird.
Bezugnehmend auf den in Fig. 2 dargestellten Hysteresepuffer sei schließlich darauf hingewiesen, daß VR7 sowohl von der zur Herstellung der in Fig. 2 dargestellten Widerstände verwendeten Verfahrensvariation als auch von den Temperaturkoeffizienten dieser Widerstände unabhängig ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht R7 aus drei in Reihe geschalteten Widerständen von 3,2 Ohm. Die im einzelnen später beschriebene algebraische Berechnung von VR7 zeigt, daß die Temperaturkoeffizienten und Prozeßvariablen der zu Herstellung von R4 und R7 verwendeten Widerstände aufgehoben werden, wodurch die zuvor genannte Selbstkompensationseigenschaft erzielt wird. Dem durchschnittlichen Fachmann ist verständlich, daß die hier verwendeten Widerstandswerte nur der Veranschaulichung dienen. Um ein weiteres Beispiel zu geben, kann, wenn eine Vergrößerung des Hysteresefensters gewünscht wird, dies durch Wählen eines größeren Wertes für R7 als bei dem Beispiel für das bevorzugte Ausführungsbeispiel erreicht werden. Die einzige Bedingung ist, daß die Widerstände dieselben Abmessungen haben.
Wie zuvor erwähnt, stellt Fig. 3 in Tabellenform einen Überblick über die verschiedenen Zustände der zum Herstellen des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung verwendeten Transistoren dar.
Der Durchschnittsfachmann erkennt, daß, wenn das der Hysteresepufferschaltung zugeführte Eingangssignal "low" ist, nur Q1, Q2 und Q6 "ein" sind. Dies ist in der ersten Zeile der in Fig. 3 dargestellten Tabelle zu sehen. In diesem Fall ist VIH eingestellt und Q9 ist ausgeschaltet, so daß Strom über D6 und R7 an Masse geleitet wird. In diesem Fall wird der Ausgang durch den Ausgangspuffer hochgezogen, um die Inverterfunktion zu erfüllen.
Wie in der zweiten Zeile der in Fig. 3 dargestellten Tabelle gezeigt, sind Q3, Q4, Q7, Q8 und Q9 "ein", wenn der Eingang in die Hysteresepufferschaltung "high" ist. Der Ausgang der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist nunmehr "low", da der Transistor Q4 den Pufferausgang hinunterzieht, wenn er eingeschaltet ist. Ferner wird VIL eingestellt, da Q9 eingeschaltet ist, wodurch der Strom über Q9 anstatt die Kette D6, R7 an Masse geleitet wird.
Schließlich ergibt sich aus der Zusammenschau der Fig. 2 und der Fig. 3, daß beim Schwingen des Eingangs von "low" nach "high", VIL dadurch bestimmt wird, daß Q3 einschaltet, Q6 abschaltet, Q7 einschaltet und Q8 und Q9 einschalten. Schwingt die Eingangsspannung von "high" nach "low", besteht als Endergebnis, daß Q6 weiterhin eingeschaltet ist, alles andere (ausgenommen Q1 und Q2) abgeschaltet ist und Strom über D6 und R7 an Masse geleitet wird, um VIH einzustellen.
Die folgende Analyse beweist, daß, obwohl VIH mit der Temperatur über den 200ºC umfassenden Bereich zwischen -55ºC und 155ºC schwankt, sie +2,0V nicht übersteigt. Anschließend wird aufgezeigt, daß VIL nicht unter +0,8V fällt. Würde zugelassen, daß VIH +2,0V übersteigt oder VIL unter +0,8V fällt, besteht die inakzeptable Möglichkeit, daß das Eingangssignal seinen Zustand verändern könnte, ohne einen Schwellenpegel zu kreuzen. Diese Leistungsanforderungen sind daher in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung berücksichtigt. Ferner ist das Hysteresefenster stets größer als 200 Millivolt, wie zuvor in bezug auf die Spannungsabfälle über die Kombination aus Temperaturkompensationskette und Stromschalteinrichtung dargestellt.
Um zu zeigen, daß VIH +2,0V nicht übersteigt, werden die über R7 bei -55ºC und 155ºC (den Extremen) entstehenden Spannungen und die folgende Formel: VIHMAX = 2VSCH + VR7 (1) angesetzt.
Der Durchschnittsfachmann kann unter Verwendung veröffentlichter Tabellen feststellen, daß VSCH bei -55ºC ungefähr +0,7V und VSCH bei 155ºC ungefähr +0,4V beträgt
Zur Berechnung von VR7 kann von den folgenden Gleichungen ausgegangen werden:
Da IR7 = IR3 + IR4 (Summe des Stromes am Schaltungspunkt X);
gilt
und daher gilt
Um den Bereich von VIH bei VCC = +5,0V zu berechnen, und zwar zuerst für -55ºC und sodann für 155ºC, wird mit der Berechnung von VR7 unter Verwendung der Formel (2) begonnen, und sodann die vorgenannte Formel (1) substituiert, wobei die Tabellenwerte für VSAT, VBE und VSCH bei den betreffenden Extremtemperaturen, d. h., bei -55ºC und 155ºC, verwendet werden.
Bei 155ºC gilt
daher gilt
VIH155ºC = 2(VSCH) + VR7 = 2(0,4) + (0,5013) = 1,3013V
und bei -55ºC gilt
daher gilt
VIH-55ºC = 2(VSCH) + VR7 = 2(0,7) + (0,4365) = 1,8365V
Somit ist der Höchstwert von VIH über den 200ºC umfassenden Betriebstemperaturbereich der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Hystereseschaltung geringer als +2,0V ist.
Um zu erkennen, daß VIL stets +0,8V übersteigt, sei darauf hingewiesen, daß VIL gleich VCE von Q9 plus VBE von Q3 plus VSCH von D2 minus VBE von Q1 ist. Daher beträgt VIL ungefähr 2 VSCH, welcher Wert über den genannten Temperaturbereich stets größer als +0,8V ist.
Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, daß die vorgenannten Formeln belegen, daß VR7 sowohl von Verfahrensvariationen als auch den Temperaturkoeffizienten der verschiedenen Widerstände ist (wie bereits erwähnt), da die Verwendung mehrerer Widerstände mit denselben Werten zur Herstellung von R4 und R7 ein Streichen von prozeßschwankungsabhängigen Parametern und Temperaturkoeffizienten ermöglicht.
Im vorhergehenden wurde eine neuartige Hysteresepufferschaltung beschrieben, die sämtliche zuvor genannten Aufgaben erfüllt. Die offenbarte Hystereseschaltung ist insbesondere vom Ausgang unabhängig, erfüllt die genannten Mindest-Hystereseanforderungen über für militärischen Anwendungen geeignete Temperaturbereiche, arbeitet mit verhältnismäßig geringem ICC und IIL und ist selbstkompensierend.

Claims

1. Temperaturkompensierter Hysteresepuffer mit einer oberen und einer unteren Schwelle, mit

(a) einer Eingangseinrichtung (Q1, Q2) zum Empfangen eines Eingangsdatensignals;

(b) einer Ausgangseinrichtung (OUT) zum Ausgeben eines das Eingangssignal wiedergebenden Ausgangsdatensignals;

(c) einem mit der Eingangseinrichtung (Q1, Q2) gekoppelten ersten Signalpfad (D2, Q3, Q6, Q7, Q8, Q9, Q5) zum Einstellen einer oberen und einer unteren Hystereseschwelle als Funktion des Eingangssignals; und

(d) einem mit der Eingangseinrichtung (Q1, Q2) und der Ausgangseinrichtung (OUT) gekoppelten zweiten Signalpfad (D2A, Q4) zum Ausbreiten der Eingangsdaten zu der Ausgangseinrichtung (OUT);

wobei der erste Signalpfad von dem zweiten Signalpfad getrennt ist;

wobei der erste Signalpfad eine Schwelleneinstelleinrichtung (R4, Q9, 201) mit einer Stromschalteinrichtung (Q9) aufweist, die derart geschaltet ist, daß sie auf das Eingangssignal hin reagiert, wobei die Stromschalteinrichtung (Q9) von dem Ausgangssignal unabhängig gesteuert ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Schwelleneinstelleinrichtung (R4, Q9, 201) ferner aufweist: eine Temperaturkompensationseinrichtung (201) mit einer Reihenschaltung aus einer Schottky-Diode (D6) und einer ersten Widerstandseinrichtung (R7) mit einem Temperaturkoeffizienten, der demjenigen der Diode entgegengesetzt ist, wodurch der Spannungsabfall über der Temperaturkompensationseinrichtung im wesentlichen temperaturunabhängig ist; und eine zweite Widerstandseinrichtung (R4);

wobei die Stromschalteinrichtung (Q9) und die Temperaturkompensationseinrichtung (201) parallel zueinander und zusammen an einem Schaltungspunkt (X) in Reihe mit der zweiten Widerstandseinrichtung (R4) geschaltet sind, derart daß sie, wenn die Stromschalteinrichtung in Reaktion auf das im High-Zustand befindliche Eingangssignal eingeschaltet ist, durch die zweite Widerstandseinrichtung (R4) fließenden Strom vom Schaltungspunkt (X) zieht, um die untere Schwelle einzustellen, und daß, wenn die Stromschalteinrichtung in Reaktion auf das im Low-Zustand befindliche Eingangssignal ausgeschaltet ist, die Temperaturkompensationseinrichtung durch die zweite Widerstandseinrichtung (R4) fließenden Strom vom Schaltungspunkt (X) zieht, um die obere Schwelle einzustellen.

2. Puffer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung eine pnp-Transistor-Eingangsstufe (D1, Q1, Q2) aufweist, die zum Koppeln des Eingangssignals mit dem ersten Signalpfad und, getrennt davon, mit dem zweiten Signalpfad angeordnet ist.

3. Puffer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschalteinrichtung einen Transistor (Q9) aufweist.

4. Puffer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Spannungsabfall über der Temperaturkompensationseinrichtung (201; R7, D6) bei abgeschalteter Schalteinrichtung und der Spannungsabfall über der Schalteinrichtung, wenn diese eingeschaltet ist, ein vorgewähltes Mindest-Hysteresefenster über einen vorbestimmten Betriebstemperaturbereich für den Hysteresepuffer bildet.

5. Puffer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Widerstandseinrichtung (R7, R4) selbstkompensierend sind, wodurch die Temperaturkoeffizienten und Prozeßvariablen, die mit den zu ihrer Herstellung verwendeten Widerstandskomponenten einhergehen, eliminiert werden.

6. Puffer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Widerstandseinrichtung jeweils mehrere Widerstände aufweisen, die sämtlich die selben Widerstandswerte und physischen Abmessungen aufweisen, wobei die Widerstände zur Bildung der ersten Widerstandseinrichtung (R7) parallel und zur Bildung der zweiten Widerstandseinrichtung (R4) in Reihe geschaltet sind.

7. Puffer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelleneinstelleinrichtung (R4, 210, Q9) ferner eine Einrichtung (202) zum Beschleunigen des Betriebs des Puffers aufweist, um das schnelle Schalten zwischen den Hysterese-Bezugspegeln zu erleichtern, mit einem Transistor (Q5), der vorgesehen ist, um den Spannungsanstieg an dem Schaltungspunkt (X) zu hemmen, wenn das Eingangssignal von einem niedrigen zu einem hohen Wert übergeht.

8. Puffer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Puffer einen Temperaturbetriebsbereich zwischen -55ºC und 155ºC aufweist.

9. Puffer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert der Differenz zwischen der unteren und der oberen Schwelle über den Betriebstemperaturbereich des Hysteresepuffers 200 Millivolt übersteigt.

10. Puffer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Puffer als einzelne integrierte Halbleiterschaltungsvorrichtung hergestellt ist.