DE4445201C2 - Circuit arrangement for an emitter-coupled multivibrator - Google Patents

Circuit arrangement for an emitter-coupled multivibrator

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen emittergekoppelten Multivibrator, der als Oszillator in digitalen Übertragungssystemen eingesetzt wird. Die Grundschaltung eines emittergekoppelten Multivibrators ist allgemein bekannt, vgl. U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo 1986, Seite 173-174. Die Frequenzen, die mit einem emittergekoppelten Multivibrator erzeugt werden können, sind im wesentlichen von der eingesetzten Halbleitertechnologie und von der geforderten Frequenzstabilität abhängig. So ist ein Oszillator in CMOS-Technik bekannt, mit dem Frequenzen bis zu 100 MHz realisiert werden können, vgl. DE 39 10 712 A1.The invention relates to a circuit arrangement for a emitter-coupled multivibrator that acts as an oscillator in digital Transmission systems is used. The basic circuit of a emitter-coupled multivibrators are generally known, cf. U. Tietze, Ch. Schenk: semiconductor circuit technology, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo 1986, pages 173-174. The frequencies with a emitter-coupled multivibrator can be generated in essential of the semiconductor technology used and of required frequency stability. So an oscillator is in CMOS technology known, with which frequencies up to 100 MHz realized can be, cf. DE 39 10 712 A1.

Eine Vergrößerung dieser Frequenz ist mit der CMOS-Technologie technisch nicht möglich, vielmehr wird dann die Bipolartechnologie zur Realisierung von Oszillatoren eingesetzt. In modernen Übertragungssystemen mit synchroner digitaler Hierarchie, kurz in SDH-Systemen, werden Daten in zunehmendem Maße mit Übertragungsgeschwindigkeiten von über 150 Mbit/s übertragen. Bereits standardisiert sind Rahmenstrukturen für einen Übertragungsmodul STM-1, Synchronous Transfer Module 1, mit einer Bitrate von 155 Mbit/s und für einen Übertragungsmodul STM-4 mit einer Bitrate von 622 Mbit/s, die in optischen Übertragungssystemen eingesetzt werden. Bei der Realisierung eines monolithisch integrierten Oszillators für diese Frequenzen treten jedoch Probleme auf, die am Beispiel des emittergekoppelten Multivibrators, erläutert werden.It is not technically possible to increase this frequency with CMOS technology; rather, bipolar technology is then used to implement oscillators. In modern transmission systems with synchronous digital hierarchy, in short in SDH systems, data is increasingly being transmitted at transmission speeds of over 150 Mbit / s. Frame structures for a transmission module STM-1, Synchronous Transfer Module 1 , with a bit rate of 155 Mbit / s and for a transmission module STM-4 with a bit rate of 622 Mbit / s, which are used in optical transmission systems, are already standardized. When realizing a monolithically integrated oscillator for these frequencies, however, problems arise which are explained using the example of the emitter-coupled multivibrator.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines allgemein bekannten emittergekoppelten Multivibrators, dessen erster Schalttransistor T1 und dessen zweiter Schalttransistor T2 im Rhythmus der Frequenz jeweils wechselseitig in den leitenden Zustand und in den nichtleitenden Zustand geschaltet werden. Die beiden Schalttransistoren T1, T2 arbeiten im Großsignalbetrieb und werden jeweils von einer Stromquelle mit dem Strom I1 gespeist. Der Emitterstrom des jeweils noch leitenden Schalttransistors beträgt 2.I1, wovon I1 über den Kondensator C1 fließt, der die Emitter der Schalttransistoren T1, T2 verkoppelt, und ein weiterer Strom I1 von der den leitenden Schalttransistor speisenden Stromquelle herrührt. Die Schwingungsamplitude der Spannung am jeweiligen Kollektorwiderstand R1 der Schalttransistoren T1, T2 wird folglich U1 = 2.I1.R1. Somit ergibt sich für den Kondensator C1 eine Umladespannung UC = 4.I1.R1. Der Kondensator C1 wird während jeder Halbperiode der Schwingung mit UC = 4.I1.R1 umgeladen, der Ladestrom beträgt I1. Daraus folgt die Periodendauer und die Frequenz der Schwingung
 Fig. 1 shows the diagram of a well-known emitter-coupled multivibrator, of which the first switching transistor T1 and the second switching transistor T2 in the rhythm of the frequency are in each case mutually connected in the conducting state and the nonconducting state. The two switching transistors T1, T2 operate in large signal mode and are each supplied with current I1 from a current source. The emitter current of the switching transistor that is still conductive is 2.I1, of which I1 flows via the capacitor C1, which couples the emitters of the switching transistors T1, T2, and a further current I1 comes from the current source feeding the conductive switching transistor. The oscillation amplitude of the voltage across the respective collector resistor R1 of the switching transistors T1, T2 consequently becomes U1 = 2.I1.R1. This results in a charge voltage U C = 4.I1.R1 for the capacitor C1. The capacitor C1 is recharged with U C = 4.I1.R1 during each half cycle of the oscillation, the charging current is I1. From this follows the period and the frequency of the oscillation

Die höchste Frequenz wird aufgrund der Großsignalarbeitsweise der Schaltung durch die hierfür erforderliche sehr viel höhere Kleinsignalbandbreite der Schalttransistoren begrenzt. Mit zunehmender Frequenz wird der Einfluß durch parasitäre Schaltelemente, wie Transistorkapazitäten, Layout-Kapazitäten, größer. Eine Erhöhung der Frequenz ist gemäß Gl (2) durch Verkleinerung des Werts der Kollektorwiderstände R1 möglich. Das hat aber zur Folge, daß der Strom I1 der Stromquellen erhöht werden muß, um den Ausgangsspannungshub konstant zu halten. Der erhöhte Kollektorstrom der Schalttransistoren T1, T2 bedingt aber, daß die Schalttransistoren T1, T2 mit größerer Fläche auszulegen sind und damit die parasitären Transistorkapazitäten zunehmen. Die zweite Möglichkeit, die Frequenz zu erhöhen, besteht gemäß Gl. (2) darin, die Kapazität des Kondensators C1 zu verkleinern. Damit kommt jedoch die Kapazität, die beispielsweise für 600 MHz etwa 1 pF beträgt, als frequenzbestimmende Größe in die Größenordnung der Basis-Emitter-Diffusionskapazität der Schalttransistoren, so daß technisch kaum noch eine definierte Frequenz reproduzierbar wird.The highest frequency is due to the large signal mode of operation Circuit through the much higher required for this Small signal bandwidth of the switching transistors limited. With increasing frequency becomes the influence by parasitic  Switching elements, such as transistor capacities, layout capacities, greater. According to Eq (2), an increase in frequency is due to Possible to reduce the value of the collector resistors R1. The has the consequence, however, that the current I1 of the current sources is increased must to keep the output voltage swing constant. The heightened However, collector current of the switching transistors T1, T2 requires that the Switching transistors T1, T2 are to be designed with a larger area and so that the parasitic transistor capacities increase. The second Possibility to increase the frequency exists according to Eq. (2) in to decrease the capacitance of the capacitor C1. With that comes however, the capacitance, for example, about 1 pF for 600 MHz is in the order of magnitude as a frequency-determining variable Base-emitter diffusion capacitance of the switching transistors, so that technically it is hardly possible to reproduce a defined frequency.

Daraus ergibt sich nun die Aufgabe, einen monolithisch integrierbaren Oszillator in Bipolartechnik für hohe Frequenzen anzugeben, mit dem unter Verwendung des Prinzips des emittergekoppelten Multivibrators eine stabile Frequenz ohne wesentlichen Einfluß parasitärer Schaltelemente kostengünstig erzeugt werden kann.Hence the task, a monolithic one integrable oscillator in bipolar technology for high frequencies with which, using the principle of emitter-coupled multivibrators without a stable frequency significant influence of parasitic switching elements inexpensively can be generated.

Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch beschriebene Schaltungsanordnung gelöst. Das Wesen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß im Vergleich zu einem bekannten emittergekoppelten Oszillator bei gleichen Bedingungen eine um den Faktor 2 vergrößerte Frequenz erzeugt werden kann oder anders beschrieben, daß bei gleicher Frequenz der frequenzbestimmende Kondensator in seinem Wert verdoppelt werden kann.This object is achieved by the one described in the first claim Circuit arrangement solved. The essence of the invention Circuit arrangement is that compared to one known emitter-coupled oscillator under the same conditions a frequency increased by a factor of 2 can be generated or described differently that at the same frequency frequency-determining capacitor can be doubled in value can.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigtThe operation of the invention is shown below in one Exemplary embodiment explained. In the accompanying drawing shows

Fig. 1 das Schaltbild eines emittergekoppelten Multivibrators nach dem Stand der Technik und Fig. 1 shows the circuit diagram of an emitter-coupled multivibrator according to the prior art and

Fig. 2 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen emittergekoppelten Multivibrators. Fig. 2 shows the circuit diagram of an emitter-coupled multivibrator according to the invention.

Gemäß Fig. 2 besteht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aus einem ersten Schalttransistor T1 mit einem zugehörigen ersten Kollektorwiderstand R1, aus einem zweiten Schalttransistor T2 mit einem zugehörigen zweiten Kollektorwiderstand R2, aus einem ersten Emitterfolger T3, aus einem zweiten Emitterfolger T4 sowie aus einer ersten Pegelschieberdiode T5, aus einer zweiten Pegelschieberdiode T6, aus einem ersten Stromschalter T7 und aus einem zweiten Stromschalter T8 und aus einer ersten Stromquelle 1, aus einer zweiten Stromquelle 2, aus einer dritten Stromquelle 3 und aus einer vierten Stromquelle 4. Bei der weiteren Beschreibung wird vorausgesetzt, daß der erste Kollektorwiderstand R1 und der zweite Kollektorwiderstand R2 den gleichen Widerstandswert haben.Referring to FIG. 2, the inventive circuit arrangement of a first switching transistor T1 is connected to an associated first collector resistor R1, a second switching transistor T2 with a respective second collector resistor R2 of a first emitter follower T3, a second emitter follower T4 as well as from a first level shift diode T5, from a second level shift diode T6, from a first current switch T7 and from a second current switch T8 and from a first current source 1 , from a second current source 2 , from a third current source 3 and from a fourth current source 4 . In the further description it is assumed that the first collector resistor R1 and the second collector resistor R2 have the same resistance value.

Die Oszillatorfrequenz des emittergekoppelten Multivibrators wird von der Größe des Umladestromes des die Emitter der Schalttransistoren T1, T2 verkoppelnden Kondensators C1 bestimmt. In der Schaltung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 beträgt der Umladestrom I1. Dieser Wert ergibt sich aus folgendem Sachverhalt: Der erste Schalttransistor T1 soll im nichtleitenden Zustand sein, dann ist der zweite Schalttransistor T2 im leitenden Zustand, und es fließt dann ein Strom der Größe 2.I1 von der Versorgungsspannungsquelle UB über den zweiten Kollektorwiderstand R2 durch den leitenden zweiten Schalttransistor T2, an dessen Emitter der Strom aufgeteilt wird. Mit I1 wird der Kondensator C1 umgeladen und fließt über die erste Stromquelle 1 zur Versorgungsspannungsquelle UB zurück. Der zweite Stromanteil I1 fließt über die vierte Stromquelle 4 zur Versorgungsspannungsquelle UB zurück.The oscillator frequency of the emitter-coupled multivibrator is determined by the size of the charge-reversal current of the capacitor C1 coupling the emitters of the switching transistors T1, T2. In the circuit according to the prior art according to FIG. 1, the recharge current is I1. This value results from the following facts: The first switching transistor T1 should be in the non-conductive state, then the second switching transistor T2 is in the conductive state, and then a current of size 2.I1 flows from the supply voltage source UB via the second collector resistor R2 through the conductive second switching transistor T2, at the emitter of which the current is divided. The capacitor C1 is charged with I1 and flows back via the first current source 1 to the supply voltage source UB. The second current component I1 flows back via the fourth current source 4 to the supply voltage source UB.

Erfindungsgemäß wird nun durch die Anordnung des ersten Stromschalters T7 und des zweiten Stromschalters T8 bewirkt, daß die erste Stromquelle 1 und die vierte Stromquelle 4 nicht mehr direkt mit den Emittern des ersten und des zweiten Schalttransistors T1, T2 verbunden sind. Einem nichtleitenden Schalttransistor wird ein leitender Stromschalter und einem leitenden Schalttransistor wird ein nichtleitender Stromschalter in Reihe geschaltet. Die Emitter der Transistoren, mit denen die Stromschalter T7, T8 realisiert sind, sind miteinander verbunden. Gemäß Fig. 2 ergibt sich dann folgende Wirkungsweise: Der erste Schalttransistor T1 soll im nichtleitenden Zustand sein, dann ist der zweite Schalttransistor T2 im leitenden Zustand. Durch den von der zweiten Stromquelle 2 gespeisten ersten Emitterfolger T3 wird der erste Stromschalter T7 in den leitenden Zustand geschaltet, und durch den von der dritten Stromquelle 3 gespeisten zweiten Emitterfolger T4 wird der zweite Stromschalter T8 in den nichtleitenden Zustand geschaltet. Der Stromverlauf ist nun folgender: Von der Spannungsquelle UB fließt ein Strom der Größe 2.I1 über den zweiten Kollektorwiderstand R2 durch den leitenden zweiten Schalttransistor T2 und weiter über den Kondensator C1, da der direkte Weg zur vierten Stromquelle 4 durch den nichtleitenden zweiten Stromschalter T8 gesperrt ist. Der Strom 2.I1 durch den Kondensator C1 fließt weiter über den leitenden ersten Stromschalter T7 und teilt sich an dessen Emitter auf die erste Stromquelle 1 und die vierte Stromquelle 4 auf.According to the invention, the arrangement of the first current switch T7 and the second current switch T8 means that the first current source 1 and the fourth current source 4 are no longer directly connected to the emitters of the first and second switching transistors T1, T2. A non-conductive switching transistor is connected to a conductive current switch and a conductive switching transistor is connected to a non-conductive current switch. The emitters of the transistors with which the current switches T7, T8 are implemented are connected to one another. Referring to FIG. 2, then the following action gives: The first switching transistor T1 to be in the nonconductive state, the second switching transistor T2 in the conducting state. The first current switch T7 is switched to the conductive state by the first emitter follower T3 fed by the second current source 2 , and the second current switch T8 is switched to the non-conductive state by the second emitter follower T4 fed by the third current source 3 . The current curve is now as follows: A current of size 2.I1 flows from the voltage source UB via the second collector resistor R2 through the conductive second switching transistor T2 and further via the capacitor C1, since the direct path to the fourth current source 4 through the non-conductive second current switch T8 Is blocked. The current 2.I1 through the capacitor C1 continues to flow via the conductive first current switch T7 and is divided at its emitter between the first current source 1 and the fourth current source 4 .

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird im Vergleich zum Stand der Technik erreicht, daß der Umladestrom des Kondensators C1 verdoppelt wird, obwohl die Gesamtstromaufnahme der Schaltung konstant bleibt und der Spannungshub am ersten und zweiten Kollektorwiderstand R1, R2 gleich geblieben ist. Der verdoppelte Umladestrom des Kondensators C1 führt zu einer Halbierung der Ladezeit und damit zu einer Verdopplung der Oszillatorfrequenz
By means of the circuit arrangement according to the invention, compared to the prior art, the charge reversal current of the capacitor C1 is doubled, although the total current consumption of the circuit remains constant and the voltage swing across the first and second collector resistors R1, R2 has remained the same. The doubled charge reversal current of the capacitor C1 leads to a halving of the charging time and thus to a doubling of the oscillator frequency

Somit besteht einerseits die Möglichkeit, den Frequenzbereich des Oszillators gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen oder andererseits die Möglichkeit, die ursprüngliche Frequenz nicht zu erhöhen, aber dafür die frequenzbestimmende Kapazität des Kondensators C1 bis zum zweifachen des Wertes zu vergrößern. Durch die vergrößerte Kapazität wird vorteilhafterweise das Verhältnis von parasitären Kapazitäten, beispielsweise der Basis-Emitter-Diffusionskapazität der Schalttransistoren T1, T2, zu der frequenzbestimmenden Kapazität C1 bis um den Faktor 2 erhöht, so daß damit die Stabilität der Oszillatorfrequenz wesentlich verbessert wird und die Abhängigkeit von den parasitären Schaltelementen verringert wird.Thus on the one hand there is the possibility of changing the frequency range of the Increase or oscillator over the prior art on the other hand the possibility of not changing the original frequency increase, but the frequency determining capacity of the To enlarge capacitor C1 up to twice the value. By the increased capacity advantageously becomes the ratio of parasitic capacitances, for example the Base-emitter diffusion capacity of the switching transistors T1, T2, too the frequency-determining capacity C1 increased by a factor of 2, so that the stability of the oscillator frequency is essential is improved and the dependence on the parasitic Switching elements is reduced.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung für einen emittergekoppelten Multivibrator bestehend aus einem ersten Schalttransistor T1 und einem diesem zugeordneten ersten Kollektorwiderstand R1, einem zweiten Schalttransistor T2 und einem diesem zugeordneten zweiten Kollektorwiderstand R2, einem Kondensator C1, der den Emitter des ersten Schalttransistors T1 mit dem Emitter des zweiten Schalttransistors T2 verbindet, weiterhin aus einem den Schaltvorgang des Multivibrators unterstützenden ersten Emitterfolger T3 und aus einem den Schaltvorgang des Multivibrators unterstützenden zweiten Emitterfolger T4 sowie aus einer ersten Stromquelle 1 im Zweig des ersten Schalttransistors T1, einer zweiten Stromquelle 2 im Zweig des ersten Emitterfolgers T3, einer dritten Stromquelle 3 im Zweig des zweiten Emitterfolgers T4 und einer vierten Stromquelle 4 im Zweig des zweiten Schalttransistors T2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitter des ersten Schalttransistors T1 und der ersten Stromquelle 1 ein steuerbarer erster Stromschalter und daß zwischen dem Emitter des zweiten Schalttransistors T2 und der vierten Stromquelle 4 ein steuerbarer zweiter Stromschalter derart geschaltet sind, daß bei leitendem ersten Schalttransistor T1 der erste Stromschalter nichtleitend ist und bei nichtleitendem zweiten Schalttransistor T2 der zweite Stromschalter leitend ist, wobei die jeweils leitenden und nichtleitenden Zustände entsprechend der jeweiligen Schwingungsphase vertauschbar sind und daß der erste und der zweite Stromschalter auf der der ersten und vierten Stromquelle 1, 4 zugewandten Seite miteinander verbunden sind.1. Circuit arrangement for an emitter-coupled multivibrator consisting of a first switching transistor T1 and a first collector resistor R1 associated therewith, a second switching transistor T2 and a second collector resistor R2 associated therewith, a capacitor C1 which connects the emitter of the first switching transistor T1 with the emitter of the second switching transistor T2 connects, further from a first emitter follower T3 supporting the switching process of the multivibrator and from a second emitter follower T4 supporting the switching process of the multivibrator, and from a first current source 1 in the branch of the first switching transistor T1, a second current source 2 in the branch of the first emitter follower T3, one third current source 3 in the branch of the second emitter follower T4 and a fourth current source 4 in the branch of the second switching transistor T2, characterized in that a control between the emitter of the first switching transistor T1 and the first current source 1 erable first current switch and that a controllable second current switch are connected between the emitter of the second switching transistor T2 and the fourth current source 4 such that the first current switch is non-conductive when the first switching transistor T1 is conductive and the second current switch is conductive when the second switching transistor T2 is non-conductive, the each conductive and non-conductive states are interchangeable according to the respective oscillation phase and that the first and second current switches are connected to one another on the side facing the first and fourth current sources 1 , 4 . 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromschalter aus einem Transistor T7 besteht, dessen Basisanschluß über eine erste Pegelschieberdiode T5 mit dem Emitter des ersten Emitterfolgers T3 verbunden ist und daß der zweite Stromschalter aus einem Transistor T8 besteht, dessen Basisanschluß über eine zweite Pegelschieberdiode T6 mit dem Emitter des zweiten Emitterfolgers T4 verbunden ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the first Current switch consists of a transistor T7, whose base connection via a first level shift diode T5 with the emitter of the first Emitter follower T3 is connected and that the second power switch consists of a transistor T8, whose base connection via a second level shift diode T6 with the emitter of the second Emitter follower T4 is connected.
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