Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Differentialschaltung und insbesondere eine Differentialschaltung zur
Umsetzung eines Einphasensignals in ein komplementäres
Ausgangssignal.
Beschreibung des Standes der Technik
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Ein typisches Beispiel der Differentialschaltung ist in der
Fig. 1 dargestellt und hat zwei Reihenschaltungen aus
Widerständen R1 und R2 und n-p-n-Bipolartransistoren Q1 und
Q2 die parallel zwischen einer Quelle für einen
Versorgungsspannungspegel 1 und einer Konstantstromquelle 2
gekoppelt sind, Vorspannschaltkreise 3a und 3b, die an die
Basisknoten der n-p-n-Bipolartransistoren Q1 und Q2
gekoppelt sind und einen Eingangskondensator 4, der zwischen
einen Eingangsknoten 5 und den Basisknoten des
n-p-n-Bipolartransistors Q2 gekoppelt ist. Die Konstantstromquelle 2
ist an Masse gelegt und die Kollektorknoten der
n-p-n-Bipolartransistoren Q1 und Q2 sind mit einem Paar
Ausgangsknoten 6a und 6b gekoppelt. Ein Einphasen-Eingangssignal ist
an den Eingangsknoten 5 angelegt, und der
Eingangskondensator eliminiert die Gleichstromkomponente vom
Einphaseneingangssignal. Der Wechselstrom wird vom Eingangskondensator
4 zum Basisknoten des n-p-n-Bipolartransistors Q2 geleitet
und bewirkt, daß der n-p-n-Bipolartransistor den
Kollektorstrom
ändert. Da der Gesamtstrom, der die
n-p-n-Bipolartransistoren Q1 und Q2 passiert, konstant ist, werden die
Kollektorströme der n-p-n-Bipolartransistoren Q1 und Q2
komplementär mit dem Wechselstrom geändert und es wird
zwischen den Ausgangsknoten 6a und 6b ein komplementäres
Ausgangssignal erzeugt.
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Bei der Differentialschaltung gemäß dem Stand der Technik
tritt das Problem auf, daß der Eingangskondensator 4 kaum
auf einem Halbleiterchip zu integrieren ist. Dies ist
infolge der Tatsache der Fall, daß der Eingangskondensator 4
zu groß ist, um auf dem Halbleiterchip hergestellt zu
werden. Es wird nämlich erwartet, daß die Kapazität des
Eingangskondensators 4 groß genug ist, um die
Gleichstromkomponente des Einphasen-Eingangssignals bei einer gewissen
Frequenz abzutrennen, und die Kapazität und demgemäß die
Belegfläche auf dem Halbleiterchip wird durch das
Einphaseneingangssignal mit einer relativ hohen Frequenz erhöht.
Es ist nicht wünschenswert, daß der Halbleiterchip
vergrößert wird und aus diesem Grund besteht die Neigung, den
Eingangskondensator 4 aus dem Halbleiterchip
herauszulassen. Anders ausgedrückt, die Differentialschaltung gemäß
dem Stand der Technik besteht aus einer integrierten
Schaltung, die mit Ausnahme des Eingangskondensators 4 und eines
Einzelkondensators auf dem Halbleiterchip hergestellt ist.
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Die US-PS-4943736 zeigt ein Signalform-Umwandlungsgerät mit
einem ersten und zweiten Transistor vom Typ gemeinsamer
Emitter als Teil einer ersten und zweiten
Emitterfolgerschaltung. Die Folgerschaltungen werden zum unabhängigen
Umwandeln der Impedanz eines Eingangssignals verwendet.
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Aus dem japanischen Patent Abstract Vol 7 Nr. 251 (E-209)
[1396] der JP-A-58138121 ist eine Signalform-formende
Schaltung bekannt, bei der eine Gleichspannung eines
Spannungssignals geändert wird, eine Pegeldifferenz durch die
Änderung einer Konstantstromquelle bedingt durch die
Wirkung der Gleichspannungsänderung geändert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher eine wichtige Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Differentialschaltung zu schaffen, deren
Schaltungskomponenten auf einem einzigen Halbleiterchip
integriert sind.
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Um diese Aufgabe zu lösen wird gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen, den Eingangskondensator durch eine
Kombination aus einem Pegelschieber und einem Tiefpaßfilter
zu ersetzen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst.
Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Merkmale und Vorteile der Differentialschaltung gemäß
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung, die anhand der begleitenden Figuren
durchgeführt worden ist, klar verständlich, in welchen zeigt:
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Fig. 1 ein Schaltbild der Anordnung der
Differentialschaltungen gemäß dem Stand der Technik;
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Fig. 2 ein Schaltbild der Anordnung einer
Differentialschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 eine graphische Darstellung der Spannungspegel an
wesentlichen Knoten der Differentialschaltung in Einheiten
der Zeit; und
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Fig. 4 eine graphische Darstellung der Spannungspegel an
wesentlichen Knoten bezogen auf die Zeit bei gegenüber der
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Fig. 3 unterschiedlichen Bedingungen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Bezugnehmend auf die Fig. 2 der Figuren ist eine
Differentialschaltung, die die vorliegende Erfindung verkörpert,
auf einem einzigen Halbleiterchip 11 hergestellt, und
besteht großenteils aus einem Pegelschiebeabschnitt 12, der
durch einen Emitterfolger, einen Tiefpaßfilterabschnitt 13
und einen Differentialabschnitt 14 implementiert ist. Der
Pegelschiebeabschnitt 12 hat eine Reihenschaltung aus einem
n-p-n-Bipolartransistor Q11, einem ersten Zwischenknoten
N1, einem Widerstand R11, einem zweiten Zwischenknoten N2
und einer Stromquelle I1, die zwischen eine Quelle für
Versorgungsspannungspegel 15 und einen Masseknoten GND
gekoppelt ist, und es wird von einem Eingangsknoten IN an den
Basisknoten des n-p-n-Bipolartransistors Q11 ein
Signalphasen-Eingangssignal angelegt. Die Konstantstromquelle I1
ermöglicht es, daß ein Strom I1 konstant durch diese fließt
und der Widerstand Rll erzeugt einen Ohmschen Widerstand
r11.
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Der Differentialabschnitt 14 hat zwei Reihenschaltungen aus
den Widerständen R12 und R13 und den
n-p-n-Bipolartransistoren Q12 und Q13, die parallel zwischen die Quelle für
den Netzspannungspegel und eine Konstantstromquelle 12
gekoppelt sind, und die Konstantstromquelle I2 ihrerseits ist
an den Masseknoten GND gekoppelt. Die Konstantstromquelle
I2 erlaubt, daß konstant ein Strom i2 fließt und der
Basisknoten B13 des n-p-n-Bipolartransistors Q13 ist mit dem
zweiten Zwischenknoten N2 verbunden. Die
n-p-n-Bipolartransistoren Q12 und Q13 haben einen
Gleichstrom-Verstärkungsfaktor Beta (β). Die Kollektorknoten der
n-p-n-Bipolartransistoren Q12 und Q13 sind jeweils mit den Ausgangsknoten
OUT1 und OUT2 gekoppelt und zwischen den Ausgangsknoten
QUT1 und OUT2 tritt ein komplementäres Ausgangssignal auf.
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Der Tietpaßtilterabschnitt 13 hat einen Widerstand R14, der
zwischen den ersten Zwischenknoten N1 und den Basisknoten
B12 des n-p-n-Bipolartransistors Q12 gekoppelt ist, und
einen Kondensator C1, der zwischen den Basisknoten B12 des
n-p-n-Bipolartransistors Q12 und den Masseknoten GND
gekoppelt ist. Der Widerstand R14 und der Kondensator C1
erzeugen jeweils den Ohmschen Widerstand r14 bzw. die Kapazität
c1, die geregelt werden, um die Wechselstromkomponente des
Einphasen-Eingangssignals zu eliminieren.
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Die Schaltungsparameter des Pegelschiebeabschnittes 12 und
des Tiefpaßfilterabschnittes 13 werden so geregelt, daß die
Spannungspegel an den Basisknoten B12 und B13 der
n-p-n-Bipolartransitoren Q12 und Q13 für jede Gleichstromkomponente
des Einphasen-Eingangssignals miteinander im Gleichgewicht
sind. Im einzelnen wird nun angenommen, daß am
Emitterknoten des n-p-n-Bipolartransistors Q12 infolge der
Gleichstromkomponente des Einphasen-Eingangssignals der
Spannungspegel V0 auftritt, wobei der Spannungspegel V13 am
Basisknoten B13 des n-p-n-Bipolartransistors Q13 wie folgt
berechnet wird:
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V13 = V0 - r11 x i1 ....Gleichung 1
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Während der n-p-n-Bipolartransistor Q13 mit dem
n-p-n-Bipolartransistor Q12 abgeglichen ist, wird jeder der
Kollektorströme Ic12 und Ic13 ausgedrückt durch
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Ic12 oder Ic13 = i2/2 ....Gleichung 2
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Jeder dieser Basisströme 1b12 und 1b13 ist gegeben durch
Ib12 oder Ib13 = i2/ (2 x β) ...Gleichung 3
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Der Spannungspegel V12 am Basisknoten B12 des
n-p-n-Bipolartransistors Q12 ist gegeben durch
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V12 = V0 - r14 x i2 / (2 x β) ...Gleichung 4
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Um den Spannungspegel V13 mit dem Spannungspegel V12
abzugleichen, müssen aus den Gleichungen 1 und 4 die
Widerstände r11 und r14 geregelt werden durch
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r14 = (2 x i1 x r11 x (β)) / i2 ...Gleichung 5
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Wenn die Schaltungsparameter wie vorstehend beschrieben
geregelt werden, sind die Spannungspegel an den Basisknoten
B12 und B13 der n-p-n-Bipolartransistoren Q12 und Q13
infolge der Gleichstromkomponente des
Einphasen-Eingangssignals miteinander abgeglichen, und die
Wechselstromkomponente ist nur an den Basisknoten B13 des
n-p-n-Bipolartransistors Q13 angelegt. Anders ausgedrückt, das komplementäre
Ausgangssignal wird proportional mit dem
Einphasen-Eingangssignal variiert.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen die Spannungspegel gegen die
Zeit, die durch eine Computersimulation für die
Differentialschaltung wie in der Fig. 2 gezeigt, erhalten worden
sind. Bei der Computersimulation ist der
Gleichstrom-Verstärkungsfaktor β 100, der Widerstand r11 100 X, jeder der
Ströme i1 und i2 gleich 100 µA, die Kapazität c1 gleich 20
pF und der Widerstand r14 gleich 20 kX, wie aus der
Gleichung 5 erhalten.
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Bei der in der Fig. 3 gezeigten Computersimulation ist der
Netzspannungspegel 4V und die Gleichstromkomponente des
Einphasen-Eingangssignals beträgt 4,2 V. Das
Einphasen-Eingangssignal enthält die Wechselstromkomponente mit einer
Amplitude von 100 mV bei 100 mHz Die graphischen
Darstellungen sind mit den gleichen Bezugsziffern wie die Knoten
der Differentialschaltung und die Spannungspegel in den
vorstehenden Gleichungen bezeichnet, und die graphische
Darstellung DV steht für den Differenzspannungspegel
zwischen den Gleichstromkomponenten der Spannungspegel an den
Basisknoten B12 und B13. Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist,
ist der Spannungspegel am Basisknoten B13 proportional zum
Einphasen-Eingangssignal bei unterschiedlichem Pegel
mittels des Pegelschiebeabschnittes 12 erzeugt und der
Tiefpaßfilterabschnitt 13 eliminiert wirksam die
Wechselstromkomponente aus dem Einphasen-Eingangssignal. Der
Spannungspegel an der Amplitudenmitte wird nämlich wirksam durch den
Tiefpaßfilter 13 extrahiert und wird wirksam an den
Basisknoten B12 des n-p-n-Bipolartransistors Q12 angelegt. Die
graphischen Darstellungen DV überschreiten 1 mV nicht und
bestätigen, daß die Gleichung 5 exakt die Beziehung
zwischen den Schaltungsparametern zwischen dem
Pegelschiebeabschnitt 12 und dem Tiefpaßfilterabschnitt 13 ausdrückt. Die
n-p-n-Bipolartransistoren Q12 und Q13 erzeugen das
komplementäre Ausgangssignal aus den Spannungspegeln an den
Basisknoten B12 und B13.
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Bei der in der Fig. 4 gezeigten Computersimulation ist die
Gleichstromkomponente des Einphasen-Eingangssignals auf 1,8
V geändert. Der Spannungspegel am Basisknoten B13 folgt
jedoch dem Einphasen-Eingangssignal und der
Tiefpaßfilterabschnitt 13 eliminiert wirksam die Wechselstromkomponente
aus dem Einphasen-Eingangssignal und das komplementäre
Ausgangssignal ist ähnlich dem in der Fig. 3 gezeigten. Daher
bringen die Figuren 3 und 4 zuverlässige Beweise als
Bestätigung der Vorteile der vorliegenden Erfindung. In der Tat
spricht die Differenzschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung auf das Einphasen-Eingangssignal an ungeachtet der
Größe der Gleichstromkomponente insoweit, als die folgenden
Bedingungen erfüllt sind. Der Spannungspegel infolge der
Gleichstromkomponente sättigt nämlich nicht die
Emitter-Basis-Spannung Vbe des n-p-n-Bipolartransistors Q11 und
sättigt nicht die Konstantstromquelle 12 infolge des
Darlington-Verstärkers der n-p-n-Bipolartransistoren Q11 und Q12.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, kann die
Differentialschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung dank
der Kombination aus Pegelschiebeabschnitt und
Tiefpaßfilterabschnitt
auf einem einzigen Halbleiterchip hergestellt
werden. Wenn das Einphasen-Eingangssignal 100 mHz ist,
besetzt in der Tat die Differentialschaltung gemäß dem Stand
der Technik ungefähr 3 x 10&sup5; µm², die Differentialschaltung
gemäß Fig. 2 jedoch nur 2 x 10&sup4; µm².
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Obwohl besondere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist für den
Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Änderungen und
Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang
der vorliegenden Erfindung, wie er im Patentanspruch
definiert ist, abzuweichen. Beispielsweise kann die
Differentialschaltung einen Teil einer integrierten Schaltung bilden,
die auf einem einzigen Halbleiterchip hergestellt ist, oder
kann auf einem Ein-Chip-Halbleiterchip allein hergestellt
sein.