DE69127254T2 - Differentialschaltung zur Umsetzung eines Einphasen-Signals in ein Komplementärsignal - Google Patents

Differentialschaltung zur Umsetzung eines Einphasen-Signals in ein Komplementärsignal

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DE69127254T2
DE69127254T2 DE1991627254 DE69127254T DE69127254T2 DE 69127254 T2 DE69127254 T2 DE 69127254T2 DE 1991627254 DE1991627254 DE 1991627254 DE 69127254 T DE69127254 T DE 69127254T DE 69127254 T2 DE69127254 T2 DE 69127254T2
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    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • H03K5/01Shaping pulses
    • H03K5/08Shaping pulses by limiting; by thresholding; by slicing, i.e. combined limiting and thresholding
    • H03K5/082Shaping pulses by limiting; by thresholding; by slicing, i.e. combined limiting and thresholding with an adaptive threshold

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Description

    Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differentialschaltung und insbesondere eine Differentialschaltung zur Umsetzung eines Einphasensignals in ein komplementäres Ausgangssignal.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Es ist daher eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Differentialschaltung zu schaffen, deren Schaltungskomponenten auf einem einzigen Halbleiterchip integriert sind.
  • Um diese Aufgabe zu lösen wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, den Eingangskondensator durch eine Kombination aus einem Pegelschieber und einem Tiefpaßfilter zu ersetzen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 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:
  • Fig. 1 ein Schaltbild der Anordnung der Differentialschaltungen gemäß dem Stand der Technik;
  • Fig. 2 ein Schaltbild der Anordnung einer Differentialschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3 eine graphische Darstellung der Spannungspegel an wesentlichen Knoten der Differentialschaltung in Einheiten der Zeit; und
  • Fig. 4 eine graphische Darstellung der Spannungspegel an wesentlichen Knoten bezogen auf die Zeit bei gegenüber der
  • Fig. 3 unterschiedlichen Bedingungen.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • V13 = V0 - r11 x i1 ....Gleichung 1
  • 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
  • Ic12 oder Ic13 = i2/2 ....Gleichung 2
  • Jeder dieser Basisströme 1b12 und 1b13 ist gegeben durch Ib12 oder Ib13 = i2/ (2 x β) ...Gleichung 3
  • Der Spannungspegel V12 am Basisknoten B12 des n-p-n-Bipolartransistors Q12 ist gegeben durch
  • V12 = V0 - r14 x i2 / (2 x β) ...Gleichung 4
  • Um den Spannungspegel V13 mit dem Spannungspegel V12 abzugleichen, müssen aus den Gleichungen 1 und 4 die Widerstände r11 und r14 geregelt werden durch
  • r14 = (2 x i1 x r11 x (β)) / i2 ...Gleichung 5
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

1. Differentialschaltung, die auf einem einzigen Haibleiterchip (11) hergestellt ist, mit:
a) einem Differentialabschnitt (14) mit ersten und zweiten Reihenkombinationen aus ersten und zweiten Widerständen (R13/R12) und ersten und zweiten Bipolartransistoren (Q13/Q12), die zwischen einer ersten Quelle vom Spannungspegel (15) und einem gemeinsamen Emitterknoten parallel gekoppelt sind, und einer ersten Konstantstromquelle (12), die zwischen dem gemeinsamen Emitterknoten und einer zweiten Quelle vom Spannungspegel (GND), der sich vom Spannungspegel von dem der ersten Spannungpegelquelle (15) unterscheidet, gekoppelt ist;
b) einem Paar Ausgangsknoten (QUT1/OUT2), die jeweils mit Kollektorknoten der ersten und zweiten Bipolartransistoren gekoppelt sind und mit einem komplementären Ausgangssignal derselben gespeist werden;
c) einem Pegelschiebeabschnitt (12) mit einer Reihenkombination aus einem dritten Bipolar-Transistor (Q11), der mit seinem Basisknoten an einen Eingangsknoten (IN) gekoppelt ist und durch ein Einphasen-Eingangssignal gesteuert wird, einem ersten Zwischenknoten (N1), einem dritten Widerstand (R11), einem zweiten Zwischenknoten (N2), der mit einem Basisknoten (B13) des ersten Bipolartransistors gekoppelt ist und einer zweiten Konstantstromquelle (11), die zwischen die ersten und zweiten Spannungspegelquellen gekoppelt ist; und
d) einem Tiefpaßfilterabschnitt (13) mit einem vierten Widerstand (R14), der zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem Basisknoten (B12) des zweiten Bipolartransistors gekoppelt ist, und einem Kondensator (C1), der zwischen dem Basisknoten des zweiten Bipolartransistors und der zweiten Spannungspegelquelle gekoppelt ist, und eine Wechselstromkomponente des Einphasen-Eingangssignals eliminiert, wobei Schaltungsparameter des Pegelschiebeabschnitts und des Tiefpaßfilterabschnitts so reguliert sind, daß sie die Spannungspegel an den Basisknoten der ersten und zweiten Bipolartransistoren für die Gleichstromkomponente des Einphaseneingangssignals ausgleichen;
dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert R2(r14) des vierten Widerstandes ausgedrückt wird durch:
R2 = (2 x I2 x AF x R1)/I1
mit 12 gleich einem Strom (i1), der durch die zweite Konstantstromquelle durchgeht, AF gleich dem Gleichstrom-Verstärkungsfaktor jedes der ersten und zweiten Bipolartransistoren, R1 gleich dem Widerstand (r11) des dritten Widerstands und I1 gleich einem Strom (i2), der durch die erste Konstantstromquelle geht.
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