FI100628B - Multivibraattoripiiri - Google Patents

Description

, 100628

Multivibraattoripiiri

Keksinnön kohteena ovat yleisesti värähtelypiirit, ja erityisesti multivibraattoreihin perustuvat vä-5 rähtelypiirit.

Erilaisia värähtelypiirejä eli oskillaattoreita käytetään hyvin monissa elektroniikan ja tietoliikennetekniikan sovelluksissa. Tietoliikennetekniikassa tyypillisiä sovelluksia ovat vaihelukitut silmukat (PLL), 10 taajuusoskillaattorit, modulaattorit, jne.

Värähtelypiirejä eli oskillaattoreita voidaan toteuttaa monilla eri piirirakenteilla. Eräs näistä on astabiili (vapaasti käyvä) multivibraattori. Kuviossa 1 on esitetty eräs perinteinen emitterikytketty multivib-15 raattoripiiri. Piiri käsittää kaksi transistoria Q1 ja Q2, joiden välille on aikaansaatu positiivinen takaisinkytkentä kytkemällä kukin transistorin kollektori pus-kuritransistorin Q3,Q4 kautta ohjaamaan toisen transistorin kantaa. Joissakin tunnetuissa ratkaisuissa Rcl ja 20 Rc2 on korvattu keloilla. Ql:n ja Q2:n kollektorit on kytketty vastuksien Rcl ja vastaavasti Rc2 kautta käyt-töjännitelähteen 1 yhteen potentiaaliin, ja emitterit on kytketty virtalähteiden 3 ja vastaavasti 4 kautta käyttö j ännitelähteen alempaan potentiaaliin. Vastaavasti 25 puskuritransistorien Q3 ja Q4 emitterit on kytketty virtalähteiden 5 ja 6 kautta alempaan potentiaaliin. Lisäksi Ql:n ja Q2:n emittereiden väliin on kytketty kapasitanssi C. Positiivinen takaisinkytkentä sekä vastusten RC1 ja RC2 ja kapasitanssin C muodostamat sarja-30 resonanssipiirit Rcl-C ja Rc2-C aikaansaavat sen, että multivibraattorin ulostulo jatkuvasti värähtelee kahden tilan välillä, kun värähtely on kerran Hipaistu käyntiin. Värähtelytaajuus määräytyy RC-sarjaresonanssipii-rien komponenttien arvoista. Värähtelytaajuutta voidaan 35 säätää muuttamalla jotakin näistä komponenttiarvoista, 100628 2 tyypillisesti kapasitanssia C.

Seuraavassa tarkastellaan lähemmin multivibraat-torin toimintaa. Oletetaan aluksi, että Q1 ja Q3 ovat pois päältä (johtamaton tila). Ql:n ollessa pois päältä 5 ovat Ql:n kollektori sekä Q2:n kanta suurinpiirtein käyttöjännitepotentiaalissa. Tällöin on Q2 päällä (johtava tila), ja sen emitterivirta on 11+12. Samoin on puskuritransistori Q4 on päällä syöttäen kantavirtaa Q2:lle. Q2:n johtaessa virta II kulkee Q2:n emitteriltä 10 kapasitanssin C kautta Ql:n emitterille. Tällöin virta Il varaa/purkaa kapasitanssin C varausta, jolloin Ql:n emitteripotentiaali putoaa tietyllä nopeudella, kunnes Q1 alkaa johtaa Ql:n kantaemitterijännitteen ylittäessä n. 0.6 V. Kun Q1 alkaa johtaa, sen kollektorijännite al-15 kaa pudota, minkä seurauksena puskuritransistori Q3 alkaa sulkeutua. Q4:n kautta syntyvän positiivisen takaisinkytkennän vuoksi myös Q2:n kantajännite putoaa ja Q2 sulkeutuu. Q2:n sulkeutuminen aiheuttaa Q2:n kollektori jännitteen kasvamisen, mikä nopeuttaa Q3 avautumis-20 ta. Q3:n avautuminen kasvattaa, positiivisen takaisinkytkennän kautta, Ql:n kantavirtaa. Suurempi kantavirta purkaa nopeammin Ql:n kantapiirin loiskapasitanssit ja sitä kautta nopeuttaa Ql:n avautumista. Q2:n ollessa pois päältä ja Ql:n päällä, virta 12 kulkee Ql:n emitte-25 riitä kapasitanssin C kautta Q2:n emitterille, jossa emitterijännite alkaa pudota kunnes aiheuttaa jälleen Q2:n avautumisen ja, Q3:n kautta, Ql:n sulkeutumisen. Tällaisen multivibraattoripiirin nopeus (maksimi-resonanssitaajuus) riippuu ensisijaisesti transistorei-30 den Ql, Q2, Q3 ja Q4 ominaisuuksista. Nykyisin on kuitenkin tarve yhä suurempiin nopeuksiin.

Edellä esitetyn tyyppisen multivibraattorin vaatima minimikäyttöjännite on noin 1,5 V, josta vähintään 0,4-0,5 V käytetään virtalähteiden 3, 4, 5 ja 6 yli.

35 Kuitenkin erityisesti elektroniikkalaitteissa, joissa 3 100628 käytetään akkuteholähteitä, haluttaisiin käyttää alhaisempia käyttöjännitteitä.

Esillä olevan keksinnön eräänä päämääränä on mul-tivibraattoripiirin nopeuden kasvattaminen.

5 Esillä olevan keksinnön toisena päämääränä multi- vibraattorin käyttöjännitteen laskeminen.

Esillä olevan keksinnön vielä eräs päämäärä on yksinkertaisempi multivibraattorin taajuudensäätö.

Keksinnön kohteena on multivibraattoripiiri, joka 10 käsittää käyttöj ännitelähteen, ensimmäisen epälineaarisen vahvistinkomponentin, joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä ohjauselektrodin, 15 toisen epälineaarisen vahvistinkomponentin, joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä oh-j auselektrodin, kolmannen vahvistinkomponentin, jonka pääelekt-rodit on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin oh-20 jauselektrodille ja käyttöjännitelähteen ensimmäiseen potentiaaliin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty toisen vahvistinkomponentin ensimmäiselle pääelektrodille niin, että aikaansaadaan positiivinen takaisinkytkentä, neljännen vahvistinkomponentin, jonka pääelekt-25 rodit on kytketty toisen vahvistinkomponentin oh- jauselektrodille ja käyttöjännitelähteen ensimmäiseen potentiaaliin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin ensimmäiselle pääelektrodille niin, että aikaansaadaan positiivinen takaisinkyt-30 kentä, kapasitiivisen komponentin, joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin ja toisen vahvistinkomponentin toisen pääelektrodin väliin, ensimmäisen induktiivisen komponentin, jonka 35 kautta ensimmäisen vahvistinkomponentin ensimmäinen pää- , 100628 4 elektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen ensimmäiseen potentiaaliin, toisen induktiivisen komponentin, jonka kautta toisen vahvistinkomponentin ensimmäinen pääelektrodi on 5 kytketty käyttöjännitelähteen ensimmäiseen potentiaaliin. Multivibraattoripiirille on tunnusomaista, että se käsittää kolmannen induktiivisen komponentin, jonka kautta ensimmäisen vahvistinkomponentin toinen pääelektrodi on 10 kytketty käyttöjännitelähteen toiseen potentiaaliin, neljännen induktiivisen komponentin, jonka kautta toisen vahvistinkomponentin toinen pääelektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen toiseen potentiaaliin.

Esillä olevassa keksinnössä multivibraattoripii-15 rin toimintanopeutta kasvatetaan kasvattamalla ns. ava-lanche-prosessien nopeutta vahvistinkomponenteissa. Ava-lanche-prosesseilla tarkoitetaan piirin ominaisuutta lumivyörymäisesti itseään vahvistavalla tavalla siirtyä tilasta toiseen, ja ne ovat vallitsevia prosesseja ää-20 rimmäisen korkeilla toimintataajuuksilla.

Perinteisessä multivibraattoripiirissä käytetään vastukset vahvistinkomponenttien ensimmäisien pääelekt-rodien (esim. kollektorit) ja käyttöjännitteen välissä. Keksinnön mukaisessa multivibraattorissa vahvistinkom-25 ponenttien ensimmäiset pääelektrodit on kytketty käyttö-jännitteeseen ensimmäisen ja vastaavasti toisen induktiivisen komponentin kautta. Tämä parannus laskee tarvittavaa käyttöjännitettä, koska induktiivisen komponentin yli ei synny DC-jännitehäviötä. Lisäksi tämä paran-30 nus kasvattaa vahvistusta avalanche-prosessin aikana ja sitä kautta koko piirin nopeutta. Lisäksi suurilla taajuuksilla signaalin aaltomuoto on lähempänä sinimuotoa.

Perinteisessä multivibraattoripiirissä käytetään vahvistinkomponenttien toisien pääelektrodien (esim.

35 emitterit) ja toisen käyttöjännitteen välissä virtaläh- 100628 5 teitä, joiden päätarkoituksena on pitää virta pääelekt-rodilla vakiona. Keksinnön mukaisessa multivibraattoris-sa myös vahvistinkomponenttien toiset pääelektrodit on kytketty käyttöjännitteeseen kolmannen ja vastaavasti 5 neljännen induktiivisen komponentin kautta. Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa myös puskuritransistoreiden toiset pääelektrodit on kytketty käyttöjännitteeseen viidennen ja vastaavasti kuudennen induktiivisen komponentin kautta. Nämä parannukset edelleen laskevat tar-10 vittavaa käyttöjännitettä, koska induktiivisen komponentin yli ei synny DC-jännitehäviötä kuten virtalähteiden yli. Lisäksi tämä parannus tehostaa piirin toimintaa avalanche-prosessin aikana ja sitä kautta koko piirin nopeutta.

15 Keksinnön mukaisesti ainakin kahden induktiivisen komponentin välille on aikaansaatu sähkömagneettinen kytkentä (induktiivinen kytkentä vallitseva) siten, että niissä kulkevilla virroilla on sähkömagneettinen vuorovaikutus, joka tehostaa positiivista takaisinkytkentää 20 multivibraattorin vahvistinkomponenttien välillä. Tämä ylimääräinen sähkömagneettinen "takaisinkytkentä" puolestaan tehostaa merkittävästi avalanche-prosessia ja sitä kautta koko piirin nopeutta. Eräs valmistustekni-sesti edullinen tapa toteuttaa kaksi induktiivista kom-25 ponenttia sekä niiden sähkömagneettinen kytkentä on kela, jossa on väliulosotto.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa tämä sähkömagneettinen kytkentä on ensimmäisen ja toisen induktiivisen komponentin välillä. Lisäksi, tai vaihtoehtoisesti, 30 myös kolmannen ja neljännen induktiivisen komponentin välillä voi olla vastaava sähkömagneettinen kytkentä. Näiden lisäksi, tai niille vaihtoehtoisesti, myös viidennen ja kuudennen induktiivisen komponentin välillä voi olla vastaava sähkömagneettinen kytkentä. Mikäli 35 kaikki sähkömagneettiset kytkennät toteutetaan samassa 100628 6 multivibraattoripiirissä, positiivinen takaisinkytkentä ja sitä kautta koko piirin nopeus kasvaa edelleen.

Keksinnön vielä eräässä suoritusmuodossa on kaikkien induktiivisten komponenttien välille aikaansaatu 5 sähkömagneettinen kytkentä. Toisin sanoen esimerkiksi ensimmäisen ja toisen induktiivisen komponentin virrat vuorovaikuttavat, paitsi keskenään, myös kolmannen ja neljännen, viidennen ja kuudennen induktiivisen komponentin kanssa. Tämä tehostaa edelleen positiivista ta-10 kaisinkytkentää ja sitä kautta kasvattaa koko piirin nopeutta. Valmistusteknisesti edullinen tapa toteuttaa kaikkien induktiivisten komponenttien välinen kytkentä on muuntaja, jossa on kolme käämiä, joissa on vä-liulosotto.

15 Keksinnön mukaisen multivibraattoripiirin eräs edullinen piirre on, että multivibraattoripiirin kondensaattorin reaktiivinen impedanssi sekä siihen kytketyt induktiiviset komponentit määräävät virran, joka kulkee niiden läpi avalanche-prosessissa. Resonanssitaajuus 20 riippuu tästä virrasta. Koska tämän virran säätö on yk sinkertaista, voidaan keksinnön mukaisen multivibraattoripiirin taajuussäätö toteuttaa yksinkertaisemmin kuin nykyisissä piireissä.

Keksintöä selitetään seuraavassa viitaten ohei-25 siin piirroksiin, joissa kuvio 1 on kytkentäkaavio, joka esittää tekniikan tason mukaisen emitterikytketyn multivibraattoripiirin, kuviot 2, 3 ja 4 ovat kytkentäkaavioita, jotka esittävät erilaisia keksinnön mukaisia multivibraattori-30 piirejä, ja kuvio 5 on kytkentäkaavio, joka esittää keksinnön mukaisen multivibraattoripiirin, jossa on taajuudensää-tö.

Esillä oleva keksintö soveltuu käyttöjännitteen 35 alentamiseen ja nopeuden lisäämiseen ns. emitterikytke- 100628 7 tyissä multivibraattoripiireissä. Vaikka tekniikan tason mukaisessa multivibraattoripiirissä, joka on esitetty kuviossa 1, samoin kuin keksinnön mukaisessa multivibraattoripiireissä, jotka on esitetty kuvioissa 2-5, on 5 käytetty vahvistineliminä bipolaaritransistoreita, kek sinnön mukaisissa piiriratkaisuissa voidaan käyttää periaatteessa minkä tahansa tyyppisiä epälineaarisia vah-vistinkomponentteja, kuten MOS-, CMOS-, SOI-, HEMT- ja HBT-transistorit, mikroaaltoputket sekä tyhjiöputket.

10 Näissä komponenteissa elektrodien nimityksen saattavat vaihdella. Bipolaaritransistorin pääelektrodit ovat kol-lektori ja emitteri ja ohjauselektrodi on kanta. FET-transistoreissa vastaavat elektrodit ovat nielu, lähde ja hila. Tyhjiöputkissa vastaavia elektrodeja nimitetään 15 yleensä anodi, katodi ja hila. Täten myös termi emitte-rikytketty multivibraattori täytyy ymmärtää tässä yhteydessä yleisempänä käsitteenä, joka kattaa mm. termit katodikytketty tai lähdekytketty multivibraattori.

Kuviossa 2 on esitetty keksinnön ensimmäisen suo-20 ritusmuodon mukainen emitterikytketty multivibraattori- piiri. Piiri käsittää neljä NPN-transistoria Q1-Q4. Transistorin Q1 kollektorielektrodi on kytketty kelan LI kautta käyttöjännitelähteen 1 positiiviseen käyttöjännitteeseen Vcc, ja emitteri on kytketty kelan L3 kautta 25 jännitelähteen 1 alempaan käyttöjännitepotentiaaliin, esim. 0 V. Transistorin Q2 kollektori on kytketty kelan L2 kautta käyttöjännitteeseen Vcc, ja emitteri kelan L4 kautta käyttöjännitteeseen 0 V.

Transistoreiden Q1 ja Q2 väliin on kytketty kon-30 densaattori C. Transistoreiden Q1 ja Q2 välille on aikaansaatu positiivinen takaisinkytkentä ristiinkytkemäl-lä Q2:n kollektori puskuritransistorin Q3 kautta Ql:n kannalle, ja Ql:n kollektori puskuritransistorin Q4 kautta Q2:n kannalle. Tarkemmin sanottuna Q3:n kanta on 35 kytketty Q2: n kollektorille, emitteri Ql:n kannalle ja 100628 8 kollektori käyttöjännitteeseen Vcc. Q3:n emitteri on lisäksi kytketty kelan L5 kautta käyttöjännitteeseen 0 V. Q4:n kanta on kytketty Ql:n kollektorille, emitteri Q2:n kannalle ja kollektori käyttöjännitteeseen Vcc.

5 Q4:n emitteri on lisäksi kytketty kelan L6 kautta käyttöjännitteeseen 0 V.

Positiivinen takaisinkytkentä sekä kelojen L1-L4 ja kondensaattorin C muodostamat sarjaresonanssipiirit L1-C-L4 ja L2-C-L3 aikaansaavat sen, että multivibraat-10 torin ulostulo (esim. Q2:n emitteri) värähtelee kahden tilan välillä, kun värähtely on kerran Hipaistu käyntiin. Piirin toiminta vaatii suhteellisen suurta re-sonanssitaajuutta, tyypillisesti vähintään noin 1 GHz. Piirin resonanssitaajuus asetetaan komponenttien LI, L2, 15 L3, L4 ja C arvoilla. Resonanssitaajuutta voidaan säätää 1) säätämällä näiden komponenttien arvoja sinänsä tunnetulla tavalla tai 2) säätämällä kondensaattorin C ja kelojen L3,L4 läpi kulkevaa virtaa, kuten myöhemmin selitetään. Resonanssitaajuusalueella 1-10 GHz kelojen Ll-20 L4 arvot ovat tyypillisesti suuruusluokkaa 1-10 nH ja kondensaattorin C arvo suuruusluokkaa 1-5 pF. Keksinnön mukaisessa multivibraattoripiirissä kelat LI ja L2 korvaavat vastukset Rcl ja Rc2 perinteisessä multivibraattoripiirissä, joka on esitetty kuviossa 1. Kelat LI ja 25 L2 laskevat käyttöjännitettä Vcc, koska niiden yli ei synny dc-jännitehäviötä. Vastaava vaikutus on myös keloilla L3-L6, jotka korvaavat perinteisen multivi-braattoripiirin virtalähteet 3-6 (kuvio 1) . Siten tran-sistoreiden Q1-Q4 kollektoreilla ja emittereillä esiin-30 tyvat potentiaalit ovat käytännössä Vcc ja 0 V. Tämän seurauksena käyttöjännite voidaan pudottaa alueelle noin 0,8-1 V, kun kuvion 1 piirissä Vcc on noin 1,5 V tai suurempi.

Kelat L1-L6 lisäksi tehostavat vahvistusta ava-35 lanche-prosessin aikana .transistorin Q1 tai Q2 kytkey- 100628 9 tyessä päälle. Tarkastellaan aluksi lähemmin multivi-braattorin toimintaa. Oletetaan aluksi, että Q1 on pois päältä (johtamaton tila). Ql:n ollessa pois päältä ovat Ql:n kollektori sekä Q4:n kanta suurin piirtein käyttö-5 jännitepotentiaalissa Vcc resonanssitaajuudella. Tällöin Q4 on päällä (johtava tila), minkä vuoksi Q2:n kantapo-tentiaali on n. Vcc-06 V. Täten Q2 on päällä ja sen emitterivirta II kulkee Q2:n emitteriltä kapasitanssin C kautta Ql:n emitterille. Tällöin virta II varaa/purkaa 10 kapasitanssin C varausta, jolloin Ql:n emitteripotenti-aali putoaa tietyllä nopeudella resonanssitaajuudella, kunnes Q1 alkaa johtaa kantaemitterijännitteen ylittäessä noin 0,6 V. Kun Q1 alkaa johtaa, sen kollektorijännite alkaa pudota. Koska Ql:n kollektori on kytketty pus-15 kuritransistorin Q4 kautta Q2:n kannalle (positiivinen takaisinkytkentä), myös Q2:n kantajännite putoaa ja Q2 alkaa sulkeutua. Q2:n sulkeutuessa sen kollektorijännite kasvaa, mikä avaa puskuritransistoria Q3. Puskuritran-sistorin Q3 avautuminen kasvattaa Ql:n kantavirtaa ja 20 nopeuttaa Ql:n avautumista, jne. Näin tapahtuu ava- lanche-tyyppinen siirtyminen tilasta toiseen. Q2:n ollessa pois päältä ja Ql:n päällä, virta 12 kulkee Ql:n emitteriltä kapasitanssin C kautta Q2:n emitterille, jossa emitterijännite alkaa pudota kunnes se aiheuttaa 25 jälleen Q2:n avautumisen ja Ql:n sulkeutumisen. Kuten aikaisemmin todettiin, resonanssitaajuuden täytyy olla riittävän suuri, suurempi kuin noin 1 GHz, jotta väräh-telysignaali ei oikosulkeudu kelojen L1-L6 kautta jännitelähteeseen kuten dc-signaali. Maksimiresonanssitaa-30 juus, joka multivibraattoripiirillä voidaan saavuttaa riippuu ensisijaisesti transistoreiden Q1-Q4 ominaisuuksista, ts. nopeudesta, jolla ne pystyvät kytkeytymään tilasta toiseen. Kelojen L1-L6 aikaansaama nopeuslisäys perustuu pääasiallisesti niiden taajuudesta riippuvaan 35 impendanssiin.

100628 10

Koska virroilla, jotka kulkevat kelaparien LI ja L2, L3 ja L4 sekä L5 ja L6 kautta, on voimakas toiminnallinen riippuvuus toisistaan, piirin nopeutta voidaan edelleen lisätä aikaansaamalla kelojen välille sähkömag-5 neettinen kytkentä siten, että niissä kulkevilla virroilla on sähkömagneettinen vuorovaikutus, joka tehostaa positiivista takaisinkytkentä multivibraattorin vahvis-tinkomponenttien välillä.

Kuviossa 3 on esitetty eräs keksinnön multivi-10 braattoripiiri, jossa on sähkömagneettinen kytkentä kelojen LI ja L2 välillä, kelojen L3 ja L4 sekä L5 ja L6 välillä. Kuviossa 3 kelat LI ja L2 on toteutettu yhdellä kelalla, jossa on väliulosotto. Väliulosotto on kytketty käyttöjännitteeseen Vcc, kelan toinen päätynäpä 31 tran-15 sistorin Q2:n kollektorille ja kelan toinen päätynäpä 32 transistorin Q2:n kollektorille. Näin kela LI muodostuu väliulosoton 30 ja päätynavan 31 väliin ja kela 2 muodostuu väliulosoton 30 ja päätynavan 32 väliin. Kelat L3 ja L4 on toteutettu samalla tavoin kelalla, jossa on 20 väliulosotto. Kelan väliulosotto 33 on kytketty käyttö-jännitepotentiaaliin 0 V, päätynäpä 34 transistorin Ql:n emitterille ja päätynäpä 35 transistorin Q2:n emitteril-le. Edelleen kelat L5 ja L6 on toteutettu samalla tavoin kelalla, jossa on väliulosotto. Kelan väliulosotto 33 on 25 kytketty käyttöjännitepotentiaaliin 0 V, päätynäpä 36 transistorin Q3:n emitterille ja päätynäpä 37 transistorin Q4:n emitterille.

Tarkastellaan seuraavassa kuvion 3 piirin toimintaa. Oletetaan aluksi, että Q1 on kiinni ja Q2 on johta-30 va. Tällöin transistorin Q2 kollektorivirta Ic2, joka kulkee kelan L2 kautta, sekä Q2:n kantavirta IB2, joka kulkee kelan LI kautta, ovat suurimmillaan. Vastaavasti Ql:n kollektorivirta Lcl=0 ja kantavirta IB1=0. Kun Q1 alkaa avautua ja Q2 sulkeutua, kuten kuvion 2 yhteydessä 35 selitettiin, Ql:n kollektorivirta Icl, joka kulkee kelan n 100628 LI kautta, sekä Ql:n kantavirta IB1, joka kulkee kelan L2 kautta, alkavat kasvaa kelojen Li ja L2 välinen sähkömagneettinen kytkentä aiheuttaa sen, että kasvava virta IC1 kelassa LI indusoi kelan L2 lisävirran, joka nopeut-5 taa Q3:n kantavirran IB3 kasvua. Kasvanut kantavirta IB3 puolestaan purkaa nopeammin Q3:n kantaelektrodin loiska-pasitanssit, ja sitä kautta nopeuttaa Q3:n avautumista. Q3:n avautuminen puolestaan lisää Ql:n kantavirtaa IB1_. Kasvanut kantavirta IB1 puolestaan purkaa nopeammin Ql:n 10 kantaelektrodin loiskapasitanssit, ja sitä kautta nopeuttaa Ql:n avautumista. Tämä puolestaan kasvattaa edelleen virtaa Icl, mikä puolestaan kelojen LI ja L2 kautta kasvattaa virtaa I03, jne. Tämä jatkuu kunnes Q1 on täysin auki, ja Q2 kiinni, ts. IC1 ja IB1 ovat suurim-15 millään ja IC2:IB2=0. Tämän jälkeen alkaa jälleen Q2:n avautuminen ja Ql:n sulkeutuminen, jossa puolestaan virrat IC2 ja IB2 vahvistavat toisiaan kelojen LI ja L2 kautta. Näin on aikaansaatu positiivinen "sähkömagneettinen takaisinkytkentä", joka vahvistaa perinteistä positii-20 vista takaisinkytkentä multivibraattoripiirissä.

Vastaavalla tavalla kelojen L3 ja L4 sekä L5 ja L6 läpi kulkevien virtojen muutokset vahvistavat toisiaan ja tätä kautta lisäävät transistoreiden Q1 ja Q2 välistä positiivista takaisinkytkentää sekä koko piirin 25 nopeutta.

Keksinnön mukaisen multivibraattoripiirin toimintaa voidaan edelleen nopeuttaa aikaansaamalla sähkömagneettinen kytkentä kaikkien kelojen L1-L6 välillä. Eräs tällainen ratkaisu on esitetty kuviossa 4, jossa kelat 30 L1-L6 on toteutettu muuntajalla Tl, jossa on kolme vä- liulosotolla varustettua käämiä Ml, M2 ja M3. Käämin Ml väliulosotto 40 on kytketty jännitelähteen 1 käyttöjännitteeseen Vcc, päätynäpä 41 on kytketty transistorin Q1 kollektorille ja päätynäpä 42 on kytketty transistorin 35 Q2 kollektorille. Kela LI muodostuu väliulosoton 40 ja 100628 12 navan 41 väliin. Kela L2 muodostuu väliulosoton 40 ja navan 42 väliin. Käämin M2 väliulosotto 43 on kytketty jännitelähteen 1 potentiaaliin 0 V, päätynäpä 44 on kytketty transistorin Q1 emitterille ja päätynäpä 45 on 5 kytketty transistoriin Q2 emitterille. Kela L3 muodostuu väliulosoton 43 ja navan 44 väliin. Kela L4 muodostuu väliulosoton 43 ja navan 45 väliin. Käämin M3 väliulosotto 43 on jännitelähteen 1 potentiaaliin 0V, päätynäpä 46 transistorin Q3 emitterille ja päätynäpä 47 10 transistorin Q4 emitterille. Kela L5 muodostuu väliulos-ton 43 ja päätynavan 46 väliin. Kela L6 muodostuu väliulosoton ja päätynavan 47 väliin.

Kelojen LI ja L2 välillä, kelojen L3 ja L4 sekä kelojen välillä on sähkömagneettinen kytkentä, kuten 15 edellä kuvattiin kuvion 3 yhteydessä. Lisäksi myös muuntajan Tl käämeillä Ml, M2 ja M3 on keskinäinen sähkömagneettinen kytkentä. Tämä tarkoittaa, että keloissa LI ja L2 kulkevat virrat vaikuttavat induktiivisesti keloissa L3-L6 kulkeviin virtoihin, ja päin vastoin. Toisin sa-20 noen myös kollektoripiirin ja emitteripiirin välillä on avalanche-prosessia kiihdyttävä positiivinen takaisinkytkentä. Tällä tavoin voidaan muodostaa voimakkain mahdollinen monireittinen positiivinen takaisinkytkentä ja suurin mahdollinen avalanche-prosessin nopeus. Esimer-25 kiksi kelan L4 kautta kulkeva virta, joka kasvaa transistorin Q1 avautuessa voidaan järjestää vahvistamaan transistorin Q3 kantavirtaa, joka kulkee kelan L2 kautta. Suurempi kantavirta nopeuttaa Q3:n avautumista, mikä puolestaan nopeuttaa Ql:n avautumista kasvattaen kelassa 30 L4 kulkevaa virtaa, mikä kasvattaa kelan L2 kautta Ql:n kantavirtaa, jne. Samalla tavoin voidaan muut kelojen L1-L6 kautta kulkevat virrat järjestää induktiivisesti vuorovaikuttamaan keskenään siten, että ne vahvistavat positiivista takaisinkytkentää.

35 Kuviossa 5 on esitetty eräs jänniteohjattu oskil- 100628 13 laattori (VCO) , joka on toteutettu käyttäen kuvion 4 multivibraattorikytkentää. Keksinnön mukaisessa multi-vibraattoripiirissä kondensaattorin C ja siihen kytket-. tyjen kelojen LI, L2, L3 ja L4 reaktiiviset impedanssit 5 määräävät virran, joka kulkee niiden läpi avalanche-pro-sessin aikana. Tärkeää on, että tämän virran säätäminen johtaa resonanssitaajuuden säätämiseen. Tämä mahdollistaa hyvin yksinkertaisen resonanssitaajuuden säädön verrattuna perinteisiin ratkaisuihin, joissa säädetään kon-10 densaattorin C tai jonkin kelan L1-L4 arvoa.

Kuviossa 5 esitetyssä oskillaattorikytkennässä kelojen L3 ja L4 välinen kytkentäpiste, ts. väliulosotto 43, on kytketty jännitelähteen 1 käyttöjännitepotentiaa-liin 0 V N-MOS -tyyppisellä sarjatransistorilla Ml. 15 Transistorin Ml kautta kulkevaa virtaa säätää ohjausjän-nite Vcontrol transistorin Ml:n hilalla. Transistorin Ml läpi kulkeva virta puolestaan säätää kondensaattorin C läpi avalanche-prosessin aikana kulkevaa virtaa ja sitä kautta resonanssitaajuutta. Riippuen siitä, millä kompo-20 nentilla resonanssipiirissä on dominoiva rooli, konden saattorilla C vai keloilla L1-L4, transistorin Ml läpi kulkevan säätövirran kasvattaminen johtaa oskillaattorin synnyttämän taajuuden kasvamiseen, pienenemiseen tai ei vaikuta siihen lainkaan. Säätövirran pieneneminen ai- 25 kaansaa vastakkaisen ilmiön.

Vaikka kuvion 5 esimerkissä transistori Ml on N-MOS -transistori, sen sijasta voidaan käyttää minkä tahansa tyyppistä transistoria, kuten P-MOS-, NPN- ja PNP-transistorit, tai periaatteessa minkä tahansa tyyp-30 pistä virtaa säätävää komponenttia.

Vaihtoehtoisesti transistori Ml tai muu vastaava virransäätöelin voidaan sijoittaa jännitelähteen 1 käyt-töjännitenavan Vcc ja kelojen Li ja L2 väliseen tehon-syöttölinjaan.

35 Keksinnön mukaisella multivibraattorilla voidaan 100628 14 toteuttaa helposti myös virtaohjattu oskillaattori (ICO). Kuvion 5 VCO:sta voidaan helposti saada ICO, kun säätövirta syötetään transistorin Ml sijasta jollakin sopivalla menetelmällä, kuten virtapeilillä, vahvis-5 tinasteella, jne.

Keksinnön mukainen multivibraattori sekä siihen perustuvat ICO- ja VCO-oskillaattorit ovat paljon nopeampia, vaativat alhaisemman jännitesyötön korkeampaa amplitudia varten ja omaavat yksinkertaisemman taajuuden 10 säädön kuin perinteiset multivibraattorit ja oskillaat torit. Esimerkiksi 0,8 pm BiCMOS-tekniikalla toteutetussa ja alhaisen Q-arvon omaavia keloja käyttävässä integroidussa piiritoteutuksessa keksinnön mukainen multivibraattori kehittää 0,8 V amplitudin jopa 10 GHz taajuu-15 della, pienemmällä kuin 1 mW tehonkulutuksella 1,5 V käyttöjännitteestä.

Piirrokset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksintöä. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten 20 puitteissa ja hengessä.

Claims (11)

100628 15

1. Multivibraattoripiiri, joka käsittää käyttöjännitelähteen (1), 5 ensimmäisen epälineaarisen vahvistinkomponentin (Ql), joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä ohjauselektrodin, toisen epälineaarisen vahvistinkomponentin (Q2), joka käsittää ensimmäisen ja toisen pääelektrodin sekä 10 ohjauselektrodin, kolmannen vahvistinkomponentin (Q3), jonka pää-elektrodit on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ohjauselektrodille ja käyttöjännitelähteen (1) ensimmäiseen potentiaaliin ja jonka ohjauselektrodi on 15 kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) ensimmäiselle pääelektrodille niin, että aikaansaadaan positiivinen takaisinkytkentä, neljännen vahvistinkomponentin (Q4), jonka pää-elektrodit on kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) 20 ohjauselektrodille ja käyttöjännitelähteen (1) ensimmäiseen potentiaaliin ja jonka ohjauselektrodi on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäiselle pääelektrodille niin, että aikaansaadaan positiivinen takaisinkytkentä, 25 kapasitiivisen komponentin (C), joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) toisen pääelektrodin ja toisen vahvistinkomponentin (Q2) toisen pääelektrodin väliin, ensimmäisen induktiivisen komponentin (L2), jonka 30 kautta ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäinen pääelektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) ensimmäiseen potentiaaliin, toisen induktiivisen komponentin (LI), jonka kautta toisen vahvistinkomponentin (Q2) ensimmäinen pää-35 elektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) ensimmäi- 16 100628 seen potentiaaliin, tunnettu siitä, että piiri käsittää kolmannen induktiivisen komponentin (L3), jonka kautta ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) toinen pää-5 elektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) toiseen potentiaaliin, neljännen induktiivisen komponentin (L4), jonka kautta toisen vahvistinkomponentin (Q2) toinen pää-elektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) toiseen 10 potentiaaliin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen multivibraatto- ripiiri, tunnettu siitä, että se käsittää viidennen induktiivisen komponentin (L5), jonka kautta ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) oh- 15 jauselektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) toiseen potentiaaliin, kuudennen induktiivisen komponentin (L6), jonka kautta toisen vahvistinkomponentin (Q2) ohjauselektrodi on kytketty käyttöjännitelähteen (1) toiseen potentiaa-20 liin.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen multivibraatto- ripiiri, tunnettu siitä, että ainakin kahdella mainituista ensimmäisestä, toisesta, kolmannesta, neljännestä, viidennestä ja kuu-25 dennesta induktiivisesta komponentista (L1-L6) on keski näinen sähkömagneettinen kytkentä.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen multivi- braattoripiiri, tunnettu siitä, että ensimmäi sen (LI) ja toisen (L2) induktiivisen komponentin välil- 30 lä, kolmannen (L3) ja neljännen (L4) induktiivisen kom ponentin välillä, viidennen (L5) ja kuudennen (L6) induktiivisen komponentin välillä tai kaikkien induktii visten komponenttien välillä on sähkömagneettinen keskinäinen kytkentä.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen multi- 100628 17 vibraattoripiiri, tunnettu ensimmäisestä kelasta, joka käsittää ensimmäisen kytkentänavan (34), joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) toiseen pääelektrodiin, toisen kytkentänavan (35) , joka on 5 kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) toiseen pää-elektrodiin, ja väliulosoton (33), joka on toiminnallisesti kytketty käyttöjännitelähteen (1) toiseen potentiaaliin, ja että ensimmäisen kelan osuus, joka on ensimmäisen kytkentänavan (34) ja väliulosoton (33) välissä, 10 muodostaa mainitun kolmannen induktiivisen komponentin (L3) , ja että ensimmäisen kelan osuus, joka on toisen kytkentänavan (35) ja väliulosoton (33) välissä, muodostaa mainitun neljännen induktiivisen komponentin (L4).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen multi-15 vibraattoripiiri, tunnettu toisesta kelasta, joka käsittää ensimmäisen kytkentänavan (31), joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) ensimmäiseen pääelektrodiin, toisen kytkentänavan (32), joka on kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) ensimmäiseen 20 pääelektrodiin, ja väliulosoton (30), joka on toiminnal lisesti kytketty käyttöjännitelähteen (1) ensimmäiseen potentiaaliin, ja että toisen kelan osuus, joka on ensimmäisen kytkentänavan (31) ja väliulosoton (30) välissä, muodostaa mainitun ensimmäisen induktiivisen kom-25 ponentin (LI), ja että toisen kelan osuus, joka on toisen kytkentänavan (32) ja väliulosoton (30) välissä, muodostaa mainitun toisen induktiivisen komponentin (L2) .

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen multi- 30 vibraattoripiiri, tunnettu kolmannesta kelasta, joka käsittää ensimmäisen kytkentänavan (36), joka on kytketty kolmannen vahvistinkomponentin (Q3) toiseen pääelektrodiin, toisen kytkentänavan (37), joka on kytketty neljännen vahvistinkomponentin (Q4) toiseen pää-35 elektrodiin, ja väliulosoton (35), joka on toiminnalli- 1β 100628 sesti kytketty käyttöjännitelähteen toiseen potentiaaliin, ja että kolmannen kelan osuus, joka on ensimmäisen kytkentänavan (36) ja väliulosoton (35) välissä, muodostaa mainitun viidennen induktiivisen komponentin (L5) , 5 ja että toisen kelan osuus, joka on toisen kytkentänavan (37) ja väliulosoton (35) välissä, muodostaa mainitun kuudennen induktiivisen komponentin (L6).

8. Patenttivaatimuksen 4 mukainen multivibraatto-ripiiri, tunnettu siitä, että ensimmäinen, toi- 10 nen, kolmas ja neljäs induktiivinen komponentti (L1-L4) ovat muuntajan käämejä.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen multivibraatto-ripiiri, tunnettu muuntajasta, joka käsittää ensimmäisen käämin, jossa on ensimmäinen kytken-15 tänapa (44), joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkom-ponentin (Ql) toiseen pääelektrodiin, toinen kytkentäna-pa (45), joka on kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) toiseen pääelektrodiin, ja väliulosotto (43), joka on toiminnallisesti kytketty käyttöjännitelähteen toi-20 seen potentiaaliin, ja että ensimmäisen käämin osuus, joka on ensimmäisen kytkentänavan (44) ja väliulosoton (43) välissä, muodostaa mainitun kolmannen induktiivisen komponentin (L3), ja että ensimmäisen käämin osuus, joka on toisen kytkentänavan (45) ja väliulosoton (43) välis-25 sä, muodostaa mainitun neljännen induktiivisen komponentin (L4), toisen käämin, jossa on ensimmäinen kytkentänapa (41), joka on kytketty ensimmäisen vahvistinkomponentin (Ql) toiseen ensimmäiseen pääelektrodiin, toinen kytken-30 tänapa (42), joka on kytketty toisen vahvistinkomponentin (Q2) ensimmäiseen pääelektrodiin, ja väliulosotto (40), joka on toiminnallisesti kytketty käyttöjännitelähteen ensimmäiseen potentiaaliin, ja että toisen käämin osuus, joka on ensimmäisen kytkentänavan (41) ja vä-35 liulosoton (40) välissä, muodostaa mainitun ensimmäisen 19 100628 induktiivisen komponentin (LI), ja että toisen käämin osuus, joka on toisen kytkentänavan (42) ja väliulosoton (40) välissä, muodostaa mainitun toisen induktiivisen komponentin (L2).

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen multivibraat- toripiiri, tunnettu siitä, että mainittu muuntaja edelleen käsittää kolmannen käämin, jossa on ensimmäinen kytken-tänapa (46), joka on kytketty kolmannen vahvistinkom-10 ponentin (Q3) toiselle pääelektrodille, toinen kytken- tänapa (47), joka on kytketty neljännen vahvistinkom-ponentin (Q4) toiselle pääelektrodille, ja väliulosotto (43), joka on toiminnallisesti kytketty käyttöjännite-lähteen toiseen potentiaaliin, ja että kolmannen käämin 15 osuus, joka on ensimmäisen kytkentänavan (46) ja väliulosoton (43) välissä, muodostaa mainitun viidennen induktiivisen komponentin (L5), ja että kolmannen käämin osuus, joka on toisen kytkentänavan (47) ja väliulosoton (43) välissä, muodostaa mainitun kuudennen induktiivisen 20 komponentin (L6).

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen multivibraattoripiiri, tunnettu multivibraatto-rin värähtelytaajuuden säädöstä, joka käsittää kolmannen ja neljännen induktiivisen komponentin (L3,L4) kautta 25 kulkevia virtoja säätävän välineen (Ml), jota ohjataan ulkopuolisella taajuudensäätösignaalilla. 100628 20