NL8200974A

NL8200974A - Stroomdiskriminatie-schakeling.

Info

Publication number: NL8200974A
Application number: NL8200974A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1982-03-10
Publication date: 1983-10-03
Also published as: JPS58166412A; BR8301102A; EP0088477B1; EP0088477A1; DE3377169D1; HK85491A; ES8401645A1; ES520410A0; US4709163A; KR900004189B1; CA1194144A; KR840004331A; JPH0557609B2

Description

« i . «.

EHN 10.298 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Stroomdiskriminatie-schakeling.

De uitvinding heeft betrekking op een stroomdiskriminatie-schakeling met een ingang voor het opnemen van een te diskrimineren strocm en een uitgang.

Een dergelijke stroandiskr iminatie-schakeling kan onder meer toegepast 5 worden in stroomstabilisatie-schakelingen maar ook in bijvoorbeeld signaalniveau-detéktoren.

In strocmstabilisatoren van het zogenaamde "bandafstands type (Engels: Band gap reference), zoals onder andere beschreven zijn in het Amerikaanse oktrooiscbrift 3 887 863, cravat zo een stroom-10 diskriminatie-schakeling een tweetal stroomketens, waarbij een halfgeleiderovergang in de ene keten, overbrugd wordt door een halfgeleiderovergang in serie met een weerstand in de andere keten.

De stromen in beide ketens worden door middel van een weerstand en een verschilversterker of door middel van een strooraspiegel verge-15 leken - hetgeen de diskriminatiefunktie vormt - en zodanig bestuurd dat de strocndichtheden in beide halfgeleiderovergangen zich als 1 :n verhouden, waarbij die faktor n^1 gerealiseerd kan worden' door de beide halfgeleiderovergangen ongelijk te kiezen of door de stromen in beide ketens ongelijk in te stellen. De strocm stabiliseert dan

KT

20 op een waarde gelijk aan ^Inn met K de konstante van Bolzman, T de absolute temperatuur in K, q de lading van het elektron, R de waarde van de genoemde weerstand en In n de natuurlijke logaritme van de faktor n. Bij dit type stabilisatoren stabiliseert de strocm qp een waarde die door de faktor n bepaald wordt. De steilheid 25 van de stroomdiskr imlnatie wordt eveneens door de faktor n bepaald.

Hoe meer de faktor n afwijkt van êên des te beter de stabilisatie is maar des te asymmetrischer de schakeling is, hetgeen vaak niet erg voordelig.is.

De uitvinding beoogt een stroomdiskriminatie-schakeling 30 met een scherpe diskriminatiekarakteristiek die in hoge mate

syrrmetrisch is opgebouwd en die eveneens diskrimineert rond een KT

met -~· evenredige waarde. De uitvinding wordt daartoe gekenmerkt, doordat de stroomdiskr iminatie-schakeling een eerste en een tweede, 8200974 r EHN 10.298 2 __.transistor/ elk met een basiselektrode, emitter elektrode en kollëktor- - elektrode, omvat, waarbij de kollektorelèktrode van de eerste transistor via een eerste weerstand en de kollektorelèktrode van de tweede transistor via een tweede weerstand, die in hoofdzaak dezelfde 5 waarde heeft als de eerstè weerstand, met een eerste punt zijn ver benden, waarbij de basiselektrode van de eerste transistor net een punt tussen de tweede weerstand en de kollektorelèktrode van de tweede transistor en de bas iselektrode van de tweede transistor met een punt tussen de eerste weerstand en de kollèktorelektrode van 10 de eerste transistor is verbonden, waarbij de anitterelektroden van de eerste en tweede transistor met een tweede punt zijn verbonden, waarbij de tussen het eerste en tweede punt aanwezige schakeling in serie met de ingang is geschakeld voor opname van de te diskrimineren stroom, en waarbij de uitgang is gekoppeld met althans één van 15 beide kollektorelektroden.

Bij een dergelijke schakeling verdeelt de ingangsstroom zich gelijkelijk over beide kollektor-emitterketens. Zodra de stroom zover is toegenomen dat de rondgaande versterking (van basis naar kollèktorelektrode) gelijk aan één geworden is,· wordt de schakeling 20 bistabiel, hetgeen zeer gemakkelijk gedetekteerd kan worden.

Het bistabiel worden gaat gepaard met een zeer steile karakteristiek: slechts een zeer kleine:.· stroom toename is nodige cm één van beide transistoren stroomloos te doen zijn.

Dit punt waar de schakeling bistabiel wordt, wordt bereikt bij een

KT

25 ingangsstroom gelijk aan 2^, met R de waarde van de eerste en tweede weerstand. Hierbij is het voordelig, dat de uitgang een differentiële uitgang is tassen de kollektorelektroden van de eerste en tweede transistor. Hierdoor wordt een sterker variërend signaal verkregen.

30 Bij het bereiken van het punt waar de schakeling bistabiel wordt, kan de schakeling naar twee stabiele toestanden overgaan. De schakeling kan dan toch zo worden ingericht dat het voor het uitgangssignaal irrelevant is naar welke van de twee toestanden de schakeling anslaat.

35 Voordeliger is het echter, dat middelen aanwezig zijn voor het vastleggen van een voorkeursgeleidingstoestand voor beide transistoren bij het ingangsstroembereik waarbij de kruisgekoppelde. eerste en tweede transistor een bistabiele. schakeling vormen zodanig 8200974 HJN 10.298 3 A' * „_dat bij het bereiken van die bistabiele toestand de eerste _ transistor verder in geleiding zal geraken en de tweede transistor omgeleidend zal worden.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van de diskriminatorschakeling 5 kan worden gekenmerkt, doordat tussen de kollektorelektrode van de eerste transistor en de verbinding tussen de basiselektrode van de tweede transistor. en de eerste weerstand een derde weerstand is aangebracht, dat tussen de kollektorelektrode van de tweede transistor en de verbinding tussen de basiselektrode van de eerste transistor 10 en de tweede weerstand een vierde weerstand is aangebracht met een weerstandswaarde die groter is dan de weerstandswaarde van de derde weerstand en dat de ingang van de verschilversterker met de verbindingen tussen die derde en vierde weerstand en de kollektorelektroden van de eerste en tweede transistor is verbonden.

10 Hierdoor wordt het punt waar de verschilversterker in balans is - welk punt min of meer het middelpunt van de diskriminatiekarakte-ristiek van de strocmdiskriminatie-schakeling inklusief de verschilversterker vormt - verschoven van de grens van het steile gedeelte van de diskriminatiekarakteristiek van de strocmliskriininatie zelf 20 naar een punt meer naar het midden van dit steile gedeelte hetgeen in bijvoorbeeld een strocmstabilisatie een betere regeling mogelijk maakt. De laatst genoemde voorkeursuitvoeringsvorm kan nader worden gekenmerkt, doordat de verschilversterker een derde en een vierde transistor met gemeenschappelijke emitterelektroden omvat 25 waarbij de kollektorelektrode. van de derde transistor in hoofdzaak direkt met het eerste punt is verbonden en de kollektorelektrode van de vierde transistor met de basiselektrode van die vijfde transistor waarvan de emitterelektrcde eveneens met het tweede punt is verbanden, waarbij de basiselektrode van de derde transistor 30 met de kollektorelektrode van de tweede transistor is verbonden en de basiselektrode van de vierde transistor met de kollektorelektrode van de eerste transistor is verbonden.

Doordat ten gevolge van de basis-emitterovergang van de vijfde transistor de kollektor-basisspanning van de vierde transistor bij een 35 geringe ingangsstrocm van de diskriminatieschakeling vrijwel tegengesteld is aan êén basis-emitterspanning (van de vijfde transistor) en die van de derde transistor nagenoeg gelijk is aan nul Volt, is de bas is s troon van de vierde transistor groter dan die van de 8200974 EHN 10.298 4 ____derde transistor waardoor ten gevolge van die basisstromen, die via da......

eerste en tweede weerstand vloeien, de basis van de eerste transistor een hogere voorspanning heeft dan de basis van de tweede transistor waardoor bij het bereiken van de bistabiele toestand steeds de tweede 5 transistor ongeleidend zal geraken.

De uitvinding zal nader warden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin figuur 1 een strocmiiskriminatie-schakeling volgens de uitvinding toont, 10 figuur 2 enkele karakteristieken ter verklaring van de werking van de schakeling volgens figuur 1 toont, en figuur 3 een voorkeur suitvoeringsvorm van de strocm-diskriminatie volgens de uitvinding toegepast in een spannings-referentieKbron· toont.

15 Figuur 1 toont een stroomdiskriminatie-schakeling volgens de uitvinding. De schakeling cravat een transistor , waarvan de emitterelektrode met een aansluipunt 6 is verbonden en de kollektorelektrode via een weerstand 1 met een aansluitpunt 3 is verbonden, en een transistor T2 waarvan de emitterelektrode 20 met aansluitpunt 6 is verbonden en de kollektorelektrode via een weerstand 2 met een aansluitpunt 3 is verbonden. De basis van transistor is met de kollektor van transistor T2 en met een uitgangsaansluitpunt 4 verbonden en de basis van transistor T2 is met de kollektor van transistor en met een uitgangsaansluit-25 punt 5 verbanden.

Vloeit er over de schakeling tussen de punten 3 en 6 - door stroomstoring op punt 3 óf 6 - een stroom I, dan toont figuur 2 de spanning over weerstand 2, de spanning V2 over weerstand 1 en de spanning Δν tussen uitgangsaansluitpunten 4 30 en 5. Voor kleinere stromen I vloeien er gelijke stromen door transistoren en T2 en zijn de spanningen V^ en V2 rechtevenredig met. de stroom I en is de verschilspanning AV gelijk aan nul Volt.

Bij een bepaalde sterkte van de stroom I bij welke sterkte de rondgaande versterking in de kruiskoppeling tussen beide transistoren 35 gelijk aan één is, wordt de schakeling volgens figuur 1 bistabiel.

Dit gebeurt wanneer de stroom I de sterkte 2~,heeft bereikt.

- gR-"-

Qp dat moment zal één van beide transistoren en T2 de volle stroom I gaan voeren.

8200974 PHN 10.298 5 _ In figuur 2 is ervan uitgegaan dat transistor de __ volle strocra I gaat voeren, hetgeen tot gevolg heeft dat de spanning van V^==^ verdubbelt naar V.j=2~-, de spanning gelijk aan nul Volt wordt en de verschilspanning -A.V Jgelijk aan 5 2~ Volt wordt. Op het moment I=2^j| wanneer de schakeling bistabiel wordt, veranderen V^, V^ en Δν volgens een zeer steile karakteristiek als funktie van de stroom I.

Dit gedeelte van de karakteristiek kan dan .ook zeer goed als diskriminatiekarakteristiek gebruikt worden. Zowel de spanningen 10 V,j. of V^ alsook de verschilspanning Δν kan hiertoe gebruikt worden,, waarbij de spanning AV aanwezig op de differentiële uitgang (4, 5), het gunstigste is in de meeste gevallen.

Om de spanning Δ v goed als diskriininatiespanning te gebruiken is, is het voordelig cm deze rond een waarde V^ te plaatsen {figuur 2) 15 bijvoorbeeld door het aanbrengen van een fout-spanning (off-set)

Vq in een verschilversterker die de spanning Av versterkt of door het aanbrengen van bijvoorbeeld een niveauverschuiving ter grootte van V^ in aade met één van beide uitgangsaansluitpunten 4 en 5.

20 Op het moment dat de schakeling volgens figuur 1 bistabiel wordt is het niet voorspelbaar welke van beide trans is tor en en T2 de stroom I zal gaan geleiden·;. Dit hoeft geen bezwaar te zijn. Zo kan bijvoorbeeld aan uitgang 4,5 een schakeling toegevoegd worden „die de spanning AV polariteitsonafhankelijk 25 versterkt waardoor de bistabiele geleidingstoestand er niet toe doet. Om een eenvoudige schakeling mogelijk te maken zal het echter voordeliger zijn om de toestand van de schakeling na het bistabiel worden vast te leggen. Dit kan op vele manieren bereikt worden, onder andere door het een beetje ongelijk maken 30 van beide transistoren of beide kollektor belastingen,of door het toevoeren van een ekstra stroom aan de kollektorketen van één van de beide transistoren.

Figuur 3 toont een uitvoeringsvoorteeld van de toepassing . van de schakeling volgens figuur 1 in een stroom c.q. spannings-35 stabilisatie-schakeling. Aan aansluitpunt 6 wordt een*, stroom I toegevoerd door middel van stroombron-transistor met emitter-weerstand 8, terwijl aansluitpunt 3 met een positieve voedingsspanning VS is verbonden. De uitgangsaansluitingen 4 en 5 zijn 8200974 * * PHN 10.298 6 -verbonden met de basiselektroden van twee als verschil versterker —~~ geschakelde transistoren en waarvan in de gemeenschappelijke emitterleiding een stroombron met weerstanden 10 en 11 en transistor Ύη is opgenomen. De kollektor van transistor is rechtstreeks 5 met het voedingsaansluitpiint 3 verbonden. terwij 1 de kollektor van transistor T,. met de basis van pnp-transistor Tg, waarvan de emitter-elektrode met het positieve voedingsaansluitpunt 3 is verbonden.

De basiselektrodenvan transistoren en voeren via de kolléktor-weerstanden van transistoren en T2 naar het voedingsaansluitpunt 10 3. Omdat de basis-emitterovergang van transistor Tg de kollektor-basisspanning van transistor verlaagt ten opzichte van de kollektor spanning van transistor T^, terwijl de bijbehorende basiselektroden via de kolléktorweerstanden van transistoren en T2# over welke weerstanden een geringe spanningsval optreedt# is de 15 basisstroom van transistor groter dan die van transistor T4# wat nog versterkt wordt doordat zoals nog besproken zal worden, transistor op het moment dat de strocmdiskriminatie-schakeling bistabiel wordt# meer stroom voert dan transistor T^. Door deze ongelijkheid in basisstromen# welke basisstromen via de weerstanden 20 1 en 2 vloeien, is de basisspanning van transistor hoger voorgespannen dan de basisspanning van transistor T2 zodat bij het bistabiel worden van de stroomdiskrlininatie-schakeling transistor T„ ongeleidend zal worden.

~ KT

Is de stroom I kleiner dan 2—, dan is zowel transistor

9-K

25 T1 als transistor T0 geleidend. Transistor Τς voert stroom en

^ ^ KT

stuurt transistor Tg. Op het bistabiele moment waar 1=2^ wordt transistor T2 volgens een zeer steile karakteristiek afgeschakeld waardoor transistor vol in geleiding gestuurd wordt en transistor Τς ongeleidend gestuurd wordt evenals transistor Tc.

3 2ΚΓ ° 30 Dit betekent# dat voor I=--R· de kollektorstrocra van transistor

Tg zeer sterk varieert·, bij een gering variatie van de stroom I.

Een stroamstabilisatie wordt dan bereikt door de kolléktorstrocm van transistor Tg de stroom I te doen sturen; hier via een stroomspiegel met als 35 ingangsketen een als diode geschakelde transistor Tg in serie met een weerstand 9 en als uitgangsketen de weerstand 8 en de transistor T,. De stroom I zal aldus stabiliseren op een waarde KT ^ 1=2^. Door bijvoorbeeld een uitgang 11 te verbinden met de 8200974 PHN 10.298 7 __basis van transistor Tg kan een gestabiliseerde referentiespanning _ worden af genomen.

Om een zo groot mogelijk regelbereikte verkrijgen is het voordelig om verschilversterker T^, Tg bij een stroom I beneden 5 de waarde 1=2=^- dus νοατΔ V=o in figuur 2 .uit balans voor in te stellen zodat dan transistor Tg een maximale stroom stuurt en zodanig dat voor Δ V=VQ (figuur 2) de verschilversterker in balans is. Dit wordt bereikt door tussen de weerstanden 1 en 2 en de bijbehorende kollektoren van de transistoren T^ en T^ 10 evenals de bijbehorende basiselektroden van transistoren en Tg weerstanden 6 en 7 aan te brengen. Weerstand 6 heeft een zodanig kleinere waarde dan weerstand 7 dat bij gelijke stromen door die weerstanden transistor Tg de volle stroom van de emitter-stroombron (10, 11, Ύη) voert. In een praktische uitvoering was gekozen 15 dat weerstand 7 en waarde 4R vertoonde en weerstand 6 een waarde

van 20R. Net voor het bereiken van het bistabiele moment met KT

1=2-=· is dan de ingangsverschilspanning van de verschilversterker S*·'- τ/rn xrrn gelijk aan (21R-5R)2^=16^· wét ongeveer gelijk is aan 400 mV.

De weerstanden 6 en 7 geven· bovendien nog een destra versterking 20 voor variaties van I. Verder vertoont de schakeling volgens figuur 3 een als kapaciteit geschakelde transistor T^ die tussen punt 4 en punt 3 is opgenomen.ter verhoging van de stabiliteit van de schakeling.

De spanningsreferentie-schakeling volgens figuur 3 25 is uitermate geschikt voor zeer lage: voedingsspanningen kleiner dan 1.8 Volt en is geschikt cm referentiespanningen (aan uitgang 11) kleiner dan 1.1 Volt te leveren.

30 35 8200974

Claims

2. Stroomdiskriminatie-schakeling volgens konklusie 1, 20 met het kenmerk, dat de uitgang een differentiële uitgang is tussen de kollektorelektroden van de eerste en tweede transistor.
3. Stroamdiskrirninatie-schakeling volgens konklusie 1 of 2, met het kenmerk, dat middelen aanwezig zijn voor het vastleggen van een voorkeursgeleidingstoestand voor beide transistoren 25 bij het ingangsstroambereik, waarbij de kruisgekoppelde eerste en tweede transistor een bistabiele schakeling vormen zodanig, dat bij het bereiken van die bistabiele toestand de eerste transistor verder in geleiding zal geraken en de tweede transistor ongeleidend zal worden.
4. Stroomdiskriminatie-schakeling volgens konklusie 3 voor zover afhankelijk van konklusie 2, met het kenmerk, dat tussen de kollektorelektrode van de eerste transistor en de verbinding tussen de basiselektrode:' van de tweede transistor en de eerste weerstand een derde weerstand is aangebracht, dat tussen de kollektor-35 elektrode van de tweede transistor en de verbinding tussen de basiselektrode van de eerste transistor en de tweede weerstand een vierde weerstand is aangebracht net een weerstandswaarde die groter is dan de weerstandswaarde van de derde weerstand en dat de ingang van de . 8200974 PHN 10.298 9 m --verschilversterker met de verbindingen tussen die derde en vierde __________ weerstand en de kollektorelektroden van een eerste en tweede transistor is verbonden.
5. Stroomdiskriininatie^dhakeling volgens konklusie 4, 5 met het kenmerk, dat de verschilversterker een derde en een vierde transistor met gemeenschappelijke emitterelektroden omvat, waarbij de kollektorelektrode van de derde transistor in hoofdzaak direkt met het eerste punt is verbonden en de kollektorelektrode van dé vierde transistor met de basiselektrode van een vijfde transistor 10 waarvan·, de emitterelektrode eveneens met het eerste punt is verbonden, waarbij de basiselektrode van de derde transistor met de kollektor-elektrcde van de tweede transistor is verbonden en de basiselektrode van de vierde transistor met de kollektorelektrode van de eerste transistor is verbonden.
6. Stroomdiskrimlnatie-schakeling volgens één of meer. der konklusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat ter verkrijging van een strocmstabilisatie schakeling de uitgang is teruggekoppeld naar de ingang zodanig, dat de aldus ontstane rondgekoppelde keten zich instelt op een punt waarbij de stroom in de strocmdiskriminatie 20 schakeling een zodanigewaarde bereikt heeft dat de kruislings gekoppelde eerste en tweede transistor een bistabiele schakeling vormen.
7. Strocmdiskriminatie-schakeling volgens konklusie 6, voor zover afhankelijk van konklusie 5, met het kenmerk, dat de 25 kollektor van de vijfde transistor via een stroomspiegel is gekoppeld met het tweede punt en dat het eerste punt een punt op vaste potentiaal is. 8 . 5troomdiskriminatie-schakeling volgens konklusie 7, met het kenmerk, dat tussen de kollektorelektrode van de tweede 18o transistor en het eerste punt een kapaciteit is aangebracht.
9. Strocmstabilisatie- schakeling volgens konklusie 7 of 8, met het kenmerk, dat de stroomspiegel een ingangsketen vertoont die de serie schakeling van een halfgeleiderovergang en een weerstand omvat, welke serie schakeling met een referentie-35 spanningsuitgang is verbonden ter afname van een referentiespanning voor die serie schakeling. 8200974