DE2620187A1 - Monostabile multivibratorschaltung - Google Patents

Monostabile multivibratorschaltung

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Description

NCR CORPORATION Dayton, Ohio (V.St.A.)
Patentanmeldung Unser Az.: Case 2158/GER MONOSTABILE MULTIVIBRATORSCHALTUNG
Die Erfindung betrifft eine monostabile Multivibratorschaltung mit einem Kondensator, einer Ladeanordnung zum Laden des Kondensators, einer Eingangsanordnung zur Steuerung der Ladeanordnung in Abhängigkeit von einem Eingangssignal und mit einer Ausgangsanordnung zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses.
In zum Beispiel aus der US-Patentschrift 3 719 835 und aus der GB-Patentschrift 939 599 bekannten monostabilen MuI tivibratorschaltungen der vorgenannten Art wird ein Kondensator über einen Widerstand entladen. Bei der Fertigung der MuItivibratorschaltungen entstehen unterschiedliche Widerstandswerte von Schaltung zu Schaltung, wenn derartige Schaltungen in Serienfertigung hergestellt werden. Dies hat den Nachteil, daß entsprechend den unterschiedlichen Widerstandswerten die Ausgangsimpulsbreiten unterschiedlich sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine monostabile Multivibratorschaltung aufzuzeigen, in der die vorgenannten Nachteile vermieden werden.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeanordnung einen ersten, zweiten und dritten Feldeffekttransistor enthält, daß der erste und zweite Feldeffekttransistor jeweils mit seinem Quellen-Senken-Pfad in Serie geschaltet ist und einen Pfad zwischen
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ORIGINAL INSPECTED
zwei Anschlüssen einer Energiequelle bildet, daß jeweils die Tor- und die Senkenelektrode der ersten beiden Transistoren miteinander verbunden sind, daß die Torelektrode des dritten Feldeffekttransistors mit einem Punkt in dem genannten Pfad verbunden ist, daß der erste und zweite Feldeffekttransistor jeweils mit seinem Quellen-Senken-Pfad zwischen dem ersten Anschluß der Energiequelle und einem ersten Anschluß des Kondensators geschaltet ist, daß die genannte Eingangsanordnung mit einem zweiten Anschluß des Kondensators verbunden ist, daß die Ausgangsanordnung mit dem ersten Anschluß des Kondensators verbunden ist und daß die Schaltung so aufgebaut ist, daß während einer Operation aufgrund eines Eingangssignals, das an die genannte Eingangsanordnung angelegt wird, ein Ausgangsimpuls in der Ausgangsanordnung erzeugt wird und daß der Quellen-Senken-Pfad des dritten Transistors einen im wesentlichen konstanten Strom liefert, wodurch die Ladung des Kondensators beginnt und daß der Ausgangsimpuls beendet wird, wenn die Spannung an dem Kondensator einen vorbestimmten Wert erreicht.
Da bei Schaltungen gemäß der Erfindung der Ladestrom für den Kondensator durch einen Quellen-Senken-Pfad eines Feldeffekttransistors geliefert wird, dessen Torelektrode mit dem Verbindungspunkt zweier in Serie geschalteter Transistoren verbunden ist, bleibt die Entladezeit der Kondensatoren in verschiedenen MuItivibratorschaltungen im wesentlichen gleich, obwohl die Transistorenparameter in verschiedenen Kreisen unterschiedlich sind.
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Im folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung im einzelnen mit Hilfe von Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen monostabilen Multi vibrators cha1tung;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Kondensators, der in der Schaltung gemäß Fig. 1 verwendet wird und
Fig. 3 verschiedene Wellenformen, die während einer Operation in der Schaltung gemäß Fig. 1 auftreten können.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Multivibratorschaltung gemäß der Erfindung dargestellt ist, die einen Vorspannungsschaltungsteil und einen Stromsteuerschaltungstei1 14 enthält. Eine Inverterstufe 16 enthält einen mit 18 bezeichneten Ladetransistor und einen mit 20 bezeichneten Schalttransistor. Die erste Eingangsverbindungsstelle 22 besteht aus einer Verbindung der Quellenelektrode 23 des Transistors 18 mit der Senkenelektrode 24 des Transistors 20. Ein Zeitgabekondensator 25 liegt zwischen dem genannten ersten Verbindungspunkt 22 und einem zweiten Verbindungspunkt 26. Der Verbindungspunkt 26 ist mit dem Schaltungsteil 14 und mit einem Ausgangsinverter 28 verbunden. Der Ausgangsinverter enthält auch einen Lade- bzw. Lasttransistor 30 und einen Schalttransistor 32. Der Ausgang 34 liegt an einem dritten Verbindungspunkt 36, der die Quellenelektrode 38 des Transistors 30 mit der Senkenelektrode 40 des Transistors 32 verbindet.
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Die Schaltung gemäß Fig. 1 ist mit einer nicht gezeigten Energiequelle verbunden, die an den Anschluß eine Spannung mit einem ersten Pegel anlegt, dessen Wert negativer als der Wert einer an den Anschluß 46 angelegten Spannung, die mit einem zweiten Pegel angelegt wird, ist. Bei einem bevorzugten Schaltungsaufbau wird an den Anschluß 44 eine Spannung von -24 Volt und an den Anschluß 46 Massepotential angelegt.
Der in Fig. 1 gezeigte Vorspannungsschaltungsteil 12 enthält einen ersten Transistor 50 und einen zweiten Transistor 52. Der erste Transistor 50 enthält eine Senkenelektrode 54, eine Quellenelektrode 56 und eine Torelektrode 58. Die Senkenelektrode 54 ist mit dem Anschluß 44 verbunden und die Torelektrode 58 mit der Senkenelektrode 54. Der Transistor 52 enthält eine Senkenelektrode 60, eine Quellenelektrode 62 und eine Torelektrode 64. Die Torelektrode 64 ist mit der Senkenelektrode 60 und die Quellenelektrode 56 mit dem Verbindungspunkt 66 verbunden. Die Quellenelektrode 62 des Transistors 52 ist mit dem positiveren Anschluß 46 verbunden.
Am Verbindungspunkt 66 entsteht ein Spannungspegel, der an die Torelektrode 68 eines Transistors 70 im Stromsteuerteil 14 zugeführt wird. Der Transistor 70 enthält eine Senkenelektrode 72 und eine Quellenelektrode 74. Die Quellenelektrode 74 des Transistors 70 ist mit dem positiveren Anschluß 46 verbunden. Die Senkenelektrode 72 liegt am Verbindungspunkt 26.
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Der Ladetransistor 18 der Inverterstufe 16 enthält eine Torelektrode 76, die mit der Senkenelektrode 78 des gleichen Transistors verbunden ist. Die beiden zuletzt erwähnten Elektroden liegen an dem negativeren Anschluß 44, der mit einer Energiequelle verbunden ist. Der Schalttransistor 20 der Inverterstufe 16 enthält eine Torelektrode 80 und eine Quellenelektrode 82. Die Quellenelektrode 82 liegt am positiveren Anschluß 46, der mit dem anderen Pol der Energiequelle verbunden ist. An die Torelektrode 80 werden die in Fig. 3A gezeigten Eingangsimpulse über einen Anschluß 83 angelegt.
Der Kondensator 25 in Fig. 1 enthält einen ersten Anschluß 90, der mit dem Verbindungspunkt 22 verbunden ist, und einen zweiten Anschluß 92, der mit dem Verbindungspunkt 26 verbunden ist.
Der Ladetransistor 30 im Ausgangsinverter enthält eine Torelektrode 94, die mit der Senkenelektrode 96 des gleichen Transistors verbunden ist. Beide der genannten Elektroden liegen an dem negativeren Anschluß 44. Der Schalttransistor 32 des Ausgangsinverters 28 enthält eine Torelektrode 98, die mit der Senkenelektrode 72 verbunden ist. Eine Quellenelektrode 100 des Schalttransistors 32 liegt an dem positiveren Anschluß 46 der nicht gezeigten Energiequelle.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, in der eine Anzahl von Wellenformen A bis D gezeigt sind, die in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung auftreten können. Die Wellenform A zeigt die Eingangsimpulse, die an den Anschluß 83 angelegt werden. Die Wellenform B zeigt die bei A gezeigten invertierten Impulse, die am Ausgang des Inverters 16 entstehen.
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Während der Zeitperiode, die mit Tq beginnt und mit T^ endet, schaltet ein Eingangsimpuls den Transistor 20 durch und die Spannung am Verbindungspunkt 22 steigt an in Richtung eines Vss-Pegels, der sich 0 Volt nähert. Letzterer entsteht am Anschluß 46. Während der Zeitperiode, die mit T* beginnt und mit T«/Tq endet, wird der Transistor durch ein Eingangssignal gesperrt und die Spannung Vdd am Verbindungspunkt 22 fällt in Richtung -24 Volt am Anschluß 44 und erreicht -20 Volt.
Die Wellenform C zeigt die am Kondensator bzw. am Verbindungspunkt 26 auftretende Spannung. Die Wellenform 0 entsteht an dem Ausgang 34.
Im Vorspannungsschaltungsteil 12 wird eine Vorspannung erzeugt, die dem Transistor 70 im Stromsteuerteil 14 zugeführt wird, wodurch in diesem ein Strom erzeugt wird, der unabhängig von der am Verbindungspunkt 26 auftretenden Spannung ist und von der Leitfähigkeit der Schaltung. Diese Unabhängigkeit wird dadurch erreicht, daß die drei Transistoren 50, 52 und 70 auf dem gleichen Chip erzeugt werden und die Änderungen in einem Bauteil die in den anderen Elementen vorhandenen Veränderungen kompensieren. Der durch den Vorspannungsschaltungsteil oder in dem Stromspiegel fließende Strom ist auf einen konstanten Wert festgelegt. Der Stromfluß wird durch die einzelnen Elemente bzw. durch deren Geometrie festgelegt. In einem bevorzugten Schaltungsaufbau weist der Transistor 70 eine Torelektrode 68 auf, die einhundert mal kleiner als die Torelektrode 64 des Transistors 52 im Vorspannungsschaltungsteil ist. Somit ist der durch den Transistor 70 fließende Strom hundert mal kleiner
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als der durch den Transistor 52 fließende Strom. In dieser Weise kann ein konstanter Stromfluß durch den Transistor erzeugt werden, der durch die Geometrie und/oder Größe des Elementes bestimmt wird.
Die Inverterstufe 16 führt eine Invertierungsfunktion durch, in der das am Verbindungspunkt 22 auftretende Signal die Umkehrung des an den Anschluß 83 angelegten Impulses darstellt.
Der Kondensator 25 liegt zwischen dem Stromsteuerkreis 14 und dem Verbindungspunkt 22. Die Funktion des Kondensators 25 besteht darin, die Zeitperiode der Ausgangsimpulse festzulegen, basierend auf der Zeit, die benötigt wird, um den Kondensator 25 auf einen vorbestimmten Spannungspegel durch den Stromsteuerteil 14 aufzuladen.
Der Ausgangsi nverter 28 erfüllt zwei Funktionen, nämlich die einer Pufferstufe und die einer Ausgangstreiberstufe zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses am Verbindungspunkt 36, dessen Zeit zumindest so lang ist, wie das am Verbindungspunkt 26 zur Einschaltung des Transistors 32 vorhandenen Signals.
Der Schalttransistor 32 wird zuerst leitend geschaltet, wenn ein Eingangsimpuls an den Anschluß angelegt wird, durch den der Transistor 20 gesperrt wird; dadurch wird bewirkt, daß die Spannung am Verbindungspunkt 22 auf -20 Volt gebracht wird, wie aus Fig. 3B ersichtlich ist. Die Spannung an der Torelektrode 98 des Ausgangsschalttransistors 32 steigt nun auf einen Wert an, der bestimmt wird durch die Spannungsteilung zwischen dem Spannungsabstieg am Kondensator 25 und dem Spannungsabstieg an der Torkapazität der Torelektrode 98. Die Spannungsänderung
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am Verbindungspunkt 26 ist mit der Bezugszahl 101 in der Wellenform gemäß Fig. 3C bezeichnet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt diese Spannungsänderung ungefähr -14 Volt, die ausreicht, um den Schalttransistor 32 einzuschalten, so daß der Spannungspegel am Verbindungspunkt 36 von -20 Volt auf 0 Volt ansteigt, wie durch die Linie 102 in der Wellenform gemäß Fig. 3D gezeigt ist.
Der Kondensator 25 wird nun, wie durch das Bezugszeichen 104 in Fig. 3C angezeigt ist, geladen. Die Spannung am Verbindungspunkt 26 erreicht den Punkt 106 in Fig. 3C, wodurch der Schwellwertpegel des Schalttransistors 32 erreicht wird und dieser ausgeschaltet wird, wie durch die Linie 108 in Fig. 3D angezeigt ist.
Im folgenden wird auf Fig.l und 3 Bezug genommen und der stabile Zustand der Schaltung erläutert. Der Vorspannungsschaltungstei1 12 ist leitend und erzeugt einen vorbestimmten Spannungspegel am Verbindungspunkt 66, der an der Torelektrode 68 des Transistors 70 anliegt. Der Transistor 70 leitet nicht, da die Spannung am Verbindungspunkt 26 etwa 0 Volt beträgt.
Die am Anschluß 83 anliegenden Impulse sind in Fig. 3A dargestellt. Der Spannungspegel der Eingangsimpulse beträgt etwa -20 Volt. Diese -20 Volt sind ausreichend, um den Transistor 20 einzuschalten, wodurch bewirkt wird, daß Strom zwischen dem negativen Pegel am Anschluß 44 der Energiequelle Über den Transistor 18 und den Transistor 20 zu dem mit Masse verbundenen Anschluß 46 der Energiequelle fließt.
Die Ausgangsinverterstufe 28 ist ausgeschaltet, da die Torelektrode 98 des Ausgangstransistors 32 mit dem Verbindungspunkt 26 verbunden 1st, der etwa auf 0 Volt Hegt, so daß dadurch der
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Schalttransistor 32 nicht eingeschaltet werden kann. Es wird nochmals darauf hingewiesen, daß der Transistor 20 leitend ist, da an seine Torelektrode 80 ein Signal angelegt wird und der Transistor 32 ausgeschaltet ist, da ein Betätigungssignal an seiner Torelektrode 98 nicht vorhanden ist.
Zur Zeit T, steigt die Spannung, wie in Fig. 3A gezeigt ist, von -20 Volt auf 0 Volt, wodurch der Transistor 20 gesperrt wird. Die Spannung am Verbindungspunkt 22 geht in Richtung negativer Spannungspegel der Energiequelle und diese Spannung wird unmittelbar durch den Kapazitätswert des Kondensators 25 und der Torkapazität der Torelektrode 98 des Ausgangstransistors geteilt. Die Spannung am Verbindungspunkt 26 geht auf -14 Volt, die nicht ausreicht, um den Schalttransistor 32 einzuschalten, wodurch der Spannungspegel am Verbindungspunkt 36 und am Ausgang 34 ansteigt in Richtung eines Spannungspegels, der durch die positivere Spannung der Energiequelle angezeigt wird.
In dieser Weise wird der Kondensator 25 zwischen die positivere Spannung am Anschluß 46 durch den Transistor 70 und die negativere Spannung am Anschluß 44 durch den Ladetransistor 18 geschaltet. Der Strom, der nun in diesem den Kondensator 25 enthaltenen Pfad fließt und der den Kondensator ladet, fließt mit einer konstanten Rate infolge des konstanten Stromflusses von dem Stromsteuerteil 14. Dies ist durch die Linie 104 in der Wellenform gemäß Fig. 3C gezeigt. Wenn die Ladung in dem Kondensator die bei 106 in der Wellenform gemäß Fig. 3C angedeuteten Wert enthält, schaltet der Transistor 32 ab und die Ausgangswellenform geht auf -20 Volt herunter, wie durch die Linie angezeigt ist.
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Die Breite des Ausgangsimpulses kann durch Veränderungen der unterschiedlichen Parameter in dem dargestellten Kreis verändert werden. Der Wert des Stromes in der Kapazität einschließlich der Kapazität des Transistors 32 kann ebenso verändert werden.
Während der Wert des Kondensators 25 verändert werden kann, ist es in mikroelektronischen Schaltungen wünschenswert, den Wert auf nur einigen Picofarad zu halten. Um eine Kondensatorkonstruktion verwenden zu können, die einen derart niedrigen Kapazitätswert aufweist und mit der trotzdem Ausgangsimpulse in der Größenordnung von 10 Mikrosekunden erzeugt werden können, sollte der Ladestrom des Kondensators auf einen sehr niedrigen Wert, z. B. 1 Mikroampere, gehalten werden. Ein derart niedriger konstanter Strom kann durch den Kondensator 70 erzeugt werden, der zusammen mit dem Vorspannungsschal tungstei 1 12 eine niedrige Konstantstromquelle bildet.
Ein weiterer Vorteil des vorangehend beschriebenen Multivibrators ist es, daß die Ausgangsimpulsbreite im wesentlichen unabhängig von der Spannungsänderung der Energiequelle ist, da für den Kondensator 25 eine Konstantstromquelle verwendet wird.
Im folgenden wird anhand von Fig. 2, in der im Schnitt der Aufbau des Kondensators 25 gezeigt ist, der Kondensator 25 im einzelnen beschrieben. Der Kondensator 25 besteht aus einem MOS-Kondensator. Er enthält eine P+ Diffusion 120 in einem Substrat 122 und eine Metallschicht 124,
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die von der P+ Diffusion durch eine Oxidschicht 126 getrennt ist. Die Stärke der Oxidschicht 126 kann exakt gesteuert werden, wodurch eine Reduzierung der Ausgangsimpulsbreite des Multivibrators bewirkt wird.
Während in dem hier beschriebenen Beispiel mit negativen Spannungen und einer entsprechenden P-Kanal-Vorrichtung gearbeitet wurde, ist es selbstverständlich möglich, an deren Stelle positive Spannungen und N-Kanal-Elemente zu verwenden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    Monostabile MuI tivibratorschaltung mit einem Kondensator, einer Ladeanordnung zum Laden des Kondensators, einer Eingangsanordnung zur Steuerung der Ladeanordnung in Abhängigkeit von einem Eingangssignal und mit einer Ausgangsanordnung zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeanordnung einen ersten (52), zweiten (50) und dritten (70) Feldeffekttransistor enthält, daß der erste (52) und zweite (50) Feldeffekttransistor jeweils mit seinem Quellen-Senken-Pfad in Serie geschaltet ist und einen Pfad zwischen zwei Anschlüssen (46, 44) einer Energiequelle bildet, daß jeweils die Tor- und die Senkenelektrode der ersten beiden Transistoren (52, 50) miteinander verbunden sind, daß die Torelektrode des dritten Feldeffekttransistors (70) mit einem Punkt (66) in dem genannten Pfad verbunden ist, daß der erste (52) und zweite (50) Feldeffekttransistor jeweils mit seinem Quellen-Senken-Pfad zwischen dem ersten Anschluß (46) der Energiequelle und einem ersten Anschluß (92) des Kondensators (25) geschaltet ist, daß die genannte Eingangsanordnung mit einem zweiten Anschluß (90) des Kondensators (25) verbunden ist, daß die Ausgangsanordnung (28) mit dem ersten Anschluß (92) des Kondensators (25) verbunden ist und daß die Schaltung so aufgebaut ist, daß während einer Operation aufgrund eines Eingangssignals, das an die genannte Eingangsanordnung (16) angelegt wird, ein Ausgangsimpuls in der Ausgangsanordnung (28) erzeugt wird und daß der Quellen-Senken-Pfad des dritten Transistors (70) einen im wesentlichen konstanten Strom liefert, wodurch die Ladung des Kondensators (25) beginnt und daß der Ausgangsimpuls beendet wird, wenn die Spannung an dem
    Kondensator (25) einen vorbestimmten Wert erreicht.
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    2. Monostabile Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsanordnung (16) einen vierten (20) und einen fünften (18) Feldeffekttransistor enthält, daß der vierte (20) Feldeffekttransistor mit seinem Quellen-Senken-Pfad zwischen den zweiten Anschluß (90) des Kondensators (25) und den ersten Anschluß (46) der Energiequelle geschaltet ist und daß die Torelektrode (80) mit den Eingangsimpulsen beaufschlagt wird und daß der Quellen-Senken-Pfad des fünften (18) Feldeffekttransistors zwischen den zweiten Anschluß (90) des Kondensators (25) und den zweiten Anschluß (44) der Energiequelle geschaltet ist und daß die Senken- und Torelektroden miteinander verbunden sind.
    3. Monostabile Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanordnung (28) einen sechsten (32) und einen siebenten (30) Feldeffekttransistor enthält und daß der sechste (32) Feldeffekttransistor mit seinem Quellen-Senken-Pfad zwischen den ersten Anschluß (46) der Energiequelle und den Schaltungs· ausgang (34) geschaltet ist und daß die Torelektrode mit dem ersten Anschluß (92) des Kondensators (25) verbunden ist und daß der Quellen-Senken-Pfad des siebenten (30) Feldeffekttransistors mit dem Schaltungsausgang und mit dem zweiten Anschluß (44) der Energiequelle verbunden ist und daß die Senken- und Torelektroden miteinander verbunden sind.
    4. Monostabile Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Torelektrode des dritten (70) Feldeffekttransistors kleiner als die Breite der Torelektrode des ersten (52) Feldeffekttransistors ist.
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    5. Monostabile Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Torelektrode des ersten (52) Feldeffekttransistors hundert mal so breit wie die Torelektrode des dritten (70) Feldeffekttransistors ist.
    6. Monostabile Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bestehend aus einem integrierten Schaltungskreis auf einem Chip, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Feldeffekttransistoren Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind und daß der genannte Kondensator (25) ein Metalloxid-Halbleiter-Kondensator ist.
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DE2620187A 1975-05-09 1976-05-07 Monostabile Multivibratorschaltung Expired DE2620187C3 (de)

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