DE2719462A1

DE2719462A1 - Transistor-treiberschaltung

Info

Publication number: DE2719462A1
Application number: DE19772719462
Authority: DE
Inventors: Donald Dunbar Howard; Helmut Dipl Ing Schettler
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1976-05-20
Filing date: 1977-04-30
Publication date: 1977-12-08
Also published as: US4092551A; FR2352439A1; JPS52142467A; GB1560354A; FR2352439B1; CA1111519A; DE2719462C2; IT1115460B

Description

Anmelderin:

Amtliches Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin:

Vertreter:

2, Böblingen, den VKl ne-bm/bb

IBM Deutschland GmbH Pascalstraße 100
7000 Stuttgart 80

Neuanmeldung
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Patentassessor

Dipl.-Ing. Johannes Neuland Böblingen

Bezeichnung:

Transistor-Treiberschaltung

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ORIGINAL INSPECTED

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Die Erfindung bezieht sich auf schnell arbeitende Transistor-Treiberschaltungen, die mit Beschleunigungsschaltungen verbunden sind.

Transistor-Treiberschaltungen, wie z.B. Schnittstellentreiberschaltungen, gehören zum Stand der Technik und besitzen im allgemeinen langsame Anstiegszeiten aufgrund verhältnismäßig hochohmiger Widerstände und geringer Spannungen.

In allen diesen Schaltungen ist eine schnelle Betriebsweise erwünscht, insbesondere, wenn solche Schaltungen in Speicheranordnungen benutzt werden, wo die Geschwindigkeit der Schaltung ein kritischer Faktor ist. In Transistorschaltungen sind jedoch verschiedene Kapazitäten vorhanden wie Streukapazität, Sperrschichtkapazitäten, die aus den natürlichen unvermeidbaren Sperrschichten resultieren, die in einem Halbleiterbauelement während des Betriebes vorhanden sind und die 'Unvermeidbaren Elektrodenkapazitäten, die die Anschlüsse eines Transistors miteinander verbinden. Weil diese Kapazitäten, die im folgenden zusammengefaßt als Elektrodenkapazitäten bezeichnet werden, so ausgeprägt sind, sind sie störend und können unkontrollierte und unerwünschte Ableitströme durch den Transistor verursachen, die Änderungen im Ausgangssignal der Schaltung verursachen und als Folge davon Geschwindigkeitsverluste, bevor die Ausgangsspannung der Schaltung in ihrem stationären Zustand stabilisiert ist.

In Gegentaktschaltungen ist dieses durch die Elektrodenkapazität verursachte Problem besonders akut, da es das Ansprechen des nichtleitenden Transistors bedeutend verzögern kann und damit das Erscheinen des Ausgangssignals.

Übliche Verfahren zur Beseitigung dieser Elektrodenkapazität nach dem Stand der Technik bestanden darin, dem Basisanschluß des Ausgangstransistors einen Rückstrom zuzuführen oder eine

parallele RC-Kombination im Basiskreis des Transistors vorzu-BüT75~Ö17

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sehen. Beide Lösungen lassen vieles zu wünschen übrig und können in der Tat in einigen Fällen zusätzliche Probleme beim Betrieb der Schaltung aufwerfen.

In dem US-Patent 3 789 241 ist eine Schaltung beschrieben zum schnellen Entfernen von im Überschuß gespeicherten Minoritätsträgern aus der Basisregion eines gesättigten Transistors und zum raschen Laden der Elektrodenkapazität dieses Transistors durch einen weiteren Transistor. Dieses Patent beschreibt eine Lösung, die in vielen Schaltungen sehr erwünscht ist. Diese Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß sie zusätzliche Gleichstromleistung für den zusätzlichen Transistor erfordert, um den Ausgang der Schaltung auf hohem Potential zu halten. Daher ist bei Schaltungen, in denen die Gleichstromleistung begrenzt ist, eine solche Lösung nicht befriedigend.

Dem US-Patent 3 681 619 ist die Lehre zu entnehmen, daß in elektronischen Schaltungen Mittel vorgesehen werden können zur Aufhebung der Gleichstrom-Streusignale am Ausgang der Schaltung mittels eines eingefügten Transistors, der eine Impedanz speist, die den eingefügten Transistor mit dem Ausgangskreis verbindet. Obgleich die beschriebene Lösung für einige Schaltungen wünschenswert ist, erfordert sie jedoch auch zusätzliche Gleichstromleistung für den Transistor, um den Ausgang auf hohem Potential zu halten.

;Die beiden beschriebenen Lösungen nach dem Stand der Technik sind daher unbefriedigend in den Situationen, in denen es notwendig ist, bei begrenzter Gleichstromleistung schnelle und stabile Ausgangssignale zu erhalten.

IDer Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Transistor-Treiberschaltung anzugeben, die eine schnelle Betriebsweise ermöglicht, ohne daß dazu zusätzliche Gleichstromleistung !aufgewandt werden muß.

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Diese Aufgabe wird durch eine Transistor-Treiberschaltung mit zwei in Reihe liegenden, abwechselnd leitenden Ausgangstransistoren gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß gemäß der Erfindung eine Beschleunigungsschaltung kapazitiv mit dem ersten Ausgangstransistor gekoppelt und direkt mit der Basis des zweiten Ausgangstransistors verbunden ist, um die in dessen Elektrodenkapazitäten gespeicherten Ladungsträger beim Sperren dieses Ausgangstransistors rasch abzuführen und ihn dadurch schnell nichtleitend zu machen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben, von denen zeigt:

Fig. 1 das Schaltbild einer Schnittstellentreiberschaltung nach dem Stand der Technik, die im Gegentaktbetrieb arbeitet;

Fig. 2 die Treiberschaltung nach Fig. 1, ergänzt

durch die neue Beschleunigungsschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Treiberspannung

an der Basis eines Transistors der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Treiberspannung i während der Basis des Transistors der Schal-

tung nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form einen aus NPN-Transistoren !aufgebauten Gegentakt-Verstärker, der alle die Hauptmerkmale jder Erfindung aufweist. Der hier dargestellte Gegentakt-Verstärker weist einen Eingangstransistor Q1 auf, dessen Basis 11 jnit einer Quelle von Eingangssignalen 12 und dessen Kollektor 13 über einen Kollektorwiderstand 18 mit dem positiven Pol BU 975 017

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+ V einer Spannungsquelle 10 und direkt mit der Basis 15 eines Bezugstransistors Q2 verbunden ist. Der Kollektor 16 des Bezugstransistors Q2 ist direkt mit der Spannungsquelle 10 verbunden. Der EYitter 17 des Transistors Q2 ist über einen Emitterwiderstand 20 mit einer Ausgangsleitung 24 und direkt mit der Basis 25 eines Emitterfolgertransistors Q3 verbunden. Der Kollektor 26 des Emitterfolgertransistors Q3 ist an die Span- : nungsquelle 10 angeschlossen, während sein Emitter 27 direkt mit der Ausgangsleitung 24 verbunden ist.

Mit der Ausgangsleitung 24 ist auch der Kollektor 22 eines Transistors Q4 verbunden. Der Emitter 23 dieses Transistors Q4 ist direkt an das Massepotential angeschlossen und seine Basis 21 ist mit dem Emitter 14 des Transistors Q1 verbunden, der über einen Emitterwiderstand 19 ebenfalls an das Massepotential, angeschlossen ist. Die Ausgangsleitung 24 ist mit einer geeigneten Last verbunden, die durch den Kondensator 35 simuliert wird. ;

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 wird jetzt in Ver- j bindung mit dem in Fig. 3 dargestellten zeitlichen Verlauf der

Treiberspannung beschrieben. j

Die in Fig. 3 gezeigte Kurve beschreibt den Verlauf der Treiber] spannung, die an der Basis 21 des Transistors Q4 erscheint, wenn die Beschleunigungsschaltung gemäß der Erfindung nicht verwendet wird.

Es wird beispielsweise angenommen, daß zum Zeitpunkt TO3 dem !Transistor Q1 ein positives Spannungssignal an seiner Basis 11 !zugeführt wird, so daß er leitet und ein Strom von der positiven Spannungsquelle 10 durch ihn hindurch nach Masse fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die Basis 15 des Transistors Q2 auf einem niedrigen Potential gehalten wird, so daß der Transistor Q2 ebenso wie der Emitterfolger Q3 nicht leitend ist.

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Der gleiche Strom, der den Transistor Q1 durchfließt, hält auch die Basis 21 des Transistors Q4 auf einem hohen Spannungspegel V . , wie das durch den Anfangsteil 40a der Kurve nach Fig. 3 angedeutet ist. Da die Basis 21 des Transistors Q4 ein hohes Potential aufweist, ist der Transistor 04 auch leitend und die Ausgangsleitung 24 wird auf einem niedrigen Potential gehalten, d.h. im wesentlichen auf Massepotential. Die Ausgangsleitung 24 behält diesen niedrigen Spannungspegel so lange bei, als das Eingangssignal, das der Basis 21 des Transistors Q4 zugeführt wird, ausreichend ist, um sicherzustellen, daß der Transistor Q4 leitend bleibt.

Die Reihenfolge für das Umschalten der Ausgangsleitung 24 auf einen positiven oder hohen Spannungspegel +V ist folgende: Zu dem in Fig. 3 angegebenen Zeitpunkt T 13 wird das positive Spannungssignal, das der Basis 11 des Transistors Q1 zugeführt wird soweit negativ, daß der Transistor Q1 nichtleitend wird. Wenn der Transistor Q1 sperrt, steigt das Potential an seinem Kollektor 13 und damit das Potential an der Basis 15 des Transistors Q2 rasch auf den positiven Spannungspegel +V an, der durch die Spannungsquelle 10 vorgegeben ist. Diese positive Spannung erscheint als Gleichstromimpuls an der Basis 15 des Transistors Q2 und veranlaßt diesen, leitend zu ; ί

[werden, wodurch das Potential an der Basis 25 des Emitter- '<

I ι

folgers Q3 hochgezogen wird, wodurch der Transistor Q3 auch j leitend wird und eine positive Spannung +V der Spannungsquelle 10 an die Ausgangsleitung 24 angelegt wird.

I ί

Gleichzeitig mit dem Nichtleitendwerden des Transistors Q1 wir4 das Potential seines Emitters 14 und das der Basis 21 des Tran-

sistors Q4 aufgrund des Emitterwiderstandes 19 nach Masse gezogen, wodurch die Treiberspannung V . an der Basis 21 des Transistors Q4 zu fallen beginnt, wie das durch den fallenden Teil 41a der Kurve nach Fig. 3 angedeutet wird. Der Transi- ; stör Q4 besitzt eine große Elektrodenkapazität zwischen seinem

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Kollektor 22 und seiner Basis 21, die hler durch den gestrichelt gezeichneten Kondensator C angedeutet ist. Diese Elektrodenkapazität wirkt als Quelle für die Treiberspannung und verursacht, daß das Potential der Basis 21 des Transistors Q4 wieder auf den Wert V . gezogen wird, wie das durch den ansteigenden Teil 42a der in Fig. 3 dargestellten Kurve angedeutet ist. Diese Elektrodenkapazität C ist besonders bedeutsam, wenn der Transistor Q4 ein großer Leistungstransistor ist. Die Wirkung der Elektrodenkapazität C besteht darin, daß sie den Transistor Q4 für ein bedeutendes Zeitintervall leitend hält, d.h. bis zu dem Zeitpunkt T 23, der durch den Teil | 43 der in Fig. 3 dargestellten Kurve angezeigt ist und an dem !

die in der Kapazität C gespeicherte Ladung soweit abgeflossen '

ist, daß der Transistor Q4 sperrt. !

Selbstverständlich ist bei der Schaltung nach Fig. 1 der Zeit- !

abschnitt, indem der Transistor Q4 leitend bleibt, eine Funk- ^:

i tion des Wertes des Widerstandes 19 und der Größe der Elektro- j denkapazität C. Bei praktischen Schaltungen der beschriebenen | Art beträgt das Zeitintervall T 13 bis T 23 jedoch 25 Nanosekunden, bis die der Basis 21 zugeführte Treiberspannung V . sich ausreichend, gewöhnlich bis auf 265 Millivolt ver- j ringert hat, wie das durch die Zahl 44 auf der in Fig. 3 | gezeigten Kurve angedeutet ist. Wenn die Treiberspannung an der Basis 21 des Transistors Q4 so weit verringert wurde, wird der Transistor nicht leitend.

Wenn die Treiberspannung an der Basis 21 des Transistors Q4 schließlich niedrig genug wird, um den Transistor Q4 zu sperren, wird die Ausgangsleitung vom Massepotential entkoppelt und ihr Potential wird auf den Wert +V durch die Wirkung der Transistoren Q2 und Q3 hochgezogen.

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Im folgenden wird die Schaltung nach Fig. 1 betrachtet, wenn sie mit einer Beschleunigungsschaltung gemäß der Erfindung versehen wird, wie das in Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt eine aus NPN-Transistoren aufgebaute Gegentaktschaltung zusammen mit einer Beschleunigungsschaltung, die ihr zugefügt wurde und alle die Hauptmerkmale gemäß der Erfindung verkörpert. Bei der Beschreibung des Gegentaktverstärker nach Fig. 2 werden für die Bauteile, die schon in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurden, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Schaltung enthält daher einen Eingangstransistor Q1, dessen Basis 11 an eine Quelle 12 für Eingangssignale angeschlossen ist und dessen Kollektor 13 über einen Kollektorwiderstand 18 mit dem positiven Pol +V einer Spannungsquelle und direkt mit der Basis 15 eines Bezugstransistors Q2 verbunden ist. Der Kollektor 16 des Bezugstransistors Q2 ist direkt an die Spannungsquelle 10 angeschlossen. Der Emitter 17 des Transistors Q2 ist über einen Emitterwiderstand 20 mit einer Ausgangsleitung 24 und auch direkt mit der Basis 25 eines einen Emitterfolger bildenden Transistors Q3 und mit dem Kollektor 33 eines als Diode dienenden Transistors Q6 verbunden. Der Kollektor 26 des Transistors Q3 ist ebenfalls an die Spannungsquelle 10 angeschlossen, während sein Emitter 27 direkt mit der Ausgangsleitung 24 verbunden ist.

An die Ausgangsleitung 24 ist auch der Kollektor 22 eines Transistors Q4 angeschlossen. Der Emitter 23 dieses Transistors ist lirekt mit dem Massepotential und seine Basis 21 mit dem ^: Smitter 14 eines Transistors Q1 verbunden, der auch über einen emitterwiderstand 19 an das Massepotential angeschlossen ist. 5ie Basis 21 des Transistors Q4 ist auch mit dem Kollektor 28 jines Beschleunigungstraneietors Q5 verbunden, dessen Emitter 3D in das Maseepotential und dessen Basis 29 über eine Diode, die »ier durch den Transistor Q6 dargestellt ist, an die Basis des Transistors Q3 angeschlossen. Durch Verbinden seiner Basis 31

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mit seinem Emitter 32 wurde der Transistor QS zu einer Diode verdrahtet. Der Emitter 32 des Transistors Q6 und die mit ihm verbundene Basis 29 des Beschleunigungstransistors Q5 sind beide über den Emitterwiderstand 34 an das Massepotential angeschlossen. Die Ausgangsleitung 24 ist mit einer geeigneten Last verbunden, die durch den Kondensator 35 simuliert wird.

Die Transistoren Q5 und Q6 sowie der Emitterwiderstand 34, dessen oberes Ende mit der Basis 29 des Transistors Q5 verbunden ist, sind zu der Schaltung nach Fig. 1 hinzugefügt worden und bilden die Beschleunigungsschaltung gemäß der Erfindung .

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 wird jetzt in Ver- , bindung mit dem in Fig. 4 dargestellten zeitlichen Verlauf der j Treiberspannung erläutert, der zeigt, daß eine bedeutsame Ände-f rung in der Abfallzeit der Treiberspannung an der Basis 21 j

i des Transistors Q4 erreicht wurde.

Aus Fig. 4 ist der Verlauf der Treiberspannung an der Basis des Transistors Q4 ersichtlich für den Fall, daß die Beschleu- ι nigungsschaltung nach der Erfindung verwendet ist. j

Es wird beispielsweise angenommen, daß zum Zeitpunkt T O4 der Basis 11 des Transistors Q1 eine positive Spannung zugeführt wird, so daß er leitend ist und durch ihn ein Strom von der positiven Spannungsquelle 10 nach Masse fließt. Dieser Strora-

fluß bewirkt, daß die Basis des Transistors Q2 auf niedrigem Potential gehalten wird, so daß der Transistor Q2 nicht leitend ist, ebenso wie der einen Emitterfolger bildende Transistor 0.3.

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Der den Transistor Q1 durchfließende Strom hält das Potential

an der Basis 21 des Transistors Q4 auf einem hohen Pegel V . ; ein ι

wie das durch den Anfangsteil 40b der Kurve nach Fig. 4 an- !gedeutet ist. Da das Potential der Basis 21 des Transistors Q4 hoch ist, ist dieser Transistors auch leitend und das Potential der Ausgangsleitung 24 wird auf einen niedrigen Wert, d.h. lim wesentlichen auf Massepotential gehalten. Die Ausgangsleitung 24 bleibt auf diesem niedrigen Potential, solange das der Basis 21 des Transistors Q4 zugeführte Eingangssignal diesen leitend hält.

'Das Anlegen eines positiven oder hohen Spannungspegels +V an die Ausgangsleitung geschieht folgendermaßen: Zum Zeitpunkt T 14 wird die positive Signalspannung, die der Basis 11 des Transistors Q1 zugeführt wurde, auf einen negativen Wert heruntergezogen, der ausreichend ist, um den Transistor Q1 zu sperren. Wenn der Transistor Q1 sperrt, steigt das Potential seines Kollektors 13 und das Potential der Basis !des Transistors Q2 schnell auf einen positiven Spannungspegel +V an, der durch die Spannungsquelle 10 vorgegeben ist. Diese positive Spannung erscheint als ein Gleichspannungsimpuls an der Basis 15 des Transistors Q2 und veranlaßt diesen, rasch leitend zu werden und das Potential der Basis 25 des Transistors Q3 hochzuziehen, so daß der Transistor Q3 auch leitet und daher eine positive Spannung +V der Spannungsquelle 10 an die Ausgangsleitung 24 angelegt wird.

Die der Basis 25 des Transistors Q3 über den Transistor Q2 zugeführte Spannung der Spannungsquelle 10 wird jetzt auch dem Kollektor des Transistors Q6 zugeführt. Es sei bemerkt, daß jder Kollektor 33 des Transistors Q6 und sein Emitter über die Kollektor-Emitterkapazität C_c des Transistors Q6 miteinander gekoppelt sind.

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Obgleich die aus dem Transistor Q6 gebildete Diode als eine GleichstroBSperre für der Basis 25 des Transistors Q3 zugeführte Impulse wirkt, blockiert sie nicht die Wechselstromanteile des Impulses. Daher verursacht unmittelbar beim Erscheinen des Impulses an der Basis 25 und am Kollektor 33 die Wechselstromkomponente des Impulses, d.h. seine Vorderflanke, daß eine Spannung, die gleich der Spannung ist, die am Kollektor 33 des Transistors Q6 erscheint, am Emitter 32 des Transistors Q6 und auch an der Basis 29 des Transistors Q5 erscheint, die den Transistor Q5 leitend macht. Nenn der Transistor Q5 leitend wird, verbindet er die Basis 21 des Transistors Q4 mit Massepotential.

Gleichzeitig mit dem Nichtleitendwerden des Transistors Q1 zum Zeitpunkt T 14 wird das Potential der Basis 21 des Transistors Q4 nach Masse gezogen, was die Ursache dafür ist, daß die Basis-Treiberspannung V . abfällt, wie das durch den Teil 41b der Kurve nach Fig. 4 angedeutet ist. Da jedoch auch der Transistor Q4 eine große Elektrodenkapazität zwischen seinem Kollektor und der Basis 21 aufweist, wirkt diese als eine Quelle für die Treiberspannung und läßt das Potential der Basis 21 des Transistors Q4 auf den Wert der Treiberspannung V . zurückkehren. Jetzt kommt jedoch die Beschleunigungsschaltung ins Spiel, die die Transistoren Q5 und Q6 enthält und die dafür sorgt, daß das Potential der Basis 21 des Transistors Q4 rasch auf Massepotential herabgezogen wird. Wegen der Zeitkonstanten des Transistors Q1 und der Verzögerung die ein Signal braucht, um vom Kollektor des Transistors Q1 über die Transistoren Q2 und Q6 zur Basis des Transistors Q5 izu gelangen verbleibt noch eine kleine Verzögerung von etwa 8 Nanosekunden zwischen dem Zeitpunkt T 14 und dem Zeltpunkt ι 24, zu den die Treiberspannung an der Basis 21 des Transistors Q4 genügend herabgezogen worden ist, d.h. auf 265 Millivolt, bis zu dem Punkt, der durch die Bezugszahl 45 gekenn-Izeichnet ist, an dem der Transistor Q4 nicht leitend wird.

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Es sei noch einmal bemerkt, daß die Zeltdauer, während der der Transistor Q4 leitend bleibt, eine Funktion der Verzögerung ist, die ein Signal erfährt, um vom Kollektor 13 des Transistors Q1 über den Transistor Q2 und Q6 zu der Basis 29 zu gelangen als auch der unvermeidlichen Verzögerung zum Sperren des Transistors Q1 selbst, um zu veranlassen, daß sein Emitterpotential nach Masse gezogen wird. Alle diese Faktoren addieren sich zu der Länge der Verzögerung, die auftritt, bevor die Beschleunigungsschaltung wirkt, um das Potential der Basis 21 genügend herabzuziehen, um die Elektrodenkapazität C zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors Q4 zu veranlassen, entladen zu werden, so daß der Transistor Q4 nicht leitend werden kann.

Falls es erwünscht ist, kann der Kollektor 33 des zu einer Diode verdrahteten Transistors Q6 mit der Ausgangsleitung anstatt mit der Basis 25 des einen Emitterfolger bildenden Transistors Q3 verbunden werden. Wenn jedoch der Kollektor des Transistors Q6 in dieser Weise mit der Ausgangsleitung verbunden wird, arbeitet die Schaltung etwas langsamer als die in Fig. 2 dargestellte Schaltung.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Transistor-Treiberschaltung mit zwei in Reihe liegenden, abwechselnd leitenden Ausgangstransistoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschleunigungsschaltung (Q5, Q6, 34; Fig. 2) kapazitiv mit dem ersten
Ausgangstransistor (Q3) gekoppelt und direkt mit der Basis des zweiten Ausgangstransistors (Q4) verbunden ist, um die in dessen Elektrodenkapazitäten gespeicherten Ladungsträger beim Sperren dieses Ausgangstransistors rasch abzuführen und ihn dadurch schnell nichtleitend zu machen.
2. Transistor-Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch

^: gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsschaltung einen Beschleunigungstransistor (Q5) enthält, dessen Kollektor mit der Basis (21) des zweiten Ausgangstransistors (Q4) verbunden und dessen Emitter an das Bezugspotential angeschlossen ist, während seine Basis kapazitiv mit der des ersten Ausgangstransistors gekoppelt ist.
3. Transistor-Treiberschaltung nach den Ansprüchen

1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Kopplung der Basis des Beschleunigungstransistors
mit der des ersten Ausgangstransistors über einen zu einer Diode verdrahteten Transistor (Q6) erfolgt.
4. Transistor-Treiberschaltung nach den Ansprüchen

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des
Beschleunigungstransistors über eine Impedanz (34)
mit dem Bezugspotential verbunden ist.

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