DE2855168C2

DE2855168C2 - Bipolarer Spannungsdetektor

Info

Publication number: DE2855168C2
Application number: DE2855168A
Authority: DE
Inventors: Kouichi Tokio/Tokyo Tanaka
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1977-12-20
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1986-02-06
Also published as: DE2855168A1; US4292552A; JPS6052380B2; JPS5485779A

Description

Die Erfindung betrifft einen bipolaren Spannungsdetektor mit einer Eingangsklemme für ein bipolares Eingangssignal, einer Ausgangsklemme für ein Ausgangssignal, einem Bezugsspannungsgenerator zum Erzeugen einer ersten und zweiten Bezugsspannung, wobei die erste Bezugsspannung größer ist als die zweite Bezugsspannung, mit einem ersten Transistorpaar mit einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Emitter miteinander verbunden sind, wobei der erste Transistor an seiner Basiselektrode die erste Bezugsspannung empfängt und der zweite Transistor an seiner Basiselektrode das bipolare Eingangssignal, mit einem zweiten Transistorpaar mit einem dritten und einem vierten Transistor, deren Emitter miteinander verbunden sind, wobei der dritte Transistor an seiner Basiselektrode das bipolare Eingangssignal empfängt und der vierte Transistor an seiner Basiselektrode die zweite Bezugsspannung empfängt und wobei die Kollektorelektroden des ersten Transistors und des dritten Transistors über eine Verbindungsleitung mit einer Versorgungsspannung verbunden sind, und mit einer Ausgangsschaltung, die mit den Kollektorelektroden des zweiten und vierten Transistors verbunden ist und das Ausgangssignal erzeugt

Ein bipolarer Spannungsdetektor der herkömmlichen Art, wie er beispielsweise in einem Rauschunterdrücker in einer Schaltung verwendet wird, wie sie von LCalandrino in »Alta Frequenza«, Band 36, Seite 726—731 (Nr.8, August 1967) beschrieben wurde, wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Dieser herkömmliche Spannungsdetektor weist den Nachteil auf, daß die Spannungsdetektionspegel stark von der Umgebungstemperatur und der Stromversorgung abhängen und daß der Detektor eine große Anzahl von Schaltungselementen aufweisen muß, wie etwa Kondensatoren, die dem Grundbestandteil des Detektors hinzugefügt werden, der durch einen monolithischen integrierten Schaltkreis realisiert wird.

Ein bipolarer Spannungsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches ist bekannt aus der DE-AS 18 15 681. Bei diesem bekannten bipolaren Spannungsdetektor sind zwei Transistorpaare vorgesehen, die einen ersten und einen zweiten Komparator bzw. Differenzverstärker bilden. Dabei sind jeweils die invertierten Ausgänge bzw. die nicht invertierten Ausgänge des ersten und zweiten Komparators miteinander verbunden.

Um ein Ausgangssignal zu erhalten, wenn das Eingangssignal größer als die obere Schwelle oder kleiner als die untere Schwelle ist, müssen die beiden miteinander verbundenen invertierten bzw. nicht invertierten Ausgänge miteinander verglichen werden. Hierzu ist eine relativ komplizierte Schaltung notwendig, die entweder ein Relais oder eine weitere Differenzverstärkerschaltung erforderlich macht

Ein ähnlicher bipolarer Spannungsdetektor ist auch bekannt aus der DE-AS 24 31 433. Bei dieser Schaltung wird das Eingangssignal jeweils an die invertierenden Eingänge der Komparatoren angelegt, und es werden Ausgangsimpulse erzeugt, deren Anstiegs- bzw. Abfallflanken den Ausgangssignalen der Komparatoren entsprechen. Für die Erzeugung eines Ausgangssignales ist aber bei diesem bekannten Spitzenspannungsdetektor eine bistabile Schaltung nötig, um ein Ausgangssignal aus den Ausgangsimpulsen der beiden Komparatoren zu bilden. Deshalb ist dieser bekannte Spitzenspannungsdetektor nicht geeignet für eine Implementierung in [ίί monolithische integrierte Halbleiterschaltkreise.

ri 55 Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen bipolaren Spannungsdetektor der eingangs be- ; f_t schriebenen Art zu schaffen, der für eine Implementierung in monolithische integrierte Halbleiterschaltkreise

.'' geeignet ist

, ^r Diese Aufgabe wird eifindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kollektorelektroden des zweiten und des

^; vierten Transistors miteinander direkt verbunden sind.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Spannungsdetektors, bei welcher der invertierende Ausgang des ersten Komparators und der nicht invertierende Ausgang des zweiten Komparators miteinander verbunden sind, wird vorteilhafterweise direkt ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das Eingangssignal außerhalb des durch die beiden Schwellen betimmten Bereiches liegt, ohne daß hierfür zusätzliche Vergleichsschaltungen notwendig wären. Dadurch kann der erfindungsgemäße bipolare Spannungsdetektor ohne Probleme in integrierte Halbleiterschaltungen implementiert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 die Schaltung eines herkömmlichen bipolaren Spannungsdetektors;
; F i g. 2 die Eingangs- und Ausgangs-Kennlinie des Detektors nach F i g. 1;

F i g. 3 die Schaltung eines erfindungsgemäßen bipolaren Spannungsdetektors; : F i g. 4 die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie des Detektors nach F i g. 3;

F i g. 5 die Temperaturabhängigkeit der Spannungsdetektionspegel des Detektors nach F i g. 3 gegenüber der eines herkömmlichen bipolaren Spannuirgsdetektors;

Fig.6 die Schaltung eines bipolaren Spannungsdetektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der . Erfindung und

F i g. 7 einen Teil einer AVR-Schsütung, die gegenüber dem in F i g. 6 dargestellten Detektor eine Modifizierung aufweist

Zum besseren Verständnis wird zuerst ein in den Fig.! und 2 dargestellter herkömmlicher bipolarer Spannungsdetektor 10 beschrieben. Der Detektor 10 weist eine Eingangsklemme 11 für ein bipolares Eingangssignal ίο Vi, und eine Ausgangsklemme 12 auf, an der eine Folge von Ausgangsimpulsen als ein Ausgangssignal V₀ abgenommen wird. Wie am besten aus F i g. 2 zu ersehen ist, muß das Eingangssignal Vi, nicht sinusförmig sein. Das Eingangssignal V_m wird einem ersten Transistor 15 über einen ersten Kondensator C zugeführt, der als Gleichspannungs-Sperrkondensator dient Der Basis des Transistors 15 wird durch einen ersten und zweiten / Widerstand 16 und 17, die in Reihe zwischen einer Stromversorgungsklemme V_1x für die Zuführung der Strom-

'' Versorgungsspannung V_1x (der Einfachheit halber werden die gleichen Bezugszeichen verwendet) und Erde

geschaltet sind, eine Basisvorspannung zugeführt und der Kollektor ist über einen dritten Widerstand 18 mit der .Stromversorgungsklemme V« und der Emitter über einen vierten Widerstand 19 mit Erde verbunden. Das Eingangssignal Vi, wird durch den Tranrätor 15 phasengeteilt, so daß am Emitter und Kollektor positive und > negative Komponenten auftreten. Die positiven Komponenten werden einem zweiten Transistor 21 zugeführt,

und zwar über einen als Gleichspannungssperrkondensator dienenden zweiten Kondensator 23 und eine erste

§; Diode 24 zur Gleichrichtung der positiven Komponenten. Die negativen Komponenten werden in ähnlicher

Weise über einen dritten Kondensator 25 und eine zweite Diode 26 dem zweiten Transistor 21 zugeführt Die

% dritte und vierte Diode 28 und 29 dient zur Absorbierung bzw. Dämpfung der in umgekehrter Richtung

verlaufenden Spannungsstöße. Der Detektor 10 kann auch als ein bipolares Detektionssystem verwendet

werden, das einen Verstärker (nicht dargestellt) mit einer Ausgangsklemme aufweist, die direkt mit der Ein-

gangsklemme U verbunden ist

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Detektor 10 ist der Spannungsabfall Vu in Durchlaßrichtung bei der ersten und

if zweiten Diode 24 und 26 gleich der Basisemitter-Durchlaßspannung Vi_x des zweiten Transistors 21. Jede dieselöl Spannungen V« und Vi_x ist typischerweise 0,7 V in einer monolithischen integrierten Schaltung. Wie aus F i g. 2

zu ersehen ist, treten an der Ausgangsklemme 12 rechteckige Ausgangsimpulse als Ausgangssignal Vb auf, wenn

§ der Absolutwert | Vi, | des Eingangssignals V_m die folgende Gleichung erfüllt:

I Vi, I δ Vu+ Vbc-lVbe (1)

Die Gleichung (1) zeigt, daß der Spannungsdetektionspegel für die jeweiligen positiven und negativen Komponenten des Eingangssignals V_1n bestimmt wird durch die Basis-Emitter-Durchlaßspannung Vi_x und gleich etwa 1,4 V ist Die Spannungsdetektionspegel ändern sich damit mit der Umgebungstemperatur. Insbesondere steigt die Spannungsdetektionsempfindlichkeit mit der Umgebungstemperatur an, da die Basis-Emitter-Durchlaßspannung Vfce einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der typischerweise gleich —2 mV/⁰ C ist Darüber hinaus sind die spannungsabhängigen Spannungsdetektionspegel lediglich stufenweise unter Verwendung von zwei oder mehr, in Reihe geschalteten Dioden an Stelle von beiden oder einer der ersten und zweiten Dioden 24 und 26 veränderbar. Es ist daher erforderlich, die Spannungsverstärkung des Verstärkers der ersten Stufe durch wahlweises Verändern der Spannungsdetektionspegel des gesamten Systems zu verändern. Der Verstärker muß eine hohe Spannungsverstärkung aufweisen, wenn das System selbst bei niedriger Temperatur arbeiten sollte. Dies macht das System unstabil. Zusätzlich dazu weist der Detektor 10 drei Kondensatoren C, 23 und 25 auf.

F i g. 3 zeigt nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen bipolaren Spannungsdetektors 30, bei dem gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen, wie etwa 11, 12, C und V_1x gekennzeichnet sind. Die Eingangs- und Ausgangssignale und die Stromversorgungsspannung werden dargestellt durch V_n, V₀ und V₀C Der Detektor 30 weist eine Vielzahl von Differenz-Verstärkerstufen auf, wie etwa ein erstes und zweites Transistorpaar 31, 32 Das erste Transistorpaar 31 weist einen ersten und zweiten Transistor Qi und φ auf, deren Emitter miteinander und über eine erste Konstantstromschaltung 30 mit vorgewähltem Strom /q mit Erde verbunden sind. Das zweite Transistorpaar 32 weist einen dritten und vierten Transistor Qz und Qa auf, deren Emitter miteinander und über eine zweite Konstantstromschaltung 34 mit dem vorgewählten Strom I₀ mit Erde verbunden sind. Ein gemeinsamer Widerstand R_a eine Diode 36 und eine Zenerdiode 37 sind in Reihe geschaltet zwischen der Stromversorgungsklemme V_x und Erde und liefern eine stabilisierte Spannung V₁ an der Reihenschaltung aus den Dioden 36 und 37. Dem ersten Transistor Q\ wird eine erste Basisvorspannung Vi zugeführt, die aufgrund einer Spannungsteilung durch einen ersten Widerstand R\ und eine Reihenschaltung aus zweitem und dritten Widerstand A₂ und R3 der stabilisierten Spannung V₁ abgenommen wird. Dem zweiten Transistor Qz wird eine zweite Basisvorspannung V₂ zugeführt, die durch Spannungsteilung der stabilisierten Spannung V₁ in Folge des vierten und fünften Widerstands Ra und Ri abgenommen wird. Dem dritten Transistor Qs wird eine dritte Basisvorspannung V3 zugeführt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel gleich der zweiten Basisvorspannung V₂ ist Der zweite und dritte Widerstand R2 und A3 ciisnen zur Zuführung einer vierten Basisvorspannung Va zum vierten Transistor Qa- Die erste Basisvorspannung Vi ist höher als die zweite Basisvorspannung V₂ und die dritte Basisvorspannung Vj ist höher als die vierte Basisvorspannung V*.

Wie aus F i g. 3 zu ersehen ist wird über eine Verbindungsleitung 41 den Kollektoren des ersten und dritten Transistors Qi und Q3 die Stromversorgungsspannung V_1x zugeführt Die Kollektoren des zweiten und vierten

Transistors Q₂ und Q₄ sind mit einer Verbindungsleitung 42 verbunden, die mit der Ausgangsklemme 12 über einen Stromreflektor 45 verbunden ist, der einen ersten und zweiten PNP-Transistor 46 und 47 aufweist, deren Emitter mit der Stromversorgungsklemme V^ verbunden sind. Der erste PNP-Transistor 46 wird als Diode verwendet Die Transistoren 46 und 47 weisen zueinander gleiche Emitterbereiche in einem monolithischen integrierten Schaltkreis auf. Ein Lastwiderstand 49 ist zwischen der Ausgangsklemme 12 und Erde geschaltet. Das Eingangssignal V_in wird über den ersten Kondensator Q der der einzige Kondensator bei dem erfindungsgemäßen bipolaren Spannungsdetektor ist, den Basiselektroden des zweiten und dritten Transistors Q? und Qj zugeführt Die ersten und zweiten Transistorpaare 31 und 32 dienen jeweils zur Verarbeitung der positiven und negativen Komponenten des Eingangssignals V_1n. Das Ausgangssignal Vo wird über die Verbindungsleitung 42

ίο abgenommen. Die Spannung von Spitze zu Spitze der Ausgangsimpulse des Ausgangssignals V₀ wird bestimmt durch ein Produkt /o · r, wobei r den Widerstandswert des Lastwiderstands 49 darstellt.

Die stabilisierte Spannung V₁ ist kaum von der Stromversorgungsspannung V«- abhängig und ändert sich nur wenig mit der Umgebungstemperatur, da die Diode 36 einen negativen Temperaturkoeffizienten von —2 mV/ "C, wie bereits oben beschrieben wurde, und die Zenerdiode 37 einen positiven Temperaturkoeffizienten von +2 mV/°C aufweist Aber selbst wenn eine Schwankung in der stabilisierten Spannung V_z auftritt so werden durch die Spannungsteiiung die Schwankungen in den Basisvorspannungen Vj bis V₄ klein gemacht Die Basisvorspannungen Vi bis V₄ sind daher im wesentlichen lediglich vom Widerstandsverhältnis des ersten bis fünften Widerstands R\ bis A₅ abhängig, die für die Spannungsteilung verwendet werden. Damit können die Schwellenwertspannungen oder Spannungsdetektionspegel V,/,(₊) und V,_A(_) für die positiven und negativen

Komponenten bestimmt werden mit:

Vrt(₊, = V₁-V₂

= V,[(R₂ +R₃)Z(Ri+R_{2 +}R₃)-R₅Z(R₄ +R₅)] (2)

V_fA(_, = V₃-V₄
= V₂[R₅Z(R₄ +R₅)-R₃Z(Ri +R₂ +R₃)] (3)

wobei Ri, R₂, R₃, R₄ und R₅ die Widerstandswerte des ersten bis fünften Widerstands Ri bis A₅ darstellen und die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden. Die Schwellenwertspannungen Va, (wobei die Indizes (+) und (—) weggelassen werden) sind damit frei wählbar und können bis zu 0,1 V klein sein. Darüber hinaus können die Schwellenwertspannungen V,_h mit hoher Genauigkeit ausgewählt werden, da hoch präzise Widerstandsverhältnisse in einem monolithischen integrierten Schaltkreis zur Verwendung in den Gleichungen (2) und (3) leicht realisiert werden können. Die Spannung von Spitze zu Spitze der Ausgangsimpulse ist durch die Wahl des Widerstandswerts rdes Lastwiderstands 49 wählbar. Diese Vorzüge ergeben einen weiteren Vorzug, nämlich die Möglichkeit der Anpassung an die Erfordernisse des Verstärkers der vorhergehenden Stufe und damit dessen leichtere Konzipierung.

Wie aus den F i g. 4 und 5 ersichtbar ist bauen sich die Ausgangsimpulse des Ausgangssignals V₀ schnell auf und ab, sobald das Eingangssignal V/„ bezüglich seines Absolutwerts die Schwellenwertspannungen ν,_Λ(+) und Vt/, (_) für die positiven und negativen Komponenten überschreitet Daraus ist auch zu ersehen, daß die Eingangsspannung 0 in F i g. 4 die gemeinsame Basisvorspannung des zweiten und dritten Transistors Q₂ und Q₃ darstellt Die Spannungsdetektionspegel des bipolaren Spannungsdetektors 30 werden konstant gehalten, wie es durch die Linie 51 und in F i g. 5 dargestellt ist Die des herkömmlichen bipolaren Spannungsdetektors, wie etwa des Detektors 10, nehmen bei zunehmender Umgebungstemperatur ab, wie es bereits oben beschrieben wurde und durch eine weitere Linie 52 dargestellt ist

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen bipolaren Spannungsdetektors 60 ist in F i g. 6

so dargestellt Der Lastwiderstand 49 ist mit der Verbindungsleitung 42 für die Kollektoren des zweiten und vierten Transistors Q₂ und Q₄ sowie mit der Spannungsversorgungskiemme V'cc verbunden. Dem ersten Transistor Qi wird eine erste Basisvorspannung Vi zugeführt, die durch Spannungsteilung durch den ersten und zweiten Widerstand 61 und 62 von der stabilisierten Spannung V₂ abgenommen wird. Die erste Basisvorspannung wird über einen gemeinsamen Basiswiderstand 63 der Basis eines ersten Hilfstransistors Qs zugeführt, um die zweite Basisvorspannung V₂ für den zweiten Transistor Q2 von der Emitterelektrode des Hilfstransistors Qs abzunehmen.

Die erste Basisvorspannung Vi wird auch der Basis eines zweiten Hilfstransistors Qe zugeführt, der eine dritte Basisvorspannung V₃ für den vierten Transistor Q₄ an seiner Emitterelektrode liefert Dem dritten Transistor Q₃ wird eine vierte Basisvorspannung V₄ von einem Verbindungspunkt zwischen dem gemeinsamen Basiswiderstand 63 und der Basis des ersten Hilfstransistors Q₅ zugeführt Das Eingangssignal V_n, wird der zweiten Basisvorspannung V₂ an der Basis des zweiten Transistors Qi überlagert und der vierten Basisvorspannung V₄ an der Basis des dritten Transistors Q₃. F i g. 7 zeigt eine veränderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen bipolaren Spannungsdetektors mit einem Stromspiegel 45, der einen ersten und zweiten PNP-Transistor 46 und 47 wie in F i g. 3 aufweist Der Lastwiderstand 49 weist einen mit der Verbindungsleitung 42 über den Stromspiegel 45 verbundenen ersten Lastwiderstand 66 und einen zweiten Lastwiderstand 67 auf, der zwischen dem Widerstand 66 und Erde geschaltet ist Ein Teil des in F i g. 7 dargestellten bipolaren Spannungsdetektors kann damit als eine Veränderung des in F i g. 3 dargestellten Detektors 30 aufgefaßt werden. Auf jeden Fall wird eine Folge von Ausgangsimpulsen mit einer Spannung von der Spitze zu Spitze = /0 · r'am zweiten Lastwiderstand

entwickelt, wobei r'den Widerstandswert des Widerstands 67 darstellt. Parallel zum zweiten Lastwiderstand
ist ein Kondensator 69 mit einer relativ großen Kapazität geschaltet, wie etwa ein Elektrolytkondensator. Es
wird daher eine geglättete Spannung an der Gleichspannungsklemme 71 abgenommen, die mit der nicht
geerdeten Elektrode des Elektrolytkondensators 69 verbunden ist Die geglättete Spannung wird einem Transistor 72 zur automatischen Regelung der Verstärkung eines Verstärkers (nicht dargestellt) zugeführt, dessen s Eingangsklemme mit einer AVR-(automatische Verstärkungsrege!un£)Klemme verbunden ist. Insbesondere
ändert sich die Impedanz des AVR-Transistors 72 mit der geglätteten Spannung. Die Verstärkung des Verstärkers wird damit in Übereinstimmung mit dem Verhältnis eines Eingangswiderstands (nicht dargestellt), der
zwischen einer Signalquelle (nicht dargestellt) und der AVR-Klemme 75 geschaltet ist, und der Impedanz
geregelt ₎₀

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Bipolarer Spannungsdetektor mit einer Eingangsklemme (11) für ein bipolares Eingangssignal, einer Ausgangsklemme (12) für ein Ausgangssignal, einem Bezugsspannungsgenerator (Ra Ru Ri und A₃) zum

Erzeugen einer ersten und zweiten Bezugsspannung, wobei die erste Bezugsspannung größer ist als die

zweite Bezugsspannung, mit einem ersten Transistorpcar mit einem ersten und einem zweiten Transistor (Q₁, Q₂), deren Emitter miteinander verbunden sind, wobei der erste Transistor an seiner Basiselektrode die erste Bezugsspannung empfängt und der zweite Transistor an seiner Basiselektrode das bipolare Eingangssignal, mit einem zweiten Transistorpaar mit einem dritten und einem vierten Transistor (Qi, Q₄), deren Emitter

to miteinander verbunden sind, wobei der dritte Transistor an seiner Basiselektrode das bipolare Eingangssignal empfängt und der vierte Transistor an seiner Basiselektrode die zweite Bezugsspannung empfängt, und wobei die Kollektorelektroden des ersten Transistors (Qi) und des dritten Transistors (Q₃) über eine Verbindungsleitung (41) mit einer Versorgungsspannung (Vcc) verbunden sind, und mit einer Ausgangsschaltung (45,49), die mit den Kollektorelektroden des zweiten und vierten Transistors (Qi, Q₄) verbunden ist und das

Ausgangssigna] erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden des zweiten und des vierten Transistors miteinander direkt verbunden sind.