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Die Erfindung betrifft eine Pegelverschiebeeinrichtung
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eingangsschaltungen für logische Signale,
Pegelverschiebeeinrichtungen für logische Signale und Schaltungen zum Trennen von
logischen Eingabe- und Ausgabeschaltungen sind in großer Vielzahl
bekannt. Zum Stande der Technik sei beispielsweise auf die US-
Patentschriften 35 18 449, 37 57 137, 38 79 576 und 39 70 875
und die Literaturstelle Motorola Staff "MECL III Integrated
Circuits" Book, 3. Ausgabe, September 1973, Seiten 1-7 und 8,
verwiesen.
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In den Patentschriften ist insbesondere auf die
Gleichlaufeigenschaften von Transistoren und/oder Dioden hingewiesen, die
auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert sind.
Insbesondere ist auf die US-Patentschrift 38 79 576 und die genannte
Veröffentlichung zu verweisen, die u. a. eine Trennschaltung für
Signale beschreiben, bei der Gleichlaufeigenschaften zum Zwecke
der Kompensation von Anschlüssen von sich ändernden
Umgebungsbedingungen angesprochen sind.
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Im Zuge der Fortentwicklung der Technik sind die Anforderungen
an entsprechende Schaltungen beträchtlich gestiegen.
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Aus der DE-OS 23 63 735 und der Zeitschrift "Electronics", 19.
Februar 1976, S. 115, sind bereits Pegelverschiebeeinrichtungen
für logische Signale bekannt, die einen Transistor in
Basisschaltung aufweisen, dessen Emitter mit dem Eingang verbunden
ist, dessen Kollektor den Ausgang bildet und dessen Basis an
ein Referenzpotential angeschlossen ist.
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Der Transistor bewirkt eine Entkopplung zwischen Ein- und
Ausgang. Maßnahmen zur Optimierung dieser Einrichtung
hinsichtlich der Einflüsse von Temperaturschwankungen und Veränderungen im
Herstellungsprozess sind nicht vorgesehen.
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Ebenso sind keinerlei Vorkehrungen getroffen, eine gegenseitige
Beeinflussung durch die Signale am Emitter-Basisübergang der
Transistoren entsprechender auf demselben Halbleiterchip
integrierter Einrichtungen zu vermeiden. Die Gleichlaufeigenschaften
für den Basis-Emitterübergang des Transistors sind nicht gegeben.
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Es ist demzufolge die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
eine Pegelverschiebeeinrichtung anzugeben, die logische
Signalpegel mit relativ großem Hub in entsprechende Signalpegel mit
relativ kleinem Hub umwandelt und insbesondere zum Einsatz in
emittergekoppelter Logik geeignet ist. Dabei wird besonderer
Wert gelegt auf die exakte Trennung zwischen Eingang und
Ausgang und eine optimale Stabilität der Einrichtung.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.
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Zusammenfassend kann die Erfindung darin gesehen werden, daß
ein Transistor in Basisschaltung verwendet wird, dessen
Emitter über einen Widerstand mit dem Eingang verbunden ist,
dessen über einen Lastwiderstand mit Betriebspotential
verbundener Kollektor den Ausgang bildet und dessen Basis an
eine Referenzpotential-Regelschaltung angeschlossen ist. Die
Referenzpotential-Regelschaltung umfaßt eine zwischen
Betriebspotential und einem festen Bezugspotential angeordnete
Reihenschaltung aus einem Widerstand, zwei Dioden und einem
zweiten Widerstand. Der Transistor und die Dioden sind so
ausgelegt, daß die Basis-Emitterspannung des Transistors mit
der Spannung am Übergang der Dioden identisch ist.
Vorteilhafterweise werden die beiden Widerstände gleich groß
gewählt. Die Anordnung des Transistors in Basisschaltung
gewährleistet die angesprochene Trennung zwischen Eingang und
Ausgang. Dabei ist die Basis mit dem gemeinsamen
Verbindungspunkt des einen Widerstandes mit den restlichen Elementen
der Reihenschaltung verbunden. Dadurch erreicht man, daß bei
leitendem Transistor die Basis-Emitterpsannung gleich der
Hälfte des Betriebspotentials ist. Vorzugsweise liegt die
Größe des Lastwiderstandes in der Größenordnung anderer auf
dem gleichen Halbleiterchip mit integrierter Lastwiderstände.
Der mit dem Emitter des Transistors verbundene Widerstand am
Eingang ist so gewählt, daß der Signalpegel am Ausgang auch
einen zweckmäßigen niedrigeren Signalpegel gebracht wird,
wenn der bestimmte, niedrige Signalpegel am Eingang
zugeführt wird. Diese Bedingung liegt vor, wenn das
Eingangssignal beispielsweise auf dem am meisten positiven zulässigen
Pegel liegt und
das Ausgangssignal höchstens gerade den noch
zulässigen positiven Pegel erreicht. Man erzielt damit den
angestrebten Gleichlauf in optimaler Weise.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigt
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Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Pegelverschiebeeinrichtung,
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Fig. 2 das ausführliche Schaltbild einer erfindungsgemäßen
Pegelverschiebeeinrichtung und
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Fig. 3 eine graphische Darstellung des Schaltverhaltens der
erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Das in Fig. 1 dargestellte, vereinfachte Blockschaltbild der
erfindungsgemäßen Pegelverschiebeeinrichtung hoher Qualität
umfaßt im wesentlichen einen Verstärker 14 in Verbindung mit
einer Referenzpotential-Regelschaltung 16 die zwischen
Eingängen 10 und Ausgängen 20 angeordnet sind. Über den
Verstärker 14 erfolgt in Abstimmung mit der
Referenzpotential-Regelschaltung 16 die Pegelverschiebung. In Erwägung gezogen ist
beispielsweise am Eingang obere logische Signalpegel von 1,6
bis 5 Volt und untere Signalpegel von 0 bis 0,96 Volt
durchzuführen, die dann in Signalpegel umgewandelt werden, die sich
beispielsweise um ein halbes Volt unterscheiden.
Beispielsweise werden logische Signalpegel am Eingang von 0 und + 5
Volt in ein logisches Signal umgewandelt, das durch die
Pegel 2,5 und 3 Volt definiert ist. Das in Fig. 2 dargestellte
schaltungsmäßige Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Pegelverschiebeeinrichtung ist gewöhnlich mit vielen anderen
solchen Einrichtungen auf einem Halbleiterchip integriert.
Das Eingangssignal wird über die Eingänge 10 zugeführt, die
über eine Diode 22 verbunden sind. Diese Diode wird
vorgesehen, um beispielsweise von leitenden Ausgangstreibern
stammende negative Spannungen zu begrenzen. Zwischen dem
Eingang 10 und dem Emitter eines Transistors 26 ist ein
Widerstand 24 angeordnet. Der Kollektor des Transistors 26 ist
mit einem Lastwiderstand 28 verbunden. Der Lastwiderstand
28 ist durch eine Diode 29 überbrückt, die die Sättigung des
Transistors 26 bei höheren Strompegeln verhindert, die bei
extrem niedrigen Eingangssignalpegeln auftreten können. Der
Transistor 26 ist in Basisschaltung angeordnet, wobei die
Basis an die Referenzpotential-Regelschaltung 16 geführt ist.
Diese Schaltung umfaßt eine Reihenschaltung aus einem
Widerstand 30, zwei Dioden 32 und 34 und einem weiteren Widerstand
36. Die Reihenschaltung ist zwischen einem positiven
Betriebspotential und einem Bezugspotential (Masse) angeordnet. Der
Kollektor des Transistors 26 ist mit dem Ausgang 20 verbunden,
während die Basis am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand
30 und der Diode 32 der Referenzpotential-Regelschaltung liegt.
Selbstverständlich ist anstelle des npn-Transistors 26 auch
ein pnp-Transistor einsetzbar, wenn die übrigen Polaritäten
dann entsprechend umgekehrt werden. Die Referenzpotential-
Regelschaltung 16 hält die Spannung an der Basis des
Transistors 26, die normalerweise durch Temperatureinflüsse und
auch durch Veränderungen im Herstellungsprozeß stark
beeinflußt sind, auf einem Pegel, bei dem der erforderliche
Eingangssignalpegel relativ unabhängig von diesen Schwankungen
ist. Ein besonderer Vorteil der
Referenzpotential-Regelschaltung 16 liegt auch darin, daß eine gegenseitige
Beeinflussung durch die Signale am Emitter-Basisübergang der
Transistoren 26 der entsprechenden Schaltung auf demselben
Halbleiterchip verhindert werden. Die einzelnen
Referenzpotential-Regelschaltungen der Pegelverschiebeeinrichtungen auf
demselben Halbleiterchip sind lediglich mit dem Empfänger
und der Versorgungsspannung gekoppelt. Die
Versorgungsspannung kann dabei durch geeignete, außerhalb des
Halbleiterchips anzuordnende Kapazitäten geglättet werden. Der Beitrag
der Referenzpotential-Regelschaltung zu Belastungsänderungen
der Versorgungsspannungsquelle entspricht nur dem Kehrwert
des Stromverstärkungsfaktors im Vergleich zu dem Beitrag der
vom Kollektorstrom stammt, der über die Widerstände 28 und
24 schließt. Nachdem wird gezeigt, daß für die
Basis-Emitterspannung des Transistors 26 ein vollkommener Gleichlauf
erreichbar ist. Abgesehen von der kleinen, vom Massestrom des
Transistors 26 herrührenden Belastung gilt:
I 36 = I 30 = (V CC - 2 × V BE )/(R 36 + R 30)
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Dabei geben I 36 und I 30 den Strom in den Widerständen 30 und 36
in Ampere an;
V CC entspricht dem angelegten Betriebspotential in Volt;
V BE ist die Basis-Emitterspannung der Dioden 32 und 34
und des Transistors 26;
die Dioden 32 und 34 können so ausgelegt werden, daß die
Emitterstromdichte angenähert gleich ist der Emitterstromdichte
im Transistor 26, wenn dieser den logischen Nennstrom zieht.
Auf diese erreicht man, daß die V BE&min;s für diese Bauelemente
nahezu gleich sind;
R 30 und R 36 sind die Widerstandswerte der Transistoren
30 und 36 in Ohm.
V b = 2 × V BE + I 36 ×R 36
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Dabei ist V b die Spannung an der Basis des Transistors 26.
V b = 2 × V BE + (V CC - 2V BE ) × R 36/(R 36 + R 30)
= V BE (2 - 2 × R 36/(R 36 + R 30) + V CC × R 36/(R 36 + -R 30).
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Für vollkommenen Gleichlauf gilt dann:
R 30 = R 36 und V BE (32) = V BE (34); außerdem ist
V b = V BE + V CC /2 und V e = V CC /2, und zwar unabhängig
von V BE und den Widerstandswerten.
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Die bisher beschriebene Einrichtung basiert auf einer 2:1
Abstufung des Referenzpotentials, es lassen sich jedoch auch
andere Abstufungen vornehmen. Beispielsweise kann eine
Referenzpotential-Regelschaltung eingesetzt werden mit drei
identischen Dioden und drei identischen Widerständen, wobei
die Abgriffe zwei Dioden und einen Widerstand von der
anderen Diode und den anderen Widerständen trennen. Dann gilt:
V b = V BE + V CC /3 und V e = V CC /3
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Aus praktischen Gründen wird bei der Halbleiterherstellung
wird der Basis-Emitterspannungsabfall auf ganze Vielfache
einer V BE für ein bestimmtes Halbleiterchip. Normalerweise
werden der Einfachheithalber auch die Widerstandswerte als
ganze Vielfache festgelegt, wenn die V BE&min;s ganze Vielfache
sein müssen und/oder
wenn im Rahmen der gesamten auf
demselben Halbleiterchip herzustellenden Halbleiteranordnung
eine Anzahl von Widerständen mit gleichen Werten vorzusehen
sind.
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Man kann also feststellen, daß der Gleichlauf für die Basis-
Emitterspannung nahezu vollkommen erreichbar ist. Die
Emitterspannung des Transistors 26 beträgt im leitenden Zustand
angenähert V CC /2. Durch Einstellung des Wertes des
Widerstandes 24 im Emitterkreis des Transistors kann diese
Spannung auf das korrekte Referenzpotential gebracht werden. In
einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt der Wert des
Kollektorlastwiderstandes 28 zweitausend Ohm, um eine
Angleichung an die weiteren, auf der Gesamtanordnung
verwendeten Lastwiderstände zu erreichen. Die Widerstände 30 und
36 weisen Werte von dreitausend Ohm auf, um den Basisstrom
des Transistors 26 auf einen vernachlässigbaren Wert zu
reduzieren. Der Wert des Transistors im Emitterkreis des
Transistors muß in einem bestimmten Verhältnis zum Wert des
Lastwiderstandes stehen. Aus einem Bereich möglicher
Widerstandswerte für den Widerstand 24 im Emitterkreis des
Transistors von 910 bis 1760 Ohm wurde beispielsweise der Wert
von 1500 Ohm gewählt. Es sei daran erinnert, daß für die
Widerstände 30 und 36 ebenso wie für den Widerstand 24 und
den Lastwiderstand 28 Gleichlauf herrschen muß; die exakten
Werte sind jedoch innerhalb einer Toleranz von + oder - 25%
wählbar. Wesentlich ist nur, daß sich die Werte zusammen
verändern.
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Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Schaltverhaltens
der erfindungsgemäßen Einrichtung. Die Ausgangsspannung ist
in Bezug gesetzt zu dem angelegten Betriebspotential V CC . Die
Eingangsspannung ist für einen annehmbaren Bereich nach unten
und nach oben mit über dem doppelten des letzten Wertes
angegeben. Die angestrebte Funktion erhält man an den angegebenen
Punkten entlang des gestrichelt dargestellten Rechteckes.
Jede beliebige Kurve der Ausgangsspannung in Abhängigkeit
von der Eingangsspannung muß sowohl oben als auch unten das
Rechteck schneiden. Dies tritt ein, wenn der Widerstand 24
im Bereich von 910 bis 1760 Ohm liegt.