DE2931901A1 - Monolithisch integrierter schwellwertschalter - Google Patents

Monolithisch integrierter schwellwertschalter

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DE2931901A1
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transistor
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transistors
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    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K17/56Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
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Description

  • Beschreibung
  • Monolithisch integrierter Schwellwertschalter Ein Schwellwertschalter der im Oberbegriff des Pat Spruchs 1 gennaten Art ist z.B. bekannt aus der @E-AS 2 748 967. Er ist so ausgelegt, daß er bei einer f-=-ter unteren Schwellwetspannung abschaltet und bei einer oberen Schwellwertspannung, die in einem konstanten Abstand zur Betriebsspannung liegt, durchshaltet. Diese Schaltung ist jedoch nur für Abstände der oberen von der und teren Schwellwertspannung (Hysterese) von einigen Vol sinnvoll. Die Schaltung hat außerdem je nach Schaltzustand einen unterschiedlichen Stromverbrauch Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden Insbesondere oll ein Schwellwertschalter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art angegeben werden, dessen Hysterese in mV-Bereich liegt, dessen Stromverbrauch unabhängig von seinem Schaltzustand konstant ist und der auch als Differenzkomparator mit Hysterese verwendet werden kann.
  • Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst. Der Schalter gemäß der Erfindung ist vollst;ndig symmetrisch aufgebaut und hat stets den gleichen Stronverbrauch, so daß er mit Vorteil auch in Geräten verwendet werden kann, die über mehr oder weniger lange Zuleitungen gespeist werden. Infolge des konstanten Stromverbrauchs des erfindungsgemäßen Schwlbertschalters erfordert er keinen Speicher- oder Glättungskondensator für die Betriebsspannung. Der Schalter kann außerdem als Differenzkomparator mit Hysterese betrieben werden. Die zu vergleichenden Signale sind dabei, wie bei einem üblichen Differenzverstärker, nicht an ein festes Bezugspotential gebunden sondern können in einem weiten Bereich innerhalb der Betriebsspannung "schwinaen". Die Hysterese ist bis auf wenige mV herab auslegbar. Außerdem lassen sich am erfindungsgemäßen Schwellwertschalter komplementäre Signale abgreifen, so daß kein zusätzlicher Inverter erforderlich ist, der eine Unregelmäßigkeit der Stromaufnahme und eine, eventuell unerwünschte, Schaltverzögerung verursachen würde. Durch diese genannten Eigenschaften ist ein diesel erfindungsgemäßen Schwellwertschalter aufweisender Baustein universell einsetzbar.
  • Bei Ausgestaltung der Erfindurgnach Anspruch 2 ist eine I21-Schaltung anschließbar und bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 eine bipolare Schaltung.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines vorteilhaften Ausfährungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen hierzu: FIG. 1: Schaltbild des Ausführungsbeispiels; FIG. 2: Schaltbild einer Ausgangsschaltung für eine I²L-Schaltung; FIG. 3: Schaltbild einer Ausgangsschaltung für eine bipolare Schaltung.
  • In FIG. 1 ist das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Schwellwertschalters dargestellt. Die Eingangsklemmen einer ersten Differenzverstärkerstufe mit den Transistoren 11 und 12 vom NPN-Leitfähigkeitstyp, deren gemeinsame Emitter-Zuleitung über eine Konstantstromschaltung 13 it der negativen Klemme der Betriebsspannung verbunden ist, sind mit E1 bzw. E2 bezeichnet. Am Ausgang der ernten Die ferenzverstärkerstufe liegt zum einen eine aus den Transistoren 14, 15 und 16 bestehende Stromspiegels-haltung.
  • Ferner ist ein als Diode geschalteter Transistor 17 z. ischen Kollektor des Transistors 11 und Kollektor des Transistors 12 geschaltet.
  • Ein wesentliches Kennzeichnen des erfindungsgemäßen Schwellwertschalters ist es, daß am Ausgang der ersten Differenzverstärkerstufe eine zweite Differenzverstärkerstufe mit Transistoren 21 und 22 des komplementären, also hier des PNP-Leitfähigkeitstyps, angeschlossen ist, deren geseinsame Emitterzuleitung über eine Konstantstromschaltung 23 mit der positiven Klemme der Betriebsspaanung verbunden ist.
  • Die Transistoren 21 und 22 der zweiten Differenzverstärkerstufe sind als Doppelkollektor-Transistoren ausgebildet.
  • Der eine Kollektor C1 des am Kollektor des Transistors 11 angeschlossenen Doppelkollektor-Transistors 21 ist mit -der Basis des Transistors 11 und damit mit dem Eingang EI der ersten Differenzverstärkerstufe verbunden. Ebenso ist der eine Kollektor C3 des am Kollektor des Transistors 12 angeschlossenen Doppelkollektor-Transistors 22 mit der Basis des Transistors 12 und damit mit dem Eingang E2 der ersten Differenzverstärkerstufe verbunden.
  • Der andere Kollektor C2 des Doppelkollektor-Transistors 21 ist zur Aussteuerung einer Ausgangsschaltung zF2 rorgesehen und der andere Kollektor C4 des Doppelkollektor-Transistors 23 zur Aussteuerung einer Ausgangsschaltung 252.
  • Der Eingang E1 ist auEerdem über einen Widerstand 241 und der Eingang E2 über eiern Widerstand 252 mit einem ein konstantes Potential führenden Schaltungspunkt 30 verbunden. Zwischen diesem Punkt und der negativen Klernine der Betriebsspannung sind im Ausführungsbeispiel zwei Dioden 32 in Durchlaßrichtung geschaltet, die von einer an der positiven Betriebsspannungsklemme angeschlossenen Konstantstromschaltung 31 mit konstantem Strom durQhflossen werden, so daß mit zwei Dioden der Punkt 30 im Potential um etwa 1,2 V höher liegt als die negative Klemme der Betr;iebsspannung.
  • Ist der Transistor 11 der ersten Differenzverstärkerstufe durch eine Spannung am Eingang E1 leitend gesteuert und der andere Transistor 12 durch eine niedrigere Spannung als die die am Eingang EI anliegt,gesperrt, so steuert die Kollektorspannung des Transistors 11 den Transistor 16 und somit die Transistoren 14 und 15 der Stromspiegelschaltung soweit aus, daß der gesamte Kollektorstrom des Transistors 11 über den Transistor 14 fließt und Transistor 15 niederohmig ist. Die Kollektorspannung des Transistors 12 ist folglich höher als die des Transistors 11. Dadurch ist der als Diode geschaltete Transistor 10 gesperrt, der Transistor 21 leitend geschaltet und der Transistor 22 wiederum gesperrt. Die Kollektoren des Transistors 21 führen SOD.t Strom. Dabei bewirkt der Kollektorstrom des einen Kollektors C1 eine Unterstützung des bereits leitend geschalteten Transistors 11, in den der Kollektorstrom am Widerstand 241 die Steuerspannung für den Transistor 11 erhöht.
  • Der Kollektorstrom des anderen Kollektors C2 des Transistors 21 steuert die Ausgangsschaltung 242.
  • Wird der Transistor 11 der ersten Differenzverstärkerstufe durch eine niedrige Spannung am Eingang E1 jedoch gesperrt und der Transistor 12 durch eine höhere Spannung am Ein gang E2 leitend gesteuert, so wird der als Diode geschalteter Transistor 17 leitend und der Kollektorstrom des Transistors 12 teilt sich auf die beiden Transistoren 14 und 15 auf. Die um die Diodenspannung des Transistors iv höhere Kollektorspannung des Transistors 11 gegenüber der Kollektorspannung des Transistors 12 sperrt nun dei. Transistor 21 und steuert den Transistor 22 leitend. Dessen einer Kollektor C3 unterstützt die Aus steuerung des Transistors 12 und sein anderer Kollektor C4 steuert d:e Ausgangsschaltung 252.
  • Durch die Anschlüsse der Kollektoren Cl und C3 an die Eingänge El und E2 liegt also in beiden Schaltzuständen des Schwellwertschalters eine positive Rückkopplung vor, welche eine Hysterese bewirkt, die abhängig ist von der Größe der Kollektorströme durch die Kollektoren C1 bzw. C. Diese Ströme lassen sich in integrierter Technik durch die Aufteilung der Kollektorflächen der Kollektoren C1 u:i C2 bzw. C3 und C4 in gewünschter Weise einstellen.
  • Für die Hysterese gilt folgenee Betrachtur.g: Leitet z. 3.
  • der Transistor 22 des zweiten Differenzverstärkerstufe, so fließt über den Kollektor C3 ein Kollektorstrom IC3 durch den Widerstand 251, so daß die Basisspannung des Transistors 12 gegenüber dem Schaltungspunkt 30 um den Spannungsbetrag IC3 R251 angehoben ist. Erst wenn die Basisspannung des Transistors II am Eingang El höher wird als dieser Spannungsbetrag, kippt die Schwellwertschaltung in ihren anderen stabilen Zustand, so daß dann der Transistor 21 der zweiten Differenzverstärkerstufe leitend wird.
  • Ist der Transistor 21 leitend gesteuert, so liegt bei offener Klemme E2 die Basis des Transistors 12 über dem Widerstand 251 auf dem Potential des Scbaltungspunktes 30 und erst wenn das Potential am Eingang E12 und damit an der Klemme E1 niedriger als das des Punktes 30 wird, kippt die Stufe wieder zurück.
  • Ist der Transistor 21 leitend und die Steuerspannung ist am Eingang E11 über einen Widerstand R17, der beisaielsweise der Innenwiderstand der den Schwellwertschalter ansteuernden Steuerquelle sein kann, angeschlossen, 90 teilt sich der Kollektorstrom IC1 des Transistors 21 auf in die Widerstände R241 -und R17 und der Rückkippunkt liegt um den Spannungsbetrag IC1 R17 unter dem Potential des Schaltungspunktes 30 (beim Rückkippunkt ist die Basisspannung des Transistors 11 etwa gleich der Spannung des Punktes 30, so daß der Strom durch den Widerstand 241 vernachlässigbar ist).
  • In gleicher Weise kann der Schwellwertschalter über den Eingang E2 oder von beiden Eingängen EI und E2 her angesteuert werden und zwar sowohl mit. als auch ohne Innen- widerstand der ansteuernden Steuerquelle, wobei der lanenwiderstand der Steuerquelle die Größe der Hysterese mitbestimmt.
  • Als Ausgangsschaltungen 242 und 252 des Schwellwertsc;lalters kann in einfacher Weise, wie FIG. 2 zeigt, ein I22, Gatter angeschlossen werden. Gemäß FIG. 2 besteht ts beispielsweise aus einem Doppelkollektor-Transistor 243, dessen einer Kollektor mit seiner Basis verbunden ist.
  • Zwischen Basis und Emitter des Transistors 243 ist zur sicheren Sperrung des Transistors für den Fall, daß vom Schwellwertschalter über die Anschlüsse a-b kein Strom IC2 eingespeist wird, ein Widerstand 244 geschaltet. Der Ausgang A1 der Ausgangs schaltung ist somit hochohmig, wenn zwischen den Anschlüssen a und b kein Strom fließt, andernfalls ist er niederohmig und liegt etwa auf dem Potential des Anschlusses b und damit gemäß FIG. 3 at.f dem Potential der negativen Betriebsspannung.
  • Soll an den Schwellwertschalter eine bipolare Scha tung angeschlossen werden, so ist eine Ausgangsschaltun gemäß FIG. 3 vorteilhaft. Sie besteht im wesentlichen aus einem bipolaren Transistor 245 mit einem zwischen Basis Lnd Emitter geschaltetem Widerstand 246, dessen Basis über den Anschluß a an einem der beiden anderen Kollektoren C2 bzw. C4 des Schwellwertschalters (FIG. 1) angeschlossen ist. Der Transistor 245 ist nur dann leitend, wenn über den Anschluß a ein Strom fließt.
  • Welche der in FIG. 2 und 3 gezeigten Ausgangsschaltungen verwendet wird, hängt vom jeweiligen Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Schwellwertschalters ab.
  • Alle Stufen des erfindungsgemäßen Schwellwertschalters werden von Konstantstromschaltungen 13, 23 und 31 gespeist.
  • Folglich ist in gewünschter Weise die Stromaufnahme völlig unabhängig vou jeweiligen Schaltzustand des Schwellwertschalters. Konstantstromschaltungen sind Schaltungen, die bei kleinem Spannungsabfall einen extrem hohen Innenwider stand aufweisen, sie können z. B. durch die Kollektor-Emitter-Strecse eines Transistors realisiert werden.

Claims (3)

  1. Patentansprüche 1. Monolithisch integrierter Schwellwertschalter insbesondere zur Steuerung einer I²L-Schaltung , dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang einer ersten Di Differenzverstärkerstufe mit Transistoren (11, 12) des einen Leitfähigkeitstyps (NPN) eine zweite Differenzverstärkerstrufe mit Transistoren (21, 22) des Komplementären Leitfähigkeitstyps (PNP) angeschlossen ist und daß die Transistoren (21, 22) der zweiten Differenzverstärkerstufe als Doppelkoolektor-Transistoren ausgebidet sind, von denen jeweils der eine Kollektor (C3; C3) mit ne ingang (E1;E2) der ersten Differenzverstärkerstufe verbunden ist und jeweils der andere Kollektor (C2; C4) zur Aussteuerung einer Ausgangschaltung (242; 253) vorgesehen ist.
  2. 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs schaltung (242; 252) ein in I²L-Technik realisierter Doppelkollektor-Transistor (243) ist, dessen einer Kollektor mit seiner Vasis verbunden ist und dessen Basis an einem der beiden anderen Kollektoren (C2, o) des zweiten Differenzverstärkers angeschlossen ist.
  3. 3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung (242, 252) ein bipclarer Transistor (245) ist mit einem zwischen Basis und Emitter geschalteten Widerstand (246), dessen Basis an einem der beiden anderen Kollektoren (C2, C4) der zweiten Differenzverst&rkerstufe angeschlossen ist.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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GB1246815A (en) * 1967-12-29 1971-09-22 Int Standard Electric Corp Marginal switching arrangement
US4061932A (en) * 1976-02-17 1977-12-06 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Window comparator
DE2748967B1 (de) * 1977-11-02 1979-01-25 Philips Patentverwaltung Schaltungsanordnung fuer einen monolithisch integrierten Schwellwertschalter

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