DE1257840B - Bistabile Schaltung mit zwei gegenseitig rueckgekoppelten Verstaekern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES Af^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

T 27942 VIII a/21 al
5. Februar 1965
4. Januar 1968

Die Erfindung betrifft bistabile Schaltungen mit zwei gegenseitig rückgekoppelten Verstärkern, wie sie als bistabile Multivibratoren oder sogenannte Flip-Flops in der Technik in hinreichendem Maß bekannt sind.

Eine vielfach übliche Ausführungsform einer solchen Schaltung ist in F i g. 1 dargestellt, worin die Verstärker die beiden npn-Transistoren 1 und 2 sind. Als Koppelwiderstände dienen die Widerstände 3 und 4, denen gegebenenfalls Beschleunigungskondensatoren 5 und 6 parallel geschaltet sein können. Mit 7 und 8 sind die Kollektorwiderstände der Schaltung bezeichnet, denen gegebenenfalls die Lastwiderstände 9 und 10 parallel geschaltet sind. Die Widerstände 7 und 8 liegen an den Versorgungs-Spannungen +E, die Lastwiderstände 9 und 10 können an einem positiven oder einem negativen Potential liegen. Mit 11 und 12 sind die die Basisvorspannung erzeugenden Widerstände bezeichnet, welche an einer zweiten Versorgungsspannung — E liegen. Die Emitter der Transistoren liegen an Masse. Über die Klemmen 13 und 14 erfolgt die Ansteuerung der Schaltung.

Die Wirkungsweise einer solchen Schaltung ist allgemein bekannt. Ist der Transistor 1 gesperrt, so ist der Transistor 2 voll durchgesteuert. Wird an die Klemme 13 ein positiver Impuls gegeben, so wird der Transistor 1 leitend gesteuert, das Potential an seinem Kollektor sinkt ab und erniedrigt das Potential an der Basis des Transistors 2 zunehmend; der letztere wird gesperrt. Das Potential am Kollektor dieses Transistors steigt an und hebt das Basispotential des Transistors 1 noch weiter an, so daß der letztere auch nach Verschwinden des Ansteuerimpulses voll leitend gesteuert bleibt.

Bei der Dimensionierung einer solchen Schaltung ergeben sich insofern Schwierigkeiten, als für die Widerstände 3 bzw. 4 und 11 bzw. 12 einander widersprechende Forderungen bezüglich ihrer Größe gestellt werden — je nachdem, ob der ihnen zügeordnete Transistor gerade leitend oder gesperrt ist.

Für den Fall, daß Transistor 1 gesperrt ist, sollte der Widerstand 3 im Interesse eines möglichst hohen Eingangswiderstands der Schaltung möglichst groß sein. Der Widerstand 11 muß so klein sein, daß sich eine negative Sperrspannung für die Basis ergibt, kann aber auch um so größer sein, je größer der Widerstand 3 ist. Für den Widerstand 4 hingegen besteht die Forderung, zusammen mit den Widerständen 7 und 9 einen so kleinen Wert aufzuweisen, daß sich ein ausreichender Basisstrom für den leitenden Transistor 2 ausbilden kann. Der Widerstand 12 Bistabile Schaltung mit zwei gegenseitig
rückgekoppelten Verstärkern

Anmelder:

Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
7900 Ulm, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:

Erich Neidhart, 7750 Konstanz;

Dr.-Ing. Hans-Joachim Held, 6115 Münster

soll dagegen groß sein, um ein Abfließen eines Teiles des Basisstromes zu verhindern. Für den Basisstrom des leitenden Transistors besteht die Beziehung

Jb = ■■-= Tr ·

₁₂

(.R₄ = Widerstand 4)
(R₁₂ = Widerstand 12)

Für die Basissperrspannung des gesperrten Transistors gilt die Beziehung

Die Widerstände 3 und 4 bzw. 11 und 12 sind bei einer symmetrischen Schaltung jeweils gleichdimensioniert. Aus den genannten beiden Beziehungen ergibt sich: je größer R₁₁ bzw. R₁₂ gegenüber R₃ bzw. jR₄, desto günstiger werden die Verhältnisse für den leitenden und desto ungünstiger werden die Verhältnisse für den gesperrten Transistor. Das führt in der Praxis dazu, daß R₁₁ bzw. R₁₂ nicht viel größer gemacht wird als i?₃ bzw. i?₄. Aus der ersten der beiden obigen Beziehungen ergibt sich, daß der Basisstrom aus der Differenz zweier relativ gleich großer Werte entsteht und somit stark von den Toleranzen dieser Widerstände 3, 11 bzw. 4, 12 abhängt. Das führt in der Praxis dazu, daß der Basisstrom 3- bis 5mal größer gewählt werden muß, als eigentlich notwendig wäre, und daß infolgedessen die notwendige Ansteuerleitung in entsprechendem Maße wächst, um diesen Basisstrom kompensieren zu können. Außerdem ist leicht zu übersehen, daß der Basisstrom und somit die Ansteuerleitung von den Widerständen 7 und 9 bzw. 8 und 10 abhängt, die Last am Ausgang also eine Rückwirkung auf die Größe der Ansteuerleistung hat.

709 717/552

I 257 840

Diese Schwierigkeiten sollen bei der Erfindung weitgehend vermieden werden bei Verringerung der Ansteuerleistung.

Bei astabilen, also frei schwingenden Multivibratoren, bei denen der Ablauf der Rückkopplungsvorgänge durch in den Rückkopplungswegen liegende Kondensatoren bestimmt wird, ist es bekannt, jedem Kondensator eine Zenerdiode parallel zu schalten, die die Aufladezeit des Kondensators begrenzen soll. Auch bei bistabilen Transistorschaltungen ist es bekannt, in die Rückkopplungspfade Zenerdioden so einzusetzen, daß sie im Kennlinienbereich der Sperrrichtung betrieben werden. Jedoch sollen bei diesen bekannten bistabilen Schaltungen die Zenerdioden in deren beiden Kipplagen Strom führen, d. h. niederohmig im Kennlinienbereich konstanter Spannung arbeiten, da ihr Zweck die Herbeiführung einer konstanten Spannungsniveauverschiebung ist.

Es ist bei bistabilen Schaltungen mit Transistoren ferner bekannt, daß in jedem Rückkopplungspfad die Vorspannungseinrichtung, welche an den einen Transistor eine Sperrvorspannung liefert, wenn der andere Transistor gerade leitet, eine Halbleiter-Schwellwertdiode enthält, die in Durchlaßrichtung wenig oder gar keinen Strom durchläßt, bevor nicht ein Potential bestimmter Amplitude über sie angelegt wird.

Es wird also eine Diodenkennlinie im Vorwärtsbereich benutzt, gemäß der die Diode im Bereich einer Anlaufspannung keinen Strom durchläßt. Eine in diesem Bereich liegende Kollektorspannung des jeweils durchgeschalteten Transistors ergibt also diese Hochohmigkeit, während die Diode, welche zwischen dem Kollektor des gesperrten und der Basis des leitenden Transistors liegt, durchlässig ist. Jedoch hat diese bekannte Lösung den Nachteil, daß der die Hochohmigkeit herbeiführende Kennlinienbereich (Anlaufspannung) nur klein ist (etwa 0,5 V), so daß größere Restspannungen des leitenden Transistors die beabsichtigte Wirkung schon stören können; wegen des Fehlens einer besonderen Sperrvorspannung können auch bereits sehr kleine positive Störimpulse zu einem Kippen der Schaltung führen.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist ebenfalls eine bistabile Schaltung mit zwei in sich rückgekoppelten Verstärkern, bei welcher in die Rückkopplungspfade als Kopplungswiderstand jeweils eine Schwellwertdiode eingefügt ist, die durch ihre Kennlinie zwischen dem Ausgang des durchgeschalteten Verstärkers und der Ansteuerseite des gesperrten Verstärkers einen höheren Koppelwiderstand ergibt als zwischen dem Ausgang des gesperrten Verstärkers und der Ansteuerseite des durchgeschalteten Verstärkers. Sie ist aber im Unterschied von der vorgenannten bekannten Schaltung weitgehend unempfindlich gegen Fremdstörungen, unabhängig von Streuungen der Restspannungen verwendeter Transistoren, bei kleinen Spannungen noch hochohmiger im Stromsperrbereich, und sie kann mit Anlegung einer hohen Sperrvorspannung betrieben werden, die eine sichere Sperrung des jeweils gesperrten Verstärkers ergibt, wobei gewährleistet bleibt, daß praktisch der gesamte Kippstrom eines Ansteuerimpulses in die Basis eines aufzusteuernden Transistors gelangt.

Die bistabile Schaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise in die Rückkopplungspfade eingefügte, im Kennlinienbereich der Sperrichtung betriebene Zenerdioden für die Kippimpulse in Sperrichtung liegend, als Kopplungswiderstände den niedrigen Widerstand im Kennlinienbereich konstanter Spannung und den hohen Widerstand im anschließenden Stromsperrungs-Kennlinien-Bereich herstellen.
Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, daß jede Zenerdiode mit einem an einer eigenen Basisvorspannungsquelle liegenden relativ hohen Widerstand in an sich bekannter Weise einen Spannungsteiler bildet.

ίο Besonders vorteilhaft wird die Schaltung, wenn auch noch Unabhängigkeit der Ansteuerleistung von der Last dadurch herbeigeführt wird, daß jeweils zwischen dem Ausgang eines Verstärkers und der mit der Ansteuerseite des anderen Verstärkers verbundenen Zenerdiode eine Diode liegt und daß an die Verbindung der Diode mit der Zenerdiode in an sich bekannter Weise eine Impedanz angeschlossen ist, deren zweite Klemme mit einer Spannungsquelle derselben Polarität in Verbindung steht wie der Ausgang des betreffenden Verstärkers, wobei die Dioden so gepolt sind, daß die mit dem Ausgang des gesperrten Verstärkers in Verbindung stehende Diode in Sperrichtung und die andere Diode in Durchlaßrichtung betrieben wird.

Die F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung.

In Fig. 2 sind die gegenseitig rückgekoppelten Transistoren, wieder n-p-n-Transistoren, mit 21 und 22 bezeichnet.

Als Koppelwiderstände werden Zenerdioden 23 und 24 verwendet. Diese werden jeweils in einem solchen Bereich ihrer Kennlinie betrieben, daß die eine einen niedrigen und die andere einen hohen Koppelwiderstand darstellt. Für den Fall, daß der Transistor 21 gesperrt und der Transistor 22 leitend ist, stellt die Zenerdiode 23 einen sehr hohen Koppelwiderstand zum Transistor 21 dar. Sie wird in jenem Bereich ihrer Kennlinie betrieben, in welchem sie völlig gesperrt ist. Im Sinne der Erfindung ist es aber auch möglich, sie in einem Bereich zu betreiben, in welchem ein Strom von der Größenordnung μΑ, wie z. B. etwa 50 μΑ, fließt.

Maßgebend ist jedoch, welche Sperrspannung für den Transistor als ausreichend angesehen wird. Diese Sperrspannung wird durch den Widerstand 31 und den Widerstand der vor der Klemme 33 liegenden Eingangsschaltung gegeben und bestimmt den Arbeitsbereich der Zenerdiode 23. Da kein ins Gewicht fallender Strom über den Koppelwiderstand (Zenerdiode 23) und infolgedessen an dem Widerstand 31 kein die Schaltung ungünstig beeinflussender Spannungsabfall auftritt, kann dieser Widerstand 31 genügend groß gewählt werden. Es ergibt sich somit ein hoher Eingangswiderstand der Schaltung an der Klemme 33.

Für den leitenden Transistor 22 stellt die Zenerdiode 24, da sie in ihrem Zenerbereich betrieben wird, einen sehr geringen Koppelwiderstand dar. Der Basisstrom dieses Transistors wird in diesem Zweig also im wesentlichen nur durch den Widerstand 27 — und gegebenenfalls den Lastwiderstand 29 — bestimmt. Da der Widerstand 32 sehr groß gegenüber dem Widerstand 27 ist, wird der in dem Zweig Widerstand 27, Zenerdiode 24, von +E nach — E fließende Strom voll der Basis des Transistors 22 zugeführt und geht nicht, wie bisher, an dem Widerstand 32 teilweise verloren. Der aufzubringende Strom kann somit viel kleiner gehalten werden als bei den be-

kannten Schaltungen, und es ist infolgedessen auch ein viel geringerer Strom, d. h. eine geringe Ansteuerleistung erforderlich, um den Transistor 22 zu sperren und das Flip-Flop umzukippen. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Schaltung auf Grund der jetzt groß wählbaren Widerstände 31 und 32 von Schwankungen der Spannungen +E, —E unabhängig wird, die ganze Schaltung also unkritisch wird.

Da die beschriebene erfindungsgemäße Einrichtung noch immer lastabhängig ist, d. h., daß die Größe der Ansteuerleistung durch die Größe der Parallelschaltung der Widerstände 27 bzw. 28 mit den Lastwiderständen 29 bzw. 30 beeinflußt wird, wird eine zusätzliche Verbesserung vorgesehen (Fig. 3), durch welche die Schaltung lastunabhängig wird und die Ansteuerleistung gegebenenfalls noch weiter verringert werden kann. In der Schaltung nach F i g. 3 sind zusätzlich zu den Elementen der Schaltung nach F i g. 2 noch je eine Diode 55 bzw. 56 in jeden Rückkopplungszweig sowie je ein Widerstand 57 bzw. 58 so eingefügt, welcher zwischen dem Verbindungspunkt von Diode 56 bzw. 55 und Zenerdiode 43 bzw. 44 und dem positiven Potential -\-E liegt. Durch diese zusätzlichen Elemente wird erreicht, daß der Basisstrom für den leitenden Transistor 42 nicht mehr durch die Widerstände 47 und 49 — entsprechend den Widerständen 27 und 29 bei der Schaltung nach F i g. 2 — bestimmt wird, sondern allein durch den Widerstand 58, da nämlich die Diode 55 in Sperrrichtung betrieben wird und den Widerstand 47 und die Last 49 von der Stromversorgung für die Basis des leitenden Transistors abtrennt. Für den gesperrten Transistor ist die leitende Diode 56 praktisch ohne Bedeutung.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Bistabile Schaltung mit zwei gegenseitig rückgekoppelten Verstärkern, bei welcher in die Rückkopplungspfade als Kopplungswiderstand jeweils eine Schwellwertdiode eingefügt ist, die durch ihre Kennlinie zwischen dem Ausgang des durchgeschalteten Verstärkers und der Ansteuerseite des gesperrten Verstärkers einen höheren Koppelwiderstand ergibt als zwischen dem Ausgang des gesperrten Verstärkers und der Ansteuerseite des durchgeschalteten Verstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise in die Rückkopplungspfade eingefügte, im Kennlinienbereich der Sperrichtung betriebene Zenerdioden (23, 24 bzw. 43, 44), für die Kippimpulse in Sperrichtung liegend, als Kopplungswiderstände den niedrigen Widerstand im Kennlinienbereich konstanter Spannung und den hohen Widerstand im anschließenden Stromsperrungs-Kennlinien-Bereich herstellen.

2. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zenerdiode mit einem an einer eigenen Basisvorspannungsquelle (-E) liegenden relativ hohen Widerstand (31 bzw. 32 oder 51 bzw. 52) in an sich bekannter Weise einen Spannungsteiler bildet.

3. Bistabile Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen dem Ausgang eines Verstärkers und der mit der Ansteuerseite des anderen Verstärkers verbundenen Zenerdiode eine Diode (56 bzw. 55) liegt und daß an die Verbindung der Diode mit der Zenerdiode in an sich bekannter Weise eine Impedanz (57 bzw. 58) angeschlossen ist, deren zweite Klemme mit einer Spannungsquelle (+E) derselben Polarität in Verbindung steht wie der Ausgang des betreffenden Verstärkers, wobei die Dioden (55, 56) so gepolt sind, daß die mit dem Ausgang des gesperrten Verstärkers in Verbindung stehende Diode in Sperrichtung und die andere Diode in Durchlaßrichtung betrieben wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1132 590,
1152143;
USA.-P'atentschrift Nr. 3 067 336.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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