DE2329643C3

DE2329643C3 - Schaltung zur Signalpegelumsetzung

Info

Publication number: DE2329643C3
Application number: DE2329643A
Authority: DE
Inventors: Jehoshua Naphtali Suffern N.Y. Pomeranz
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-09
Publication date: 1981-10-22
Also published as: GB1438797A; CA1014623A; DE2329643A1; FR2191341A1; US3778640A; FR2191341B1; JPS4952959A; JPS5738056B2; IT989193B; DE2329643B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Signalpegelumsetzung durch Bezugspegelverschiebung unter Beibehaltung der Signalamplitude.

Derartige Schaltungen werden beispielsweise in digitalen Computern als Koppelglied zwischen zwei unterschiedlichen Arten von logischen Schaltern verwendet, die aufgrund ihres Aufbaus Signale verarbeiten, die auf unterschiedliche Bezugspegel bezogen sind. Andere Anwendungsbeispiele liegen beispielsweise bei der Steuerung von Betriebsspannungs-Schalttransistoren in bipolaren Datenspeichern. Eine Anwendung kommt immer dann in Frage, wenn auf einen Bezugspegel bezogene Signale in entsprechende, auf einen anderen Bezugspegel bezogene Signale umzuwandeln sind.

Es sind bereits Schaltungen zur Signalpegelumsetzung bekannt, die im wesentlichen aus der Serienschaltung von Dioden bestehen. Derartige Anordnungen sind

ίο aber äußerst unvorteilhaft, da der Bezugspegel des resultierenden Ausgangssignals nicht exakt vorherbestimmbar und konstant ist, sondern von Schaltung zu Schaltung unterschiedlich sein kann. Auch die zeitliche Konstanz derartiger Schaltungen ist aufgrund von Schwankungen der Basis-Emitterspannungen der Dioden, von Temperatureinflüssen und aufgrund von Toleranzen in der Stromversorgung in vielen Fällen nicht ausreichend.
Aus der US-PS 35 01 647 ist eine als emittergekoppelter Stromübernahmeschalte- ausgeführte logische Schaltung bekannt, die ebenfalls eine Signalpegelumschaltung gestattet Dabei ist eine Bezugspegelregeleinrichtung vorgesehen, die den jeweiligen Bezugspegel in Abhängigkeit vom zugeführten Signalpegel festlegt.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Schaltung zu Signalpegelumsetzung durch Bezugspegelverschiebung unter Beibehaltung der Signalamplitude anzugeben, wobei es diese Schaltung gestattet, eine vorgegebene Pegelverschiebung exakt zu erreichen, und die eine von Schwankungen von Diodenspannungen, Temperaturänderungen und Betriebsspannungstoleranzen unabhängige Konstanz aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Signalpegelumsetzung in Verbindung mit einem Betriebsspannungs-

■10 Schalttransistor, der von der erfindungsgemäßen Schaltung gesteuert wird.

Zunächst sei der Schaltungsaufbau beschrieben. Einem Eingang Vin wird das Signal mit einem ersten, oberen Bezugspegel zugeführt, der durch die Schaltung unter Beibehaltung der Signalamplitude zu einem zweiten, unteren Bezugspegel verschoben wird. Der Eingang Vw ist mit der Basis B1 eines ersten Transistors Ti verbunden, dessen Kollektor Cl an einer positiven Betriebsspannung + V liegt. Der Emitter £"1 des die Eingangsstufe bildenden Transistors Ti ist mit dem oberen Anschluß einer aus einem Widerstand R1 bestehenden ersten Impedanz verbunden, deren unterer Anschluß an den Kollektor C2 eines eine Konstantstromquelle bildenden Transistors T2 angeschlossen ist.

Der Emitter E2 des Transistors T2 liegt an einer negativen Betriebsspannung - V.

An einen Anschluß VW-wird eine Referenzspannung angelegt. Dieser Anschluß ist mit der Basis B 3 eines Transistors TZ verbunden. Der Kollektor C3 dieses Transistors steht über eine I .eitung L 1 mit der positiven Betriebsspannung f V in Verbindung. Der Emitter dieses Transistors ist mit dem oberen Anschluß einer auf einem Widerstand R2 bestehenden zweiten Impedanz verbunden. Die beiden Widerstände R 1 und R 2 weisen gleich große Widerstandswerte auf.

Der untere Anschluß des Widerstandes R 2 liegt am Kollektor eines als Diode geschalteten Transistors T4. Der Kollektor C4 dieses Transistors ist über eine

Leitung L 2 mit der Basis BA kurzgeschlossen. Der Emitter EA des Transistors TA ist über eine Leitung L 3 mit der negativen Betriebsspannung — V verbunden. Die Basis BA dieses Transistors ist über eino Leitung L A an die Basis 52 des Transistors 7"2 geführt Bei einer Verwirklichung dieser Schaltung in monolithisch integrierter Struktur werden die Basis 52 des Transistors T2 und die Basis BA des Transistors TA einerseits und der Emitter El des Transistors T2 und der Emitter EA des Transistors TA andererseits jeweils durch eine gemeinsame Halbleiterzone dargestellt

Der Ausgang 01 der erfindungsgemäßen Schaltung steht über eine Leitung L 5 mit dem Kollektor C2 des Transistors T2 und dem unteren Anschluß des Widerstandes Ri in Verbindung. Außerdem ist der Ausgang OX über eine Leitung L 6 mit der Basis 55 eines den Betriebsspannungs-Schalttransistor bildenden Transistors TS verbunden. Dieser Transistor ist als Beispiel für einen Anwendungsfal! in die e-findungsgemäße Schaltung eingefügt Der Kollektor CS des Transistors TS ist über einen Lastwiderstand R 3 und eine Leitung L 7 mit der positiven Betriebsspannung + Vverbunden. Der Emitter £5 dieses Transistors steht über eine Leitung L 8 mit der negativen Betriebsspannung — V in Verbindung. Der Ausgang O 2 des Betriebsspannungs-Schalttransistors ist über eine Leitung L 9 mit dem Kollektor CS verbunden.

Es ergibt sich folgende Wirkungsweise: Zum Zwecke der Beschreibung sei angenommen, die positive Betriebsspannung + V sei Massepotential, die negative Betriebsspannung — V betrage —4 Volt und die Referenzspannung an Anschluß Vref werde auf einem Wert von -1,25 Volt gehalten. Die Größe der Widerstände R 1 und R 2 betrage jeweils 1,25 kOhm. Es zeigt sich, daß der Strom durch die Transistoren T3 und TA durch den Widerstand R 2 bestimmt wird. Die Spannung am oberen Anschluß des Widerstandes R 2 ist gleich der, um den Spannungsabfall am Basis-Emitterübergang des Transistors T3 verminderten Referenzspannung an Anschluß Vref und beträgt also etwa -2,0 Volt. Die Spannung am unteren Anschluß des Widerstandes R 2 ist gleich der um den Spannungsabfall an der Basis-Emitterstrecke des Transistors TA erhöhten negativen Betriebsspannung — V und beträgt also etwa -3,25 Volt. Der Spannungsabfall am Widerstand R 2 beträgt also 1,25 Volt. Damit ist der Strom durch den Widerstand R2 und ebenfalls durch die Transistoren Γ3 und TA festgelegt und beträgt bei einem Spannungsabfall von 1.25 Volt und einem Widerstandswert von 1,25 kOhm, also 1,OmA. Da die Transistoren T2 und TA eine gemeinsame Basis und einen gemeinsamen Emitter aufweisen, sind die Ströme durch Transistor Γ2 und 7"4 gleich groß. Nimmt man zunächst an, die Spannung am Eingang V/n sei gleich der Referenzspannung an Anschluß V«£-_fi dann ist die Spannung am Emitter £1 des Transistors 7*1 gleich der Spannung am Emitter E3 des Transistors Γ3. Da auch die Widerstände R 1 und R 2 und die Ströme durch diese Widerstände gleich groß sind, erhält man am Kollektor C2 des Transistors T2 eine Spannung, die gleich der Spannung am Kollektor CA und der Basis 54 des Transistors TA ist.

Nunmehr sei angenommen, am Eingang Vin werde ein Signalpegel mit einer vorgegebenen Signalamplitude und einem ersten, vorgegebenen Bezugspegcl angelegt, der auch als Referenzspannung am Anschluß Vref liegen kann. Beschreibt der Signalpegel zunächst einen positiven Amplitudenausschlag der vorgegebenen Größe, so wird auch die Spannung am Emitter El des Transistors 7*1 um diese Amplitude angehoben, da der Transistor Ti als Emitterfolger arbeitet Die Ströme durch die Transistoren T2 und TA bleiben jedoch gleich groß, da diese Transistoren eine gemeinsame Basis und einen gemeinsamen Emitter aufweisen. Vernachlässigt man den geringen Ladungseffekt im Transistor TS, se bleibt der Strom durch den Widerstand R1 und der Spannungsabfall an diesem Widerstand in gleicher Größe erhalten, während die Spannung am unteren Anschluß des Widerstandes R1 entsprechend der Signalamplitude am Eingang Vw angehoben wird. Am Ausgang 01 der erfindungsgemäßen Schaltung erhält man also ein Ausgangssignal, dessen Amplitude der Amplitude des Eingangssignals am Eingang Vw entspricht, dessen Bezugspegel aber um 2,0 Volt gegenüber dem Bezugspegel des Eingangssignals nach unten verschoben ist

Eine positive Amplitude des Eingangssignals vom Bezugspegel von -1,25 Volt nach -0,75 Volt bewirkt also eine negative Amplitude des Ausgangssignak vom zweiten Bezugsoegel von —3,25 Volt nach -2,75 Volt. Entsprechendes gilt für eine negative Amplitude des Eingangssignals, die ausgehend vom Bezugspegel von —1,25 Volt die Spannung von —1,75 Volt erreicht und am Ausgang eine Spannung von - 3,75 Volt hervorruft

Man erhalt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel, wenn Eingang V/n und Anschluß Vref für die Referenzspannung vertauscht werden. Das heißt, das Eingangssignal wird der Basis S3 des Transistors T3 und die Referenzspannung wird der Basis 51 des Transistors 71 zugeführt. Am Ausgang Oi erhält man ein dem Eingangssignal entsprechendes Ausgangssignal, dessen Phase jedoch umgekehrt ist.

Als Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung sei die in der Zeichnung ebenfalls berücksichtigte Steuerung eines Betriebsspannungs-Schalttransistors erwähnt. Die die Transistoren 7*1. T2, T3 und TA enthaltende erfindungsgemäße Schaltung zur Signalpegelumsetzung steuert einen Transistor TS, der als Betriebsspannungsschalter dient. Dieser Transistor benötigt ein Eingangssignal, dessen Spannungspegel in der Nähe der negativen Betriebsspannung - Vliegt, an die der Emitter ES des Transistors angeschlossen ist. Die Basis 55 des Transistors TS ist über eine Leitung L 6 mit dem Ausgang OX der erfindungsgemäßen Schaltung verbunden. Der Kollektor CS des Transistors liegt am unteren Anschluß eines Lasttransistors R 3. dessen oberer Anschluß über eine Leitung Ll mit der positiven Betriebsspannung + V verbunden im. Der Ausgang O 2 steht über eine Leitung L 9 mit dem Kollektor O S des Transistors TS in Verbindung.

Die erfindungsgemäße Schaltung zur Signalpegelumsetzung verschiebt im betrachteten Ausführungsbeispiel den Eingangsbezugspegel von -1,25 Volt /u einem Ausgangsbezugspegel von -3,25 Volt. Der umbesetzte Signalpegel wird über den Ausgang O 1 der Basis ß 5 des Transistors TS zugeführt. Liegt das Signal an der Basis 55 hoch, d.h. bei -2,57 Volt, so geht der Transistor 7~5 in Sättigung, und die Spannung am Ausgang O 2 fällt etwa auf die negative Betriebsspannung - V ab. Erscheint am Ausgang 01 eine negative Signalamplitude von —3,75 Volt, so wird der Transistor TS gesperrt und am Ausgang O 2 erscheint etwa die positive Betriebsspannung + V. Die Ausgangsspannung des Betriebsspannungs-Schalttransistors TS kann also zwischen der positiven und der negativen Betriebsspannung umgeschaltet werden.

Hierzu 1 Blait Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Signalpegelumsetzung durch Bezugspegelverschiebung unter Beibehaltung der Signalamplitude, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Signal mit einem ersten Bezugspegel empfangende Eingangsstufe einer. Transistor (Ti) enthält, dessen Basis den Eingang bildet und dessen Emitter über eine Impedanz (R 1) mit dem Ausgang einer Konstantstromquelle verbunden ist, und daß der Ausgang der Konstantstromquelle gleichzeitig den Ausgang für das Signal mit dem zweiten, verschobenen Bezugspegel bildet

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (R 1) aus einem ohmschen Widerstand besteht

3. Schaltung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle einen Transistor (T2) enthält, dessen Kollektor den Ausgang bildet und dessen Basis eine definierte Spannung zugeführt wird.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der Konstantstromquelle über eine an die Basis des sie bildenden Transistors (T2) angeschlossene Referenzspannungsquelle gesteuert ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle einen Transistor (T3) enthält, an dessen Basis eine dem ersten Bezugspegel entsprechende Referenzspannung angelegt ist, und dessen Emitter über ein Impedanznetzwerk an die Basis des die Konstantstromquelle bildenden Transistors (T4) angeschlossen ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanznetzwerk aus zwei in Reihe geschalteten Impedanzen besteht, an deren gemeinsamen Verbindungspunkt die Basis des die Konstantstromquelle bildenden Transistors (T2) angeschlossen ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Impedanz ein Widerstand (R 2) und die andere eine Diode ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R 1) der Eingangsstufe und der Widerstand (R 2) der Referenzspannungsquelle gleich groß sind.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode aus einem Transistor (T4) besteht, dessen Kollektor-Basisstrecke kurzgeschlossen ist und dessen Basis-Emitterstrecke mit der Basis-Emitterstrecke des die Konstantstromquelle bildenden Transistors (T2) parallel geschaltet ist.