DE1084755B

DE1084755B - Temperature-independent, astable transistor multivibrator

Info

Publication number: DE1084755B
Application number: DEV16701A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Egon Brueckner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-06-12
Filing date: 1959-06-12
Publication date: 1960-07-07

Description

DEUTSCHESGERMAN

Astabile Multivibratoren mit Transistoren zur Erzeugung von Rechteckspannungen zeichnen sich durch einen relativ einfachen Aufbau aus und werden in der Elektronik vielfach — z. B. als Zeitmarkengeber, Generatoren für einfache elektronische Musikinstrumente und ähnliche Zwecke — angewendet. Eine Ausführung eines astabilen, mit zwei über Kondensatoren von der Basis des einen zum Kollektor des anderen und umgekehrt kreuzweise gekoppelten Flächentransistoren ist in Fig. 1 dargestellt. Die Transistoren 7 und 8 sind abwechselnd geöffnet. Der Kollektorstrom fließt über die Widerstände 2 bzw. 3 durch den jeweils geöffneten Transistor aus der Speisebatterie 9. Die Basiswiderstände 1 und 4 bestimmen zusammen mit den Koppelkondensatoren 5 und 6 die Frequenz der entstehenden Schwingung. Im folgenden sei der symmetrische astabile Multivibrator betrachtet, bei dem die Widerstände 1 und 4 sowie die Kondensatoren 5 und 6 unter sich gleich groß sind. Die Betrachtungen gelten jedoch in entsprechender Abwandlung genauso für den unsymmetrischen Multivibrator mit unterschiedlichen Werten der Widerstände 1 und 4 bzw. der Kondensatoren 5 und 6. Bezeichnet man die Widerstände 1 und 4 mit R, die Kondensatoren 5 und 6 mit C und setzt man, wie üblich, voraus, daß der jeweils geöffnete Transistor bis in die Sättigung durchgesteuert ist, so erregt sich eine Schwingung, die näherungsweise die Frequenz f = ¹J₂RC In 2 besitzt. Eine genauere Analyse der Schaltung setzt die Restspannungen und Restströme der Transistoren mit in Rechnung und ergibt die für Frequenzen, die unterhalb der Grenzfrequenz in Emitterschaltung liegen, sehr gut mit der Praxis übereinstimmende GleichungAstable multivibrators with transistors for generating square wave voltages are characterized by a relatively simple structure and are often used in electronics - e.g. B. as time stamp generators, generators for simple electronic musical instruments and similar purposes - used. An embodiment of an astable, with two cross-coupled junction transistors via capacitors from the base of one to the collector of the other and vice versa, is shown in FIG. The transistors 7 and 8 are opened alternately. The collector current flows through the resistors 2 and 3 through the respectively open transistor from the supply battery 9. The base resistors 1 and 4 together with the coupling capacitors 5 and 6 determine the frequency of the resulting oscillation. In the following, the symmetrical astable multivibrator is considered, in which the resistors 1 and 4 and the capacitors 5 and 6 are equally large. However, the same considerations apply in appropriate modification for the unbalanced multivibrator with different values of the resistors 1 and 4 or 5 and the capacitors 6. Denoting the resistances R 1 and 4, the capacitors 5 and 6 with C and sets it as Usually, provided that the respectively open transistor is controlled through to saturation, an oscillation is excited which has approximately the frequency f = ¹ J ₂ RC In 2. A more detailed analysis of the circuit takes into account the residual voltages and residual currents of the transistors and results in the equation that corresponds very well with practice for frequencies that are below the cut-off frequency in the emitter circuit

_{f =} V₂ RC In 2U₁-(U₂₊U^ ₊ I₀(R-R₀) _{f =} V ₂ RC In 2U ₁ - (U ₂₊ U ^ ₊ I ₀ (RR ₀ )

In dieser Gleichung ist U₁ die Speisespannung der Spannungsquelle 9, U₂ die Restspannung des geöffneten Transistors zwischen Kollektor und Emitter, U₃ die Spannung zwischen Basis und Emitter des geöffneten Transistors, U₄ diejenige Spannung zwischen Basis und Emitter des vom gesperrten in den geöffneten Zustand übergehenden Transistors, bei welcher die Schleifenverstärkung 1 erreicht wird und der Multivibrator in die jeweils andere Lage umkippt. J₀ ist der bei der Temperatur T₀ gemessene Kollektorreststrom des gesperrten Transistors zwischen Kollektor und Basis bei geöffnetem Emitter. R₀ ist der Widerstand 2 bzw· 3 im Kollektorkreis, und A ist eine Konstante, die für alle Halbleiterbauelemente nahezu den gleichen Wert besitzt. T ist die jeweilige Temperatur. Die Spannungen U₂, U₃ und U₁ ändern sich nur relativ wenig mit der Temperatur, während der Reststrom exponentiell mit der Temperatur ansteigt und z. B. bei einer Temperaturerhöhung von 6O⁰C etwa um den Faktor 100 wächst. Dies hat zur Folge, Temp eraturunabhängiger
astabiler Transistor-MultivibratorIn this equation, U _{1 is} the supply voltage of the voltage source 9, U _{2 is} the residual voltage of the open transistor between collector and emitter, U _{3 is} the voltage between the base and emitter of the open transistor, U _{4 is} the voltage between the base and emitter of the from the blocked to the open State of transient transistor in which loop gain 1 is reached and the multivibrator tips over into the other position. J ₀ is the residual collector current measured at temperature T _{0 of} the blocked transistor between collector and base when the emitter is open. R ₀ is the resistance 2 or 3 in the collector circuit, and A is a constant which has almost the same value for all semiconductor components. T is the respective temperature. The voltages U ₂ , U ₃ and U ₁ change only relatively little with temperature, while the residual current increases exponentially with temperature and z. B. increases by a factor of 100 at a temperature increase of 6O ^{0 C.} As a result, the temperature is independent of the temperature
astable transistor multivibrator

Anmelder:Applicant:

Dr. phil. habil. Oskar Vierling,
Ebermannstadt, Pretzfelder Str. 23Dr. phil. habil. Oskar Vierling,
Ebermannstadt, Pretzfelder Str. 23

Dipl.-Phys. Egon Brückner, Ebermannstadt,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Egon Brückner, Ebermannstadt,
has been named as the inventor

daß die Frequenzstabilität des astabilen Multivibrators in Abhängigkeit von der Temperatur nicht so gut ist, wie es für viele Anwendungen erforderlich wäre.that the frequency stability of the astable multivibrator as a function of temperature is not as good as it is would be required for many applications.

Es sind Transistorschaltungen von Verstärkern und ähnlichen Anordnungen bekannt, bei welchen der Temperaturgang der Transistoren durch zweckmäßig in die Schaltung eingefügte Halbleiterelemente — z. B. Flächendioden oder -transistoren — kompensiert wird. Hierbei handelt es sich um eine Kompensation des Temperaturganges der Spannung an der Emitter-Basis-Strecke der benutzten Transistoren. Derartige Kompensationen sind zur Stabilisierung des Arbeitspunktes von Transistoren in Verstärkern, Mischstufen und Sinusoszillatoren, die dauernd im aktiven Kennliniengebiet betrieben werden, wichtig und bei Spannungssteuerung der Basiselektrode (z. B. Transformatorkopplung) leicht zu verwirklichen. Beim astabilen Multivibrator erfolgt aber die Steuerung strommäßig, und außerdem wird die Schaltung im temperaturgefährdeten Bereich nicht im aktiven, sondern im gesperrten Zustand des betreffenden Transistors betrieben, wo eine Kompensation der Basis-Emitter-Spannung sinnlos ist.There are known transistor circuits of amplifiers and similar arrangements in which the temperature response the transistors by appropriately inserted into the circuit semiconductor elements - z. B. flat diodes or transistors - is compensated. This is a compensation of the temperature variation the voltage at the emitter-base path of the transistors used. Such compensations are to stabilize the operating point of transistors in amplifiers, mixers and sine wave oscillators that be operated continuously in the active characteristic area, important and with voltage control of the base electrode (e.g. transformer coupling) easy to implement. With the astable multivibrator, however, the control takes place in terms of current, and in addition, the circuit in the temperature-endangered area is not in the active, but in the Blocked state of the transistor in question operated, where a compensation of the base-emitter voltage is pointless.

Es ist ferner bekanntgeworden, diejenigen Änderungen der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors, die vom Spannungsabfall des Kollektorreststrom.es am Basis-Bahnwiderstand herrühren, durch eine in entsprechender Richtung gepolte Halbleiterdiode zu vermeiden und dadurch den Arbeitspunkt zu stabilisieren. Hierbei müssen Basiswiderstand, Emitterwiderstand, Emitterstrom, Sperrspannung und Stromverstärkungsfaktor in einem ganz bestimmten Verhältnis zueinander stehen, so daß Änderungen der Betriebsspannung oder des Stromverstärkungsfaktors die Kompensation unwirksam machen können. Ferner betrifft auch diese Kompensationsmethode den Transistorbetrieb im aktiven Bereich der Kennlinien und läßt sich nicht auf den gesperrten Transistor beim astabilen Multivibrator übertragen.It has also become known, those changes in the base-emitter voltage of a transistor caused by the Voltage drop of the collector residual current at the base rail resistance, by a corresponding To avoid polarized semiconductor diode and thereby to stabilize the operating point. Here must Base resistance, emitter resistance, emitter current, reverse voltage and current amplification factor are in a very specific relationship to one another, so that changes the operating voltage or the current amplification factor can make the compensation ineffective. Also concerns This compensation method also allows transistor operation in the active area of the characteristic curves and can not transferred to the blocked transistor in the astable multivibrator.

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Nach der Erfindung wird der Einfluß des Reststromes auf die Frequenzstabilität des astabilen Multivibrators mit Transistoren durch eine einfache Erweiterung der Schaltung theoretisch vollkommen und in der Praxis weitgehend ausgeschaltet. Das Prinzip der erfmdungs- S gemäßen Schaltungserweiterung wird an Hand der Fig. 2 erläutert. An die Basis des Transistors 7 ist ein weiterer Transistor 10 mit dem Kollektor angeschlossen und die Basis dieses Transistors mit einer zusätzlichen Spannungsquelle 12 verbunden. Der Emitter des Transistors 10 ist xo nicht angeschlossen. Bei entsprechender Polung der Spannungsquelle 12 fließt nun der Kollektorreststrom des Transistors 10 in den Kondensator 5 und ersetzt dort bei jeder Temperatur die aus dem Kondensator während der Sperrphase des Transistors 7 infolge des Kollektorreststromes dieses Transistors abfließende Ladungsmenge. Um eine möglichst gute Kompensation zu erreichen, müssen die Transistoren 7 und 10 nur bei einer beliebigen Temperatur T₀ den gleichen Reststrom J₀ aufweisen. Das gleiche muß bei den Transistoren 8 und 11 der Fall sein. Da in der Praxis die Werte der Konstanten A für verschiedene Halbleiterbauelemente nicht exakt übereinstimmen, kann man keine vollkommene Kompensation erreichen, doch läßt sich der Temperaturfehler der Frequenz nach der Erfindung bei relativ leichten Aussuchbedingungen leicht um einen Faktor 10 bis 30 erniedrigen. Derartige Verbesserungen sind meistens vollkommen ausreichend, da dann bei einem günstig bemessenen astabilen Multivibrator mit Transistoren der vom Reststrom verbleibende Einfluß auf die Frequenz schon kleiner ist als der vom Temperaturgang der besten erhältlichen Bauelemente R und C herrührende Anteil.According to the invention, the influence of the residual current on the frequency stability of the astable multivibrator with transistors is theoretically completely and in practice largely eliminated by a simple expansion of the circuit. The principle of the circuit expansion according to the invention is explained with reference to FIG. A further transistor 10 is connected to the collector of the base of the transistor 7 and the base of this transistor is connected to an additional voltage source 12. The emitter of transistor 10 is not connected xo. With the correct polarity of the voltage source 12, the residual collector current of the transistor 10 now flows into the capacitor 5 and replaces the amount of charge flowing out of the capacitor during the blocking phase of the transistor 7 due to the residual collector current of this transistor at any temperature. In order to achieve the best possible compensation, the transistors 7 and 10 only have to have the same residual current J ₀ at any temperature T ₀ . The same must be the case with transistors 8 and 11. Since in practice the values of the constants A do not exactly match for different semiconductor components, it is not possible to achieve perfect compensation, but the temperature error of the frequency according to the invention can easily be reduced by a factor of 10 to 30 under relatively easy search conditions. Improvements of this kind are usually completely sufficient, since in a suitably dimensioned astable multivibrator with transistors the influence on the frequency remaining from the residual current is already smaller than the proportion resulting from the temperature response of the best available components R and C.

Die Spannungsquelle 12 für die in Sperrichtung gepolten Halbleiterstrecken läßt sich leicht durch den Spannungsabfall am wechselstrommäßig überbrückten Emitterwiderstand des astabilen Multivibrators bilden. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, wo 13 der Emitterwiderstand ist und 14 ein Kondensator, dessen Scheinwiderstand für die Multivibratorfrequenz klein gegen den Widerstand 13 ist. Damit die Transistoren 10 und 11 während des gesamten Schwingungsverlaufes in Sperrichtung gepolt sind, muß der Widerstand 13 so groß sein, daß an ihm mehr als die Hälfte der Spannung der Spannungsquelle 9 abfällt.The voltage source 12 for the reverse-biased semiconductor lines can easily be through the Form voltage drop at the alternating current bridged emitter resistance of the astable multivibrator. This is shown in Fig. 3, where 13 is the emitter resistor and 14 is a capacitor, its impedance for the multivibrator frequency is small compared to the resistor 13. So that the transistors 10 and 11 during the whole Vibration curve are polarized in the reverse direction, the resistor 13 must be so large that on him more than half of the voltage of the voltage source 9 drops.

Eine weitere Vereinfachung läßt sich dadurch erreichen, daß man die Transistoren 10 und 11 durch Dioden 15 und 16 ersetzt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Da die Sperrströme von Halbleiterdioden den gleichen Temperaturkoeffizienten wie die Restströme von Transistoren aufweisen, lassen sich damit die ähnlichen Verbesserungen auf besonders billige Weise erreichen.A further simplification can be achieved by that the transistors 10 and 11 are replaced by diodes 15 and 16, as shown in FIG. Since the Reverse currents of semiconductor diodes have the same temperature coefficient as the residual currents of transistors have, the similar improvements can thus be achieved in a particularly inexpensive manner.

Claims

Patent claims:

1. Astable multivibrator with two capacitors from the base of one to the collector of the other and vice versa cross-coupled flat transistors, characterized in that the amount of charge flowing off during the blocking phase from the respective time-determining capacitor through the residual transistor current of this capacitor via a connected to it, in Semiconductor path with reverse polarity is almost completely replaced by its reverse current.

2. Astable multivibrator according to claim 1, characterized in that the polarized in the reverse direction Semiconductor path consists of the collector-base path of a transistor.

3. Astable multivibrator according to claim 1, characterized in that the polarized in the reverse direction Semiconductor path consists of a semiconductor diode.

4. Astable multivibrator according to claims 1 and 2 or 1 and 3, characterized in that the Blocking voltages for the semiconductor paths polarized in the blocking direction from the voltage drop on alternating current bridged emitter resistance of the astable multivibrator are formed.

Considered publications:
»Archive d. electr. Transmission ”, September 1956, pp. 361 to 375, especially p. 375.

1 sheet of drawings

® 009 549/292 6.60