DE1171010B

DE1171010B - Transistorized and temperature-compensated Schmitt trigger for use as a voltage discriminator, especially for control devices in communications engineering

Info

Publication number: DE1171010B
Application number: DET22553A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Joel Korn
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1962-08-03
Filing date: 1962-08-03
Publication date: 1964-05-27

Description

Transistorisierter und temperaturkompensierter Schmitt-Trigger zur Verwendung als Spannungsdiskriminator, insbesondere für Regeleinrichtungen der Nachrichtentechnik Die Erfindung- betrifft einen transistorisierten Schmitt-Trigger, der insbesondere als Spannungsdiskriminator für Regeleinrichtungen der Nachrichtentechnik, z. B. für Pilotregler in Trägerfrequenz-Übertragungssystemen, Verwendung finden kann. Die Schaltung des bekannten Schmitt-Triggers (vgl. Valvo-Berichte, Bd. III, Heft 3, Oktober 1957, S. 130) ist in F i g. 1 dargestellt und im folgenden kurz erläutert. Die Emitter zweier pnp-Flächentransistoren Tsl und Ts2 sind über einen gemeinsamen Vorwiderstand R, und die Basen über je einen Vorwiderstand R, bzw. R3 an den Pluspol der Quelle für die Betriebsgleichspannung U1 geführt, an deren Minuspol die Kollektoren der beiden Transistoren über je einen Vorwiderstand R4 bzw. R5 angeschlossen sind. Der Kollektor des ersten Transistors Ts 1 ist über einen Widerstand R6 mit der Basis des zweiten Transistors Ts2 verbunden. Die negative Steuerspannung Ust (Gleichspannung oder Gleichspannungsimpulse) wird der Basis von Tsl über einen Vorwiderstand R7 zugeführt. Im Ruhezustand der Schaltung ist Ts 1 gesperrt und Ts 2 leitend. Überschreitet die am Eingang auftretende negative Steuerspannung Ust einen bestimmten Wert (Ansprech-Schwellwert), so wird Ts 1 leitend und Ts gesperrt; die Schaltung kippt also um, wodurch beispielsweise ein im Kollektorkreis von Ts2 liegendes Relais geschaltet werden kann. Sinkt die Steuerspannung wieder unter einen zweiten, unterhalb des ersten Schwellwertes liegenden Schwellwert (Abfall-Schwellwert) ab, so wird Tsl wieder gesperrt und Ts2 wieder leitend. Die Schaltung kippt also in ihre Ruhelage zurück. Der gemeinsame Emittervorwiderstand R1 verursacht eine Rückkopplung und damit einen sehr kurzzeitigen Umklappvorgang des Schmitt-Triggers. Natürlich kann die Schaltung auch mit npn-Transistoren aufgebaut werden.Transistorized and temperature-compensated Schmitt trigger for use as a voltage discriminator, in particular for control devices in communications engineering. B. for pilot regulators in carrier frequency transmission systems, can be used. The switching of the known Schmitt trigger (cf. Valvo reports, Vol. III, Issue 3, October 1957, p. 130) is shown in FIG. 1 and briefly explained below. The emitters of two pnp junction transistors Tsl and Ts2 are connected to the positive pole of the source for the DC operating voltage U1 via a common series resistor R, and the bases via a series resistor R or R3, and the collectors of the two transistors via one each at the negative pole Series resistor R4 or R5 are connected. The collector of the first transistor Ts 1 is connected to the base of the second transistor Ts2 via a resistor R6. The negative control voltage Ust (direct voltage or direct voltage pulses) is fed to the base of Tsl via a series resistor R7. When the circuit is idle, Ts 1 is blocked and Ts 2 is conductive. If the negative control voltage Ust occurring at the input exceeds a certain value (response threshold value), Ts 1 becomes conductive and Ts blocked; the circuit therefore tips over, which means, for example, that a relay located in the collector circuit of Ts2 can be switched. If the control voltage falls again below a second threshold value (drop threshold value) lying below the first threshold value, Tsl is blocked again and Ts2 becomes conductive again. The circuit therefore tilts back into its rest position. The common emitter series resistor R1 causes feedback and thus a very brief flip-over process of the Schmitt trigger. Of course, the circuit can also be built with npn transistors.

Bei Verwendung eines solchen Schmitt-Triggers als Spannungsdiskriminator ergeben sich nun, wenn von diesem eine hohe Konstanz in einem größeren Betriebstemperaturbereich gefordert wird, Schwierigkeiten durch die Temperaturabhängigkeit des Kollektorstromes und der zum Leitendmachen der Transistoren erforderlichen Basis-Emitter-Spannung. Durch Verwendung von Transistoren mit sehr kleinem Kollektorreststrom läßt sich erreichen, daß dessen Temperaturabhängigkeit vernachlässigbar wird und lediglich noch die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors Tsl, die etwa -2,5 V/°C beträgt, berücksichtigt werden muß. Zur Kompensation dieser linearen Temperaturabhängigkeit sind Schaltungen mit temperaturabhängigen Widerständen (NTC-Widerstände) bekannt bzw. wurden vorgeschlagen (vgl. Elektronische Rundschau, Nr. 10/1956, S. 267, Abb. 5, und die deutsche Auslegeschrift 1135 520). Wegen der starken Streuungen der NTC-Widerstände ist dabei ein schwieriger Abgleich und Temperaturversuch erforderlich, wenn die Temperaturkompensation genau sein soll. Die Widerstands-Temperatur-Kennlinie der NTC-Widerstände hat nämlich eine starke, exponentielle Krümmung, so daß eine lineare Temperaturkompensation auch mit Hilfe linearisierender Netzwerke nicht ganz zu erreichen ist.When using such a Schmitt trigger as a voltage discriminator, difficulties arise from the temperature dependence of the collector current and the base-emitter voltage required to make the transistors conductive, if a high level of constancy is required over a larger operating temperature range. By using transistors with a very small residual collector current it can be achieved that its temperature dependence is negligible and only the temperature dependency of the base-emitter voltage of the first transistor Tsl, which is approximately -2.5 V / ° C., has to be taken into account. To compensate for this linear temperature dependency, circuits with temperature-dependent resistors (NTC resistors) are known or have been proposed (see Electronic Rundschau, No. 10/1956, p. 267, Fig. 5, and German Auslegeschrift 1135 520). Because of the strong scatter of the NTC resistors, a difficult adjustment and temperature test are necessary if the temperature compensation is to be accurate. The resistance-temperature characteristic of the NTC resistors has a strong, exponential curvature, so that a linear temperature compensation cannot be fully achieved even with the aid of linearizing networks.

Damit der Einfluß der zeitlichen Schwankungen und der Exemplarstreuungen der Transistorparameter auf die Schwellwerte des Schmitt-Triggers und gleichzeitig der relative Schwellwertabstand verkleinert werden, wurde vorgeschlagen (deutsche Auslegeschrift 1135 520), der Basis des ersten Transistors des Schmitt-Triggers eine Vorspannung zu überlagern, deren Polarität derjenigen der Steuerspannung entgegengesetzt ist. Je größer diese Vorspannung ist, um so kleiner wird der relative Schwellwertabstand und der Einfluß der Transistorparameter auf die Schwellwerte. Dieses Verfahren erfordert aber eine zusätzliche Spannungsquelle, die nicht immer vorhanden ist.In order to reduce the influence of the temporal fluctuations and the sample spread of the transistor parameters on the threshold values of the Schmitt trigger and at the same time the relative threshold distance, it was proposed (German Auslegeschrift 1135 520) to superimpose a bias voltage on the base of the first transistor of the Schmitt trigger Polarity is opposite to that of the control voltage. The greater this bias, the smaller the relative threshold distance and the influence of the transistor parameters on the threshold values. However, this method requires an additional voltage source, which is not always available.

Es ist ferner bekannt, die Temperaturabhängigkeit eines transistorisierten Schmitt-Triggers mittels einer Zenerdiode mit positiven Temperaturkoeffizienten zu kompensieren (vgl. hierzu die Zeitschrift »Elektronik«, 1960, Heft 3, S. 70). Dabei haben die Betriebsspannung und die Steuerspannung des Schmitt-Triggers gleiche Polarität und über einen Vorwiderstand, der zwischen dem Minuspol der Betriebsspannungsquelle (bei pnp-Transistoren) und der Basis des ersten Transistors des Schmitt-Triggers angebracht ist, wird der Steuerspannung eine Vorspannung überlagert. Wird ein Teil dieses Vorwiderstandes durch eine Zenerdiode mit positivem Temperaturkoeffizienten ersetzt, so kann hierdurch die Temperaturabhängigkeit des Schmitt-Triggers kompensiert werden. Da aber die Durchbruchspannung der Zenerdiode wie eine konstante Gegenspannung wirkt, wird - wie es sich leicht zeigen läßt - der Einfluß der Transistorparameter und der Schwankungen der Betriebsspannung auf die Vorspannung und damit auf die Schwellwerte um so größer, je größer die Durchbruchspannung der Zenerdiode ist. Außerdem wird durch diese negative Vorspannung der relative Schwellwertabstand des Schmitt-Triggers vergrößert, was ebenfalls von Nachteil ist.It is also known the temperature dependence of a transistorized Schmitt trigger by means of a Zener diode with positive temperature coefficients to compensate (cf. the magazine "Elektronik", 1960, issue 3, p. 70). The operating voltage and the control voltage of the Schmitt trigger are the same Polarity and a series resistor between the negative pole of the operating voltage source (for pnp transistors) and the base of the first transistor of the Schmitt trigger is attached, a bias voltage is superimposed on the control voltage. Part of this series resistor is provided by a Zener diode with a positive temperature coefficient replaced, the temperature dependency of the Schmitt trigger can thereby be compensated for will. But since the breakdown voltage of the Zener diode is like a constant counter voltage acts, is - as it can easily be shown - the influence of the transistor parameters and the fluctuations in the operating voltage on the bias and thus on the The greater the breakdown voltage of the Zener diode, the greater the threshold values. In addition, the relative threshold distance of the Schmitt triggers increased, which is also a disadvantage.

Die genannten Nachteile werden bei einem transistorisierten Schmitt-Trigger zur Verwendung als Spannungsdiskriminator, insbesondere für Regeleinrichtungen der Nachrichtentechnik, dessen Temperaturabhängigkeit mittels einer Zenerdiode mit positivem Temperaturkoeffizienten der Zenerspannung kompensiert ist, erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die Zenerdiode in Reihe mit dem gemeinsamen Emittervorwiderstand der beiden Transistoren des Schmitt-Triggers geschaltet ist und daß der Temperaturkoeffizient der Zenerdiode so groß ist, daß die Änderung der Zenerspannung mit der Temperatur entgegengesetzt gleich ist der Änderung der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren.The disadvantages mentioned are in the case of a transistorized Schmitt trigger for use as a voltage discriminator, especially for control devices of the Communication technology, its temperature dependence by means of a Zener diode with positive Temperature coefficient of the Zener voltage is compensated, according to the invention thereby avoided that the Zener diode in series with the common emitter series resistor of the two transistors of the Schmitt trigger is switched and that the temperature coefficient the zener diode is so large that the change in zener voltage with temperature the opposite is the same as the change in the base-emitter voltage of the transistors.

Es ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1096 418), die Gleichhaltung der Emitterspannungen einer bistabilen Kippschaltung mit zwei Transistoren - insbesondere bei asymmetrischer Auslegung der beiden Kippzweige - dadurch zu gewährleisten, daß in Reihe zu den Emittervorwiderständen der beiden Transistoren eine Zenerdiode geschaltet wird. Sie hat aber lediglich den Zweck, einen stabilen Betrieb der Kippschaltung in beiden Kippzuständen zu erreichen, und der Temperaturkoeffizient der Zenerdiode ist hierbei ganz ohne Belang.It is known (German Auslegeschrift 1096 418) that equality the emitter voltages of a bistable trigger circuit with two transistors - in particular with asymmetrical design of the two toggle branches - to ensure that A Zener diode is connected in series with the emitter resistors of the two transistors will. But it only has the purpose of stable operation of the flip-flop circuit to achieve in both breakover states, and the temperature coefficient of the Zener diode is completely irrelevant here.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird sowohl der Einfluß der Transistorparameter auf die Schwellwerte als auch der Schwellwertabstand stark verringert. Auch der Einfluß der Betriebsspannungsschwankungen wird im Verhältnis des Spannungsabfalls am gemeinsamen Emitterwiderstand des Schmitt-Triggers zur Durchbruchspannung der Zenerdiode, also sehr stark reduziert.In the arrangement according to the invention, both the influence of the transistor parameters on the threshold values as well as the threshold value distance is greatly reduced. Also the The influence of the operating voltage fluctuations is proportional to the voltage drop at the common emitter resistance of the Schmitt trigger for the breakdown voltage of the Zener diode, so very much reduced.

F i g. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung bei der Schaltung nach F i g. 1, wobei die Zenerdiode mit D bezeichnet ist.F i g. 2 shows the application of the invention to the circuit according to FIG F i g. 1, where the Zener diode is labeled D.

Der Temperaturkoeffizient der Zenerspannung ist eine Funktion der Zenerspannung und des Stromes durch die Diode und hängt fast nicht von der Geometrie der Diode ab. Zenerdioden mit einer Zenerspannung größer als 5 Volt haben einen positiven Temperaturkoeffizienten, der mit dem Strom und der Zenerspannung zunimmt. Ebenso ist der negative Temperaturkoeffizient der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren von der Geometrie und den Exemplarstreuungen fast unabhängig. Damit erübrigt sich jeglicher Abgleich der Temperaturkompensation.The temperature coefficient of the Zener stress is a function of the Zener voltage and the current through the diode and almost does not depend on the geometry the diode. Zener diodes with a zener voltage greater than 5 volts have one positive temperature coefficient, which increases with the current and the Zener voltage. Likewise, the negative temperature coefficient is the base-emitter voltage of the transistors almost independent of the geometry and the specimen variance. This is unnecessary any adjustment of the temperature compensation.

Die große Gegenspannung von mehr als 5 Volt reduziert den relativen Schwellwertabstand sowie den Einfluß der Transistorparameter auf die Schwellwerte. Damit erübrigt sich eine zweite Spannungsquelle anderer Polarität.The large counter voltage of more than 5 volts reduces the relative Threshold distance as well as the influence of the transistor parameters on the threshold values. A second voltage source with a different polarity is thus unnecessary.

Bei Regeleinrichtungen der Nachrichtentechnik, insbesondere bei Pegelüberwachungseinrichtungen der Trägerfrequenztechnik, kommt es oft vor, daß mehrere Schmitt-Trigger zur Auswertung verschiedener Pegel verwendet werden. Dann kann man die Zenerdiode gemeinsam für alle Schmitt-Trigger verwenden und die unterschiedlichen Schwellwerte durch die Dimensionierung der Eingangsspannungsteiler R7, R2 einstellen.With control devices in communications technology, especially with level monitoring devices the carrier frequency technology, it often happens that several Schmitt triggers are used for evaluation different levels can be used. Then you can use the zener diode together for all use Schmitt triggers and the different thresholds through the Set the dimensioning of the input voltage dividers R7, R2.

Durch symmetrische Auslegung der Schmitt-Trigger mit gleichen Kollektorwiderständen wird der Einfluß des differentiellen Widerstandes der Zenerdiode ausgeschaltet, denn der Strom durch die Diode bleibt dann konstant.Due to the symmetrical design of the Schmitt trigger with the same collector resistances the influence of the differential resistance of the Zener diode is switched off, because the current through the diode then remains constant.

Die am Eingang des Schmitt-Triggers anliegende Gleichspannung wird in vielen Fällen aus der eigentlich zu regelnden Wechselspannung durch Gleichrichtung gebildet. Diese Gleichrichtung erfolgt im allgemeinen mit Halbleiterdioden, die ebenfalls einen Temperaturgang haben. Es ist nun möglich, den Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode so zu wählen, daß neben dem Temperaturgang der Transistoren des Schmitt-Triggers auch der der Gleichrichterdioden kompensiert wird. .The DC voltage present at the input of the Schmitt trigger becomes in many cases from the alternating voltage that is actually to be regulated by means of rectification educated. This rectification is generally done with semiconductor diodes, the also have a temperature drift. It is now possible to change the temperature coefficient to choose the Zener diode so that in addition to the temperature response of the transistors of the Schmitt trigger that of the rectifier diodes is also compensated. .

Claims

Claims: 1. Transistorized and temperature compensated Schmitt trigger for use as a voltage discriminator, especially for control devices of communications technology, whose temperature dependency by means of a Zener diode with positive temperature coefficient of the Zener voltage is compensated, d a d u r c h g e k e n n - shows that the Zener diode (D) is in series with the common emitter series resistor (R1) of the two transistors (Tsl, Ts2) of the Schmitt trigger is connected and that the temperature coefficient of the Zener diode is so large that the change in the Zener voltage the change in the base-emitter voltage is the opposite of the temperature of the transistors.

2. Schmitt trigger according to claim 1, characterized in that a Zener diode is used jointly for several Schmitt triggers, their different Threshold values through appropriate dimensioning of the input voltage divider (R ;, R,) can be set.

3. Schmitt trigger according to claim 1, characterized in that that the temperature coefficient of the Zener diode is chosen so large that it matches the temperature coefficient the transistors of the Schmitt trigger and the temperature coefficient of any compensated for the rectification of the alternating voltage to be controlled semiconductor diodes.

4. Schmitt trigger according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the collector resistors of the transistors are the same size. Publications considered: German Auslegeschrift No. 1096 418; "Electronics", 1960, issue 3, p. 70.