DE1242267B - Bistabiler Multivibrator - Google Patents

Description

DEUTSCHES fflJTVm PATENTAMT DeutscheKl.: 21 al-36/18

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1242 267

Aktenzeichen: S100128 VIII a/21 al

^ 242 267 Anmeldetag: 20. Oktober 1965

Auslegetag: 15. Juni 1967

Bistabile Multivibratoren finden in der elektrischen Nachrichten- und Meßtechnik eine vielfältige Verwendung. Insbesondere kommt ihnen als Zählstufen in Analog-Digital-Umwandlern der Pulsmodulationstechnik eine besondere Bedeutung zu. Hierbei werden an die Multivibratoren hohe Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit gestellt. Bei der klassischen Ausführungsform eines bistabilen Multivibrators, bei der sich zwei Verstärkerelemente wechselseitig steuern, lassen sich die gewünschten hohen Schaltgeschwindigkeiten nicht in ausreichendem Maße erfüllen.

Bessere Ergebnisse können mit bistabilen Multivibratoren erreicht werden, die von der Reihenschaltung zweier gleichsinnig gepolter Kippwiderstände Gebrauch machen. Hierbei werden der Reihenschaltung der Kippwiderstände einerseits über einen Vorwiderstand eine Gleichspannung geeigneter Polarität und andererseits vorzugsweise über einen weiteren Widerstand Schaltimpulse zugeführt, die im Zusammenwirken mit einer Umschalteinrichtung die Kippwiderstände jeweils in die ihrer Ausgangslage entgegengesetzte Lage umkippen. Als Umschalteinrichtungen finden dabei entweder Reaktanzspeicher, wie Kapazitäten oder Induktivitäten, Anwendung, oder es werden besondere Transistorschaltungen vorgesehen.

Bei einem älteren Vorschlag, bei dem die beiden gleichsinnig in Reihe geschalteten Kippwiderstände an eine Quelle eingeprägter Spannung angeschaltet sind, besteht die Umschalteinrichtung im wesentlichen aus einem Übertrager, dessen eine Wicklung an den einen Kippwiderstand und dessen andere Wicklung an den anderen Kippwiderstand angeschaltet ist.

Ein weiterer bistabiler Multivibrator dieser Art ist im Hauptpatent angegeben. Hierbei ist die Umschalteeinrichtung dadurch verwirklicht, daß jedem Kippwiderstand ein am fernen Ende vorzugsweise offener Leitungsabschnitt parallel geschaltet ist, dessen elektrische Länge derart bemessen ist, daß die durch ein Schaltsignal vorgegebener Dauer an den Kippwiderständen hervorgerufenen und an den Enden der Leitungsabschnitte reflektierten Spannungssprünge beide Kippwiderstände in die ihrer Ausgangslage entgegengesetzte zweite Lage umschalten. Die Leitungsabschnitte stellen eine zusätzliche Belastung der Kippwiderstände dar und beschneiden entsprechend die von ihnen an den eigentlichen Verbraucher abgebbare Leistung. Dieser Leistungsverlust ist gleichsam Ausdruck für die für den Umklappvorgang notwendige Steuerenergie in Form Bistabiler Multivibrator

Zusatz zum Patent: 1208 765

Anmelder:

ίο Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Hans-Günther Jungmeister, München

der an den Enden der Leitungsabschnitte reflektierten Spannungssprünge.

Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, einen bistabilen Multivibrator nach dem Hauptpatent für eine möglichst große Empfindlichkeit, d. h. einen möglichst geringen Steuerenergie-

a5 bedarf weiterzubilden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Leitungsabschnitte über Widerstände an die Kippwiderstände angeschaltet sind, die hierbei im Sinne einer günstigen Anpassung der Leitungsabschnitte an die von den Kippwiderständen einschließlich ihres äußeren Schaltkreises gebildeten Abschlußwiderstände bemessen sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Serienschaltung der Leitungsabschnitte über Widerstände bei gegebener notwendiger Steuerenergie relativ hochohmig an die Kippwiderstände angeschaltet werden können, wenn durch geeignete Dimensionierung dieser Widerstände eine von der Art der verwendeten Kippwiderstände wie auch der sonstigen Gegebenheiten der Schaltung günstige Anpassung der Leitungsabschnitte vorgenommen wird.

Die größte Empfindlichkeit, d. h. die kleinste notwendige Steuerenergie für den Umklappvorgang, ist im wesentlichen vom Grad der Übereinstimmung der statischen und dynamischen Kennlinien der Kippwiderstände abhängig. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, die beiden in Reihe geschalteten Kippwiderstände für wenigstens annähernd gleiche elektrische Eigenschaften auszusuchen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung sind die Widerstände für einen Abschlußwiderstand der Leitungsabschnitte bemessen,

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der, bezogen auf die hochohmige Lage des einem Leitungsabschnitt unmittelbar parallelgeschalteten Kippwiderstandes, geringfügig kleiner ist als der Wellenwiderstand der Leitungsabschnitte.

Zweckmäßig weist jeder Leitungsabschnitt einen einzigen Widerstand auf, der dabei auf sehen seiner Anschlüsse in Serie mit einem seiner beiden Leiter angeordnet ist. In diesem Falle muß der Widerstand kleiner, vorzugsweise wesentlich kleiner als der Wellenwiderstand der Leitungsabschnitte gewählt sein.

Als Kippwiderstände eignen sich in außerordentlich vorteilhafter Weise Tunneldioden, mit denen sich bekanntlich sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen lassen.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 eine bekannte Reihenschaltung zweier Kippwiderstände,

F i g. 2 ein Kennliniendiagramm der Kippwiderstände nach der Fig. 1,

Fig. 3 ein weiteres Kennliniendiagramm der Kippwiderstände nach der F i g. 1,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines bistabilen Multivibrators nach der Erfindung.

Da der Erfindungsgegenstand von der ein Grundelement darstellenden Reihenschaltung zweier Kippwiderstände Gebrauch macht, soll zunächst die Wirkungsweise dieser Grundschaltung, die in die Literatur auch unter der Bezeichnung »Goto-Paar« eingegangen ist, näher erläutert werden.

Das in der Fig. 1 dargestellte Goto-Paar besteht aus zwei durch Tunneldioden realisierten Kippwiderständen Tl und T2. Die Reihenschaltung der beiden Kippwiderstände liegt an einer Gleichspannung Ub, die so bemessen ist, daß einer der beiden Kippwiderstände im Zustand hoher Spannung und der andere im Zustand niederer Spannung verharren muß. Wird zunächst einmal davon abgesehen, daß in den gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Kippwiderstände Tl und T2 ein Strom i in positiver oder negativer Richtung eingespeist wird, so ist es, gleiche Eigenschaften der Kippwiderstände vorausgesetzt, gleich wahrscheinlich, daß die obere oder die untere Diode den Zustand hoher Spannung einnimmt.

Diesen Fall stellt das Diagramm der Kennlinien 1 und 2 beider Kippwiderstände in der Fig. 2 dar. Die Schnittpunkte I und II der beiden Kennlinien 1 und 2 markieren die stabilen Lagen der Reihenschaltung. Der Punkt III, der durch den Schnitt der beiden fallenden Kennlinienäste zustande kommt, ist dagegen instabil. Wird die Gleichspannung Ub an der Reihenschaltung kurzzeitig erhöht, beispielsweise durch einen Impuls, so ergibt sich die in der Fig. 3 im Diagramm dargestellte Situation. Die Schnittpunkte I und II verschwinden, und der PunktIII rückt in den Bereich positiven Widerstandes und wird damit stabil. An beiden Kippwiderständen liegt dann eine Spannung, die höher ist als die ihrem Stromminimum zugeordnete. Nach Abklingen des Impulses stellen sich wieder die in der F i g. 2 gezeigten Verhältnisse ein, und zwar mit der für die Schnittpunkte I und II gleich hohen Wahrscheinlichkeit.

Wenn die Kennlinien beider Kippwiderstände iden- · tisch sind, so bestimmt also der Zufall, welcher der Kippwiderstände nach Abklingen des Impulses die

niedrigere bzw. höhere Spannung bekommt. Wird dagegen in den Verbindungspunkt beider Kippwiderstände im Augenblick des Impulsabklingens ein Korrekturstrom i eingeprägt, so bestimmt nunmehr die Polarität des Korrekturstromes, welchen der beiden möglichen Zustände (I bzw. II) das Paar einnimmt Der Korrekturstrom / erzeugt mit anderen Worten eine Unsymmetrie der Serienschaltung, durch die abhängig vom Vorzeichen des Korrekturstroms entweder der SchnittpunktI oder der SchnittpunktII erzwungen wird.

Bei dem in der F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird der Umklappvorgang, der bei der Reihenschaltung nach der F i g. 1 durch den Korrekturstrom / gelenkt wird, im gewünschten Sinne durch die an den offenen Enden der Leitungsabschnitte reflektierten Spannungssprünge gesteuert. Die Schaltung nach der Fig.4 besteht ebenfalls aus zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Kippwiderständen Tl und Tl, die vorzugsweise durch Tunneldioden realisiert sind. Die Kippwiderstände sind über den aus den Widerständen Rsl und Rs 2 gebildeten Spannungsteiler an die Betriebsgleichspannung +Ub angeschaltet. Die den Kippwiderständen Tl und T2 jeweils parallelgeschalteten Widerstände Rll und R12 stellen den ausgangsseitigen Verbraucher des bistabilen Multivibrators dar. Die Schaltimpulse werden der Kippschaltung über den Vorwiderstand i? ν und gegebenenfalls den hierzu in Reihe liegenden KoppelkoadensatorCft vom EingangTZs her zugeführt. Die Leitungsabschnitte Sl und S2 sind nach der Erfindung auf seiten der Kippwiderstände in Reihe mit einem Widerstandrl und r2 an die Kippwiderstände angeschaltet.

Die KippwiderständeRl und T2 sind für gleiche elektrische Eigenschaften ausgesucht. Diese gleichen elektrischen Eigenschaften sind die wesentliche Voraussetzung dafür, daß die für den Umschaltvorgang erforderliche Steuerenergie einen Minimalwert annimmt. Ein Verzicht auf die Widerständerl und r2 würde nun zwar eine Dimensionierung der Schaltung zulassen, bei der die Belastung der Kippwiderstände durch die Leitungsabschnitte einen relativ niedrigen Wert annimmt. Die obere Grenze der Schaltgescrnvindigkeit der Schaltung wird in diesem Falle jedoch erheblich herabgesetzt. Der Grund hierfür ist einerseits in der geringen notwendigen Steuerenergie für den Umklappvorgang und andererseits in der nur in gewissen Grenzen möglichen Anpassung des Weilenwiderstandes der Leitungsabschnitte an die Kippwiderstände einschließlich ihrer äußeren Schaltung zu suchen. Die mangelhafte Anpassung bedingt nämlich eine mehrfache Reflexion des beim Obergang eines Kippwiderstandes von seinem niederohmigen Zustand in seinen hochohmigen Zustand und umgekehrt erzeugten Spannungssprungs. Soll die Schaltung daher einwandfrei arbeiten, so darf der nächste Schaltimpuls am Eingang TE erst auftreten, wenn die Energie der durch den vorausgegangenen Schaltimpuls erzeugten Spannungssprünge an des Kippwiderständen auf den Leitungsabschnitten 51 und 52 so weit abgeklungen ist, daß sie für den nächsten Umklappvorgang keine Störung mehr darstellen kann. Durch die erfradungsgemäßen Serienwiderstände lassen sich die Leitungsabschnitte an die KippwiderstandsschaItung besser anpassen, weil sie eine Entkopplung der Ldtungsabschnitte hinsichtlich

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der Kippwiderstände darstellen. Außerdem bewirken sie im Sinne einer möglichst großen Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung eine starke Dämpfung der auf den Leitungen hin und her laufenden reflektierten Spannungssprünge. An sich könnte die Dämpfung der Leitungsabschnitte auch dadurch erreicht werden, daß sie an ihren offenen Enden durch einen Dämpfungswiderstand abgeschlossen werden. Dies hat jedoch im Gegensatz zu der auf Seiten der Kippwiderstände angeordneten Widerständerl und rl den großen Nachteil, daß die Kippwiderstände durch die Leitungsabschnitte vor allem gleichstrommäßig wesentlich höher belastet werden, was eine vernngerte Amplitude des Ausgangssignals zur Folge hat. Die günstigste Bemessung der Widerstände rl und rl ist, wie bereits schon darauf hingewiesen wurde, nicht nur von den Daten der verwendeten Kippwiderstände bzw. Tunneldioden abhängig, sondern auch vom übrigen Aufbau der Schaltung. Bei Untersuchungen der Schaltung mit Germaniumtunneldioden für einen Spitzenstrom von IOmA und sonstigen gleichen elektrischen Eigenschaften, ergab sich für den Widerstandswert der Widerständerl und r2 bei einem Wellenwiderstand von 90 bis 100 Ω der Leitungsabschnitte 10 bis 20 Ω. Dabei hatten die Widerstände Rsl und Rs2 jeweils einen Wert von etwa 25 Ω. Patentansprüche:

1. Bistabiler Multivibrator, bestehend aus der Reihenschaltung zweier gleichsinnig gepolter, an eine Gleichspannung geeigneter Polarität und Größe angeschalteter Kippwiderstände, von denen sich jeweils einer in der Lage hohen und einer in der Lage niedrigen Widerstandes befindet, und bei dem jedem Kippwiderstand ein am fernen Ende vorzugsweise offener Leitungsabschnitt parallel geschaltet ist, dessen elektrische Länge derart bemessen ist, daß die durch ein

Schaltsignal vorgegebener Dauer an den Kippwiderständen hervorgerufenen und an den Enden der Leitungsabschnitte reflektierten Spannungssprünge beide Kippwiderstände in die ihrer Ausgangslage entgegengesetzte zweite Lage umschalten (nach Patent 1208 765), dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte über Widerstände an die Kippwiderstände angeschaltet sind, die hierbei im Sinne einer günstigen Anpassung der Leitungsabschnitte an die von den Kippwiderständen einschließlich ihres äußeren Schaltkreises gebildeten Abschlußwiderstände bemessen sind.

2. Bistabiler Multivibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in Reihe geschalteten Kippwiderstände wenigstens annähernd gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen.

3. Bistabiler Multivibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände für einen Abschlußwiderstand der Leitungsabschnitte bemessen sind, der, bezogen auf die hochohmigeLage des einem Leitungsabschnitt unmittelbar parallelgeschalteten Kippwiderstandes, geringfügig kleiner ist als der Wellenwiderstand der Leitungsabschnitte.

4. Bistabiler Multivibrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leitungsabschnitt einen Widerstand aufweist, der hierbei auf Seiten seiner Anschlüsse in Serie mit einem seiner beiden Leiter angeordnet ist.

5. Bistabiler Multivibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand kleiner, vorzugsweise wesentlich kleiner als der Wellenwiderstand der Leitungsabschnitte gewählt ist.

6. Bistabiler Multivibrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippwiderstände Tunneldioden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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