DE1242266B - Bistabiler Multivibrator - Google Patents

Description

DEUTSCHES JfflVWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT Deutsche KL: 21 al-36/18

Nummer: 1 242 266

Aktenzeichen: S100127 VIII a/21 al

J 242 266 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 Umschalteinrichtung 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.

Diese Art der Steuerung der beiden in Reihe geschalteten Kippwiderstände ermöglicht außerordentlich hohe Arbeitsgeschwindigkeiten der Schaltung, weil die die Reaktanzspeicher ersetzenden Leitungsabschnitte die Zeitkonstanten der Schaltung praktisch nicht vergrößern.

Bistabiler Multivibrator

Zusatz zum Patent: 1208 765

Anmelder:

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

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Hans-Günther Jungmeister, München

Die unmittelbare Hintereinanderschaltung von bistabilen Kippstufen nach dem Hauptpatent zum Aufbau von Binärzählern stößt insofern auf Schwierigkeiten, als einerseits die ausgangsseitige Belastung einer solchen Stufe in gewissen Grenzen gehalten werden muß und andererseits Rückwirkungen der gesteuerten Kippstufe auf die vorausgehende, sie steuernde Kippstufe die einwandfreie Funktion des Umklappmechanismus beeinträchtigen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Kettenschaltung bistabiler Multivibratoren nach dem Hauptpatent eine geeignete Lösung anzugeben, die die geschilderten Schwierigkeiten überwindet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die zwei- und mehrfache Hintereinanderschaltung der bistabilen Kippstufen über jeweils ein Anpassungsfilter mit wenigstens annähernd frequenzunabhängigem Eingangswiderstand und einem sich in Übertragungsrichtung daran anschließenden, einen Sperrschwinger darstellenden Verstärker erfolgt.

Die Hintereinanderschaltung von bistabilen Kippstufen nach dem Hauptpatent zum Aufbau beispielsweise eines Binärzählers erfordert die Anordnung eines DifIerenziergliedes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen, weil die Steuerung einer bistabilen Kippstufe nicht durch beliebig breite Impulse erfolgen kann, wie sie am Ausgang einer steuernden Kippstufe zwangläufig entstehen, wenn diese statistisch verteilte Eingangssignale erhält. Die unmittelbare Hintereinanderschaltung der bistabilen Kipp-

_So stufen nach dem Hauptpatent über ein solches Differenzierglied ist nun praktisch nicht möglich, weil, wie einschlägige der Erfindung zugrunde liegende Unter-

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suchungen gezeigt haben, der einwandfreie Betrieb dieser Kippstufen eine frequenzunabhängige konstante Belastung voraussetzt. Durch die Zwischenschaltung eines Anpassungsfilters nach der Erfindung in Reihe mit einem einen Sperrschwinger darstellenden Verstärker werden diese Schwierigkeiten in einfacher und vorteilhafter Weise beseitigt. Das Anpassungsfilter ermöglicht nämlich die Realisierung des erforderlichen Differenziergliedes bei konstanter, wenigstens annähernd ohmscher Belastung der jeweils steuernden Kippstufen. Der Verstärker läßt darüber hinaus nicht nur eine relativ hochohmige Belastung der jeweils steuernden bistabilen Kippstufe zu, sondern sorgt auch für den Ausgleich des durch eine lose Kopplung der einzelnen Stufen, die zur Vermeidung von Rückwirkungen zweckdienlich ist, bedingten Leistungsverlusts. Einer Differenzierung der verstärkerausgangsseitigen Impulse bedarf es nicht mehr, weil die Sperrschwingereigenschaft des Verstärkers eine im Sinne des gewünschten Steuervorgangs günstige Impulsform durch geeignete Wahl der Eigenwerte des Verstärkers ohne weiteres zuläßt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Anpassungsfilter eingangsseitig eine Reihenschaltung aus einer Spule mit der Induktivität Lo und einem Widerstand mit dem Wert Ro auf, die über einen Kondensator mit der Kapazität Co an einen der losen Ankopplung dienenden Widerstandsvierpol angeschaltet ist, an dessen Ausgang der Verstärker mit seinem Eingang angeschaltet ist. Dabei ist der Eingangswiderstand des Widerstandsvierpols unter Berücksichtigung des Verstärkereingangswiderstandes für den Wert Ro des der Spule in Reihe geschalteten Widerstandes bemessen. Außerdem genügt die Größe der Induktivität Lo der Spule der Beziehung Lo = Ro^a--Co.

Das Anpassungsfilter wird sinnvoll mit seinem Eingang einem der beiden in Reihe geschalteten Kippwiderstände der bistabilen Kippschaltungen parallel angeschaltet.

Die Schaltgeschwindigkeit des verwendeten Verstärkers muß selbstverständlich in der gleichen Größenordnung liegen wie die der verwendeten bistabilen Kippstufen, wenn der mit solchen Kippstufen aufgebaute Binärzähler die bei einer Kippstufe erzielte maximale Zählgeschwindigkeit ebenfalls wenigstens annähernd erreichen soll. Es ist daher zweckmäßig, als Verstärker eine Anordnung zu verwenden, die ebenfalls von einem Kippwiderstand der bei den Kippstufen verwendeten Art Gebrauch macht. Ein solcher Verstärker kann in vorteilhafter Weise eine aus der Reihenschaltung eines Kippwiderstandes mit einer Spule bestehende monostabile Kippstufe sein.

Ausgangsseitig kann der Verstärker in einfacher Weise über einen Koppelkondensator an den Steuereingang der nächstfolgenden bistabilen Kippstufe angeschlossen sein. Damit Rückwirkungen der gesteuerten Kippstufe auf den Verstärker in veraachlässigbar kleinen Grenzen bleiben, ist es hierbei notwendig, die Zeitkonstante des Steuereingangskreises einer Kippstufe kleiner zu wählen als die Relaxationszeit des Verstärkers.

Zweckmäßig werden die Kippwiderstände durch Tunneldioden realisiert.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles 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 F i g. 1,
Fig. 3 eine weiteres Kennliniendiagramm der Kippwiderstände nach der F i g. 1,

F i g. 4 eine Ausführungsform eines bistabilen Multivibrators nach dem Hauptpatent,

F i g. 5 einen /i-stufigen Binärzähler nach der Erfindung.

Die gemäß der Erfindung hintereinandergeschalteten bistabilen Kippstufen nach dem Hauptpatent machen jeweils von der ein Grundelement darstellenden Reihenschaltung zweier Kippwiderstände Gebrauch. Zum besseren Verständnis soll daher zunächst die Wirkungsweise dieser Grundschaltung, die in die Literatur auch noch unter der Bezeichnung »Goto-Paar« eingegangen ist, näher erläutert werden. Das in der Fig. 1 dargestellte Goto-Paar besteht

ao aus zwei durch Tunneldioden realisierten Kippwiderständen Tl und Tl. Die Reihenschaltung der beiden Kippwiderstände liegt an einer Gleichspannung üb, 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 eingespeichert 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 F i g. 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 F i g. 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 Fig. 2 gezeigten Verhältnisse ein, und zwar mit der für die Schnittpunkte I und II gleich hohen Wahrscheinlichkeit.

Wenn die Kennlinien beider Kippwiderstände identisch 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 Korrekturstromz eingeprägt, so bestimmt nunmehr die Polarität des Korrekturstromes, welchen der beiden möglichen Zustände (I bzw. II) das Paar einnimmt. Der Korrekturstrom i erzeugt mit anderen Worten eine Unsymmetrie der Serienschaltung, durch die abhängig vom Vorzeichen des Korrekturstroms entweder der Schnittpunkt I oder der Schnittpunkt II 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 i gelenkt wird, in dem ge-

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wünschten Sinn durch die an den offenen Enden der Leitungsabschnitte reflektierten Spannungssprünge gesteuert. Die Schaltung nach der F i g. 4 besteht ebenfalls aus zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Kipp widerständen Tl und T 2, die vorzugsweise durch Tunneldioden realisiert sind. Die Kippwiderstände sind über den aus den WiderstandenjRil und Rs 2 gebildeten Spannungsteiler an die Betriebsgleichspannung + Ub angeschaltet. Die den Kippwiderständen Tl und T2 jeweils parallelgeschalteten to Widerstände Rll und Rll stellen den ausgangsseitigen Verbraucher des bistabilen Multivibrators dar. Die Schaltimpulse werden der Kippschaltung über den Widerstand Rv und gegebenenfalls den hierzu in Reihe liegenden Koppelkondensator Ck vom Eingang TE her zugeführt. Um für den Umklappmechanismus eine möglichst geringe Steuerenergie zu benötigen, ist es angebracht, die beiden Kippwiderstände hinsichtlich einer möglichst großen Übereinstimmung ihrer statischen und dynamischen Kennlinien auszusuchen. Außerdem empfiehlt es sich, die beiden Leitungsabsclrnitte Sl und 52 über in der Fig. 4 nicht dargestellte Widerstände an die Kippwiderstände anzuschließen. Diese Widerstände ermöglichen nämlich einerseits eine bessere Anpassung des Wellenwiderstandes der Leitungsabschnitte an die von den Kippwiderständen einschließlich ihrer äußeren Schaltkreise gebildeten Abschlußwiderstände und gewährleisten andererseits eine ausreichend starke Dämpfung der auf den Leitungen hin und her laufenden reflektierten Spannungssprünge. Das Schaltbild nach der F i g. 5 stellt einen aus η Stufen Kl, K2 ... Kn bestehenden Binärzähler nach der Erfindung dar. Jede Stufe Kl bis Kn sieht hierbei eine bistabile Kippstufe nach der F i g. 4 vor. Zusätzlich weisen die Stufen Kl bis Kn-1 an Stelle des VerbraucherwiderstandesR12 nach der Fig. 4 ein Anpassungsfilter mit wenigstens nahezu frequenzunabhängigem Eingangswiderstand auf. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden StufenKl bis Kn ist jeweils ein Verstärker VI, V2...Vn—l angeordnet. Der Eingang^ der Kette wird vom Steuereingang der ersten StufeiTl und ihr Ausgang vom Ausgang der lediglich aus einer bistabilen Kippstufe nach der F i g. 4 bestehenden letzten Stufe Kn gebildet. Das Anpassungsfilter besteht bei der Stufe Kl und den weiteren Stufen K2 ... Kn-1 aus der Reihenschaltung der SpuleL mit dem Widerstandi?, der über den Kondensator C ein Widerstandsvierpol angeschaltet ist. Dieser Widerstandsvierpol in !,-Schaltung besteht im Längszweig aus dem Widerstand R 2 und im Querzweig auf seifen des Kondensators C aus dem Widerstand R1. Die Belastung des Widerstandsvierpols wird vom Eingangswiderstand des dem An- passungsfilter ausgangsseitig nachfolgenden Verstärkers Vl bzw. Vl.. .Vn-I gebildet. Für die Differentiation der Ausgangsimpulse ist der Kondensator C in Verbindung mit dem Eingangswiderstand des Widerstandsvierpols maßgebend. Die Frequenz-Unabhängigkeit des Eingangswiderstandes des Anpassungsfilters wird durch eine Bemessung der einzelnen Bauelemente entsprechend den bereits angegebenen Beziehungen gewährleistet. Die zwischen den aufeinanderfolgenden StufeniCl bis Kn eingeführten Verstärker Vl bis Vn-I bestehen, wie das beim Verstärker Vl angegeben ist, aus der Reihenschaltung eines Kippwiderstandes T 3 mit der Spule L 3, der über den aus den Widerständen Rsl' und Rs2' bestehenden Spannungsteiler die Betriebsgleichspannung — Ub zugeführt ist. Die Verstärker Fl bis Vn-1 stellen monostabile Kippstufen dar. Ihre ausreichende Eingangsempfind-Iichkeit wird dadurch sichergestellt, daß der Arbeitspunkt der vorzugsweise Tunneldioden T 3 darstellenden Kippwiderstände für einen Ruhestrom unmittelbar unterhalb des Spitzenstroms festgelegt ist. Mit jedem der von der steuernden bistabilen Kippstufe über das Anpassungsfilter dem Verstärkereingang zugeführten negativen Impulse springt die damit angesteuerte Tunneldiode T 3 von ihrem niederohmigen in ihren hochohmigen Zustand, von dem sie nach Abklingen des durch die Spule L 3 bedingten Einschwingvorgangs in die niederohmige Ausgangslage zurückkippt. Die Relaxationszeit, das ist die Zeit, die der Verstärker von der Rückkehr in die Ruhestellung bis zur erneuten Betriebsbereitschaft benötigt, ist mit Rücksicht auf eine möglichst hohe Folgefrequenz der aufeinanderfolgenden Schaltimpulse möglichst klein bemessen. Die kapazitive Ankopplung der einem Verstärker nachgeschalteten Kippstufe dient der Gleichstromtrennung. Die Zeitkonstante des auf diese Weise gebildeten i?C-Gliedes muß kleiner sein als die erwähnte Relaxationszeit des Verstärkers, um bei Ausnutzung der maximal möglichen Folgefrequenz keine Einbuße an Empfindlichkeit zu verursachen. Die maximale Empfindlichkeit des Verstärkers kann nämlich nur dann eingestellt werden, wenn die zeitliche Änderung der verstärkerausgangsseitigen Belastung am Ende der Relaxationszeit auf einen praktisch vernachlässigbaren Wert abgeklungen ist. 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 am Steuereingang 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, gekennzeichnet durch seine zwei- und mehrfache Hintereinanderschaltung über jeweils ein Anpassungsfilter mit einem wenigstens annähernd frequenzunabhängigen Eingangswiderstand und einem sich in Übertragungsrichtung daran anschließenden einen Sperrschwinger darstellenden Verstärker.

2. Bistabiler Multivibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsfilter mit seinem Eingang einem der beiden in Reihe geschalteten Kippwiderstände parallel angeschaltet ist.

3. Bistabiler Multivibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsfilter eingangsseitig eine Reihenschaltung aus einer Spule mit der Induktivität Lo und

einem Widerstand mit dem Wert Ro aufweist, die über einen Kondensator mit der Kapazität Co an einen der losen Ankopplung dienenden Widerstandsvierpol angeschaltet ist, an dessen Ausgang der Verstärker mit seinem Eingang angeschaltet ist, daß ferner der Eingangswiderstand des Widerstandsvierpols unter Berücksichtigung des Verstärkereingangswiderstandes für den Wertiio des der Spule in Reihe geschalteten Widerstandes bemessen ist und daß die Größe der Induktivität Lo der Spule der Beziehung Lo — Ro² · Co genügt.

4. Bistabiler Multivibrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich-

net, daß der Verstärker ausgangsseitig über einem Koppelkondensator an den Steuereingang der nächstfolgenden bistabilen Kippstufe angeschlossen ist und daß die Zeitkonstante des Steuereingangskreises einer Kippstufe kleiner gewählt ist als die Relaxationszeit des Verstärkers.

5. Bistabiler Multivibrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine aus der Reihenschaltung eines Kippwiderstandes mit einer Spule bestehende monostabile Kippstufe ist.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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