DE2019804A1

DE2019804A1 - Monolithisch integrierbare monostabile Kippstufe

Info

Publication number: DE2019804A1
Application number: DE19702019804
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl-Ing Wittenzellner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1970-04-23
Filing date: 1970-04-23
Publication date: 1971-11-04
Also published as: FR2089752A5; AT313974B; SE366181B; US3742257A; DE2019804B2; CH515657A; DE2019804C3; GB1324481A; NL7105298A

Description

SIEMENS AKTISNGESELISC-IAFT München 2, 2 3. APR. 1370

Berlin und München . /ittcO.ebnch.^Irt« <

70/1079

Monpli thij3Ch_ jLntejgrij±rbare_ mpnojst_ab:Lle_ Kippstufe

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierbare monostabile Kippstufe.

Spannungsimpulse definierter Dauer v/erden in der Digitaltechnik im allgemeinen mit monostabilen Kippstufen erzeugt. Dabei wird neben der Forderung, daß die Impulsdauer möglichst unabhängig sein soll von Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannung, von Fertigungsstreuungen und Alterung der verwendeten Bauelemente, gefordert, daß ein Impuls nur durch einen Triggerimpuls am Eingang der Kippstufe ausgelöst werden darf, nicht aber durch Störimpulse in der Versorgungsspannung.

Im allgemeinen werden solche monostabilen Kippstufen nach dem bekannten Prinzip der monostabilen Eccles-Jordan-Schaltung als monostabile MuItivibratoren aufgebaut. Diese Schaltung läßt sich zwar mit relativ kleinem Aufwand an Bauelementen realisieren, hat aber einen entscheidenden Nachteil. Die prinzipielle Schaltung^' enthält zwei Rückkopplungen, eine statische und eine dynamische. Die dynamische Rückkopplung erfolgt über einen Kondensator, der über einen ohmschen Widerstand an der Versorgungsspannung liegt. Mit Hilfe dieses dadurch gebildeten RC-Gliedes wird die Impulsdauer festgelegt« Da aber der Kondensator im Ruhestand an einer Seite auf Versorgungspotential liegt, genügt bereits ein< geringer Störspannungssprung auf der Spannungsversorgungsleitung, um einen vollen Ausgangsimpuls der Kippstufe auszulösen. Y/ird bei hohen

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2o. April 197o

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Anforderungen an die Genauigkeit der Impulsdauer ein empfindlicher Differenzverstärker in der Prinzipschaltung verwendet, so genügen bereits Störungen von einigen mV zum Auslösen eines Ausgangsimpulses. Dieses nachteilige Verhalten der Schaltung wurde bisher in unbefriedigender Weise durch Siebung der Versorgungsspannung oder Uurch Miller-Integration entschärft, aber nicht beseitigt. Ein weiterer Nachteil der prinzipiellen Schaltung des monostabilen Multivibrators besteht darin, daß gepolte Kondensatoren deswegen nicht verwendet werden können, v/eil bei jedem Impulszyklus eine Umladung stattfindet. Solche gepolten Kondensatoren sind zur Ausweitung des Variationsbereichs der Impulsdauer vorteilhaft.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht darin, eine monolithisch integrierbare monostabile Kippstufe anzugeben, die die aufgezeigten Mangel der bekannten Schaltung vermeidet, d.h., vor allen Dingen gegen Störimpulse in der Versorgungsspannung unempfindlich ist.

Zur lösung dieser Aufgabe v/ird eine monolithisch integrierbare monostabile Kippstufe vorgeschlagen, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß einem bistabilen Multivibrator (Plipflop) mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen, von denen .jeweils einer Eingang bzw. Ausgang der monostabilen Kippstufe ist, am zweiten Ausgang ein Zeitglied nachgeschaltet ist, das über einen Differenzverstärker an den zweiten Eingang des Flipflops angeschlossen ist, wobei das Zeitglied vorzugsweise aus einem Transistor und aus einem RC-Glied besteht und wobei die Basis des Transistors mit dem zweiten Ausgang des Flipflops, der ein zum Ausgangssignal der Kippstufe invertiertes Ausgangssignal führt, verbunden ist, der Emitter auf Bezugspotential und der Kollektor an einem Eingang des Differenzverstärkers liegt, wobei außerdem der Kollektor über den ohmschen Widerstand des RG-Gliedes mit dem Versorgungspotential und über den Kondensator des RC-Gliedes mit dem Bezugspotential

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in Verbindung steht und wobei ein zweiter Eingang des
Differenzverstkrkers am Teilerpunkt eines zwischen Versorgungs- und Bezugspotential gelegenen ohraschen Spannungsteilers liegt.

Sine solche erfindungsgemäße Kippstufe zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik nicht nur durch extrem große,
Störsicherheit aus, sondern v/eist darüberhinaus Vorteile
auf, die den an sich höheren Aufwand an Bauelementen rechtfertigen, der bei der Integration allordingo eine untergeordnete Rolle spielt, solange der Monolith (Chip) eine bestimmte
Größe nicht überschreitet. Ein solcher Vorteil besteht
beispielsweise darin, daß der Kondensator des zeitbestimmenden RC-Gliedes an einer Seite auf Bezugspotential liegt und nur in einer Richtung aufgeladen wird. Dadurch können auch
gepolte Kondensatoren verwendet werden. Das ergibt für die
Impulsdauer einen weiteren Variationsbereich.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Kondensator des zeitbestiiiiiaenden RC-Gliedes bei seiner Entladung im Wesentlichen nur den Bahnwiderstand der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors des Zeitgliedes vorfindet. Dadurch wird die sogenannte Totzeit, d.i. die Zeit, die nach dem Ende eines
Impulses verstreichen muß, bis ein erneutes Auslösen eines
Ausgangsimpulses möglich ist, extrem klein gehalten.

Die Störsicherheit wird dadurch erreicht, daß der Kondensator des zeitbestimmenden RC-Gliedes im Ruhestand durch den leitenden Transistor des Zeitgliedes kurz-geschlossen ist und
praktisch mit beiden Anschlüssen, auf Besugspotential liegt. Damit liegt auch der erste Eingang des Differenzverstärkers auf Bezugspotential, also weit'unter der Ansprechschwelle,
da am zweiten Eingang des Differenzverstärkers über den ohrnschen Spannungsteiler eine relativ hohe Spannung steht und er nur anspricht, wenn beide Eingangsspannungen gleich sind.

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Störimpulse in der Versorgungsspannung sind daher wirkungslos; sie lassen den Differenzverstärker nicht ansprechen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Spannung, die an dem ersten Eingang des Differenzverstärkers in bezug auf das Bezugspotential dadurch bleibt, daß der Transistor des Zeitgliedes auch im leitenden Zustand noch eine Rest spannung in der Kollektor-Emitter-Strecke aufweist, über den zweiten Eingang des Differenzverstärkers kompensiert wird. Das geschieht durch "Hochlegen" des Fußpunktes des ohmschen Spannungsteilers, an dessen Teilerpunkt der zweite Eingang des Differenzversterkers angeschlossen ist, über einen v/eiteren Transistor. Dieser Transistor ist dem Transistor des Zeitgliedes nach Aufbau und Entstehungsgeschichte gleich. Sein Emitter liegt auf Bezugspotential, sein Kollektor am Fußpunkt des ohmschen Spannungsteilers und seine Basis über einen ohmschen Widerstand auf Versorgungspotential. Da. dieser Transistor in jedem Fall leitend ist, slr.ä beid": Eingänge des Differenzverstärkers im Ruhezustand der Kippstufe im weseiitliehen um die gleiche Restspannung angehoben.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht im Vorschalten eines störsicheren Impulsformers. Zwischen den ersten Eingang des Flipflops und den eigentlichen Eingang der monostabilen Kippstufe wird ein monostabiler Multivibrator geschaltet, der nach dem Prinzip der Eccles-Jordan-Schaltung aufgebaut ist. Die Störsicherheit dieses monostabilen Multivibrators wird dadurch erreicht, daß die dynamische Rückkopplung zwischen dem Kollektor eines ersten Transistors und der Basis eines zweiten Transistors nicht, wie bekannt, mit einem Kondensator bewerkstelligt wird, sondern mit einer Diode. Diese Diode ist im Ruhezustand leitend'. Störungen durch Spannungsimpulse in der Veirsorgungsspannung sind dadurch unwirksam. Erst beim Ansteuern des monostabilen Multivibr.ators wird die Diode gesperrt und wirkt als Kapazität.

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Die Kapazität der Diode kann zwar nicht beliebig groß gemacht werden; für die Ansteuerung des Flipflops genügt aber ein sehr kurzer Impuls. Die Aufgabe eines vorgeschalteten Impulsformers besteht auch nicht in einer Zeitbestimmung, sondern nur in der Impulsformung.

Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Ein Flipflop 16 besitzt zwei Eingänge S und R und zwei Ausgänge Q und Q (sog. RS-Flipflop). Über den Eingang S wird der Flipflop 16 "gestellt", über den Eingang R "rückgestellt". ™ Der Ausgang Q führt das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe. Der Ausgang Q führt ein dazu invertiertes Signal. An den Ausgang Q ist ein Zeitglied angeschlossen, das aus einem Transistor 1, aus einem Kondensator 2 und aus einem ohmschen Widerstand 3 besteht. Die Basis des Transistors 1 liegt am Ausgang Q, der Emitter auf Bezugspotential. Der Kondensator 2 liegt einerseits auf Bezugspotential, andererseits über den ohmschen V/iderstand 3 auf Versorgungspotential. Der Kollektor des Transistors 1 liegt am Verbindungspunkt des Kondensators 2 mit dem ohiaschen ''Widerstand 3· Mit dem Zeitglied ist ein Differenzverstärker 4 mit zwei Eingängen dergestalt verbunden, daß an den einen Eingang der Kollektor ^ des Transistors 1 angeschlossen ist. Der andere Eingang liegt am Teilerpunkt eines ohmschen Spannungsteilers mit den ohmschen V/ider stand en 5 und 6, der einerseits auf Versorgungspotential liegt, andererseits an seinem Fußpunkt über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 7 mit dem Bezugspotential verbunden ist. Die Basis des Transistors ist über einen ohmschen Widerstand 18 am Versorgungspotential angeschlossen. Der Ausgang des Differenzverstärkers 4 ist

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mit dem Eingang R des Flipflops/verbunden.

Vor den Flipflop 16 ist ein Impulsformer geschaltet. Er ist nach dem Prinzip der Eccles-Jordan-Schaltung aufgebaut und

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besteht aus zwei Transistoren 8 und 9, aus vier ohmschcn Widerständen 1o bis 13 und aus einer Diode 14. Die Basis des Transistors 8 liegt über einen ohmschen V/iderstand 15 am Eingang A der monostabilen Kippstufe. Die Emitter der beiden Transistoren 8 und 9 liegen auf Bezugspotential, die Kollektoren über die ohmschen Widerstände 11 bzw. 13 auf Yersorgungcpotential. Die Basis des Transistors 8 ist über den ohmschen Widerstand 1o aur statischen Rückkopplung mit dem Kollektor des Transistors 9 verbunden, dessen Basis einerseits zur dynamischen Rückkopplung über die Diode 14 mit dem Kollektor des Transistors 8 verbunden und über den ohmschen V/iderstand am Versorgungspotential angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 9 liegt am Eingang S des Flipflops. 16.

Der Ausgang Q des Flipflops 16 liegt im Ruhezustand auf "0". Beim Eintreffen eines (positiven) Impulses am Eingang A der monostabilen Kippstufe erzeugt der Impulsformer, der, wie beschrieben, durch die Verwendung der Diode 14 störsicher arbeitet, einen kurzen Impuls für den Eingang S des Flipflopa.16. Dadurch wird der Flipflop 16 gestellt; der Ausgang Q führt dann das Signal "1','. Gleichzeitig führt der Ausgang Q dann das Signal "0" und sperrt dadurch den Transistor 1, der im Ruhezustand des Flipflops 16 leitend war und den Kondensator kurz-geechlossen hatte. Der Kondensator 2 lädt sich über den ohmschen Widerstand 3 auf. Die Aufladungszeit Iäi3t sich durch Dimensionieren dieses durch den ohmschen V/iderstand 3 und den Kondensator 2 gebildeten RC-G-liedes genau bestimmen. Der Transistor 7 ist ständig leitend. Am zweiten Eingang des Differenzverstärkers 4 liegt eine Spannung entsprechend dem Teilerverhältnis des ohmschen Spannungsteilers« 'Venn die Spannung am Kondensator 2, d.h. die Spannung am ersten Eingang des Differenzverstärkers 4 gleich der am anderen Eingang stehenden geworden ist, stellt der Differenzverstärker 4 den Flipflop 16 über dessen Eingang S wieder in den Ruhestand zurück. Damit führt der Ausgang Q wieder das Signal "0", der Aus gar. j Q das Signal "1". Der Transistor 1 v/ird v/ieder leitend und der Kondensator 2 entladen.

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Die Impulsdauer am Ausgang Q des Plipllops 16 und damit am Ausgang der monostabilen Kippstufe wird durch die Dimensionierung des RG-Gliedes und des ohmschen Spannungsteilers bestimmt. Das Teilerverhältnis des ohmschen Spannungsteilers läßt sich auch in Integrierter Schaltung mit ziemlich großer Genauigkeit festlegen. Die beiden Transistoren 1 und 7 sind von gleicher Beschaffenheit und Entstehungsgeschichte. Dadurch sind ihre Restspannungen in.der erfindungsgemäßen Anordnung nahezu gleich. Beide Eingänge des Differenzverstärkers/sind in leitendem Zustand der Transistoren 1 und 7 um diese · Restspannung in gleicher V/eise angehoben. Es ist damit eine hohe Genauigkeit der Impulsdauer möglich. Fertigungsstreuungen Jj und TemperaturSchwankungen sind dadurch ausgeglichen.

Eine erfindungsgemäß aufgebaute monostabile Kippstufe zeichnet sich insbesondere als Integrierte Schaltung durch eine universelle Anwendbarkeit aus. Sie erzeugt weitgehend storsicher Spannungsimpulse von genau definierbarer Dauer, deren Variationsbreite dadurch, daß für das zeitbestimmende RG-GIied auch gepolte Kondensatoren verwendet v/erden können, extrem groß ist. Dabei spielt die Form der Eingangsimpulse keine Rolle.

1 Figur

3 Patentansprüche

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Claims

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Schaltungsanordnung für eine monolithisch integrierbare monostabile Kippstufe, dadurch gekennzeichnet , daß einem bistabilen Multivibrator (Flipflop 16) mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen, von denen jeweils einer Eingang (S) bzw. Ausgang (Q) der monostabilen Kippstufe ist, am zweiten Ausgang (Q) ein Zeitglied nachgeschaltet ist, das über einen Differenzverstärker (4) an den zweiten Eingang (R) des Flipflops (16) angeschlossen ist, wobei das Zeitglied vorzugsweise aus einem Transistor (1) und aus einem RC-Glied besteht und wobei die Basis des Transistors (1) mit dem zweiten Ausgang (Q) des Flipflops (16), der ein zum Ausgangssignal der Kippstufe invertiertes Ausgangssignal führt, verbunden ist, der Emitter auf Bezugspotential und der Kollektor an einem Eingang des Differenzverstärker (4) liegt, wobei außerdem der Kollektor über den ohmschen V/i der st and (3) des RC-Gliedes mit dem Versorgungspotential und über den Kondensator (2) dea RC-Gliedes mit dem Bezugspotential in Verbindung steht und wobei ein zv/eiter Eingang des Differenzverstärkers (4) am Teilerpunkt eines zwischen Versorgungs- bzw. Bezugspotential gelegenen ohmschen Spannungsteilers liegt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Kompensation der Re:.;tspannung des Transistors (1) des Zeitgliedes für den Differenzverstärker (4) der Fußpunkt des ohnschen Spannungsteilers über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors (7) auf Bezugspotential liegt, dessen Basis über einen ohmschen Widerstand (18) am Versorgungspotential angeschlossen ist und der mit dem Transistor (1) des Zeitgliedes identischen Aufbau und identische Entstehungsgeschichte hat.

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Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dem Flipflop (16) ein Impulsformer vorgeschaltet ist, der nach dem an sich bekannten Prinzip der Eccles-Jordan-Schaltung als monostabiler Multivibrator aufgebaut ist, dessen dynamische Rückkopplung zwischen dem Kollektor eines ersten (8) und der Basis eines zweiten Transistors (9) über eine Diode (H) erfolgt, wobei die Basis des ersten Transistors (8) mit dem Eingang A der monostabilen Kippstufe und der Kollektor des zweiten Transistors (9) mit dem ersten Eingang des Flipflops (16) verbunden ist.

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