Интегральный преобразователь импульсов

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования двухуровневых и многоуровневых импульсов управления регистрами и секциями накопления и хранения фоточувствительных микросхем с зарядовой связью. Цель изобретения - повышение точности формирования выходных уровней и быстродействия. Интегральный преобразователь импульсов содержит блок 1 формирования выходных уровней с входами 2-4, которые являются входами задания уровней преобразователя, выходом 9, который является выходом преобразователя с входами 10-12 задания режима, блок 13 токораспределения с выходами 14-16 и входом 17, источник 18 опорного напряжения. Введенные в преобразователь токозадающий элемент 24, отражатели 25, 26 тока, инвертирующий каскад 27, транзисторы 28, 29, выходной транзистор 30, ключевой элемент 31 с управляющим входом 32, элемент 33 смещения, конденсаторы 36, 37 позволяют исключить колебательный процесс на выходе источника опорного напряжения, что повышает точность формирования выходных уровней и быстродействие. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 Н 03 K 5/01

1

l I

Гй "

r, )

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbITHRM

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4234050/24-21

;(22) 22.04.87 (46) 07.08.89. Бюл, Р 29 (72) А.И.Гольдшер, П.А.Дик, А.И.Лашков и В.Я,Стенин . (53) 621.373.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1081781, .кл. Н 03 К 5/01, 1981.

Авторское свидетельство СССР

1290501, кл, Н 03 К 5/01,. 1985.

„„SU, 1499449 A 1

2 (54 ) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ИМПУЛЬСОВ (57) Изобретение относится к импульсной.технике и может быть использовано для формирования двухуровневых и многоуровневых импульсов управления регистрами и секциями накопления и хранения фоточувствительных микросхем с зарядовой связью. Цель изоб.ретения — повышение точности формироФ

3 1499449 4 вания выходных уровней и быстродейст-, зователь токозадающий элемент 24

Р вия. Интегральный преобразователь отражатели 25, 26 тока, инвертируюимпульсов содержит блок 1 формирова- щии каскад 27, транзисторы 28, 29, ния выходных уровней с входами 2-4, выходной транзистор 30, ключевой которые являются входами задания элемент 31 с управляющим входом 32

Ф уровней преобразователя, выходом 9, элемент 33 смещения, конденсаторы 36

l который является выходом преобразова- 37 позволяют исключить колебательный теля с входами 10-12 задания режима, процесс на выходе источника опорного блок 13 токораспределения с выходами 10 напряжения, что повышает точность

14- Iб и входом 17, источник 18 опор- формирования выходных уровней и быст,ного напряжения, Введенные в преобра- эодействие, 1 з.п. Ф«лы, 2 ил, табл.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования двухуровневых и многоуровневых импульсов управления ре" 20 гистрами и секциями накопления и хранения фоточувствительных микросхем с зарядовой связью (ФМЗС).

Целью изобретения является повышение точности формирования выходных уровней и быстродействия за счет исключения колебательного процесса на выходе источника опорного напряжения.

На фиг.I приведена принципиальная . электрическая схема интегрального 30 преобразователя импульсов;на фиг,2 графики, иллюстрирующие работу предлагаемого (сплошные линии) и известного (пунктирные линии) преобразователей при импульсном воздействии на 35 входе управления режимом: а — входное воздействие;. б — зависимости коллекторного тока эталонного транзистора от времени; в — влияние переходных процессов в источнике опорного напря- 40 жения на выходные уровни преобразователя при неизменных состояниях на входах выбора уровней, Интегральный преобразователь импульсов содержит блок I формированйя 45 выходных уровней с входами 2 — 4, которые являются входами выбора уровней преобразователя, шинами 5 - 8 питания, которые являются входами задания уровней преобразователя, выходом 9, который является выходом преобразователя, и входами 10 — 12 задания режима, блок 13 токораспределения с выходами 14 — 16, входом 17, источник 18 опорного напряжения, включающий токозадающий элемент 19, отражатель 20 тока, повторитель 21 напряжения, инвертирующий каскад 22, эталонный транзистор 23. Кроме того, интегральный преобразователь имйульсов содержит токозадающий элемент 24, отражатели 25 и 26 тока, инвертирующий каскад 27, первый, второй и выходной транзисторы 28 - 30 соответственно, ключевой элемент 31 с управляющим входом 32, который является. входом управления режимом преобразователя, элемент 33 смещения, общую шину 34, конденсаторы 35 — 37, при этом входы 10 — 12 блока 1 соединены соответственно с выходами 14 — 16 блока 13, вход 17 которого соединен с выходом источника 18, выход токозадающего элемента 19 соединен с выходом отражателя 20 и входом повторителя 21, выход которого является выходом источника 18 и через инвертирующий каскад 22 подключен к базе эталонного транзистора 23, коллектор которого соединен с входом отражателя 2О, выход токозадающего элемента

24 соединен с выходом отражателя 25 и входом инвертирующего каскада 27, выход которого соединен с базой транзистора 28 коллектор транзистора 28 соединен с эмиттером транзистора 29, коллектор которого соединен с входом отражателя,25, а база через элемент

33 подключена к входу отражателя 26 и первому выводу ключевого элемента

31, второй вывод которого соединен с общей шиной 34, выход отражателя 26 соединен с базой выходного транзисто" ра 30, коллектор которого соединен с выходом отражателя 20 тока между входом и выходом отражателей 20 и 25

1 тока включены соответственно конденсаторы 35 и 36, а между выходами от" ражателей 20 и 26 включен конденсатор 37.

Кроме того, источник 18 может содержать дополнйтельный эталонный

55

1499 транзистор 38,,дополнительный повто— ритель 39 напряжения, выход которого является дополнительным выходом 40 источника 18 и транзистор 41; при этом дополнительный эталонный транзистор включен эмиттером и коллектором между коллектором эталонного транзистора 23 и входом отражателя

20 тока, а его база подключена к входу дополнительного повторителя 39, выход которого подключен к базе транзистора 41, эмиттер и коллектор тран зистора 4 1 соединены соответственно с общей шиной 34 и базой дополнитель- 15 ного эталонного транзистора 38, дополнительный выход 40 подключен к дополнительному входу блока 13 токораспределения, Кроме того, блок 1 формирования выходных уровней может содержать

20 транзисторы 42 — 50, Интегральный преобразователь импульсов работает следующим образом.

Tom I< протекающий через токозадающий элемент 24, сравнивается с коллекторным током транзистора 29 с помощью отражателя 25 тока. Сигнал ошибки при разбалансе токов усиливается вторым инвертирующим каскадом

27 и транзистором 28 и подается в противофазе в эмиттерную цепь транзистора 29, включенного по схеме с общей базой (ОБ). При использовании резистора в качестве токозадающего элемента 24 и в отсутствие разбаланса З5 коллекторный ток транзистора 29 определяется следующим соотношением. р 5 и

2Ф 2ф 40 где U„ — напряжение источника питания, обеспечивающего ток через токозадающий элемент 24; сопротивление резистора токозадающего элемента 24;

R — сопротивление резистора, шунтирующего вход отражателя 25 тока;

0 — прямое падение напряжения

50 на переходах база — эмиттер транзисторов инвертирующего каскада 27 и отражателя 25.

Входной ток отражателя 26 тока есть базовый ток транзистора 29

fý 2х 3 э

1 P — при замкнутом ключевом элементе 31; — при разомкнутом ключевом элементе 31

U оа где I

+KI о

449

6 дем считать, что на коэффициенты передачи всех р — п — р-транзисторов в преобразователе на их рабочих токах одинаковы и равны, что достигается известными конструктивно-топологическими методами, все р — п — ртранзисторы выполнены в виде торцевых или горизонтальных структур).

Если ключевой элемент 31 закрыт, выходной ток отражателя 26 определяется по формуле

I< аЬ!х 2e = а, ! P где К вЂ” коэффициент, определяемый соотношением площадей эмиттерных переходов транзисторов в отражателе 26 тока.

Тогда коллекторный ток выходного транзистора 30 I „ равен I К.

Если же ключевой элемент 31 открыт I а 26 B Значит H I 30 нулю. Элемент 33 смещения исключает нелинейный режим схемы с общей отрицательной обратной связью (ООС), включающей отражатель 25 тока, транзисторы 28 и 29 и инвертирующий каскад 27, Источник 18 опорного напряжения работает следующим образом, Суммарный ток I токозадающего элемента 19 и выходного трансзистора

30 сравнивается с коллекторным током эталонного транзистора 23 (либо с коллекторным током дополнительного эталонного транзистора 38) с помощью отражателя 20 тока. Сигнал ошибки усиливается с помощью повторителя 21 напряжения и инвертирующего каскада

22 и подается в противофазе в базовую цепь эталонного транзистора 23 (либо после дополнительного усиления эталонным транзистором 23 в эмиттерную цепь дополнительного эталонного транзистора 38, включенного го схеме ОБ).

B отсутствие разбаланса напряжение на входе источника 18 опорного напряжения определяется соотношением

ОЭ "2

I< т

- f2q (3 где $2 — коэффициент передачи тока базы транзистора 29 (в дальнейшем бу-, напряжение на прямосмещенном переходе база — эмиттер транзистора инвер1499449 тирующего каскада 22; — сопротивление резистора в его эмиттенной цепи.

Если в источнике 18 используется дополнительный эталонный транзистор

38, то U определяется соотношением

on

I 10

U + ††-- R о b g Pp oLp. где Ы вЂ” коэффициент передачи тока эмиттера торцевых р-и-р-транзисторов в интегральном преобразователе импульсов. В этом случае на дополни- 15 тельном выходе 40 источника 18 напряжение определяется .выражением

I .

U = m„ >1n — — —, 4о -1r р т р эт где m †.коэффициент, учитывающий неидеальность эмиттерного перехода транзистора 41; — тепловой ток эмиттерного пест рехода транзистора 41; температурный потенциал.

Соответствующим выбором площадей эмиттерных переходов транзистора инвертирующего каскада 22 и соответствующего транзистора в блоке 13 и сопротивлений резисторов в их эмиттерных 30 цепях, а также площадей эмиттерных переходов транзистора 41 и соответствующего транзистора в блоке 13 получаем выходные токи блока 13 токораспределения, пропорциональные току I 35 (выход 16), либо I/Q (выходы 14 и 15), причем практически независимо от температуры кристалла ИС и абсо.лютного разброса коэффициентов усиления транзисторов интегрального 40 преобразователя импульсов, Стабильность режимов токов, задаваемых на входы 10-12 задания режима блока 1 формирования выходных уровней способствует повышению стабильности времен- 45 ных характеристик интегрального преобразователя, поскольку времена перехода с уровня на. уровень и задержки переключения обратно пропорциональны соотнетствующим режимным то- 50 кам.

В конкретной реализации интегрального преобразователя импульсов блок

1 обеспечивает формирование четырехуровневых выходных сигналов, предназначенных преимущественно для управления секциями накопления и хранения фоточувствительных микросхем с зарядоной связью (ФМЗС), Ниже приведена таблица соответствия входных логических и выходного сигналов, н которой

U — напряжение на i-й шине питания (i=.l...8).

Вход 32 управления режимом согласован по уровням со стандартными ТТЛ (КМОП) логическими схемами. Входное импульсное воздействие изменяет состояние ключевого элемента 31. При этом базовый ток выходного транзистора 30 изменяется от нуля до значения KI / pI, (либо обратно) . Соответственно коллекторный ток ныходного транзистора 30 равен либо нулю, либо KI . Передача импульсного воэдейстния на источник 18 опорного напряжения через торцевой р-и-р-транзистор 30, работающий с .генератором тока в базовой цепи, эффективно су-,жает спектр импульсного воздействия (тем же целям служит и третий конденсатор 37). Если коэффициенты (3 возрастут (при повышении температуры), уменьшение запаса устойчивости источника 18 н существенной степени компенсируется снижением скорости изменения коллекторного тока выходного транзистора 30,что обусловлено уменьшением выходного тока отражателя 26 тока, обеспечивающего переза". ряд конденсатора 37, т.е. при изменении Р происходит подстройка парагР метров импульсного воздействия на входе источника 18 опорного напряжения, снижающая вероятность появления значительных колебаний режимных токов при изменении режима преобразователя. В результате, изменение режимных токов блока 1 имеет апериодический характер, уменьшается время установления режима по сравнению с колебательным процессом, исключаются ложные переключения HB выходе преобразователя. Кроме того, оказывается возможным объединять вход 32 управления режимом с одним из входов выбора уровней (например, входом 2), что способствует повышению быстродействия преобразователя, исключает необходимость формирования специальHbtK сигналов управления режимом, в частности, опережающих импульсные сигналы на входах выбора уровней, Очевидно, что длительность перехода с уровня на уровень при одновременном управлении режимом и входами уровней имеет промежуточное значение по сравнению с соответствующим пере1499449

50 ходом уровней Ггри фиксированньгх режимах с малой или большой мощностью потребления, Для сравнения на фиг.2 приведены

5 графики, иллюстрирующие работу предлагаемого преобразователя и известного при импульсном воздействии " (фиг.2а) на входе управления режимом.

Коллекторньгй ток эталонного транзигтора I (и соответственно все режимные токи на входах задания режима блока формирования выходных уровней) изменяется в предлагаемом устройстве апериодически. а в известном возникают затухающие колебания (фиг,2б, сплошная и пунктирная линия соответ- ственно).-В результате, в устройстве сигналы на входе управления режимом не приводят к искажениям выходных уровней (сплошные линии на фиг,2в), 20 тогда как на выходе известного устройства (пунктир) такие искажения возникают, Так, при выполнении в из" вестном преобразователе блока формирования выходных уровней по схеме, приведенной на фиг,1 (четырехуровневый вариант), проявляются следующие механизмы искажения выходных уровней, Если на выходе установлен 1-й уровень (вариант 1 на фиг.2в, пунктир), при значительном превышении

I „ установившегося значения и соответствующем увеличении режимных токов блока 1 формирования выходных уровней напряжения коллектор — эмиттер насы- 35 щения транзисторов 42 и 43 могут превысить напряжения отпирания транзисторов 44 и 45 (из-за падения напряжения на сопротивлении тела коллектора). В этом случае напряжение на ба- 40 зе транзистора 46 и на вьгходе преобразователя может снизиться, может даже возникнуть сквозной ток через транзисторы 45 и 46. При снижении режимньгх токов блока формирования вы- 45 ходных уровней до нуля транзисторы

44 и 45 оказываются в режиме с "оторъ ванной" базой, вследствие чего может возникнуть пробой этих транзисторов и измениться выходной уровень.

Если на выходе установлен второй или четвертый уровень (варианты 2 и 3), то при определенном уменьшении режимных токов сначала включаются транзисторы 47 или 48 (из-за наличия резисторов, шунтирующих переходы база-эмиттер этих транзисторов), далее до момента полного выключения режимных токов в базу транзистора 46 протекает ток, который и приводит к изменению выходных уровней, Восстановление II — го g IV-го уровней происходит с помощью транзисторов 49 и 50.

Ложные переключения на III-м уровне (вариант 4) могут происходить вследствие пробоя транзистора 42, который переходит в режим с "оторванной" базой при нулевых режимных токах блока формирования выходных уровней, Для двухуровневого исполнения блока формирования выходных уровней (в известном устройстве) характерны искажения по вариантам 1 и 4.

Формула и з о б р е т е н и я

1, Интегральный преобразователь импульсов, содержащий блок формирования выходных уровней, блок токораспределения и источник опорного напряжения, причем входы блока формирования выходньгх уровней соединены с соответствующими входами выбора уровней устройства, шины питания соединены с соответствующими входами зада.ния уровней, а выход соединен с выходом устройства, входы задания режима блока формирования выходных уровней соединены с соответствующими выходами блока токораспределения, вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности формирования выходных уровней и быстродействия за счет исключения колебательного процесса на выходе источника опорного напряжения, в него введены токозадающий элемент, первьпг и второй отражатели тока, инвертирующий каскад, первый, второй и выходной р-и-р-транзисторы, ключевой элемент, элемент смещения, при этом выход токозадающего элемента соединен с выходом первого отражателя тока и управляющим входом инвертирующего каскада, выход которого соединен с базой первого транзистора, коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен с входом первого отражателя тока, а база через элемент смещения соединена с входом второго отражателя тока и выходом ключевого элемента, управляющий вход которого соединен с входом управления режимом устройства, а пер1 вый вход — с общей шиной устройства, 1499449

Выход 9

Напряжение

0 0

0 0

0 1

0 1

1 0

1 0

1 1.

1

1

1

1:-й уровень U .

IV-й уровень U

1-й уровень U

1ХХ-й уровень U

II-й уровень U

III-й уровень U выход второго отражателя тока соединен с базой выходного транзистора, коллектор которого соединен с входом источника опорного напряжения, допол5 нительный выход которого соединен с вторым входом блока токораспределения, при этом между входом и выходом первого отражателя тока включен первый конденсатор, а между выходом . второго отражателя тока и коллектором выходного транзистора — второй конденсатор, эмиттеры первого и выходного транзисторов, вход токозадающего элемента и второй вход ключевого l5 элемента соединены с шиной питания, вход инвертирующего каскада соединен с общей шиной.

2, Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что источник опорного напряжения содержит токозадающий элемент, отражатель тока, 1 повторитель напряжения, инвертирующий каскад, эталонный транзистор и дополнительный эталонный транзистор, имеющие р-п-р-структуру, дополнитель- ный повторитель напряжения и транзистор, причем выход токозадающего

Вход 2 Вход 3 Вход 4 элемента соединен с выходом отража. теля тока и управляющим входом повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выходом источника опорного напряжения, выход повторителя напряжения через инвертирующий каскад соединен с базой эталонного транзистора, коллектор которого соединен с эмиттером дополнительного эталонного транзистора, коллектор которого соединен с входом отражатедя тока, между входом и выходом отражателя тока включен конденсатор, база дополнительного эталонного транзистора соединена с коллектором транзистора, эмиттер которого соединен с общей:шиной, а база — с дополнительным выходом источника опорногс напряжения, управляющий вход и выход дополнительного повторителя напряжения соединены соответственно с коллектором и базой транзистора, с шиной питания соединены вход токозадающего элемента, вход повторителя напряжения, эмиттер эталонного транзистора и вход дополнительного повторителя напряжения, а с общей шиной— вход инвертирующего каскада.

1499449

° 4л

1,В

Ip

Ф /»

7

Составитель А. Коробков

Техред М.Ходанич

Редактор Н.Лазаренко

Корректор Э.Лончакова Заказ 4705/53 Тираж 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 13035, Иосква, К-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101