专利名称：生成矩形波信号的电路装置以及方法
生成矩形波信号的电路装置以及方法 技术领域和
背景技术：
本发明涉及一种用于生成矩形波信号的电路装置以及方法。 在电子电路中经常存在着对矩形波信号的需求，这些矩形波信号 的幅度大于电子电路的电源电压的数值。
例如能由此来生成这样的矩形波信号，即除了例如输出电压为
5V的第一电源电压源以外还设置例如输出电压为10V的第二电压 源。为了生成在接地电压与10V之间交变的矩形波信号，串联电阻 和晶体管串联地环接(einschleifen)在第二电压源与接地电压之 间，该晶体管由用5V供电的微处理器以幅度为5V的矩形波信号来 控制。输出电压施加在串联电阻与晶体管之间的连接点上。如果晶 体管阻塞，则扣除了在串联电阻上下降的电压的IOV作为输出电压。 如果接通晶体管，则晶体管的导通电压、即近似OV作为输出电压。 可是，输出电压的较大的值由于串联电阻而强烈地与负载有关，因 为负载电流致使串联电阻上的相应的电压降。为了减小该负载相关 性，应相对低阻地选择串联电阻。可是，这在被接通的晶体管处引 起了未加利用地经过晶体管流向地的高电流。此外还必需第二电压 源，由此增加了电路装置的电路技术上的花费、位置需求和制造成 本。
发明内容
作为技术问题，本发明的基础在于提供用于生成开头所述类型的 矩形波信号的电路装置和方法，该电路装置和方法提供了具有较小 的负载相关性的输出信号并且能在位置需求微小的情况下廉价地来 实现该电路装置和方法。
本发明通过具有权利要求1的特征的电路装置和具有权利要求7 的特征的方法来解决该问题。本发明的有利的以及优选的改进方案 是其它权利要求的主题并在以下详细阐述。通过明确参考说明书的 内容来得出权利要求的措词。以下列举的特征和特性中的有些特征 和特性既适合于电路装置又适合于方法。部分地仅说明了 一次这些
特征和特性，可是这些特征和特性互相独立地既适用于电路装置又 适用于方法。
根据本发明，用于生成矩形波信号的电路装置包括用于生成直流 电压的直流电压源、被构造用于将控制节点与参考电势或者直流电 压以交替方式连接的激励级、二极管和串联地环接在直流电压源的 第一极与控制节点之间的第一电容器。此外，该电路装置还包括具 有第一和第二可控开关装置的输出级，该笫一和第二可控开关装置
被布线成以致该第一和第二可控开关装置在输出级工作时以交替方 式导通。在此，开关装置串联地环接在二极管与第一电容器之间的 连接节点和控制节点之间。第一和第二开关装置之间的连接节点构 成用于输出矩形波信号的输出端子，或矩形波信号存在于该输出端 子上。激励级、二极管和第一电容器构成了倍压器单元，该倍压器 单元将能在激励级上生成的、在直流电压和参考电势之间交变的矩 形波电压向上移位直流电压的数值。这意味着，在二极管和第一电 容器之间的连接节点上出现了矩形波电压，该矩形波电压在一方面 为直流电压与另一方面为该直流电压的大约两倍之间交变。给输出 级加载该矩形波电压。
由于输出级的布线，在第二开关装置阻塞期间，如果被移位的矩 形波信号具有其较大的值，则第一开关装置导通。于是，在输出端 子上因而存在被移位的矩形波电压的较大值，即存在大致两倍的直 流电压。如果被移位的矩形波信号具有其较小的值，即大致等于直 流电压，则第一开关装置阻塞，而第二开关装置导通。由于第二开 关装置与激励级相连接，并且该激励级目前相对于参考电势电路被 接通，所以同样相对于参考电势接通了输出端子。因而在输出端子 上形成了矩形波电压形式的输出信号，该矩形波电压大致在参考电 压与两倍的直流电压之间交变。为此不需要其它电压源来实现这种 情况。此外，输出信号还有利地只具有微小的负载相关性，因为由 于通过开关装置的低阻耦合而仅仅形成了输出端子的微小的内阻。 由于不需要第二电压源，所以可以在位置需求微小的情况下廉价地 实现该电路装置。
在电路装置的一种构造中，该电路装置包括微处理器，其中，激 励级是微处理器的输出端子。借助微处理器的输出端子，该输出端
子要么可以低阻地与微处理器的参考电压相连接，要么与该微处理 器的电源电压相连接。这意味着，在微处理器的输出端子上，可以 在宽频率范围内以简单的方式生成矩形波电压。该矩形波电压可以 在软件方面与给定的边界条件相匹配，例如与矩形波电压的必需的 频率相匹配。
在电路装置的扩展方案中，为了保护激励级而在控制节点与激励 级之间设置串联电阻。该串联电阻被确定大小，以致避免损坏端子，
:便确保电路装置的^r靠的功能。'"'5 、
在电路装置的有利的扩展方案中，第一开关装置是第一双极性晶 体管，而第二开关装置是第二双极性晶体管。通过使用双极性晶体 管，由于相应的基极和相应的发射极之间的二极管区域
(Diodenstrecken )，得到可浮皮用于自动控制晶体管的箝压效应。
这意味着，在合适的基极侧的布线的情况下，由于二极管区域而自
动出现了晶体管的所希望的控制电压或基极电压。为了保证这样的
自动控制，作为基极侧的布线，优选地将电阻和第二电容器串联地
环接在第一晶体管的基极端子和参考电势之间，其中，第二电容器
与参考电势相连接。在此，该电阻和该第二电容器之间的连接节点 与第二晶体管的基极端子相连接。附加地将第三电容器环接在第一
晶体管的基极端子和参考电势之间。第一和第二晶体管优选的是互 补晶体管。以这种方式能筒单地引起晶体管的互补的开关特性。
根据本发明的方法包括以下步骤
-生成直流电压，
-由直流电压生成第一矩形波电压，该第一矩形波电压在直流 电压和参考电压(尤其是接地电压)之间交变，
-由第一矩形波电压生成第二矩形波电压，该第二矩形波电压 在多倍的、尤其是两倍的直流电压和直流电压之间交变，以及
-如果第二矩形波电压大于直流电压，则输出第二矩形波电压，
或者
-如果第二矩形波电压等于直流电压，则输出参考电势。 除了由权利要求之外还由说明书和附图得出这些和其它特征，其 中，在本发明的实施形式中或者在其它领域能本身单独地或多个地
以子组合的形式来实现各个特征，并且各个特征可以是有利的以及 本身能被保护的实施形式，在这里对于这些实施形式要求保护。将 本申请划分成各个段落以及小标题绝不限制在其下所做出的陈述的 一般有效性。
在附图中示意性示出了本发明的有利的实施例，并在以下详细说
明这些实施例。在这种情况下
图1示出用于生成矩形波信号的电路装置的电路图，和 图2示出图1的电路装置的信号的图。
具体实施例方式
图1示出用于生成矩形波信号UN2的电路装置，该电路装置具有 用于生成直流电压UG的直流电压源并且具有由该直流电压UG供电 的、带有用作激励级TS的输出端子的微处理器MP。通过激励级TS, 控制节点SK以交替方式与参考电势GND或直流电压UG相连接。设 置了二极管Dl和第一电容器Cl，该二极管Dl和第一电容器Cl串联 地环接在直流电压源的第 一极Pl(这里为正极)和控制节点SK之间。 在控制节点SK和激励级TS之间设置了串联电阻Rl,用于保护激励 级TS并且用于在驱动器输出端的转换过程中进行电流限制。可是， 低阻地选择该串联电阻Rl,并且在功能考察时能忽略该串联电阻 Rl。最后还设置了由电路的右边部分所构成的输出级AS。
该输出级AS包括双极性pnp型晶体管TR1和互补的双极性npn 型晶体管TR2,这两个晶体管串联地环接在二极管Dl与第一电容器 Cl之间的连接节点Nl和控制节点SK之间。晶体管TR1和TR2之间 的连接节点N2用作用于输出矩形波信号UN2的输出端子。电阻R2 和第二电容器C2串联地环接在晶体管TR1的基极端子和参考电势 GND之间，其中，第二电容器C2与GND相连接。电阻R2和第二电容 器C2之间的连接节点N3与第二晶体管TR2的基极端子相连接。第 三电容器C3附加地环接在第一晶体管TR1的基极端子和参考电势 GND之间。与R2相连接的电容器C2和电容器C3用来自动生成晶体 管TR1或TR2的基极电压，即电容器C2和C3原则上具有相同的功
能。输出级AS是对称的，即晶体管TR1和TR2具有对称的开关特性。 输出级AS推挽式运行地工作，即交替地导通晶体管TR1和TR2。 晶体管TRl和TR2以基极电路运行。通过电容器C2和C3以及充电 电阻R2来生成晶体管TR1和TR2的基极电压。自动出现了为了运行 所必要的基极电压，因为这些基极电压通过晶体管TR1和TR2的基 极发射极区域的钳位作用来限制。由于以对称的基极电路来运行晶 体管TR1和TR2，所以输出级AS具有高的带宽和对称的输出信号 面。
图2示出图1的电路装置的信号的图。激励级TS、 二极管Dl和 第一电容器Cl构成了倍压电路，该倍压电路将能在激励级上生成的 矩形波电压USK向上移位直流电压的数值。如在图2中所示出的那 样，矩形波电压USK在直流电压UG和参考电势GND之间交变。同样 在图2中示出了如此移位的、施加在节点Nl上的矩形波电压UN1。 电压UN1在大致两倍的直流电压UG和直流电压UG本身的值之间交 变。在此已忽略了在二极管 Dl 上下降的正向电压 (Durchflussspannung )。
给输出级AS加载矩形波电压UN1。由于输出级AS的布线，如果 电压UN1具有其较大的值，即约为2UG,则晶体管TR1导通，并且晶 体管TR2阻塞。于是，因而在输出端子上存在大致两倍的直流电压 UG。
如果电压UN1大致等于电压UG，则第一晶体管TR1阻塞，并且 第二晶体管TR2导通。由于晶体管TR2或其发射极与激励级TS相连 接，并且目前相对于参考电势GND接通了该激励级TS，所以同样相 对于参考电势GND接通了输出端子或节点N2。
因而，在节点N2上形成了在图2中所示出的、矩形波电压形式 的输出信号UN2，该输出信号UN2大致在两倍的直流电压UG和参考 电势GND之间交变。
再次概括地阐述该电路装置的功能原理。由直流电压UG生成第 一矩形波电压USK，该第一矩形波电压USK在直流电压UG和接地电 压GND之间交变，如在图2中所示出的那样。由第一矩形波电压USK 生成第二矩形波电压UN1，该第二矩形波电压UN1在两倍的直流电压 UG和直流电压UG之间交变，如同样在图2中所示出的那样。如果第
二矩形波电压UN1大于直流电压UG (即为两倍的UG)，则在节点N2 上输出第二矩形波电压UN1。否则，在节点N2上输出参考电势GND。 总共在节点N2上形成了在图2中所示出的输出电压UN2。
因而得到了约两倍UG的输出电压幅摆，为此不需要输出电压为 两倍UG的其它电压源。此外，输出信号只具有微小的负载相关性， 因为由于通过开关装置的低阻耦合而仅仅形成了输出端子的微小的 内阻。由于不需要第二电压源，所以可以在位置需求微小的情况下 廉价地实现该电路接置。
权利要求
1.用于生成矩形波信号(UN2)的电路装置，其具有-用于生成直流电压(UG)的直流电压源，-被构造用于将控制节点(SK)与参考电势(GND)或直流电压(UG)以交替方式连接的激励级(TS)，-串联地环接在直流电压源的第一极(P1)和控制节点(SK)之间的二极管(D1)和第一电容器(C1)，和-具有第一可控开关装置(TR1)和第二可控开关装置(TR2)的输出级(AS)，该第一可控开关装置(TR1)和第二可控开关装置(TR2)被布线成以致该第一可控开关装置(TR1)和第二可控开关装置(TR2)在输出级(AS)工作时以交替方式导通，其中，所述开关装置(TR1，TR2)串联地环接在二极管(D1)与第一电容器(C1)之间的连接节点(N1)和控制节点(SK)之间，并且第一开关装置(TR1)和第二开关装置(TR2)之间的连接节点(N2)构成了用于输出矩形波信号的输出端子。
2. 按权利要求1所述的电路装置，其特征在于，该电路装置包括 微处理器(MP)，其中，所述激励级是所述微处理器的输出端子。
3. 按权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，为了保护所 述激励级而在控制节点和激励级之间设置了串联电阻(Rl)。
4. 按以上权利要求之一所述的电路装置，其特征在于，所述第一 开关装置是第一双极性晶体管(TR1)，而所述第二开关装置是第二 双极性晶体管(TR2)。
5. 按权利要求4所述的电路装置，其特征在于，所述第一和第二晶体管是互补晶体管。
6. 按权利要求4或5所述的电路装置，其特征在于，电阻(R2) 和第二电容器(C2)串联地环接在第一晶体管的基极端子和参考电 势之间，其中，电阻(R2 )和第二电容器(C2)之间的连接节点(N3) 与第二晶体管的基极端子相连接，并且第三电容器(C3)附加地环 接在第一晶体管的基极端子和参考电势之间。
7. 用于生成矩形波信号的方法，其具有以下步骤 -生成直流电压(UG),-由直流电压(UG)生成第一矩形波电压(USK)，该笫一矩形 波电压(USK)在直流电压(UG)和基准电压、尤其是接地电压(GND) 之间交变，-由第一矩形波电压(USK)生成第二矩形波电压(UN1)，该 第二矩形波电压(UN1)在多倍的、尤其是两倍的直流电压(UG)和 直流电压(UG)之间交变，和-如果所述第二矩形波电压(UN1)大于所述直流电压(UG), 则输出所述第二矩形波电压(UN1)，或者如果所述第二矩形波电压 (UN1)等于所述直流电压(UG)，则输出参考电势(GND)。
全文摘要
一种用于生成矩形波信号(UN2)的电路装置包括用于生成直流电压(UG)的直流电压源、将控制节点(SK)与参考电势(GND)或直流电压(UG)以交替方式连接的激励级(TS)、串联地环接在直流电压源的第一极(P1)和控制节点(SK)之间的二极管(D1)和第一电容器(C1)。此外，该电路装置包括具有第一晶体管(TR1)和第二晶体管(TR2)的输出级(AS)，该第一晶体管(TR1)和第二晶体管(TR2)被布线成以致该第一晶体管(TR1)和第二晶体管(TR2)在输出级(AS)工作时以交替方式导通。在此，晶体管(TR1，TR2)串联地环接在二极管(D1)与第一电容器(C1)之间的连接节点(N1)和控制节点(SK)之间。第一晶体管(TR1)和第二晶体管(TR2)之间的连接节点(N2)构成了用于输出矩形波信号的输出端子。
文档编号H03K5/02GK101185242SQ200680018748
公开日2008年5月21日 申请日期2006年3月29日 优先权日2005年3月29日
发明者R·克劳斯 申请人:E.G.O.电气设备制造股份有限公司