DE1194903B - Schaltungsanordnung zum Vergleich zweier Signale gleicher Polaritaet - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer: 1194903

Aktenzeichen: St 22174 VIII a/21 al

Anmeldetag: 27. Mai 1964

Auslegetag: 16. Juni 1965

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Vergleich zweier Signale gleicher Polarität, die von Quellen unterschiedlichen Widerstandes geliefert werden, mit einem Differenzverstärker.

Aus dem Stand der Technik ist eine große Anzahl Schaltungsanordnungen zum Vergleiche zweier Spannungen, sogenannte Diskriminatoren, bekannt, wie z. B. der Schmitt-Trigger oder der »Multiar«. Die Schaltzeit dieser bekannten Anordnungen und damit die Vorderflanke des Ausgangsimpulses hängt vom verwendeten Transistor ab.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird zur Amplitudendiskrimination eine Tunneldiode verwendet, deren Schaltzeit sehr kurz ist. Die Tunneldiode ist so geschaltet, daß, wenn die beiden zu vergleichenden Signale gleich sind, die Spannung an der Tunneldiode von einem niederen Wert auf einen hohen Wert in sehr kurzer Zeit ansteigt, so daß die Vorderflanke des sich ergebenden Impulses sehr steil ist. Ein Rückstellimpuls wird auf die Anordnung nach jedem Vergleichsvorgang gegeben, um die Tunneldiode wieder in den ersten Zustand zurückzubringen. Die Rückflanke des Ausgangsimpulses ist deshalb genauso steil, da sie ebenfalls von den Eigenschaften der Tunneldiode abhängt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker aus zwei Transistoren besteht, deren Emitter gemeinsam von einer Urstromquelle gespeist werden und deren Basen über Widerstände mit den zu vergleichenden Signalquellen verbunden sind, und daß der Kollektor des einen Transistors über eine Tunneldiode und der Kollektor des anderen Transistors direkt an Spannung liegen und daß am Verbindungspunkt der Tunneldiode und dem Kollektor des einen Transistors Rückstellimpulse zuführbar sind.

Die Erfindung wird nun beispielsweise an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Kennlinie einer Tunneldiode, F i g. 2 das Schaltbild.

Die Kennlinie der Tunneldiode (F i g. 1) zeigt den Spannungsabfall Vt an der Tunneldiode als Funktion des Tunneldiodenstromes Ic. Diese Kurve, die mit»l« in der Figur bezeichnet ist, enthält zwei Bereiche positiven Widerstandes »α« und »c«, die durch einen Bereich negativen Widerstandes »ö« getrennt sind. Die wichtigsten Punkte der Kennlinie sind der Höckerpunkt (Ip, Vp), der Talpunkt (Iv, Vv) und der Punkt mit dem Koordinaten Ip, Vf auf dem Teil c der Kennlinie. Wenn der Strom durch die Tunneldiode ζ. B. von einem Wert Im < Iv, der durch die Arbeitskennlinie 3 dargestellt ist, auf einen Wert Im> Ip der durch die Linie 2 dargestellt ist, erhöht wird, dann Schaltungsanordnung zum Vergleich zweier
Signale gleicher Polarität

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,

Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Als Erfinder benannt:

Gilbert Rene Simon Durand,

Bry-sur-Marne, Seine;

Andre Louis Theophile Lemaire, Paris

(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 31. Mai 1963 (936 627)

sieht man, daß, solange Ic < Iv ist, die Arbeitsgerade die Kennlinie 1 in nur einem Punkt schneidet, der in dem Teil α der Kennlinie mit positivem Widerstand liegt, für den die Spannung an der Diode zwischen O und Vp liegt. Ist aber Iv < Ic < Ip, dann schneidet die Arbeitsgerade die Kennlinie an zwei Punkten, die auf den Teilen α und c mit positivem Widerstand liegen und in einem Punkt im Bereich negativen Widerstandes b; der Arbeitspunkt bleibt jedoch im Teil α der Kennlinie. Sobald der Strom Ic den Wert Ip geringfügig überschreitet, schneidet die Arbeitsgerade die Kennlinie nur noch in einem Punkt, im Teil c (Arbeitsgerade 2). Der Arbeitspunkt liegt dann im Schnittpunkt der Kurven 1 und 2, und die Spannung an der Diode ist größer als Vf.

Man sieht also, daß man mit einer gegebenen Tunneldiode eine Stromschwelle einstellen kann, die beim Höckerstrom Ip liegt, und daß über diesem Wert die Spannung an der Tunneldiode sehr schnell um einen Betrag ansteigt, der mindestens gleich Vf-Vp ist.

Die F i g. 2 zeigt das Schaltbild der Diskriminatorschaltung gemäß der Erfindung, die die folgenden Stromkreise enthält:

Eine Stromversorgung, die eine bezüglich Erde positive und negative Spannung gleicher Amplitude V liefert;

die Signalquellen E und VR mit den inneren Widerständen 19 und 20, die die zu vergleichenden Spannungen symbolisieren;

509 580ß45

3 4

den Differenzverstärker mit den NPN-Transisto- ist, dann ist der Emitterstrom des Transistors 21

ren 21, 22 und der Tunneldiode 23. größer als der des Transistors 22 und umgekehrt.

Ist α die Stromverstärkung der Transistoren 21

Die zu vergleichenden Spannungen £ und VR und 22, die beide in Basisschaltung betrieben sind und

werden auf die Basen der Transistoren über gleiche ₅ deren Basen zusammengeschaltet sind, dann ist der

Widerstände 24 und 25 gegeben. Die Kollektor- _Λ /

spannung der beiden Transistoren wird mit der Kollektorstrom jedes Transistors gleich -^-, wenn die

Zehnerdiode 26 stabilisiert. _m vergleichenden Spannungen gleich sind.

Die Begrenzerdioden 27 und 28, die antiparallel Die Dioden 27 und 28 begrenzen den Basisstrom

geschaltet sind und zwischen den Punkten B io des Transistors und verhindern, daß die Basisemitter-

und R des Differenzverstärkers liegen; strecke zerstört wird, wenn die Differenz \E— VR\

die Urstromquelle, die aus dem NPN-Transistor 29 S^{roß ist}

und den Zchnerdioden 26 und 30 besteht; ^{Hat die} verwendete Tunneldiode 23 einen Höcker-

den Ausgangsverstärker mit den Transistoren 31 5£°* #· ^ⁿ,ⁿ ™^{rd d}JL^{r St},^rom/ ^durch f^%

und 32, die vom NPN- bzw. PNP-Typ sind; ^{1S Wahl der} Widerstände 35 und 36 so angestellt, daß

eine Klemme N, auf die das Rückstellsignal sich Ip = —=- ergibt. Unter dieser Voraussetzung und

gegeben wird. _{wenn bejm Einscha}j_{ten E = 0 ist)} befindet sich die

Wie in der F i g. 2 gezeigt, haben die zu ver- Arbeitsgerade der Diode 23 in der Stellung 3 (F i g. 1).

gleichenden Spannungen die gleiche Polarität. Ist diese 20 Steigt E an, dann wandert der Arbeitspunkt der Diode

Voraussetzung nicht gegeben, so kann man der einen auf den Teil α der Kennlinie 1. Wenn E = VR ist,

Spannung eine geeignete Vorspannung überlagern. Es dann ist der Strom durch die Diode gleich Ip und, bei

wird angenommen, daß die Bezugsspannung VR einem kleinen Anstieg der Spannung E, wandert der

konstant ist und daß der diese Spannung liefernde Arbeitspunkt sehr schnell zum Teil c der Kennlinie

Generator so aufgebaut ist, daß sein innerer Wider- 25 (Schnittpunkt mit der Arbeitsgeraden 2 in Fig. 1).

stand 20 klein verglichen mit dem inneren Wider- Hieraus resultiert die hohe Schaltgeschwindigkeit der

stand 19 der Spanntmgsquelle E ist. Die inneren Tunneldiode.

Widerstände sind klein gegenüber den Basiswider- Die Spannung an der Tunneldiode, die vor dem ständen 24 und 25, die beide gleich sind. Unter diesen Umschaltvorgang etwa gleich Vp war, ist nach dem Voraussetzungen und wenn die Ansprechspannung 30 Umschaltvorgang mindestens gleich Vf. Dieser Impuls der Dioden 27 und 28 mit e bezeichnet wird, kann die mit negativer Polarität bezüglich dem Punkt C und Spannung am Punkt B nur um den Betrag ± e der Minimalamplitude Vf-Vp ist das Ausgangsbezüglich der Spannung am Punkt R schwanken, signal der Diskriminatorschaltung, und er hat eine HHabhängig davon, wie die Amplitude der Spannung E Anstiegsfianke, deren sehr kurze Anstiegszeit nur von ist. Die Anspfechspannung e einer Siliziumdiode ist 35 der Kennlinie der Tunneldiode abhängt. Dieser Impuls etwa 0,6 Volt. wird in dem aus den Transistoren 31 und 32 den

Der Transistor 29 erhält seine Spannung über die Widerständen 40, 41 und 42 und dem Entkopplungs-

Wkterstände 35 und 36, die zwischen dem Punkt D kondensator 43 bestehenden Verstärker verstärkt und

rand Erde Hegen, und sein Emitter liegt am gleichen ein positives Ausgangssignal mit der minimalen

Punkt 2> über den Widerstand 33. Die Spannung VD 40 Amplitude G (Vf-Vp) ist zwischen der Klemme S

dieses Punktes wird mit der Zehnerdiode 30 stabili- und Masse abnehmbar. G ist dabei der Verstärkungs-

siert, die mit einem Kondensator 44 überbrückt ist. faktor. Man sieht, daß man dann ein Ausgangssignal

Die Zehaaerdiode 3Θ erhält ihre Spannung über den erhält, wenn E < VR ist, da sich die Tunneldiode im

Widerstand 34 von der Klemme — V. Der Kollektor Kollektorkreis des Transistors 21 befindet,

dieses Transistors ist am Paukt A mit den Emittern 45 Befindet sich der Arbeitspunkt der Tunneldiode 23

der Transistoren! 21 und 22 verbunden, deren Kollek- im Teil c der Kennlinie 1, und der Strom «/ nimmt

toren am Punkt C Hegen. Die Tunneldiode 23 liegt ab, dann wandert der Arbeitspunkt auf der Kennlinie

in Reihe mit dem Kollektor des Transistors 21. Die abwärts, und zwar weiterhin auf dem Teil c der

Spannung VC an diesem Punkt wird mit der Zehner- Kennlinie. Er kann erst dann wieder zum Teil a

diode 26 stabilisiert* die über den Widerstand 37 an 50 zurückkehren, wenn der Strom durch die Tunneldiode

der Kkmme + V liegt kleiner als Iv wird. Ein zweiter Vergleichsvorgang

Der Transistor 29, dessen Basis und Emitter an ergibt deshalb nur dann einen Ausgangsimpuls, wenn

stabilisierten Spannungen liegen, ist deshalb eine zwischen den beiden Vorgängen die Differenz E— VR

UrstromqueHe, die einen praktisch konstanten Strom / einen bestimmten Wert annimmt. Um diesen Nachteil

liefert. Bei dem Differenzverstärker 21, 22 liegt 55 zu vermeiden, werden Stromimpulse positiver Polarität

deshalb die Basis des Transistors 22 an einer konstan- in regelmäßigen Abständen auf die Eingangsklemme N

ten Spannung^ und die Basis, des Transistors 21 ist der Schaltungsanordnung gegeben, so daß unabhängig

bezüglich der anderen Spannung um maximal ±e Volt vom Kollektorstrom des Transistors 21 der Strom in

änderbar. der Tunneldiode auf einen Wert reduziert wird, der

Nennt man in dieser Schaltung e' den Spannungs- 60 kleiner als Iv ist. Da der Transistor 29¹ wie eine abfall der Basis-Emitter-Strecke des leitenden Tran- Urstromquelle wirkt, ist der Maximalwert des Kolleksistors, und wenn \e\ > e' ist, dann führt einer der torstromes des Transistors 21 «/, wenn der Tran-Transistoren immer einen Emitterstrom /. Wenn sistor 22 gesperrt ist (Arbeitsgerade 4 in Fig. 1), \e\ < e' ist, dann führen beide Transistoren Strom und es genügt, wenn die Amplitude IN dieses Impulses und der Strom I wird auf die Emitter entsprechend 65 größer als «/—Jv ist. Sie kann z. B. gleich xl—Im, den Spannungen E und: VR verteilt. Wenn also wie in Fig. 1 gezeigt, sein. Mit diesem Strom- E = VR ist, dann fließt je die Hälfte des Stromes / impuls INwird außerdem erreicht, daß die Rückflanke in jedem der beiden Transistoren. Wenn E> VR des Ausgangssignals sehr steil ist und daß Übergangs-

vorgänge unterdrückt werden, die sonst am Anfang eines Vergleichsvorganges auftreten können, wie z. B. bei einem Analog-Digitalwandler mit Rückkopplung.

Es wird darauf hingewiesen, daß, wenn der Kollektorstrom des Transistors 21 kleiner als al ist, die Tunneldiode im negativen Bereich der Kennlinie arbeitet, wenn sie mit dem Signal IN angesteuert wird. Daraus entstehen jedoch keine Nachteile, da die negative Kennlinie, die mit d in Fig. 1 bezeichnet ist, die Verlängerung des Teils α der positiven Kennlinie ist.

In der Beschreibung wurde angenommen, daß eine der zu vergleichenden Spannungen (die Spannung VR) konstant war. Die Diskriminatorschaltung gemäß der Erfindung kann auch zum Vergleich zweier Spannungen mit veränderlichen Amplituden El und El verwendet werden. Die Voraussetzung hierfür ist lediglich, daß die beiden Signalquellen unterschiedliche innere Widerstände haben, damit die Spannungsdifferenz El—El begrenzt werden kann.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Vergleich zweier Signale gleicher Polarität, die von Quellen unterschiedlichen inneren Widerstandes geliefert werden, mit einem Differenzverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker aus zwei Transistoren (21, 22) besteht, deren Emitter gemeinsam von einer Urstromquelle (29, 30, 33, 34, 35, 36, 44) gespeist werden und deren Basen über Widerstände (24, 25) mit den zu vergleichenden Signalquellen (E, VR) verbunden sind, und daß der Kollektor des einen Transistors (21) über eine Tunneldiode (23) und der Kollektor des anderen Transistors (22) direkt an Spannung liegen und daß am Verbindungspunkt der Tunneldiode (23) und dem Kollektor des einen Transistors (21) Rückstellimpulse (N) zuführbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Signalquellen (E, VR) zwei antiparallel geschaltete Dioden (27,28) liegen, deren Ansprechspannung (e) so festgelegt ist, daß die von der Signalquelle mit größerem Innenwiderstand abgegebene Spannung auf die Spannung der anderen Signalquelle ±e Volt begrenzt wird.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß infolge des von der Urstromquelle gelieferten konstanten Stromes die Summe al der Kollektor ströme der beiden Transistoren (21, 22) konstant ist und daß die Anordnung so ausgelegt ist, daß bei gleichen Werten der zu vergleichenden Signale der Kollektorstrom jedes Transistors (21, 22) gleich -^- ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Höckerstrom der Tunneldiode den Wert -^- hat und daß die Tunneldiode sich im niederohmigen Zustand befindet, wenn das Eingangssignal des zugeordneten Transistors (21) kleiner ist als das Eingangssignal des anderen Transistors (22) und umgekehrt.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der eine steile Rückflanke des Ausgangssignals bewirkenden Rückstellimpulse mindestens gleich der Differenz des Stromes cc I und dem Talstrom der Tunneldiode sind.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Verbindungspunkt des Transistors (21) und der Tunneldiode (23) über einen Verstärker (31, 32) die Signale der Tunneldiode (23) dem Ausgang (S) zugeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

503 580/345 S. 65 © Bundesdruckerei Berlin