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Die
Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Schaltung mit elektronischen
Schaltbauteilen mit Feldeffekt-Transistoren auf einer Subtratbasis
aus Galium-Arsenid. Die Mikrowellen-Schaltung kann insbesondere
aber nicht ausschließlich
als stufenweise Dämpfungsschaltung
zum schnellen Schalten hochfrequenter Signale ausgebildet sein.
Die Schaltbauteile bzw. die GaAs-FET sind durch eine Lichtquelle
beleuchtbar, wobei das dabei auf die Feldeffekt-Transistoren auftreffende
Licht insbesondere die Schaltzeiten der Feldeffekt-Transistoren
bzw. der elektronischen Schaltbauteile wesentlich verkürzt.
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Feldeffekt-Transistoren
lassen sich bekanntermaßen
sehr leicht auf einem Halbleiterchip realisieren. Darüber hinaus
benötigen
sie nur sehr wenig Steuerleistung. Eine Belichtung von Feldeffekt-Transistoren
auf Galium-Arsenid-Basis,
insbesondere von MESFET, hat zu Folge, daß Störstellen, welche an den Halbleitergrenzflächen insbesondere
unterhalb der Gate-Elektrode auftreten und negativen Einfluß auf die
Schaltzeiten der Feldeffekt-Transistoren haben,
schneller umgeladen werden. Der negative Einfluß der Störstellen ist bei MESFET-Bauelementen als
Gate-Lag-Effekt bekannt und wird als äußerst langsame Änderung
des Bahnwiderstandes meßbar. Ursache
ist die langsame Auf- bzw. Entladung der Oberflächenstörstellen der Source-Gate-Strecke
und der Gate-Drain-Strecke. Durch die Beleuchtung der Feldeffekt-Transistoren werden
Elektronen-Loch-Paare erzeugt, welche die in den Störstellen
gefangenen Ladungen neutralisieren. Durch die Beleuchtung läßt sich
der Gate-Lag-Effekt unterdrücken
und die Schaltzeit um den Faktor 10–100 verkürzen.
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Hochfrequenz-Schaltungen,
beispielsweise Mikrowellen-Schaltungen,
die als Dämpfungsschaltungen
ausgeführt
sind, werden z. B. in der Hochfrequenztechnik für Meßzwecke und zur Pegelregelung in
Signalgeneratoren und Netzwerkanalysatoren eingesetzt. Um beispielsweise
Meßreihen
mit verschiedenen veränderlichen
Parametern schnell durchfahren zu können, müssen die Dämpfungsschaltungen bzw. die
in ihnen zum Einsatz kommenden Feldeffekt-Transistoren sehr schnell
schalten können
und einen großen
Dynamikbereich aufweisen. Dabei werden insbesondere wegen ihrer
ausgezeichneten Hochfrequenztauglichkeit und ihrer sehr geringen Schaltzeiten
Schaltungen mit Feldeffekt-Transistoren auf Galium-Arsenid-Basis
verwendet, die in neueren Schaltungsanordungen insbesondere zur
weiteren Schaltzeitverkürzung
zudem beleuchtbar sind.
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Beispielsweise
ist aus der
DE 102
28 810 A1 eine solche gattungsgemäße Mikrowellen-Schaltung bekannt.
Das dort offenbarte digital ansteuerbare Dämpfungsglied ist mit Feldeffekt-Transistoren
als Schaltelementen aufgebaut, die durch eine Lichtquelle, beispielsweise
eine LED beleuchtbar sind. Die Lichtquellen werden ungeregelt betrieben
und unabhängig
von anderen die Schaltzeit der Feldeffekt-Transistoren beeinflussenden
Größen angesteuert,
so daß insbesondere
die Lichtstärke
und die Lichtfarbe bzw. die Strahlungsenergie im Betrieb des Dämpfungsglieds
nicht veränderbar
sind.
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Nachteilig
bei der aus der
DE
102 28 810 A1 hervorgehenden elektronischen Mikrowellen-Schaltung
mit beleuchtbaren Feldeffekt-Transistoren auf einer Subtratbasis
aus Galium-Arsenid
ist, daß die Schaltzeiten
der Feldeffekt-Transistoren
abhängig von
die Feldeffekt-Transistoren beeinflussenden Größen, wie z. B. Temperatur,
Signalspannung und Steuerspannung, im Betrieb stark schwanken.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellen-Schaltung
mit kurzer, konstanter und reproduzierbarer Schaltzeit und eine entsprechende Kalibriervorrichtung
und ein entsprechendes Kalibrierverfahren zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
der Mikrowellen-Schaltung durch die Merkmale des Anspruchs 1, bezüglich der
Kalibriervorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 12 und bezüglich des
Kalibrierverfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung hat den Vorteil, daß die Mikrowellen-Schaltung
mit beleuchtbaren Feldeffekt-Transistoren
die Schaltzeiten der Feldeffekt-Transistoren mit geringem Aufwand
besonders kurz und konstant halten kann und so die Schaltzeiten
in Abhängigkeit
von Betriebsparametern vorhersagbar sind. Außerdem wird der Leistungsbedarf
der Lichtquellen und die Wärmewirkung
der Lichtquelle auf die Feldeffekt-Transistoren minimiert.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist die Mikrowellen-Schaltung so ausgebildet,
daß die Lichtquelle
abwechselnd oder gleichzeitig in unterschiedlichen Farben leuchten
kann und so Farbkombinationen erzeugt werden können, wobei die Lichtquelle
z. B. in Rot, Gelb, Grün,
Weiß,
Blau, Ultraviolett und Infrarot leuchten bzw. leuchten kann.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung der Erfindung weist die Mikrowellen-Schaltung
eine Steuervorrichtung auf, welche die Lichtstärke und/oder die Lichtfarbe
der Lichtquelle steuert oder regelt.
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Vorteilhaft
ist es außerdem,
wenn die Steuervorrichtung die Lichtstärke und/oder die Lichtfarbe
in Abhängigkeit
von zumindest einer Meßgröße oder
einer Kombination von Meßgrößen steuert
oder regelt.
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Durch
die Messung und Verwendung der Meßergebnisse der Meßgrößen Polarität der Signalspannung
gegenüber
der Steuerspannung mit der die Feldeffekt-Transistoren angesteuert
werden, Höhe
der Signalspannung gegenüber
der Steuerspannung mit der die Feldeffekt-Transistoren angesteuert
werden, Temperatur der Feldeffekt-Transistoren, Pegel der Signalspannung
und Höhe
der Signalfrequenz kann die Lichtquelle durch die Steuervorrichtung
besonders genau geregelt oder gesteuert werden.
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In
einer weiteren Weiterbildung steuert oder regelt die Steuervorrichtung
die Lichtquelle in einer Weise, daß die Schaltzeiten der Feldeffekt-Transistoren über den
gesamten Bereich der im Betrieb vorkommenden Werte der verwendeten
Meßgrößen konstant
bleibt, wobei die Schaltzeiten dabei minimiert sind.
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Vorteilhafterweise
weist die Steuervorrichtung einen Speicher auf, in dem die jeweils
in Abhängigkeit
der Werte der verwendeten Meßgrößen optimale
Lichtstärke
und/oder Lichtfarbe der Lichtquelle für eine Mehrzahl von Werten
der Meßgrößen abgelegt
ist, wobei die Steuervorrichtung die Lichtstärke und/oder die Lichtfarbe
der jeweiligen Lichtquelle aufgrund der in dem Speicher abgelegten
Werte der verwendeten Meßgrößen einstellt
bzw. steuert oder regelt.
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Vorteilhafterweise
weist die erfindungsgemäße elektronische
Mikrowellen-Schaltung zumindest einen Sensor im Bereich des jeweiligen
Feldeffekt-Transistors bzw. des jeweiligen Halbleitersubstrats auf,
welcher die Lichtstärke
und/oder die Temperatur erfasst.
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Die
erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung ist
in der Lage, die Lichtfarbe und/oder Lichtstärke der Lichtquelle der Mikrowellen-Schaltung über einstellbare
Wertebereiche der Meßgrößen zu kalibrieren,
um die Lichtstärke
und/oder Lichtfarbe optimal einstellbar zu machen.
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Vorteilhafterweise
weist die Kalibriervorrichtung einen Steueranschluß zum Steuern
einer Kühlung/Heizung
zum Kühlen
oder Erwärmen
der Feldeffekt-Transistoren auf. Die Temperatur der Feldeffekt-Transistoren
kann damit gesteuert werden und willkürlich verändert werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Darstellungen
an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Übereinstimmende Bauteile
sind dabei mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen. In der Zeichnung zeigt:
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1 ein
schematisch dargestelltes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Mikrowellen-Schaltung
und einer Kalibriervorrichtung.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Mikrowellen-Schaltung 1,
welche an eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung 20 angeschlossen
ist.
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Die
Mikrowellen-Schaltung 1 ist im Ausführungsbeispiel als Dämpfungsschaltung
ausgeführt. Im
Betrieb der Mikrowellen-Schaltung 1,
beispielsweise in einer nicht dargestellten Meßanordnung, werden an einem
Eingang 9 anliegenden Eingangs-Hochfrequenz-Signale 16 einer
Schaltungsanordung mit GaAs-Feldeffekt-Schalttransistoren 15 und
Dämpfungselementen
zugeführt
und dabei mit schnell umschaltbaren Dämpfungen beaufschlagt. Die
Eingangs-Hochfrequenz-Signale 16 werden
an einem Ausgang 10 mehr oder minder bedämpft als Ausgangs-Hochfrequenz-Signale 17 ausgegeben.
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Die
schematisch dargestellten Feldeffekt-Transistoren 15 sind
auf einem Halbleiterchip 5 integriert und als Feldeffekt-Transistoren 15 auf
einer Subtratbasis aus Galium-Arsenid (GaAs) ausgebildet. Die GaAs-FET
sind durch eine Lichtquelle 2, welche im Ausführungsbeispiel
als Leuchtdiode ausgebildet ist, beleuchtbar. Die Lichtquelle 2 beleuchtet die
GaAs-FET, welche auf mit einem nicht gesondert dargestellten transparenten
eigenen Gehäuse
versehenen Halbleiterchip 5 ausgebildet sind. Die Lichtquelle 2 ist
im Ausführungsbeispiel
nahe neben dem Halbleiterchip 5 dargestellt, kann aber
ebenso über dem
Halbleiterchip 5 angeordnet sein. Ebenso können GaAs-MESFET verwendet
werden.
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Die
Mikrowellen-Schaltung 1 ist auf einem Träger 14,
welcher beispielsweise eine Leiterplatine sein kann, aufgebaut.
Auf dem Träger 14 befinden sich
im Ausführungsbeispiel
außerdem
eine zur Mikrowellen-Schaltung 1 gehörende Gehäusekammer 12,
ein Steueranschluß 11,
eine Steuervorrichtung 6 und ein Sensor 8. Die
Steuervorrichtung 6 weist zudem einen Speicher 7 und
einen Digital/Analog-Wandler 13 auf. Im Betrieb der als
Dämpfungsschaltung
ausgebildeten Mikrowellen-Schaltung 1 werden die gewünschten
Dämpfungswerte über den digitalen
Steueranschluß 11 durch
die Steuervorrichtung 6 ausgewählt und eingestellt.
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Die
Schaltzeiten der durch die Lichtquelle 2 beleuchtbaren
Feldeffekt-Transistoren 15 sind von einer Reihe von Einflußgrößen abhängig. Insbesondere
sind die Schaltzeiten abhängig
von der Lichtstärke
bzw. Beleuchtungsstärke
mit der die Lichtquelle 2 die Feldeffekt-Transistoren 15 beaufschlagt,
von der Lichtfarbe die die Lichtquelle 2 emittiert, von
der Temperatur der Feldeffekt-Transistoren 15, von der Höhe der durch
den jeweiligen Feldeffekt-Transistor 15 zu
schaltenden Signalspannung gegenüber
der Steuerspannung mit der der Feldeffekt-Transistor 15 angesteuert
wird, wobei die Signalspannung abhängig ist von dem Eingangs-Hochfrequenz-Signal 16, von
der Höhe
der Signalfrequenz, welche im Ausführungsbeispiel der Frequenz
des Eingangs-Hochfrequenz-Signals 16 entspricht, und von
der Polarität der
Signalspannung gegenüber
der Steuerspannung.
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In
den meisten Anwendungsfällen
ist es wünschenswert,
wenn die Schaltzeiten der Feldeffekt-Transistoren 15 und
damit der Mikrowellen-Schaltung 1 über einen weiten Wertebereich
der Einflußgrößen konstant
bleibt. Da aber die Größen der
Eingangs-Hochfrequenz-Signale naturgemäß schwanken, die Steuerspannung
der Feldeffekt-Transistoren 15 aber nur in einem sehr engen Bereich
frei gewählt
werden können
und die Temperatur der Feldeffekt-Transistoren nur mit sehr großem technischen
Aufwand und nur sehr langsam angepaßt bzw. gesteuert oder geregelt
werden kann, wird im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Lichtstärke und/oder
die Lichtfarbe der Lichtquelle 2 in Abhängigkeit einer Einflußgröße oder
einer Kombination der verbleibenden Einflußgrößen, im folgenden Meßgrößen genannt,
eingestellt bzw. gesteuert oder geregelt.
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Die
im Betrieb in Lichtfarbe und/oder Lichtstärke veränderbare Lichtquelle 2 wird
im Ausführungsbeispiel über den
Digital/Analog-Wandler 13 der Steuervorrichtung 6 mit
einem digitalen Signal angesteuert. Das digitale Signal steuert
die Lichtstärke
und/oder Lichtfarbe der Lichtquelle 2. Die Lichtquelle 2 kann
dabei beispielsweise als zweifarbige LED ausgebildet sein, die in
einer von zwei Farben oder in beiden gleichzeitig strahlen kann.
Es kann auch eine stark im Ultraviolettbereich oder Infrarotbereich
strahlende Lichtquelle 2 und/oder eine Laserdiode verwendet.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
stellt die Steuervorrichtung 6 die Lichtstärke und/oder
Lichtfarbe der Lichtquelle 2 über den D/A-Wandler 13 in
Abhängigkeit
einer oder mehrerer der Einflußgrößen, z. B.
- – Polarität der Signalspannung
gegenüber
der Steuerspannung mit der die Feldeffekt-Transistoren 15 angesteuert
werden,
- – Höhe der Signalspannung
gegenüber
der Steuerspannung mit der die Feldeffekt-Transistoren 15 angesteuert
werden,
- – Temperatur
der Feldeffekt-Transistoren 15,
- – Pegel
der Signalspannung und
- – Höhe der Signalfrequenz
ein,
wobei diese Einflußgrößen im gezeigten
Ausführungsbeispiel
durch die Mikrowellen-Schaltung 1 im Betrieb gemessen werden
und als Meßgrößen in der Steuervorrichtung 6 erfasst
werden. Der D/A-Wandler stellt im gezeigten Ausführungsbeispiel die Spannungsversorgung
der betreffenden Lichtquelle 2 ein und damit den Strom
durch die Lichtquelle 2.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
wird die Lichtstärke
und/oder Lichtfarbe der Lichtquelle 2 von der Steuervorrichtung 6 geregelt.
Dazu ist ein nahe neben dem betreffenden Feldeffekt-Transistor 15 angeordneter
Sensor 8 vorgesehen. Der Sensor 8 mißt die Beleuchtungsstärke der
betreffenden Lichtquelle 2 und gibt diese an die Steuervorrichtung 6 weiter.
Im Ausführungsbeispiel
mißt der
Sensor 8 auch die Temperatur im Bereich des betreffenden
Feldeffekt-Transistors 15. In anderen Ausführungsbeispielen
kann der Sensor 8 beispielsweise auf dem Halbleiterchip 5 integriert
sein. In weiteren Ausführungsbeispielen
kann der Sensor 8 beispielsweise nur die Temperatur messen,
wobei dann die Lichtstärke
der betreffenden Lichtquelle 2 von der Steuervorrichtung 6 nur
gesteuert werden kann.
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Die
Steuervorrichtung 6, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel
die Lichtstärke
und/oder Lichtfarbe der betreffenden Lichtquelle 2 in Abhängigkeit
der Meßgrößen, z.
B.
- – Polarität der Signalspannung
gegenüber
der Steuerspannung, mit der die Feldeffekt-Transistoren 15 angesteuert
werden,
- – Höhe der Signalspannung
gegenüber
der Steuerspannung, mit der die Feldeffekt-Transistoren 15 angesteuert
werden,
- – Temperatur
der Feldeffekt-Transistoren 15,
- – Pegel
der Signalspannung und
- – Höhe der Signalfrequenz
so
regelt, daß die
Schaltzeiten des betreffenden Feldeffekt-Transistors 15 über die
zu erwartenden bzw. zulässigen
Wertebereiche der Einflußgrößen konstant
ist, wählt
die Lichtstärke
dabei gerade so groß wie
nötig und/oder
die Wellenlänge
der Lichtfarbe optimal ist. Die Wärmeentwicklung und der Temperatureinfluß der Lichtquelle 2 auf
den Feldeffekt-Transistor 15 wird dabei reduziert. Außerdem wird
im gezeigten Ausführungsbeispiel
die Lichtstärke
und/oder Lichtfarbe von der Steuervorrichtung 6 so ausgewählt, daß die Schaltzeiten
des betreffenden Feldeffekt-Transistors 15 so kurz wie
möglich sind.
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Im
Speicher 7 der Steuervorrichtung 6 ist für jeweils
jede Kombination der vorkommenden Werte der verwendeten Meßgrößen, wobei
auch nur eine Meßgröße verwendet
werden kann, die optimale Lichtstärke und/oder Lichtfarbe abgelegt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wird die Lichtstärke und/oder
Lichtfarbe so optimal ausgewählt,
daß eine möglichst
kurze Schaltzeit erreicht wird, wobei die Lichtstärke und/oder
Lichtfarbe dabei so eingeregelt werden können, daß sich auch bei ungünstigsten Werten
der Meßgrößen eine
konstante Schaltzeit durch die Regelung der Lichtfarbe und/oder
Lichtstärke
einstellen läßt, die über alle
zu erwartenden bzw. zulässigen
Werte der Meßgrößen konstant
ist.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
wird die Mikrowellen-Schaltung 1 bzw.
die Lichtstärke und/oder
die Lichtfarbe der Lichtquelle 2 vor einem Einsatz in beispielsweise
einer Meßanordnung
mittels einer erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung 20 kalibriert.
Die an der Mikrowellen-Schaltung 1 angeschlossenen Kalibriervorrichtung 20 wird
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben.
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Die
Kalibriervorrichtung 20 weist im wesentlichen einen Signalgenerator 21 und
einen Kontroller (Steuereinheit) 22 mit einem Speicher 25 auf.
Der Signalgenerator 21 erzeugt das Eingangs-Hochfrequenz-Signal 16 und
gibt dieses über
einen Kalibrierausgang 29 an den Eingang 9 der
Mikrowellen-Schaltung 1 weiter. Der Kontroller 22 steuert über einen
Kalibrieranschluß 24,
welcher mit dem Steueranschluß 11 verbunden
ist, die Mikrowellen-Schaltung 1 bzw. die Steuervorrichtung 6,
wobei er durch digitale Steuersignale zwischen den gewünschten Dämpfungswerten
umschaltet und die Lichtstärke und/oder
Lichtfarbe einstellt. Das Ausgangs-Hochfrequenz-Signal 17 wird über einen
mit dem Ausgang 10 verbundenen Kalibriereingang 30 dem
Kontroller 22 zugeführt.
Außerdem
steuert der Kontroller 22 den Signalgenerator 21,
wobei der Signalgenerator 21 die jeweils vom Kontroller 22 gewünschten
Ausgangs-Hochfrequenz-Signale 16 erzeugt, und optional über einen
Steueranschluß 23 eine
Kühlung/Heizung 31 zur Änderung
der Temperatur der Mikrowellen-Schaltung 1 bzw. der Feldeffekt-Transistoren 15.
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Die
erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung 20,
welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben
wird, variiert nun mittels des Kontrollers 22 die Einflußgrößen, welche
die Schaltzeit der Feldeffekt-Transistoren 15 beeinflussen. Über den
Signalgenerator 21 werden durch die Veränderung des Eingangs-Hochfrequenz-Signals 16 variiert
und eingestellt:
- – Polarität der Signalspannung gegenüber der Steuerspannung,
mit der die Feldeffekt-Transistoren 15 angesteuert werden,
- – Höhe der Signalspannung
gegenüber
der Steuerspannung, mit der die Feldeffekt-Transistoren 15 angesteuert
werden,
- – Pegel
der Signalspannung und
- – Höhe der Signalfrequenz.
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Die
Temperatur der Feldeffekt-Transistoren 15 kann optional
vom Kontroller 22 durch die Heizung/Kühlung 31 variiert
und eingestellt werden. Die Lichtstärke bzw. Lichtfarbe der Lichtquelle 2 wird
vom Kontroller 22 über
den Steueranschluß 11 und
die Steuervorrichtung 6 variiert und eingestellt. Über die vom
Sensor 8 über
die Steuervorrichtung 6 und den Steueranschluß 11 übermittelte
Temperatur ist der Kontroller 22 im Stande die Temperatur
der Feldeffekt-Transistoren 15 zu regeln bzw. durch Steuern der
Heizung/Kühlung
konstant zu halten oder zu verändern.
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Die
Werte der Einflußgrößen werden
schrittweise variiert bzw. verändert
und für
jede Änderung wird
die Schaltzeit des betreffenden Feldeffekt-Transistors 15 bestimmt,
indem der Zeitpunkt des Schaltbefehls vom Kontroller 22 mit
dem vom Kontroller 22 empfangenen Eintritt der Dämpfung im
Ausgangs-Hochfrequenz-Signal 17 verglichen wird, wobei
die Schrittweiten wählbar
sind und die Wertebereiche der Einflußgrößen in vorhersehbaren bzw.
zulässigen
Bereichen liegen bzw. so gewählt
sind. Beispielsweise wird jeweils eine Einflußgröße schrittweise verändert und
gleichzeitig die anderen Einflußgrößen konstant
gehalten. Die dabei auftretenden werte der Einflußgrößen werden
im Speicher 25 gespeichert und dann ausgewertet, indem
für jede
Kombination der Werte der Meßgrößen Einstellwerte
für die jeweils
optimale Lichtstärke
und/oder Lichtfarbe der Lichtquelle 2 bestimmt werden,
bei denen eine minimierte Schaltzeit über alle möglichen Wertekombinationen
konstant gehalten werden kann. Die Auswertung wird in Form einer
n-dimensionalen
Tabelle entweder zuerst im Speicher 25 gespeichert und
dann an den Speicher 7 übertragen
oder unmittelbar in den Speicher 7 geschrieben.
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Der
Kontroller 22 ist über
einen Programmieranschluß 33 beispielsweise
von einem Computer (PC) 32 aus programmierbar. Über den
Programmieranschluß 32 kann
der Kontroller 22 auch gesteuert werden oder es können Daten
aus dem Speicher 25 ausgelesen werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Die Merkmale des Ausführungsbeispiels
können
in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.