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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Spannungspulserzeugung
mit einer Vollbrücke
mit zwei Widerständen
und zwei weiteren elektronischen Bauelementen, wobei an einer Diagonalen
der Vollbrücke
Eingang und Ausgang der Schaltungsanordnung liegen und an der anderen Diagonalen
der Spannungspuls erzeugt wird.
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Stand der Technik
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Im
Stand der Technik wird die Puls- und Impulsformung mit C-R- und
R-L-Differenzierschaltungen,
exklusiv-geoderten Logikgatter-Zeitverzögerungsschaltungen, Spannungsfenster-Komparatorschaltungen,
Triggerdiodenschaltungen oder mit einem Avalanche-Generator erzeugt.
Bei den zuletzt genannten Schaltungen handelt es sich um spezielle Schwellwertschaltungen.
Nachteilig bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen
zur Spannungspulserzeugung sind jedoch in der Anwendungspalette
und dem prinzipiellen Gebrauch von kapazitiv oder induktiv sowie
zeitverzögernden Schaltungen
zu sehen, die aufwändig
und leistungsbeschränkend
sind. Außerdem
sind derartige Schaltungen schon seit dem Einsatz der Röhrentechnik bekannt
und überaltert.
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Der
Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird
in der
DE 35 29 054 A1 beschrieben.
Der dort gezeigte Impulsgenerator ist vom Typ eines Marx-Generators
mit n + 1 Kondensatoren, die parallel durch Widerstände verbunden sind,
und mit Entladefunkenstrecken, um diese Kondensatoren über einen
Verbraucherkreis derart zu entladen, dass die an den Verbraucherkreis
anliegende Spannung gleich (n + 1)V ist, wenn V die Ladespannung
der Kondensatoren ist. Dabei ist der Generator dadurch gekennzeichnet,
dass die Kondensatoren und die Entladefunkenstrecken einen Stapel aus
kreisförmigen
Platten bilden, die mit axialen Öffnungen
durchbohrt sind. Diese Platten und die Widerstände befinden sich in einem
dichten Gehäuse, welches
ein Gas enthält,
das den Überschlag
der Entladefunkenstrecken unterstützt, der durch die durch die Öffnungen
hindurchgehenden Strahlung einer Quelle ausgelöst wird. Prinzipiell besteht
die gattungsbildende Schaltungsanordnung aus einer Kaskadierung
von einzelnen Vollbrücken
(geschlossene Brückenschaltung).
Dabei weist jede Vollbrücke
zwei Widerstände
und zwei weitere lineare elektronische Bauelemente – hier die
Plattenkondensatoren mit linearer Kennlinie – auf. An einer Diagonalen
der Vollbrücke
sind Eingang und Ausgang der Schaltungsanordnung angelegt, an der
anderen Diagonalen wird der Spannungspuls – hier die Funkenentladung – erzeugt.
Neben der relativ schwer beherrschbaren Technik der Funkenentladung
(Gastechnik in dichten Gehäusen)
zeigt diese Schaltung somit die bei Einsatz von Kondensatoren bekannten
aufwändigen und
leistungsbegrenzenden Maßnahmen.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabe für
die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art anzugeben, mit der in einfacher und zuverlässiger Weise einer
Pulserzeugung – und
auch Pulsformung – möglich ist.
Dabei sollen keine zeitabhängigen
Bauelemente, keine primär
verzögernden
Komponenten und keine speziellen Schwellwertschaltungen mit Komparatoren
eingesetzt werden. Als Lösung
für diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die beiden weiteren nichtlinearen, elektronischen Bauelemente
mit von einander natur-, fertigungs- oder beschaltungsbedingt geringfügig abweichenden Strom-Spannungskennlinien,
aber vergleichbaren Sättigungswerten
ausgebildet und in zwei Armen der Vollbrücke auf einer Seite der anderen
Diagonalen angeordnet sind, dass die beiden Widerstände in den beiden
anderen Armen der Vollbrücke
angeordnet sind und dass der Eingang der Vollbrücke mit einer Spannungsrampe
beaufschlagt wird.
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Die
Erfindung beruht auf der Idee, die Streuungen der nichtlinearen
Strom-Spannungskennlinien zwischen
den beiden elektronischen Bauelementen auszunutzen. Dabei können diese
Kennlinienstreuungen natürlich
oder fertigungsbedingt sein oder durch eine spezielle Beschaltung
hervorgerufen werden. Voraussetzung dabei ist lediglich, dass die
beiden Bauelemente in vergleichbare Sättigungswerte übergehen.
Dies ist jedoch eine Gegebenheit für eine sehr große Klasse
der für
die Schaltungsanordnung infrage kommenden Bauelemente (insbesondere
nanoskalierende Ionenimplantationshalbleiter, beispielsweise TEMPOS,
Elektronengashalbleiter, diskrete Sperrschichthalbleiter und Volumenhalbleiter). Durch
die geringfügige
Streuung der Kennlinien der beiden elektronischen Bauelemente beim
Anlegen einer Spannungsrampe an den Eingang der Schaltungsanordnung – also bei
gleichen Einströmungen in
die beiden Bauelemente – erhebt
sich ein Spannungsunterschied auf ein Maximum, ausgehend von einem
Nullwert im Ursprung und im Sättigungswert. Dieser
Verlauf stellt den erzeugten Spannungspuls oder -impuls dar. An
dieser Stelle sei angemerkt, dass die Nutzung der Streuung von nichtlinearen Kennlinien
zur Pulserzeugung prinzipiell auch auf andere Gebiete, beispielsweise
Mechanik, Pneumatik, Hydraulik, übertragbar
ist. Auch hier existieren Bauelemente mit gleichem Sättigungswert
und geringfügig unterschiedlichen
Kennlinien. Die Zusammenschaltung derartiger gleicher Bauelemente
erzeugt ebenfalls den Puls, jedoch in der jeweiligen physikalischen Größe für Kurz-
und Langzeitbereiche.
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Vorteilhaft
ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
der geringe Bedarf an Bauelementen gegenüber vergleichbaren Schaltungsanordnungen
aus dem Stand der Technik. Weiterhin kann eine große Klasse
von elektronischen nichtlinearen Bauelementen mit entsprechendem
Sättigungsverhalten
eingesetzt werden. Schließlich
ist die Schaltungsanordnung leicht mittels bekannter Herstellungstechnologien
realisier- und integrierbar. Besonders vorteilhaft ist es bei der
Erfindung, dass in der zugrunde liegenden funktionalen Strom-Spannungsabhängigkeit
der Zeitparameter nicht auftritt, sodass mit der Erfindung auch
Ultrakurzbereiche der Impulsformung als Voraussetzung für eine beispielsweise superschnelle
Nanodigitaltechnik erschlossen werden können. Weitere Anwendungsgebiete
der Erfindung liegen insbesondere neben dem Aufbau schneller Impulsschaltungen
für die
praktische Realisierung von Digital-Modulatoren mit BPSK oder ASK-Modulation
in der Kommunikationstechnik auch im Bereich von In-Circuit-Tests
von Halbleiterbauelementen. Anwendung finden die erzeugbaren Pulse auch
in der schnellen Analogtechnik.
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Vorteilhaft
können
bei der Erfindung die beiden weiteren elektronischen nichtlinearen
Bauelemente als Dioden oder Transistoren auf Halbleiterbasis ausgebildet
sein. Insbesondere bei Halbleiterbauelementen gleicher Halbleiterstruktur,
in denen die Bewegung und Umordnung von Elektronen bzw. Löchern als
Ladungsträger
ausgenutzt wird, ergibt sich die postulierte Kennlinienstreuung
bei gleichem Sättigungsverhalten.
Aber die Idee der Pulsformung mit Hilfe von Differenzpulsen nach
der Erfindung bezieht sich jedoch nicht nur auf Differenzen von
Pulsen, die mit herkömmlicher
Elektronik durch Halbleiterstrukturen erzeugt wurden, sondern auch
auf Differenzen von Pulsen, die mit Hilfe von auf Ladungstransport durch
Ionen (z.B. in Elektrolyten) beruhenden elektronischen Bauelementen
hergestellt wurden. Ein repräsentatives
Bauelement dieser Gruppe ist die konisch zulaufende Ionenspur-Diode,
vergleiche
DE 102
44 914 A1 . Die in dieser Publikation gezeigten Dioden-Charakteristiken
sind zwar im Allgemeinen von schlechter Qualität, dies liegt aber nur daran, dass
bei diesen geringen Strömen
auch der elektrische Widerstand der an sich isolierenden Polymerfolie
in der Größenordnung
von Tera-Ohm als Parallelwiderstand nicht mehr vernachlässigt werden
kann. Die schlechte Qualität
dieser so genannten „Siwy-Diode" liegt jedoch nur
teilweise an dem störenden
Einfluss der Kurzschlussströme
durch die benachbarte unbestrahlte Folie. Neuerdings existieren
mehrere Simulationsrechnungen, die zeigen, dass die spezielle Potenzialverteilung
in einer asymmetrischen Pore kaum eine bessere Dioden-Charakteristik
erwarten lassen kann. Bei einer Berücksichtigung des Folienwiderstands
ergeben sich weitaus bessere Diodenkennlinien. Da aber für die Differenzpulsidee
nach der Erfindung die Fläche
unter der Kennlinie entscheidend ist und diese Fläche mit
steigendem Parallelwiderstand zu den für die Differenzpulserzeugung
benutzten Dioden ansteigt, ist die Ionenspur-Diode besonders geeignet
für die
Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Eine derartige ionisch gesteuerte
Ionenspur-Diode kann als ICR (Ionic Controlled Rectifier) bezeichnet
werden. Dabei umfasst das Differenzpuls-Konzept jedoch nicht nur
die Differenz zweier aus geometrischen Gründen verschiedener konischer
Ionenspur-Dioden, sondern es funktioniert auch für zwei identische Ionenspur-Dioden, wenn
sie mit Elektrolyten verschiedener Konzentration oder verschiedenen
pH-Wertes oder mit verschiedenen Elektrolyten gefüllt sind.
D.h. ein Paar aus zwei Ionenspur-Dioden wirkt über den aus ihnen extrahierbaren
Differenzpuls als Sensor für
die Differenzen chemischer Parameter: chemische Zusammensetzung,
Konzentration, und pH-Wert. Die Größe der Differenzen lässt sich
dann aus der Differenz-Pulsform ablesen. Hierbei sind Messungen
sowohl im stromdurchflossenen Zustand oder im stromlosen Zustand
möglich
sein. Im letzteren Fall wirken die Ionenspur-Dioden auf Grund der
gerichteten Ladungsträger-Bewegung
wie Batterien. Bei der Messung von Parameter-Differenzen kann auch die zeitliche Veränderung
der Parameter erfasst werden, sodass in der Chemie Fluktuationen
von Parametern erfasst werden können,
beispielsweise in einem Sensor für mikrofluide
Turbulenzen.
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Weiterhin
haben auch Magnetfelder und Ultraschall einen Einfluss auf die Ionenspur-Dioden-Charakteristik.
Magnetfelder parallel zu der Ionenspur haben aufgrund der auftretenden
Lorentz-Kraft eine Vergrößerung des
Dioden-Widerstandes
zur Folge, Ultraschall hoher Frequenz reduziert die gleichrichtende
Dioden-Eigenschaft. D.h. Differenzpulse einer unbehandelten und
einer mit Ultraschall oder Magnetfeldern behandelten Polymerfolie mit
Ionenspur-Dioden können
als Sensor für
diese beiden physikalischen Größen dienen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht weiterhin
vor, dass die Dioden als parametrierte Halbleiterverbundstruktur
mit zumindest einem Halbleitersubstrat mit wählbarer p- oder n-Dotierung
und elektrischer Leitfähigkeit
und einer angrenzenden planaren Schicht aus einem elektrisch isolierenden
Material mit im Wesentlichen vertikal integrierten Dotierungskanälen, in
die ein elektrisch leitfähiges
Material mit wählbarer
elektrischer Leitfähigkeit
eingebracht ist, wobei Ladungsträger
in der Halbleiterverbundstruktur migrieren, und einer elektrischen
Kontaktierung aus mehreren auf der Schicht aus einem elektrisch
isolierenden Material und dem Halbleitersubstrat angeordneten Elektroden,
ausgebildet sind. Dabei sind die Dotierungskanäle als nanoskalierte Poren
mit wählbarer
Verteilung in der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material sowie
wählbarem
Porendurchmesser, Porentiefe und Porenform ausgebildet. Weiterhin
ist mit dem in die Poren eingebrachten oder mit einem anderen, elektrisch
leitfähigen,
aber hochohmig ausgeprägten
Material auch die Oberfläche
der Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material belegt, wobei
dabei ein wählbarer
elektrischer Widerstand erzeugt wird, der eine im Wesentlichen horizontale
Migration der Ladungsträger
zwischen zwei auf der Schicht aus einem elektrisch isolierenden
Material zueinander beabstandet angeordneten, strukturierten oberen
Elektroden, zwischen denen durch wählbares Anlegen unterschiedlicher
Potenziale ein wählbarer
Potenzialverlauf erzeugt wird, verhindert, aber eine im Wesentlichen
vertikale Migration der Ladungsträger in der Halbleiterverbundstruktur
zu einer auf dem Halbleitersubstrat angeordneten, strukturierten
unteren Elektrode unterstützt.
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Eine
derartige Diodenstruktur kann mit dem Begriff „TEMPOS-Struktur" bezeichnet werden
und ist aus der
DE
103 25 150 A1 bzw. aus der
WO 2004/109807 A2 bekannt.
Weitere Erläuterungen zum
Einsatz der TEMPOS-Struktur bei der Erfindung sind dem speziellen
Beschreibungsteil zu entnehmen. An dieser Stell soll nur noch erwähnt werden, dass
auch die TEMPOS-Diodenstruktur in ihrem Kennlinienverhalten vorteilhaft
durch Magnetfelder oder Ultraschall zu beeinflussen ist. Beispielsweise können je
nach angelegter Magnetfeldrichtung Pulse unterschiedlicher Weite
erzeugt werden, die dann mit bekannter elektronischer Pulstechnik
weiterverarbeitet werden können.
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Ausführungsbeispiele
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Ausbildungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren
näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 allgemeine
Schaltungsanordnung,
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2 das
Diodenersatzbild von TEMPOS (Stand der Technik),
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3 die
Strom-Spannungskennlinien der TEMPOS-Dioden gemäß 2,
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4 Schaltungsanordnung
unter Verwendung von TEMPOS,
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5 ein
Messdiagramm der Schaltungsanordnung nach Figur 4,
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6, 7 alternative
Ausführungsformen zur
Schaltungsanordnung gemäß 4 und
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8 bis 29 verschiedene
Anwendungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung.
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In
der 1 ist die Schaltungsanordnung nach der Erfindung
in ihrem grundsätzlichen
Aufbau dargestellt. Gezeigt ist eine Vollbrücke VB (Brückenschaltung), an deren einer
Diagonalen DG1 ein Eingang E und ein Ausgang
A angeschlossen sind. An der anderen Diagonalen DG2 wird
der zu erzeugende Spannungspuls VT1T2 abgegriffen.
Auf einer Seite dieser anderen Diagonalen DG2 sind
zwei Widerstände R1, R2 angeordnet.
In den beiden anderen Armen befinden sich zwei nichtlineare, elektronische
Bauelemente EB1, EB2.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt
es sich dabei um zwei nichtlineare Dioden D1, D2. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf Dioden,
ebenso sind beispielsweise Transistoren einsetzbar. Neben halbleitenden
Bauelementen sind darüber
hinaus beispielsweise auch Ionenspur-Dioden einsetzbar.
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An
den Eingang der Schaltungsanordnung wird zur Pulserzeugung und – formung
eine Spannungsrampe VE über die Zeit tE angelegt.
Es wird dadurch der Spannungspuls VT1T2 erzeugt.
In welcher Weise dies erfolgt, wird näher an einem Ausführungsbeispiel
mit TEMPOS-Dioden gemäß der 2 und 3 erläutert.
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Die
2 ist
identisch mit der
4 der
DE 103 25 150 A1 aus dem
Stand der Technik und zeigt das Diodenersatzbild von TEMPOS. Zwischen
den Abgriffen w/v und o/v sind in diesem Fall zwei TEMPOS-Dioden
für technische
Anwendungen verfügbar. Sie
unterscheiden sich durch die Anzahl der beispielsweise mit Silberleitkleber
oder durch Aufdampfen kontaktierten Nanocluster und sind somit immer elektrisch
geringfügig
voneinander verschieden. Aus diesem Grunde kann man die TEMPOS-Dioden
auch unterschiedlich mit D
w/v(= D
1) und D
o/v (= D
2) bezeichnen.
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Die 3 zeigt
die Strom-Spannungskennlinien (Diodenstrom ID über Spannungsrampe
VE) der beiden TEMPOS-Dioden Dw/v und
Do/v gemäß 2. Diese
treffen sich nur im Ursprung des Koordinatensystems und decken sich
sehr gut bei großen
Strömen.
Sie konvergieren im Sättigungsbereich.
Zwischen diesen beiden markanten Punkten geringster Unterschiede
hängen
die Kennlinien parabelähnlich unterschiedlich
durch und schließen
somit eine sichelförmige
Strom-Spannungsfläche
ein.
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Werden
nun die beiden Dioden Dw/v und Do/v über
je einen vorgeschalteten Widerstand R1,
R2 (z.B. 1 kOhm) mit der stetig steigenden
Spannung einer Spannungsrampe VE gemäß 1 angesteuert,
so erzeugt die Schaltungsanordnung an den Abgriffen o und v eine
Differenzspannung ΔU
(= Spannungspuls VT1T2), welche sich von
Null hin zu einem Maximum erhebt und dann hin zu geringen Werten
wieder verschwindet. Diese Schaltung erzeugt oder formt also aus
einer stetig ansteigenden Spannung (Rampe) eine pulsförmige Spannung,
wobei der Zeitparameter keine Rolle spielt. Damit ist eine Pulserzeugung
und -formung mit TEMPOS in Abhängig
von der Spannungsrampe VE in weiten Zeitbereichen
möglich. Dies
gezeigt durch die Pulsdarstellung VT1T2 über der Zeitachse
tE.
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In
der 4 ist eine grundsätzliche Schaltungsanordnung
unter Verwendung eines TEMPOS-Bauelements dargestellt. Mit der Spannungsrampe
u (Symbol mit Rampe) werden die beiden TEMPOS-Dioden Dw/v und
Do/v über
die vorgeschalteten Widerstände
R1 bzw. R2 exponentiell
aufgeladen. Dadurch erzeugt sich in Differenz der beiden Lade- und
auch Entladevorgänge
an den beiden Abgriffen SK1 und SK2 ein Puls (Symbol mit δ). Wird die TEMPOS-Struktur
noch zusätzlich
durch Magnetfelder Φ oder
Strahlung λ (z.B.
Ultraschall) beeinflusst, ergibt sich die Pulsbreite als digitales,
auszuzählendes Torzeitmaß dieser
Beeinflussung.
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Die 5 zeigt
ein Messdiagramm der Schaltungsanordnung nach 4.
Zu erkennen sind oben die Spannungsrampe und in der Mitte der Spannungspuls.
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Die 6 und 7 zeigen
alternative Ausführungsformen
der Schaltung nach 4. Die 8 bis 29 zeigen
unterschiedliche Ausführungsformen
der Schaltungsanordnung nach der Erfindung unter Ausnutzung verschiedener
nichtlinearer weiterer Bauelement EB1, EB2 und physikalischer Parameter.
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Grundsätzlich können bei
der Erfindung auch anstelle eines TEMPOS-Bauelements in der Ausprägung zweier
Dioden auch zwei „natürlich" verschiedene Bauelemente
(technologieunabhängig) mit
nichtlinearer Kennlinie, insbesondere Dioden, benutzt und in die
Schaltungsanordnung gemäß 1 integriert
werden. Die beiden nichtlinearen Dioden müssen einen grundsätzlichen
differenziellen Unterschied aufweisen. Diese Unterschiedlichkeit
kann aber auch durch eine Vertauschung von Kollektordiode und Emitterdiode
eines Transistors in Bipolartechnik erzeugt werden. Danach ergibt
sich generell auch für
die modernsten Bipolartransistoren in Anlehnung an die fundamentalen
Schaltungen mit NPN- oder PNP-Transistoren (8 und 9)
eine Vielzahl von verschiedensten Anwendungsmöglichkeiten für die Erfindung.
Bei allen nichtlinearen Transistoren ist dabei immer die Pulsbreite
formbar in Abhängigkeit von
einer eingekoppelten Strahlung in die Transistorbasis. Durch photovoltaische Änderung
der Kollektordiode wird bei gleich bleibender Emitterdiode der Kennlinienverlauf
bzw. der Unterschied zwischen beiden Kennlinien geändert.
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Potenzialverschiebedioden
oder Transistordioden in der Basiszuleitung erhöhen den Pulsspannungspegel
(10 bis 15) ebenso
wie solche in der Kollektorzuleitung (16 und 17).
Ebenso kann ein höherer
Pulsspannungspegel unter Verwendung von Darlington-Transistoren
erreicht werden (18). Weitere Anwendungen der
Erfindung sind gezeigt in den 19 und 20,
beide für
Binary-Phase-Shift-Keying-Modulation (BPSK) als digitaler Phasenmodulation
(der Sinusträger
wird hierbei mit +1 oder –1
im Takte der digitalen Information multipliziert, worauf der Träger in idealer
Weise im Frequenzspektrum zu Null schwindet). Schaltungen für Amplitude-Shift-Keying-Modulation
(ASK) als digitaler Amplitudenmodulation sind in den 21 und 22 aufgezeigt.
Weitere Anwendungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zur
Erzeugung von Spannungspulsen finden sich für den Laserdiodentreiber (23),
den rise-fall-Flankendiskriminator (24), dem
optoelektronischen Pulsformer (25), der
aus einem stetig steigenden Strahlungsfluss einen elektrischen Puls
formt. Anwendungen für
Dual- und Doppelimpulsfomer sind gezeigt in den 26 bis 28 sowie
in 14. Schließlich ist
noch eine Anwendung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung in
einem Transistor-Incircuit-Tester gemäß 29 gezeigt.
Die TL071-gebufferte Potenziometerspannung wird stetig erhöht. Durchläuft die
Anzeige ein Maximum, meldet sie einen Dip (den Puls), der Transistor
ist in Ordnung.
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- A
- Ausgang
- D
- Diode
- DG
- Diagonale
- E
- Eingang
- EB
- nichtlineares,
elektronisches Bauelement
- ID
- Diodenstrom
- o/w/v
- Abgriffe
- R
- Widerstand
- SK
- Abgriff
- tE
- Zeit
- ΔU
- Differenzspannung
- VB
- Vollbrücke
- VE
- Spannungsrampe
- VT1T2
- Spannungspuls
- δ
- Pulsbreite
- λ
- Strahlung
- Φ
- Magnetfeld