DE1113247B

DE1113247B - Limiter circuit with transistors

Info

Publication number: DE1113247B
Application number: DEB53890A
Authority: DE
Inventors: Howard Glenn Preston Whittier
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1958-07-07
Filing date: 1959-07-06
Publication date: 1961-08-31

Description

Begrenzerschaltung mit Transistoren Es sind Begrenzerschaltungen bekannt, bei denen für Eingangsspannungen unterhalb des Begrenzungspegels im wesentlichen proportionale Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung besteht, während bei Überschreiten des Begrenzungspegels die Ausgangsspannung im wesentlichen unabhängig von der Eingangsspannung ist. Für solche Zwecke hat man bereits Schaltungen verwendet, die aus zwei Transistoren komplementären Leitungstyps bestehen, deren direkt miteinander verbundene Emitterelektroden und direkt miteinander verbundene Kollektorelektroden die Ausgangsklemmen der Schaltung bilden, während die Basiselektroden mittels einer den Begrenzungspegel bestimmenden Spannungsquelle miteinander verbunden sind und gleichphasig von den zu begrenzenden Eingangsspannungen gesteuert werden, wobei die eine Eingangsklemme an die Emitterelektroden und die andere Eingangsklemme über einen Vorwiderstand an die Kollektorelektroden angeschaltet ist.Limiter circuit with transistors Limiter circuits are known those for input voltages below the limiting level essentially there is a proportional dependence of the output voltage on the input voltage, while when the limit level is exceeded, the output voltage is essentially is independent of the input voltage. Circuits are already in place for such purposes used, which consist of two transistors of complementary conductivity type, whose emitter electrodes directly connected to each other and directly connected to each other Collector electrodes form the output terminals of the circuit, while the base electrodes connected to one another by means of a voltage source which determines the limiting level and are controlled in phase by the input voltages to be limited, one input terminal to the emitter electrodes and the other input terminal is connected to the collector electrodes via a series resistor.

Die Erfindung betrifft eine Begrenzerschaltung dieser Art, die sich insbesondere zur Begrenzung sehr kleiner Spannungen eignet und bei der die vorgenannte, zwischen den Basiselektroden der Transistoren vorgesehene Spannungsquelle in Fortfall kommt. Es wird statt dessen vielmehr der Energiesprung der Quantenzustände in der Emitter-Basis-Strecke der Transistoren zur Erzielung der Begrenzungsspannung ausgenutzt, so daß die erfindungsgemäße Transistorschaltung ein passives Netzwerk darstellt und die Möglichkeit des AL',retens von durch die vorgenannte Spannungsquelle bc ' lgten Kriechströmen vermieden ist.The invention relates to a limiter circuit of this type, which particularly suitable for limiting very small voltages and where the aforementioned, voltage source provided between the base electrodes of the transistors is omitted comes. Instead, it is rather the energy jump of the quantum states in the The emitter-base path of the transistors is used to achieve the limiting voltage, so that the transistor circuit according to the invention represents a passive network and the possibility of AL ', save from by the aforementioned voltage source bc Long leakage currents are avoided.

Bei einer Begrenzerbcnaltung der vorstehend erörterten Art mit zwei Transistoren komplementären Leitungstyps, deren zusammengeschaltete Emitter-und Kollektorelektroden an die Ausgangsklemmen angeschlossen sind, sind erfindungsgemäß die unmittelbar miteinander verbundenen Basiselektroden über eine Serienimpedanz an die Eingangsklemme angeschlossen, welche selbst über den Vorwiderstand mit den Kollektorelektroden verbunden ist.In the case of a limiter circuit of the type discussed above with two Transistors of complementary conductivity type, their interconnected emitter and Collector electrodes are connected to the output terminals are according to the invention the directly interconnected base electrodes via a series impedance connected to the input terminal, which itself is connected to the Collector electrodes is connected.

Von den Figuren zeigt Fig. 1 eine ideale Begrenzungscharakteristik, wie sie durch die Erfindung angestrebt wird, Fig. 2 eine Begrenzungscharakteristik, wie sie üblicherweise erzielt wird, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.Of the figures, FIG. 1 shows an ideal limiting characteristic, as it is aimed at by the invention, FIG. 2 shows a limiting characteristic, as is usually achieved, Fig. 3 is a schematic representation of a preferred one Embodiment of the invention.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Begrenzungscharakteristik ändert sich zunächst vom Nullpunkt ausgehend die Ausgangsspannung V (Ordinate) linear mit der Eingangsspannung V (Abzisse), bis die Ausgangsspannung einen bestimmten positiven oder negativen Amplitudenwert annimmt, der durch die Punkte 10 und 11 charakterisiert ist. Eine weitere Zunahme der Eingangsspannung bewirkt keine Änderung der Ausgangsspannung, wie sich dies aus den horizontalen Abschnitten 12, 13 ergibt. Die Charakteristik einer üblichen Schaltung dieser Art besitzt nach Fig.2 Biegungspunkte 14, 15, welche den Knickpunkten 10, 11 der Fig. 1 entsprechen. Eine weitere Zunahme der Eingangsspannung über diese Punkte hinaus bewirkt eine weitere Zunahme der Ausgangsspannung, wie sich dies aus den weiter ansteigenden Abschnitten 16, 17 ergibt.In the limiting characteristic shown in Fig. 1, starting from the zero point, the output voltage V (ordinate) changes linearly with the input voltage V (abscissa) until the output voltage assumes a certain positive or negative amplitude value, which is characterized by points 10 and 11 . A further increase in the input voltage does not cause any change in the output voltage, as can be seen from the horizontal sections 12, 13. According to FIG. 2, the characteristic of a conventional circuit of this type has bending points 14, 15 which correspond to the inflection points 10, 11 of FIG. A further increase in the input voltage beyond these points causes a further increase in the output voltage, as is evident from the further increasing sections 16, 17.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Schaltung, deren Begrenzungskennlinie sich der idealen Charakteristik weitgehend annähert, indem die Steilheit der Kennlinie jenseits der Biegungspunkte viel geringer ist als bei üblichen Schaltungen und bei der die Eingangsspannung bereits bei einem sehr niedrigen Amplitudenwert begrenzt wird. Die Schaltung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Verstärker eines Umformgerätes von Analog- zu Digital-Spannungswerten, wenn festzustellen ist, ob das Analogsignal größer oder kleiner als ein durch Rückkopplung gesteuertes Digitalsignal ist. Die Eingangsspannung eines solchen Verstärkers kann innerhalb eines Bereiches von 1: 8000 in beiden Richtungen schwanken, und der Verstärker muß in gleicher Weise auf kleine wie auf große Eingangswerte ansprechen. Wenn ein solcher Verstärker so dimensioniert wird, daß sich unter keinen Umständen Übersteuerungen ergeben, können sehr niedrige Widerstandswerte benutzt werden, wodurch Störgeräusche vermieden und kurze Ansprechzeiten unter Vermeidung von Speicherungsvorgängen im Verstärker erzielt werden.The aim of the invention is to create a circuit, its limiting characteristic largely approximates the ideal characteristic by increasing the steepness of the characteristic beyond the bending points is much smaller than with conventional circuits and with which limits the input voltage at a very low amplitude value will. The circuit according to the invention is particularly suitable for use in an amplifier of a converter of analog to digital voltage values, if it is to be determined whether the analog signal is greater or less than a through feedback controlled digital signal. The input voltage of such an amplifier can within a range of 1: 8000 in both directions, and the amplifier must be applied to both small and large input values in the same way speak to. If such an amplifier is dimensioned so that under no circumstances If there are overloads, very low resistance values can be used, whereby Interfering noises avoided and short response times while avoiding storage processes can be achieved in the amplifier.

Die Erfindung schafft eine bei niedrigem Eingangsniveau arbeitende Begrenzerschaltung, welche im Eingangskreis eines Verstärkers der genannten Art verwendet werden kann und in einem weiteren Bereich der Eingangssignale eine Übersteuerung vermeidet.The invention provides one which operates at a low input level Limiter circuit, which in the input circuit of an amplifier of the type mentioned can be used and an overload in a wider range of input signals avoids.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist- eine passive Schaltung und benötigt keine zusätzlichen Spannungsquellen, abgesehen von .dem Eingangssignal. Wenn Batterien oder andere Spannungsquellen in Schaltungen der vorstehend erörterten Art benutzt werden, ergeben sich im allgemeinen nämlich Streuströme, die eine unsymmetrische Arbeitsweise zur Folge haben. Die erfindungsgemäße Schaltung kennzeichnet sich ferner dadurch, daß die Entkopplung des Eingangskreises vom Ausgangskreis keine besondere Rolle spielt, da die einzige vorhandene Spannung die Eingangsspannung ist.The circuit according to the invention is a passive circuit and requires no additional voltage sources apart from the input signal. If batteries or other voltage sources are used in circuits of the type discussed above are, in general, there are stray currents that are asymmetrical The way of working. The circuit according to the invention is also characterized in that the decoupling of the input circuit from the output circuit is not special Plays a role since the only voltage present is the input voltage.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 ist eine übliche Diodenbegrenzerstufe A mit der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung B in Serie geschaltet, wobei die Eingangsklemmen mit 20, 21 und die Ausgangsklemmen mit 22, 23 bezeichnet sind. Ein Verstärker 24 ist an die Ausgangsklemmen angeschlossen und bildet den Belastungskreis der Schaltung. Es ist indessen darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Schaltung B auch unabhängig von der vorgeschalteten Diodenbegrenzerstufe A verwendet werden kann.In the embodiment according to FIG. 3, a conventional diode limiter stage A is connected in series with the limiter circuit B according to the invention, the input terminals being designated by 20, 21 and the output terminals by 22, 23 . An amplifier 24 is connected to the output terminals and forms the load circuit of the circuit. However, it should be pointed out that the circuit B according to the invention can also be used independently of the diode limiter stage A connected upstream.

Bei der an sich bekannten Vorstufe A ist ein Widerstand 30 in Serie zwischen die eine Eingangsklemme 20 und die eine Ausgangsklemme 31 geschaltet. Die Dioden 32, 33 sind zwischen die Klemme 31 und die andere Eingangsklemme 21 geschaltet, wobei die beiden Dioden umgekehrt zueinander gepolt sind. Es können an sich Dioden beliebiger Art Anwendung finden, vorzugsweise werden Silizium-Kristalldioden verwendet. Eine derartige Begrenzerstufe besitzt die in Fig. 2 dargestellte Charakteristik.In the case of the pre-stage A, which is known per se, a resistor 30 is connected in series between one input terminal 20 and one output terminal 31. The diodes 32, 33 are connected between the terminal 31 and the other input terminal 21, the polarity of the two diodes being reversed to one another. Any type of diodes can be used per se, silicon crystal diodes are preferably used. Such a limiter stage has the characteristic shown in FIG.

Bei der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung B ist ein vorzugsweise ohmscher Vorwiderstand 36 zwischen den als Eingangsklemme wirkenden Punkt 31 und die Ausgangsklemme 22 eingeschaltet. Die Eingangsklemme 21 ist üblicherweise mit der Ausgangsklemme 23 direkt leitend verbunden. Ein npn-Transistor 37 ist an die Ausgangsklemmen angeschaltet, wobei die Kollektorelektrode an die Klemme 22 und die Emitterelektrode an die Klemme 23 angeschaltet ist. Ein pnp-Transistor 38 ist in ähnlicher Weise an die Ausgangsklemmen angeschaltet, und zwar seine Kollektorelektrode an die Klemme 22 und seine Emitterelektrode an die Klemme 23. Die Basiselektroden sind miteinander verbunden und über eine vorzugsweise ohmsche Serienimpedanz 39 an den Verbindungspunkt 31 angeschlossen, wobei dieser Widerstand ein Begrenzerwiderstand ist und den schädlichen Einfluß von Übersteuerungen verhütet.In the limiter circuit B according to the invention, one is preferred Ohmic series resistor 36 between points 31 and acting as an input terminal the output terminal 22 is switched on. The input terminal 21 is usually with the output terminal 23 is directly connected. An npn transistor 37 is connected to the Output terminals switched on, with the collector electrode connected to terminal 22 and the emitter electrode is connected to terminal 23. A PNP transistor 38 is similarly connected to the output terminals, namely its collector electrode to terminal 22 and its emitter electrode to terminal 23. The base electrodes are connected to one another and via a preferably ohmic series impedance 39 connected to junction 31, this resistor being a limiter resistor and prevents the harmful influence of overdrive.

Die Wirkungsweise der Schaltung unter drei verschiedenen Bedingungen soll nachstehend erörtert werden, nämlich bei der Eingangsspannung Null, bei niedriger Eingangsspannung und bei größerer Eingangsspannung. Bei der Eingangsspannung Null ist auch die Ausgangsspannung Null, da die gesamte Schaltung ein passives Netzwerk ist und in ihr außer der Eingangsspannung keine Spannungsquelle wirksam ist.How the circuit works under three different conditions will be discussed below, namely at zero input voltage, at lower Input voltage and with higher input voltage. When the input voltage is zero the output voltage is also zero, since the entire circuit is a passive network and no voltage source is effective in it apart from the input voltage.

Bei einer niedrigen Eingangsspannung wird keiner der beiden Transistoren leitend, und jeder besitzt daher einen hohen Innenwiderstand. Unter diesen Bedingungen ist die Wirkungsweise der Schaltung derart, als wenn der Eingangskreis an den Ausgangskreis über den Vorwiderstand 36 angeschlossen wäre. Es besteht daher eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Eingangssignal, wenn, was im allgemeinen der Fall ist, der Widerstand 36 ein linearer Widerstand ist.If the input voltage is low, neither of the two transistors will conductive, and therefore each has a high internal resistance. Under these conditions the operation of the circuit is as if the input circuit to the output circuit would be connected via the series resistor 36. There is therefore a linear dependency of the output signal from the input signal if, which is generally the case, the Resistor 36 is a linear resistance.

Wenn die Eingangsspannung nach einer Richtung über einen bestimmten Spannungswert zunimmt, so wird der eine Transistor stromleitend und wirkt als parallel zu den Ausgangsklemmen liegender Widerstand. Es nimmt dabei die Impedanz des stromführenden Transistors mit zunehmender Eingangsspannung ab, und er erreicht eine Minimalimpedanz von 2 bis 6 Ohm bei den jetzt gebräuchlichen Transistoren. Der Ersatzkreis für diese dritte Bedingung der Eingangsspannung ist die Verbindung der Eingangsklemmen mit den Ausgangsklemmen über einen Vorwiderstand 36, wobei die Ausgangsklemmen durch die Transistorimpedanz von ungefähr 6 Ohm überbrückt sind.When the input voltage in one direction above a certain If the voltage value increases, one transistor becomes conductive and acts as a parallel Resistance to the output terminals. It takes the impedance of the live Transistor decreases with increasing input voltage, and it reaches a minimum impedance from 2 to 6 ohms for the transistors now in use. The substitute circle for this The third condition of the input voltage is the connection of the input terminals with the output terminals via a series resistor 36, the output terminals through the transistor impedance of approximately 6 ohms are bridged.

Wenn die Eingangsspannung an der Stelle 31 positiv in bezug auf die Klemme 21 ist, werden die Basiselektroden beider Transistoren positiv in bezug auf die Emitterelektroden. Der pnp-Transistor 38 beginnt dann Strom zu führen. Wenn die Eingangsspannung am Punkt 31 negativ in bezug auf die Klemme 21 ist, wird die Basiselektrode beider Transistoren negativ in bezug auf die Emitterelektrode, und der npn-Transistor 37 wird stromführend.If the input voltage at point 31 is positive with respect to the Terminal 21 is, the base electrodes of both transistors will be positive with respect to the emitter electrodes. The pnp transistor 38 then begins to carry current. if the input voltage at point 31 is negative with respect to terminal 21, the Base electrode of both transistors negative with respect to the emitter electrode, and the npn transistor 37 is energized.

Die entgegengesetzt gepolte Parallelschaltung verhindert, daß die Transistoren nichtlineare Ströme oder Spannungen in den Stromkreis einführen, da die Transistoren Unsymmetrien in gleicher Größe, aber in entgegengesetzter Richtung erzeugen, so daß sich diese Wirkungen aufheben. Da ferner keine zusätzliche Spannungsquelle für die Transistoren erforderlich ist, ergibt sich nicht die Möglichkeit, daß Kriechströme aus dem Eingangskreis übertreten und Verzerrungen bewirken. Die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik der erfindungsgemäßen Schaltung ist im wesentlichen diejenige, die in Fig. 1 dargestellt ist, und die Linien 12 und 13 sind im wesentlichen horizontal.The oppositely polarized parallel connection prevents the Transistors introduce non-linear currents or voltages into the circuit because the transistors asymmetries in the same size, but in the opposite direction so that these effects cancel each other out. Furthermore, there is no additional voltage source is required for the transistors, there is no possibility that leakage currents step out of the input circle and cause distortions. The input-output characteristic the circuit according to the invention is essentially that shown in FIG and lines 12 and 13 are substantially horizontal.

In Fig. 3 wurde die Anwendung von Flächentransistoren vorausgesetzt, es ist jedoch auch möglich, Spitzentransistoren oder andere nichtlineare Schaltelemente zu verwenden, welche ähnliche Charakteristiken besitzen. Die Widerstandswerte der Widerstände 36 und 39 sind nicht allzu kritisch, vorzugsweise gleiche Widerstände in der Größenordnung von 1000 Ohm geben zufriedenstellende Resultate.In Fig. 3 the use of junction transistors was assumed, however, it is also possible to use tip transistors or other non-linear switching elements to use which have similar characteristics. The resistance values of the Resistors 36 and 39 are not too critical, preferably equal resistances on the order of 1000 ohms give satisfactory results.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Limiter circuit with for input voltages below the limit level essentially proportional dependence of the Output voltage from the input voltage from two transistors of complementary conductivity type, their directly interconnected emitter electrodes and directly interconnected Collector electrodes the output terminals of the circuit form and whose base electrodes are controlled in phase by the input voltages to be limited one input terminal to the emitter electrodes and the other input terminal is connected to the collector electrodes via a series resistor, characterized in that that the directly interconnected base electrodes have a series impedance (39) are connected to the input terminal (20), which via the series resistor (36) is connected to the collector electrodes.

2. Circuit according to claim 1, characterized characterized in that the series impedance (39) is an ohmic resistor.

3. Circuit according to claim 2, characterized in that the series resistor (36) is an ohmic Resistance is. .

4. Circuit according to claim 2 and 3, characterized in that Series impedance and series resistor (36, 39) have the same values.

5. A circuit according to Claim 2 and 3, characterized in that the series resistor (36) has a high resistance value compared to the resistance of the transistors (37, 38) in the current-carrying state, which resistance is preferably of the order of magnitude of 1000 ohms. Documents considered: Swiss Patent No. 218 782; French Patent Specification No. 1,155,310. "Funkschau", 1955, no. 17, p. 377; "Electronics" from January 17, 1958, p. 75; RF S hea: "Transistor Circuit Engineering", 1 957, pp. 408 and 409.