DE1142188B - UEbersteuerungssichere Impulsverstaerker- und Spitzenspannungsdetektorschaltung mit hoher Ansprechempfindlichkeit - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

N19681

ANMELDETAG: 4. MÄRZ 1961

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 10. JANUAR 1963

Die Erfindung betrifft eine Spitzenspannungsdetektorschaltung. Solche Schaltungen können in Verbindung mit Lesevorrichtungen zum Ablesen von Informationen von einem magnetischen Aufzeichnungsträger insbesondere in Aufzeichnungssystemen mit großer Aufzeichnungsdichte wirkungsvoll eingesetzt werden, wenn die Form der am Ausgang eines Lesekopfes erscheinenden Signale stark beeinträchtigt ist.

Es sind bereits Spitzenspannungsdetektorschaltungen bekannt, die im wesentlichen aus einer Schwellwertstufe und einem übersteuerbaren Verstärker bestehen. Diese bekannten Spitzenspannungsdetektorschaltungen haben den Nachteil, daß die Vorderflanke des von dieser Schaltung erzeugten Ausgangssignals nicht mit einem genau definierten Punkt des Eingangssignals beginnt und daß sehr schwache Impulse gegenüber stärkeren Impulsen den Verstärker unter Umständen nicht voll aussteuern, so daß die Flankensteilheit bzw. die Rechteckform der Ausgangssignale zu wünschen übrigläßt. Außerdem ist die Amplitude der Ausgangssignale insbesondere bei Verwendung von Transistoren als Verstärkerelemente in starkem Maße von Temperatureinflüssen abhängig.

Durch die erfindungsgemäße Spitzendetektorschaltung werden die obengenannten Nachteile vermieden. Auch sehr kleine, den vorbestimmten Schwellenwert überschreitende Eingangssignale erzeugen Ausgangssignale mit genau definierter Vorderflanke, guter Rechteckform und konstanter Amplitude.

Diese erfindungsgemäße übersteuerungssichere Impulsverstärker- und Spitzenspannungsdetektorschaltung mit hoher Ansprechempfindlichkeit ist durch die Kombination der nachfolgenden Schaltungseinheiten gekennzeichnet:

a) eine Schwellwertstufe zum Ausscheiden unerwünschter Störimpulse,

b) eine Differenzierstufe zur Differenzierung der zu übertragenden Impulsspitzen,

c) eine Verstärkerstufe mit amplitudenabhängiger Wechselstromgegenkopplung vom Ausgang zum Eingang, durch welche schwache Signale bei größtmöglicher Verstärkung ein sofortiges Ansprechen ermöglichen,

d) eine Detektortransistorstufe mit Begrenzer, die nur eine Polarität des differenzierten Signals durchläßt und so abschneidet, daß am Ausgang ein annähernd rechteckiges Signal entsteht, bei dem der zeitliche Abstand der senkrechten Flanken mit dem Abstand zwischen dem Scheitelwert und dem rückseitigen Fußpunkt des Eingangssignals übereinstimmt.

Übersteuerungssichere Impulsverstärkerund Spitzenspannungsdetektorschaltung mit hoher Ansprechempfindlichkeit

Anmelder:

The National Cash Register Company, Dayton, Ohio (V. St. A.)

Vertreter: Dr. A. Stappert, Rechtsanwalt, Düsseldorf, Feldstr. 80

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 9. März 1960 (Nr. 13 852)

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand des Schaltbildes beschrieben. Eine Quelle 14 für impulsförmige Gleichstromsignale arbeitet mit der Spitzenspannungsdetektorschaltung zusammen und wird nicht näher beschrieben, da sie aus einer bekannten Vorrichtung, z. B. einer magnetischen Lesevorrichtung, bestehen kann.

Die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Spitzenspannungsdetektorschaltung kann durch Vorschalten einer Schaltstufe, die nur einen bestimmten Spannungspegel überschreitende Eingangssignale überträgt, erhöht werden. Für den Aufbau dieser Stufe gibt es verschiedene Möglichkeiten. In der vorliegenden Schaltung wird hierzu ein npn-Transistor 20 mit einer Basis 21, einem Kollektor 22 und einem Emitter 23 verwendet. Eine der Ausgangsklemmen der Signalquelle 14 ist mit der Basis 21 des Transistors 20, die andere mit dem Bezugsspannungspunkt 15 verbunden. Ist kein Eingangssignal vorhanden, dann wird die Basis des Transistors 20 über einen Widerstand 16 annähernd auf Erdpotential gehalten, während der Emitter 23 an dem positiv vorgespannten Punkt 17 liegt. Diese positive Vorspannung am Punkt 17 wird durch einen zwischen einer positiven Spannungsquelle 25 und dem Bezugsspannungspunkt 15 liegenden und aus den Widerständen 18, 19 und 24 bestehenden Spannungsteiler erzeugt. Da die Basis 21 des Transistors 20 gegenüber dem Emitter 23 negativ vorge-

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spannt ist, befindet sich der npn-Transistor 20 normalerweise im nichtleitenden Zustand, obwohl er mit seinem Kollektor 22 an einer für den normalen Betrieb erforderlichen positiven Vorspannung liegt.

Das Ausgangssignal des Transistors 20 wird an seinem Emitter 23 abgenommen und an einen Differenzierstromkreis geführt, der z.B. durch eine bekannte Kombination aus einem Kondensator 27 und einem Widerstand 28 gebildet wird.

Zur Verstärkung des differenzierten Signals auf einen gewünschten Pegel wird ein in Kaskade geschalteter zweistufiger Verstärker verwendet, der aus pnp-Transistoren 30 und 40 mit den Basen 31 bzw. 41, den Kollektoren 32 bzw. 42 und den Emittern 33 bzw. 43 besteht. Beide Transistoren werden in der Emitterschaltung betrieben. Die Basen dieser Transistoren dienen als Eingangs- und die Kollektoren als Ausgangselektroden. Selbstverständlich können die genannten Verstärkerstufen auch aus anderen geeigneten Verstärkerelementen aufgebaut werden. Der KoI- so lektor 42 des Transistors 40 erhält von einer negativen Spannungsquelle 66 über die Widerstände 67 und 69 die für den normalen Betrieb erforderliche negative Vorspannung. Die Vorspannung des Emitters auch bei Änderungen der Betriebsbedingungen, z. B. der Umgebungstemperatur, konstant zu halten. Leitet der Transistor 50 der spannungsempfindlichen Steuerschaltung, dann nimmt der Emitter S3 annähernd die gleiche Spannung wie die Basis 51 an. Da der Emitter 33 des Transistors 30 unmittelbar mit dem Emitter 53 des Transistors SO verbunden ist, nimmt der Emitter 33 ebenfalls näherungsweise die Spannung der Basis 51 des Transistors 50 an. Diese Spannung ist so stark positiv, daß der Emitter 33 auch bei Auftreten der höchsten positiven Spannungsspitze der an der Basis 31 angelegten Eingangsspannung positiver als die Basis 31 ist. Aus diesem Grunde befindet sich der Transistor 30 normalerweise immer im leitenden Zustand. Um bei Auftreten jeder Spannungsspitze des Eingangssignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, ist eine Detektorstufe vorgesehen, die bei Umkehrung der Polarität des differenzierten und verstärkten Signals einen Ausgangssignalimpuls erzeugt. Dieser Detektor kann durch verschiedene Bauelemente realisiert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird hierzu ein pnp-Transistor 60 mit einer Basis 61, einem Kollektor 62 und einem Emitter 63 verwendet. Die Basis 61 des Transistors 60 ist über einen Kopplungskondensator

43 wird am Verbindungspunkt einer zwischen der 25 29 und einen Widerstand 34 mit der Ausgangs- oder

negativen Spannungsquelle 66 und dem Bezugsspannungspunkt 15 liegenden Zenerdiode 79 abgegriffen. Diese Spannung ist gegenüber der an der Basis 41 dieses Transistors liegenden positiv, so daß der pnp-Transistor 40 normalerweise leitet. Da sich die Verstärkung dieser beiden Stufen in Abhängigkeit von Ausgangsspannungsänderungen selbsttätig einstellen soll, wird die Vorspannung für die Elektroden des Transistors 30 der ersten Verstärkerstufe etwas anders erzeugt, als dies für Verstärkerschaltungen dieser Art allgemein üblich ist. Die Zenerdiode 79 im Emitterkreis des Transistors 40 bestimmt die Betriebsspannung des Transistors 30. Leitet der Transistor 40, dann nimmt die Basis 41 eine um den Spannungsabfall der Kollektorelektrode 42 des Transistors 40 gekoppelt. Der Kollektor 62 des Transistors 60 erhält von der negativen Vorspannungsquelle 66 über einen Lastwiderstand 76 seine für den Betrieb erforderliche negative Vorspannung.

Die Vorspannung der Basis 61 des Transistors 60 wird am Punkt 35 des aus einem Widerstand 36 und einer Diode 37 bestehenden und zwischen eine positive Spannungsquelle 38 und den Bezugsspannungspunkt 15 geschalteten Spannungsteilers abgegriffen. Da die Diode 37 in Durchgangsrichtung gepolt ist, liegt die Basis des Transistors 60 annähernd an Erdpotential. Da auch der Emitter 63 des Transistors 60 an Erdpotential liegt, befindet sich der Transistor 60

zwischen Basis und Emitter erhöhte negative Span- 40 normalerweise im nichtleitenden Zustand,
nung in bezug auf den Emitter an. Infolge der direk- Um einen Teil der Ausgangsgleichspannung des

ten Verbindung zwischen der Basis 41 des Transistors Transistors 40 an den Transistor 50 der spannungs-40 und dem Kollektor 32 des Transistors 30 nimmt empfindlichen Steuerschaltung anlegen zu können, ist der Kollektor 32 die Spannung der Basis 41 an. Da ein erster Rückkopplungskreis vorgesehen, der den diese Spannung negativ ist, erhält der Transistor 30 45 Kollektor 42 des Transistors 40 über einen Leiter 39,

die für den normalen Betrieb erforderliche Vorspannung. Im Emitterkreis des Transistors 30 der ersten Verstärkerstufe liegt eine spannungsempfindliche Steuerschaltung, die beispielsweise einen pnp-Transistor 50 mit einer Basis 51, einem Kollektor 52 und einem Emitter 53 enthält. Der Kollektor 52 des Transistors 50 ist mit der am Emitter 43 des Transistors 40 liegenden Elektrode der Zenerdiode 79 verbunden, so daß der Kollektor 52 die erforderliche Vorspandie Widerstände 44 und 45 und einen Leiter 46 mit der Basis 51 des Transistors 50 verbindet.

Um in ähnlicher Weise zumindest einen Teil der am Ausgang des Verstärkers erscheinenden Wechselspannung an die spannungsempfindliche Steuerschaltung anzulegen, ist ein die Serien-Parallel-Kombination von Dioden 54, 55 und 56, 57 enthaltender zweiter Rückkopplungskreis zwischen den Ausgang des Kopplungskondensators 29 und die Basis des Tran-

nung erhält. Zur Erzeugung der Vorspannungen für 55 sistors 50 geschaltet. Um die Impedanz dieses Kreises

die Basis 51 und den Emitter 53 des Transistors 50 aus später noch zu beschreibenden Gründen auf einen

ist ein aus den Widerständen 58, 64 und 65 bestehen- günstigen Wert zu erhöhen, können in jedem Zweig

der Spannungsteiler zwischen die positive Spannungs- zwei Dioden in Reihe geschaltet werden.

quelle 25 und den Bezugsspannungspunkt 15 geschaltet. Die Vorspannung des Emitters 53 wird am Verbindungspunkt der Widerstände 58 und 64 und die Vorspannung der Basis 51 am Verbindungspunkt der Widerstände 64 und 65 abgegriffen. Die Basisvorspannung ist infolgedessen gegenüber dem Emitter negativ, so daß der Transistor 50 leitet. Durch einen weiteren Widerstand 59 im Emitterkreis des Transistors 50 wird eine Gegenkopplungsspannung erzeugt, die bestrebt ist, die Leitfähigkeit des Transistors 50 Bei Anlegen eines positiven, beispielsweise der Kurvenform 47 entsprechenden Gleichstromsignals an die Basis 21 des Transistors '20 bleibt dieser so lange im nichtleitenden Zustand, bis das Gleichstromsignal eine so hohe Amplitude erreicht, die ausreicht, um die Basis 21 in bezug auf den Emitter 23 positiv vorzuspannen. Der npn-Transistor 20 wird nun leitend und bleibt so lange in diesem Zustand, bis der positive Spannungspegel wieder so weit abgefallen ist, daß die Basis gegenüber dem Emitter wieder negativ vorge-

spannt ist, was durch die Signalform 48 veranschaulicht wird. Kleine Schwankungen der Eingangsspannung, die z. B. durch Störeinflüsse auf den Leitungen oder Rauschspannungen im Magnetkopf verursacht werden, reichen also nicht aus, um den Transistor 20 in den leitenden Zustand umzuschalten. Die nachfolgende Detektorschaltung wird infolgedessen durch Signale, die eine bestimmte Spannungsamplitude nicht überschreiten, nicht beeinflußt.

Der Teil des vom Transistor 20 übertragenen Signals, der oberhalb der gestrichelten Linie der Signalform 48 angezeigt ist, wird durch den aus dem Kondensator 27 und dem Widerstand 28 bestehenden Differenzierstromkreis differenziert. Am Ausgang dieses Kreises entsteht die Signalform 49.

Der Transistor 30 verstärkt das differenzierte Signal 49. Das verstärkte Signal wird am Lastwiderstand 75 abgegriffen und an die Basis 41 des Transistors 40 der zweiten Verstärkerstufe gelegt.

Das verstärkte differenzierte Signal wird über den Kopplungskondensator 29 und den Widerstand 34 der Basis 61 des Detektortransistors 60 zugeführt, der, wie bereits erläutert, normalerweise so vorgespannt ist, daß er sich im nichtleitenden Zustand befindet. Während des positiven Teiles des verstärkten differenzierten Signals 70 wird die Basis 61 des Transistors 60 gegenüber dessen Emitter 63 noch stärker positiv vorgespannt, so daß der Transistor 60 im nichtleitenden Zustand verbleibt. Bei der Polaritätsumkehr des Signals 70 wird die Basis 61 des Transistors 60 in bezug auf dessen Emitter 63 negativ, so daß der Transistor 60 in den leitenden Zustand übergeht. Am Lastwiderstand 76 entsteht nun ein Ausgangsimpuls, der an einer Ausgangsklemme 72 abgegriffen und einer nicht zur Erfindung gehörenden und deshalb nicht gezeigten Schaltung zugeführt werden kann. Sobald das differenzierte, verstärkte Signal 70 über die NuIllinie in den positiven Bereich zurückkehrt, wird die Basis 61 des Transistors 60 in bezug auf seinen Emitter 63 wieder positiv, und der Transistor 60 schaltet wieder in seinen nichtleitenden Zustand um.

Bei näherer Betrachtung der Signalformen 47, 48, 49 und 70 zeigt sich, daß der Zeitpunkt der Polaritätsumkehr des differenzierten Signals dem Scheitelwert des Eingangssignals 47, 48 entspricht. Das infolge der Polaritätsumkehr des Signals 70 durch den Transistor 60 erzeugte Ausgangsignal zeigt also das Auftreten eines Scheitelwertes des Eingangssignals an. Seine Anstiegsflanke stimmt zeitlich mit dem Maximum des Eingangssignals überein. Um das Ausgangssignal unterhalb eines bestimmten Spannungspegels zu halten, kann eine Begrenzungsdiode 71 in Reihe mit einer negativen Spannungsquelle 74 an den Ausgang der Schaltung angeschlossen werden.

Falls das Eingangssignal eine so hohe Spannung aufweist, daß die Transistoren 30 und 40 des Verstärkers übersteuert werden, so ist das erzeugte verstärkte Signal verzerrt. Da die Polaritätsumkehr dieses verzerrten differenzierten Signals zeitlich beträchtlich von der Polaritätsumkehr eines nicht verzerrten differenzierten Signals abweichen kann, kann ein unzulässiger Fehler entstehen, da die Ausgangsimpulse zeitlich nicht mehr mit dem Scheitelwert der Eingangsspannung übereinstimmen.

Um diese Gefahr zu beseitigen, ist aus den Dioden 54, 55 und 56, 57 ein Wechselstromrückkopplungskreis und aus den Widerständen 44 und 45 ein Gleichspannungsrückkopplungskreis zur selbsttätigen Verstärkungsregelung des Transistors 30 in Abhängigkeit von Schwankungen der Ausgangswechselspannung bzw. Gleichspannung am Kollektor 42 gebildet. Das verstärkte differenzierte Signal 70 ist phasengleich mit dem differenzierten Signal 49. Da das Signal 70 zunächst ins Positive ansteigt, wird eine positive Spannung über die Dioden 54, 55 an die Basis 51 des Steuertransistors 50 angelegt, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors vermindert wird. Leitet der Transistor 50 weniger, dann wird sein Emitter 53 und damit auch der Emitter 33 des Transistors 30 positiver. Infolge der Phasengleichheit der Signalformen 49 und 70 wird auch die Basis 31 des Transistors 30 positiver; doch nimmt die Spannungsdifferenz zwischen der Basis 31 und dem Emitter 33 nicht in dem Maße zu, wie es dem Anstieg der Signalkurve 49 entsprechen würde, so daß die Verstärkung des Transistors 30 vermindert wird. Wenn das Signal 70 negativ wird, gelangt eine negative Vorspannung über die Dioden 56 und 57 an die Basis 51 des Steuertransistors 50, wodurch dessen Leitfähigkeit erhöht wird. Leitet der Transistor 50 stärker, dann wird dessen Emitter 53 und damit auch der Emitter 33 des Transistors 30 negativer. Auf Grund der Phasengleichheit der Signale 49 und 70 wird auch die Basis 31 des Transistors 30 negativ; doch kommt auch der negative Teil des Signals infolge der abfallenden Emitterspannung nicht voll zur Auswirkung, so daß auch in diesem Fall die Verstärkung des Transistors vermindert wird. Bei Verstärkungsminderung des Transistors 30 verringert sich auch die am Lastwiderstand 75 liegende verstärkte Signalspannung, wodurch wiederum die Einwirkung auf den Transistor 40 herabgesetzt wird. Die Impedanz der Reihendioden ist so gewählt, daß die Wechselstromrückkopplungsspannung am stärksten auf hohe und weniger stark auf niedrigere Ausgangsspannungen einwirkt.

Die Leitfähigkeit der Transistoren ist stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Erhöht sich die Leitfähigkeit des Transistors 40 aus diesem oder einem anderen Grunde, so wird die Spannung seines Kollektors 42 weniger negativ bzw. steigt ins Positive. Diese positivere Spannung wird über die Leitung 39, die Widerstände 44 und 45 und die Leitung 46 an die Basis 51 des Steuertransistors 50 zurückgeführt. Wird die Basis des Transistors 50 positiver, dann steigt auch das Potential am Emitter 53 des genannten Transistors sowie am Emitter 33 des Transistors 30, wodurch sich der durch den Transistor 30 fließende Gleichstrom erhöht. Durch diesen Anstieg des durch den Transistor 30 fließenden Gleichstromes wird die Spannung seines Kollektors 32 positiver. Diese positivere Spannung gelangt unmittelbar an die Basis 41 des Transistors 40, so daß sich dessen Leitfähigkeit verringert. Werden dagegen die umgekehrten Voraussetzungen angenommen, d. h., verringert sich die Leitfähigkeit des Transistors 40, dann wird die Spannung an seinem Kollektor 42 negativer. Diese negativere Spannung wird über den eben erwähnten Rückkopplungskreis an die Basis 51 des Steuertransistors 50 angelegt. Wird die Basis 51 des Transistors 50 negativer, dann werden auch dessen Emitter 53 und der mit diesem verbundene Emitter 33 des Transistors 30 negativer, wodurch sich der Gleichstromfluß durch den Transistor 30 vermindert und die an seinem Kollektor 32 auftretende Spannung ebenfalls negativer wird. Diese erhöhte negative Spannung gelangt unmittelbar an die Basis 41 des Transistors 40, wodurch der Gleichstromfluß durch

diesen erhöht wird. Der Rückkopplungskreis ist also bestrebt, den Gleichstromfluß durch beide Transistoren des Verstärkers auf einem annähernd konstanten Wert zu halten.

Aus der Beschreibung geht hervor, daß sowohl durch die Regelung der Verstärkung als auch des Gleichstromflusses durch die Transistoren der beiden Verstärkerstufen und durch Gleichrichtung des verstärkten differenzierten Signals zum Zeitpunkt der Polaritätsumkehr ein Ausgangssignalimpuls erzeugt wird, der zeitlich genau mit dem Scheitelwert eines Eingangssignals übereinstimmt.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Übersteuerungssichere Impulsverstärker- und Spitzenspannungsdetektorschaltang mit hoher Ansprechempfkidlichkeit, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Schaltungseinheiten:

a) eine Schwellwertstufe (20) zum Ausscheiden unerwünschter Störimpulse,

b) eine Differenzierstufe (27, 28) zur Differenzierung der zu übertragenden Impulsspitzen,

c) eine Verstärkerstufe (30, 40) mit ampli- _a5 tudenabhängiger Wechselstromgegenkopplung (54, 55, 56, 57, 50) vom Ausgang zum Eingang, durch welche schwache Signale bei größtmöglicher Verstärkung ein sofortiges Ansprechen ermöglichen.

d) eine Detektortransistorstufe (60) mit Begrenzer (74), die nur eine Polarität des differenzierten Signals durchläßt und so abschneidet, daß am Ausgang ein annähernd rechteckiges Signal entsteht, bei dem der zeitliche Abstand der senkrechten Flanken mit dem

Abstand zwischen dem Scheitelwert und dem rückseitigen Fußpunkt des Eingangssignals übereinstimmt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis eine nicht-Hneare Impedanz (54 bis 57) enthält, die bei niedrigen Verstärkerausgangsspannungen eine verhältnismäßig hohe und bei hohen Ausgangsspannungen eine verhältnismäßig niedrige Impedanz besitzt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Impedanz aus zwei parallelen Strompfaden besteht, von denen jeder eine oder mehrere Dioden enthält, und die Diode bzw. Dioden des einen Strompfades in bezug auf die Diode oder Dioden des anderen Strompfades gegensinnig gepolt sind.

4. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Transistorverstärker ist, der einen Gleichspannungsgegenkopplungskreis (39) besitzt, der die Verstärkung des Verstärkers unabhängig von Temperaturschwankungen annähernd konstant hält.

5. Schaltung nach den Ansprüchen 2 und 4 oder 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Rückkopplungssignale an den Rückkopplungsverstärker (50) angelegt wird, der ein hohes Rückwärts-Verstärkerverhältnis hat, und daß der Ausgang des Rückkopplungsverstärkers die Verstärkung des Signalverstärkers steuert.

6. Schaltung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungsverstärker aus einem Transistor besteht, an dessen Basis beide Rückkopplungssignale angelegt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 757/128 1.63