DE1177200B - Pulsverstaerker mit Ausgangsstrombegrenzung, Stoersignalunterdrueckung und Abschaltung bei Versorgungsspannungsausfall - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 03/2k Deutsche KL: 21 al - 36/04

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

S 82214 VIII a/21 al
27. Oktober 1962
3. September 1964

Die Erfindung bezieht sich auf Pulsverstärker, wie sie insbesondere zur Übertragung von digitalen Informationen zwischen einer datenverarbeitenden Einrichtung und mit dieser verbundenen Eingabe- und Ausgabevorrichtung in beiden Richtungen eingesetzt werden. Derartige Pulsverstärker sollen enge Toleranzen hinsichtlich der Anstiegs- und Abfallzeit der durch sie gebildeten bzw. verstärkten Impulse haben. Störsignale, die durch Ausgleichsvorgänge und Rückkopplungserscheinungen entstehen können, müssen vermieden werden. Der von dem Pulsverstärker abgegebene, über eine Übertragungsleitung fließende Impulsstrom muß begrenzt werden. Schließlich muß der Pulsverstärker bei Ausfall der Versorgungsspannung abgeschaltet werden.

Ziel der Erfindung ist es, einen zum Einsatz in datenverarbeitenden Vorrichtungen geeigneten Pulsverstärker zu schaffen, der die Bedingungen erfüllt. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Pulsverstärker mit Maßnahmen zur Ausgangsstrombegrenzung, Unterdrückung von Störsignalen und Abschaltung bei Versorgungsspannungsausfall, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecken von vier Transistoren, von denen der erste und dritte Transistor einen gegenüber dem zweiten und vierten Transistor unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp besitzen, und eines Widerstandes zwischen die beiden Pole der Betriebsspannungsquelle geschaltet ist, daß die Emitter-Kollektor-Strecke eines fünften Transistors ebenfalls an diese Pole angeschaltet ist, daß die Basis dieses fünften Transistors an den Verbindungspunkt des Widerstandes der Reihenschaltung mit der Emitter-Kollektor-Strecke des vierten Transistors der Reihenschaltung gekoppelt ist, während die Basis dieses vierten Transistors mit der Emitter-Kollektor-Strecke des fünften Transistors auf der dem Widerstand der Reihenschaltung abgekehrten Seite dieser Strecke so verbunden ist, daß bei einer unzulässigen Vergrößerung des den Widerstand der Reihenschaltung durchfließenden Stromes der fünfte Transistor geöffnet und der vierte Transistor gesperrt wird, daß die Basen des zweiten und dritten Transistors der Reihenschaltung über einen zweiten Widerstand mit dem auch an den ersten Widerstand geschalteten Pol der Spannungsquelle verbunden sind und daß dadurch diese Transistoren in einem unterschiedlichen Schaltzustand gehalten werden, daß die Basis des ersten Transistors der Reihenschaltung derart mit der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, daß dieser Transistor nur bei intakter Betriebsspannungsquelle seine Emitter-Kollektor-Pulsverstärker mit Ausgangsstrombegrenzung,
Störsignalunterdrückung und Abschaltung
bei Versorgungsspannungsausfall

Anmelder:

Sperry Rand Corporation, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Weintraud, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Mainzer Landstr. 136-142

Als Erfinder benannt:

Sylvan Bernfold, Village of Shoreview, Minn.,
Mauritz Lee Granberg, Minneapolis, Minn.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 6. November 1961

(150286)

Strecke öffnet, daß zwischen Basis der zweiten und dritten Transistoren und den Verbindungspunkt der Emitter-Kollektor-Strecken des ersten und zweiten Transistors der Reihenschaltung die Emitter-Kollektor-Strecke eines sechsten Transistors geschaltet ist, dessen Basis die Eingangsimpulse zugeführt werden, und daß schließlich der Verbindungspunkt der Emitter-Kollektor-Strecken des zweiten und dritten Transistors der Reihenschaltung mit der Ausgangsklemme der Verstärkerschaltung verbunden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die einen Pulsverstärker in schematischer Darstellungsweise zeigt.

Der in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel dargestellte Pulsverstärker besitzt zwei Eingangsklemmen 10 und 12 sowie zwei Ausgangsklemmen 14 und 16. Die letztere Klemme 16 ist ständig mit Erde verbunden. Die Ausgangsklemmen 14 und 16 sind über eine Kapazität 17 miteinander verbunden, so daß ungewünschte hochfrequente Signale über die Kapazität 17 nach Erde abgeleitet werden. Wenn auch die besonderen Betriebs- und Vorspannungen des Pulsverstärkers in einem sehr großen Bereich schwanken, so sei doch vorausgesetzt, daß zum Betrieb des Pulsverstärkers eine Betriebsspannungsquelle zur Verfügung steht, die +15 Volt und

409 659/370

— 15 Volt liefert und deren Mitte geerdet ist und somit das Potential von 0 Volt führt. Außerdem wird vorausgesetzt, daß als Eingangspotential ein rechteckförmiges Signal vorliegt, daß eine Signalspannung von —3 Volt besitzt und das mit einer maximalen Wiederholungsfrequenz von 20 kHz an die Eingangsklemmen 10 und 12 angeschaltet wird, um entsprechende Ausgangssignale an den Klemmen 14 und 16 hervorzurufen, die sich zwischen 0 und —15 Volt erstrecken.

Um die Beschreibung zu vereinfachen, sei zunächst Bezug genommen auf die erste Gruppe von Transistoren 18, 20, 22 und 24. Diese Transistoren besitzen wie üblich je einen Kollektor, einen Emitter und eine Basis, wobei deren Kollektoren und Emitter in Reihe geschaltet sind. Zusammen mit dem Widerstand 26 liegen die Emitter-Kollektor-Strecken dieser Transistoren zwischen der negativen Betriebsspannungsquelle von —15 Volt und Erde. Außerdem ist eine Diode 28 zwischengeschaltet, und zwar liegt diese Diode zwischen den Kollektoren der Transistoren 20 und 22. Es sei außerdem bemerkt, daß die Transistoren 18 bis 24 einen unterschiedlichen Leitfähigkeitstypus besitzen, und zwar bestehen die Transistoren 18 und 22 aus P-N-P-Material, während die Transistoren 20 und 24 aus N-P-N-Material gefertigt sind. Die Emitter der Transistoren 20 und 22, die zusammengeschaltet sind, sind über den Lastwiderstand 30 mit der Ausgangsklemme 14 verbunden. Wie die nachfolgende Beschreibung noch ergeben wird, kann dadurch die Ausgangsklemme 14 entweder mit —15 Volt oder mit Erde verbunden werden.

Der Kollektor eines fünften Transistors 32 ist über den Widerstand 34 mit Erdpotential verbunden, während sein Emitter an der Betriebsspannung von —15 Volt liegt, und zwar über den Widerstand 36. Die Basis des Transistors 32 ist zwischen den Emitter des Transistors 24 und den Widerstand 26 geschaltet, während die Basis des Transistors 24 an einem Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors 32 mit dem Widerstand 34 liegt. Die Transistoren 24 und 32 sind so miteinander zusammengeschaltet, daß der Transistor 24 normalerweise leitend und der Transistor 32 normalerweise gesperrt ist. Über eine Kapazität 38 wird dieser stabile Zustand aufrechterhalten. Wenn andererseits die Ausgangsklemme 14 mit Erdpotential verbunden ist oder wenn der Widerstand zwischen den Ausgangsklemmen 14 und 16 sehr niedrig ist, erhöht sich der Spannungsabfall am Widerstand 26 infolge des nunmehr diesen Widerstand durchfließenden vergrößerten Stromes und bewirkt dadurch ein Leitendwerden des Transistors 32, während der Transistor 24 gesperrt wird. Die umgekehrte Vorspannung des Transistors 24 bewirkt infolgedessen die Trennung der Ausgangsklemme von der Batteriespannung von —15 Volt, mit der die Klemme sonst verbunden ist, wenn sich die beiden Transistoren 22 und 24 im Durchlaßzustand befinden.

Im folgenden soll nun beschrieben werden, wie der Transistor 22 in seinen leitenden Zustand geschaltet wird. Hierzu sei erwähnt, daß die Basis des Transistors 22 mit der Basis des Transistors 20 verbunden ist und daß beide Basen über einen Widerstand 40 sowie eine Diode 42 an die negative Klemme der Betriebsspannungsquelle geschaltet sind. Dadurch wird eine negative Vorspannung an die Basis des Transistors 22 angeschaltet, und infolge der P-N-P-Leitfähigkeit des Transistors 22 wird dieser in seiner Emitter-Kollektor-Strecke leitend. Aus demselben Grunde führt aber auch die negative Vorspannung der Basis des N-P-N-Transistors 20 dazu, daß die Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors nichtleitend wird. Der leitende Zustand des Transistors 22, der mit dem nichtleitenden Zustand des komplementären Transistors 20 zusammengeschaltet wird, bewirkt das Anlegen eines negativen Potentials an die Ausgangsklemme 14, wobei dieses Potential über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 24 an die Ausgangsklemme 14 geschaltet wird.

Ein sechster P-N-P-Transistor 44 ist mit seinem Kollektor an einen Punkt geschaltet, der zwischen dem Widerstand 40 und der Zusammenschaltung der beiden Basen der beiden Transistoren 22 und 20 liegt. Der Emitter des Transistors 44 liegt am Verbindungspunkt der beiden Kollektoren der Transistoren 18 und 20. Die Basis des Transistors 44 ist über einen Widerstand 46 mit der Eingangsklemme 10 verbunden, wobei der Widerstand 46 Teil eines Spannungsteilers ist, der außerdem den Widerstand 48 enthält, wobei der letztere mit seinem einen Ende an einer Spannung von +15 Volt liegt. Solange den Eingangsklemmen 10 und 11 kein Eingangssignal zugeführt wird, ist die Basis des Transistors 44 so positiv vorgespannt, daß der betreffende Transistor sich in seinem nichtleitenden Zustand befindet. Zwischen der Basis des Transistors 44 und dem Widerstand 30 in der Zuführung zur Ausgangsklemme 14 liegt eine Kapazität 50. Parallel zu dieser Kapazität 50 ist eine zweite Kapazität 52 mit einer Diode 54 geschaltet. Der Verbindungspunkt der Kapazität 52 mit der Diode 54 liegt über einen Widerstand 56 an Erde. Die Kapazitäten 50 und 52 bestimmen die Dauer der Einschalte- und Abschaltezeiten des Transistors 44. Wenn beispielsweise das Eingangssignal, das an den Klemmen 10 und 12 anliegt, negativer wird, so wird der Transistor 44 so lange nichtleitend, bis die Kapazitäten 50 und 52 ausreichend aufgeladen sind. Dadurch wird die Anstiegszeit des Ausgangssignals begrenzt, wenn dieses von einem Potential von —15 Volt auf ein Potential von 0 Volt übergeht. Wird andererseits das Eingangssignal positiver, d. h. handelt es sich um das Ende eines Signals, so ist infolge der Polung der Diode 54 lediglich die Kapazität 50 wirksam hinsichlich der Bestimmung der Abschaltezeit des Transistors 44, so daß durch die Kapazität 50 die Abstiegsflanke des Ausgangssignals geformt wird, wenn dieses Signal von dem Betrag von 0 Volt wieder auf den Betrag von —15 Volt wechselt.

Die Basis des Transistors 18, der nunmehr betrachtet werden soll, ist über einen Widerstand 58 mit Erde verbunden und liegt andererseits über einen Widerstand 60 sowie eine Zenerdiode 62 an einem Potential von —15 Volt. Solange dem Basiskreis des Transistors 18 aus der Betriebsspannungsquelle kein Potential zugeführt wird, befindet sich der Transistor 18 im nichtleitenden Zustand und stellt einen hochohmigen Widerstand zwischen seinem Kollektor und der Erde dar. Da sowohl der Kollektor des Transistors 20 als auch der Emitter des Transistors 44 mit dem Kollektor des Transistors 18 verbunden sind, ist augenscheinlich, daß weder der Transistor 20 noch der Transistor 44 leitend geschaltet werden können, solange sich der Transistor 18 im nichtlei-

Claims (4)

1. 5 6

   tenden Zustand befindet. In manchen datenverarbei- Entladungsgeschwindigkeit der Kapazität 50 die Umtenden Vorrichtungen, und zwar insbesondere dann, schaltezeit des Transistors 44 bestimmt, bestimmt wenn sich der Pulsverstärker in einer Eingabe- oder er ebenfalls die Zeitspanne, die notwendig ist, damit Ausgabevorrichtung befindet, ist es möglich, daß ein das Potential der Klemme 14 von 0 Volt auf —15 Volt genügend großes negatives Potential, das an der 5 wechselt. Das letztere Potential wird erreicht, wenn Klemme 14 anliegt, durch Rückkopplungsvorgänge die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 22 leiüber den Emitter des Transistors 20 und die Basis tet und diejenige des Transistors 20 gesperrt ist. Mit des betreffenden Transistors so auf das Potential der der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 22 ist Klemme 14 einwirkt, daß dieses zu Null bzw. zu die ebenfalls leitende Emitter-Kollektor-Strecke des Erdpotential wird. Ein Potential von 0 Volt oder io Transistors 24 in Reihe geschaltet, an deren Emitter Erdpotential an der betreffenden Klemme würde über den Widerstand 26 das negative Betriebsaber die Darstellung einer binären Eins bedeuten, potential von —15 Volt angeschaltet wird,
   was selbstverständlich unerwünscht ist. Durch den Der Transistor 24 ist normalerweise leitend. Wenn Transistor 18 wird daher ein hochohmiger Wider- sich jedoch zwischen den Ausgangsklemmen 14 und stand gegenüber Erde an die Klemme 14 angeschal- 15 16 ein Kurzschluß einstellen sollte oder wenn aus tet, und der obenerwähnte Zustand kann sich nicht irgendwelchen Gründen der Widerstand zwischen einstellen. Die Dioden 28 und 42 ihrerseits dienen den Klemmen 14 und 16 bzw. den an diese Klemdazu, irgendwelches abfließendes negatives Potential men angeschlossenen Leitungsadern unter einen gegen Erde über die Stromversorgungsquelle zu ver- Wert von 820 Ohm fallen sollte, veranlaßt das am hindern. Wird an die Schaltungsanordnung Span- 20 Widerstand 26 abfallende Potential eine Änderung nung angelegt, so wird der Transistor infolge der der Vorspannung an der Basis des Transistors 32, negativen Spannung, die an seine Basis angeschal- und zwar wird das Potential an der Basis des Träntet wird, und zwar über die Zenerdiode 62, gesättigt, sistors 32 positiver und bewirkt damit ein Leitend- und der Kollektor des Transistors 20 sowie der werden des betreffenden Transistors. Es bildet sich Emitter des Transistors 44 sind über die nunmehr 25 nunmehr ein Strompfad, der über die Widerstände niederohmige Emitter-Kollektor-Strecke des Tran- 34 und 36 sowie die Emitter-Kollektor-Strecke des sistors 18 mit Erde verbunden. Durch die Zener- Transistors 32 von —15 Volt nach Erde verläuft, diode 62 wird sichergestellt, daß erst dann eine nega- Dadurch wird die Basis des Transistors 24 im negative Vorspannung an die Basis des Transistors 18 tiven Sinne mehr vorgespannt, so daß der Transistor angeschaltet wird, bis die Versorgungsspannung 30 sperrt und die Ausgangsklemme 14 von der Batterieeinen Wert von mindestens 12 Volt angenommen spannung von —15 Volt abtrennt,
   hat. Dadurch wird verhindert, daß an der Klemme Die Aufgabe des Transistors 18 wurde bereits im 14 Störsignale in Erscheinung treten infolge von vorstehenden ausführlich dargestellt. Seine Aufgabe Ausgleichsvorgängen, die bei der An- oder Abschal- besteht erstens darin, eine Rückkopplung der tung der Spannung an die Schaltungsanordnung in 35 Klemme 14 für diejenigen Fälle auszuschließen, in den einzelnen Schaltelementen auftreten können. denen die Betriebsspannung von der Schaltungs-

   Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schal- anordnung weggenommen ist, da über den Tran-

   tungsanordnung ist zusammengefaßt folgende: sistor 18 ein hochohmiger Widerstand zwischen die

   Wenn ein negativer Puls an die Eingangsklemmen Klemme 14 und Erde geschaltet wird. Außerdem be-10 und 12 angeschaltet wird, wird der Transistor 44 40 steht die Aufgabe der Zenerdiode 62 darin, Störleitend, wobei seine Umschlagszeit durch die Kapa- signale von einem Übertreten auf die Ausgangszitäten 50 und 52 beeinflußt wird. Durch das Lei- klemme 14 fernzuhalten, die sich einstellen können, tendwerden des Transistors 44 fließt ein Strom durch wenn die Betriebsspannung an die Anlage angeschalden Widerstand 40, und der damit verbundene Span- tet oder von dieser abgeschaltet wird,
   nungsabfall an diesem Widerstand ändert die auf die 45 Aus dem Vorstehenden geht also hervor, daß die Basis des Transistors 20 gegebene Vorspannung in erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einmal die positiver Richtung, so daß der Transistor 20 leitend Gestalt des Ausgangssignals beeinflußt, zum andern wird. Infolge des niedrigen Widerstandes des ent- eine strombegrenzende Wirkung ausübt und außersprechend vorgeschalteten Transistors 18 ist die Aus- dem verhindert, daß unerwünschte Rückkopplungsgangsklemme 14 mit Erdpotential oder mit einem 50 vorgänge sich in der Schaltung einstellen können.
   Potential von 0 Volt verbunden. Die Umschaltezeit, Selbstverständlich kann das Ausführungsbeispiel die notwendig ist, um die Klemme 14 von —15 Volt der Erfindung, das im vorstehenden beschrieben auf ein Potential von 0 Volt umzuschalten, wird wurde, noch in mancherlei abgeändert und ergänzt durch die Kapazitäten 50 und 52 bestimmt. werden, ohne daß dadurch der durch die Ansprüche

   Bei Erreichen der Abstiegsflanke des negativen 55 dargestellte Rahmen der Erfindung verlassen wird. Eingangsimpulses, d. h. wenn sich das Potential dieses negativen Impulses in positiver Richtung ändert, Patentansprüche:
   bleibt der Transistor 44 noch so lange durchlässig,

   wie die Ladung des Kondensators 50 ausreicht, um 1. Pulsverstärker mit Maßnahmen zur Auseine ausreichende negative Vorspannung der Basis 60 gangsstrombegrenzung, Unterdrückung von Stördes Transistors 44 zu sichern. Wenn der Transistor Signalen und Abschaltung bei Versorgungsspan-44 mit seinem Schließvorgang beginnt, wird die nungsausfall, dadurch gekennzeichnet, Basis des Transistors 20 mehr und mehr negativ, daß die Reihenschaltung der Emitter-Kollektorwas gleichzeitig auch für die Basis des Transistors 22 Strecken von vier Transistoren (18, 20, 22, 24), gilt. Da beide Transistoren jedoch einen unterschied- 65 von denen der erste und dritte Transistor (18,22) liehen Leitfähigkeitstypus besitzen, öffnet sich der einen gegenüber dem zweiten und vierten Tran-Transistor 22 in derselben Zeit, in der der Tran- sistor (20, 24) unterschiedlichen Leitfähigkeitssistor 20 seinen Schließzustand einnimmt. Da die typ besitzen, und eines Widerstandes (26) zwi-

   sehen die beiden Pole (—15 Volt, Erde) der Betriebsspannungsquelle geschaltet ist, daß die Emitter-Kollektor-Strecke eines fünften Transistors (32) ebenfalls an diese Pole angeschaltet ist, daß die Basis dieses fünften Transistors (32) an den Verbindungspunkt des Widerstandes der Reihenschaltung (26) mit der Emitter-Kollektor-Strecke des vierten Transistors (24) der Reihenschaltung gekoppelt ist, während die Basis dieses vierten Transistors (24) mit der Emitter-Kollelttor-Strecke des fünften Transistors (32) auf der dem Widerstand (26) der Reihenschaltung abgekehrten Seite dieser Strecke so verbunden ist, daß bei einer unzulässigen Vergrößerung des den Widerstand (26) der Reihenschaltung durchfließenden Stromes der fünfte Transistor (32) geöffnet und der vierte Transistor (24) gesperrt wird, daß die Basen des zweiten und dritten Transistors (20, 22) der Reihenschaltung über einen zweiten Widerstand (40) mit dem auch an ao den ersten Widerstand (26) geschalteten Pol (—15 Volt) der Spannungsquelle verbunden sind und daß dadurch diese Transistoren in einem unterschiedlichen Schaltzustand gehalten werden, daß die Basis des ersten Transistors (18) der Reihenschaltung derart mit der Betriebsspannungsquelle (-15VoIt) verbunden ist, daß dieser Transistor nur bei intakter Betriebsspannungsquelle seine Emitter-Kollektor-Strecke öffnet, daß zwischen Basis der zweiten und dritten Transistoren (20, 22) und den Verbindungspunkt der Emitter-Kollektor-Strecken des ersten und zweiten Transistors (18, 20) der Reihenschaltung die Emitter-Kollektor-Strecke eines sechsten Transistors (44) geschaltet ist, dessen Basis die Eingangsimpulse (über die Klemmen 10, 12) zugeführt werden, und daß schließlich der Verbindungspunkt der Emitter-Kollektor-Strecken des zweiten und dritten Transistors (20, 22) der Reihenschaltung mit der Ausgangsklemme (14) der Verstärkerschaltung verbunden ist.
2. 2. Pulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch mit der Basis des sechsten Transistors (44) gekoppelte Kondensatoren (50, 52) die Schaltzeiten dieses Transistors (44) zu Beginn und am Ende eines Impulses beeinflußt werden.
3. 3. Pulsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme (14) des Verstärkers über einen ersten Kondensator (50) mit der Basis des sechsten Transistors (44) und über einen zweiten Kondensator (52) mit einem Pol der Betriebsspannungsquelle (Erde) verbunden ist, wobei dieser Kondensator (52) über eine Diode (54) ebenfalls mit der Basis des sechsten Transistors (44) und damit mit dem anderen Kondensator (50) in Verbindung steht.
4. 4. Pulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des ersten Transistors (18) der Reihenschaltung über eine Zenerdiode (62) mit einem Pol der Betriebsspannungsquelle (-15VoIt) in Verbindung steht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   409 659/370 8. M © Bundesdruckerei Berlin