DE1196705B - Kippschaltung mit einer Tunneldiode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HO3k

Deutsche KL: 21 al-36/18

R 32291 VIII a/21 al
15. März 1962
15. Juli 1965

Die Erfindung betrifft eine Kippschaltung mit einer Tunneldiode, die mit einer Induktivität und einer Belastung in einer Reihenschaltung liegt, an die eine eine praktisch konstante Spannung liefernde Vorspannungsquelle angeschlossen ist, wobei das Ausgangssignal parallel zur Tunneldiode abgenommen wird. Die Erfindung umfaßt sowohl monostabile als auch bistabile Schaltungen. Die Erfindung läßt sich für Speicherschaltungen, Koinzidenzschaltungen, Schaltungsanordnungen zur Realisation logischer Funktionen usw. verwenden.

Es sind bereits monostabile und bistabile Kippschaltungen bekannt, die eine an eine Spannungsquelle angeschlossene Reihenschaltung aus einer Tunneldiode, einer Induktivität und einem linearen Arbeitswiderstand für die Tunneldiode umfassen. Die sich durch den Arbeitswiderstand ergebende Arbeitskennlinie schneidet die Stromspannungskennlinie der Tunneldiode in einem oder zwei Punkten, so daß ein stabiler Arbeitspunkt in einem oder beiden Ästen positiven differentiellen Widerstandes der Tunneldiodenkennlinie und damit ein monostabiles oder bistabiles Arbeiten der Schaltung möglich sind. Die Eingangssignale werden zwischen der Tunneldiode und der Induktivität eingekoppelt, die Ausgangssignale können von demselben Schaltungspunkt abgenommen oder unter Verwendung der als Primärwicklung eines Transformators ausgebildeten Induktivität ausgekoppelt werden.

Eine andere bekannte bistabile Kippschaltung enthält eine erste Tunneldiode, deren Anode mit der Kathode der zweiten Tunneldiode verbunden ist. Der Verbindungspunkt der beiden Tunneldioden stellt sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsklemme der Schaltungsanordnung dar. Beiden Tunneldioden werden gleichzeitig Vorspannungsimpulse entgegengesetzter Polarität zugeführt, die die eine Tunneldiode in einen stabilen Betriebszustand hohen Widerstandes und die andere in einen stabilen Betriebszustand niedrigen Widerstandes bringt. Die Betriebszustände der Tunneldioden können dadurch vertauscht werden, daß man dem Verbindungspunkt der beiden Dioden Ströme geeigneter Amplitude zuführt.

Es ist außerdem ein bistabiler Schalter für Wechseiströme vorgeschlagen worden, der eine Tunneldiode enthält, die mit einer nichtlinearen Impedanz in Reihe geschaltet ist. Die nichtlineare Impedanz wird durch die Parallelschaltung einer zweiten Tunneldiode mit einem Ohmschen Widerstand gebildet, wobei diese parallelgeschalteten Bauelemente so bemessen sind, daß die resultierende Summenkennlinie Kippschaltung mit einer Tunneldiode

Anmelder:

Radio Corporation of America,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
Hanoch Ur, Camden, N. J.;
Richard Harold Bergmann,
Riverton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 21. März 1961 (97 204),
vom 20. Juni 1961 (118 418)

einen mittleren Bereich hohen differentiellen Widerstandes umfaßt, an den sich beidseitig Kennlinienbereiche relativ niedrigen differentiellen Widerstandes anschließen. Der zu schaltende Wechselstrom fließt in einem Reihenstromkreis, der einen Sperrkondensator, die erstgenannte Tunneldiode und einen Arbeitswiderstand enthält, und die Amplitude dieses Wechselstromes ist so bemessen, daß er von sich aus kein Umschalten des Arbeitspunktes der Tunneldiode bewirken kann. Zum öffnen und Schließen des Schalters werden der obengenannten Reihenschaltung Impulse verschiedener Polarität zugeführt. Die Reihenschaltung wird außerdem über eine Induktivität mit einer Gleichvorspannung gespeist, die bezüglich der anderen Schaltungsparameter so bemessen ist, daß der Ast hohen differentiellen Widerstandes der Arbeitskennlinie der Tunneldiode den ersten Ast positiven Widerstandes der Tunneldiode etwas unterhalb des Strommaximums schneidet. Der Bereich hohen differentiellen Widerstandes der Arbeitskennlinie schneidet außerdem noch den negativen Ast der Tunneldiodenkennlinie in einem instabilen Arbeitspunkt, und schließlich wird der zweite Ast positiven Widerstandes der Tunneldiodenkennlinie nahe dem Stromminimum von dem einen Bereich niedrigen differentiellen Widerstandes der Arbeitskennlinie geschnitten. Der erwähnte Vorschlag umfaßt auch ein Koinzidenzgatter für Wechselströme, das drei

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bistabile elektronische Schalter der vorgeschlagenen Art enthält, deren Tunneldioden in Reihe mit einer gemeinsamen Arbeitsimpedanz und Wechselspannungsquelle liegen. Ein Stromfluß durch diese Reihenschaltung ist dann also nur möglich, wenn alle drei elektronischen Schalter gleichzeitig geöffnet sind.

Der obenerwähnte bistabile elektronische Schalter für Wechselströme ist für eine Verwendung in der Impuls- oder Schwellwertlogik weder bestimmt noch geeignet Die eingangs erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen eignen sich zwar zur Durchführung logischer Funktionen, sie lassen jedoch in vieler Hinsicht zu wünschen übrig, z.B. bezüglich ihrer Arbeitsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit gegenüber Vorspannungsänderungen. Bei den bekannten monostabilen Schaltungsanordnungen hängt die Dauer des Ausgangsimpulses außerdem verhältnismäßig stark von der Ausgangsbelastung ab und die Erholungszeit im Anschluß an einen Ausgangsimpuls ist unerwünscht groß. Die meisten bekannten Schaltungsanordnungen sprechen außerdem nur auf die Vorderflanke eines Eingangsimpulses, nicht jedoch auf Signalpegel an.

Es ist andererseits häufig wünschenswert, daß Schaltungsanordnungen zur Durchführung von logischen Funktionen ebenso empfindlich mit Spannungspegeln steuerbar sind wie mit steilflankigen Impulsen. Ein Beispiel sind Koinzidenzschaltungen, die einen Ausgangsimpuls nur dann liefern, wenn gleichzeitig zwei Eingangsimpulse anliegen. Es ist einleuchtend, daß es sehr schwierig ist, ein exaktes Zusammenfallen der Vorderflanken zweier steilflankiger Impulse zu erreichen. Bei schwellwertempfindlichen Schaltungsanordnungen ist dies jedoch nicht erforderlich, da solche Schaltungsanordnungen auch auf Eingangsimpulse ansprechen, die sich nur teilweise überlappen und deren Vorderflanken zeitlich nicht zusammenfallen.

Durch die Erfindung soll also eine Kippschaltung angegeben werden, die sich durch eine besonders kleine Totzeit auszeichnet, d. h. die Zeitdauer, während der die Schaltungsanordnung nach einem Ausgangsimpuls nicht erneut ausgelöst werden kann, soll besonders klein sein. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Kippschaltung dieser Art anzugeben, die anspricht, wenn das Eingangssignal einen bestimmten Schwellwert überschreitet, unabhängig davon, mit welcher Geschwindigkeit dieser Schwellwert durchlaufen wird. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind außerdem relativ unabhängig von Betriebsspannungsänderungen und lassen sich mit üblichen und bewährten Schaltungselementen aufbauen.

Eine Kippschaltung mit einer Tunneldiode, die mit einer Induktivität und einer Belastung in einer Reihenschaltung liegt, an die eine eine praktisch konstante Spannung liefernde Vorspannungsquelle angeschlossen ist, wobei das Ausgangssignal parallel zur Tunneldiode abgenommen wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung eine nichtlineare Impedanzanordnung ist, deren Arbeitskennlinie zwei Bereiche kleinen differentiellen Widerstandes, zwischen denen ein Bereich großen differentiellen Widerstandes liegt, der die Tunneldiodenkennlinie in dem bei niedrigen Spannungen liegenden Ast positiven Widerstandes schneidet, umfaßt.

Wenn die Schaltungsparameter so gewählt sind, daß die Arbeitskennlinie nur einen Ast positiven Widerstandes der Tunneldiodenkennlinie schneidet, ist die Schaltung monostabil. Wenn die Arbeitskennlinie dagegen beide Äste positiven Widerstandes der Tunneldiodenkennh"nie schneidet, ist die Schaltung bistabil.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine monostabile Kippschaltung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 Stromspannungskennlinien zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1,

F i g. 3 eine Stromspannungskennlinie eines in der Schaltung nach F i g. 1 enthaltenen Tunnelgleichrichters,

F i g. 4 eine andere Ausführungsform einer monostabilen Kippschaltung,

Fig.5 eine dritte Ausführungsform einer monostabilen Kippschaltung mit umgekehrten Polaritäten,

Fig. 6 ein Stromspannungsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 5,

F i g. 7 eine Stromspannungskennlinie eines in der Schaltung nach F i g. 5 enthaltenen Tunnelgleichrichters,

F i g. 8 ein Schaltbild einer monostabilen Kippschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 9 ein Stromspannungsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der nichtlinearen Impedanz in der Schaltung nach Fig. 8,

Fig. 10 ein Stromspannungsdiagramm zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise der Schaltung nach- Fig. 8,

Fig. 11 den Verlauf der Ausgangsspannung einer monostabilen Schaltung gemäß der Erfindung und

F i g. 12 den Verlauf der Ausgangsspannung bekannter Schaltungen, d. h. eine Darstellung der längeren Erholungszeit dieser bekannten Schaltungen.

In den Figuren sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.

In F i g. 1 ist mit D' eine Tunneldiode bezeichnet, welche zwischen Erde und einem Schaltungspunkt 14 liegt. An diesen Schaltungspunkt 14 ist ferner eine Ausgangsklemme 16 angeschlossen, an welcher die Ausgangsimpulse der Diode D' auftreten.

Die auslösenden Eingangsimpulse oder Spannungen werden dem Punkt 14 von Eingangsklemmen 8 und 9 über Eingangswiderstände 10 und 11 zugeführt. Statt dessen können statt Eingangswiderstände 10 und 11 auch geeignete nichtlineare Schaltelemente, beispielsweise Gleichrichter, verwendet werden.

Eine InduktivitätL, ein Gleichrichter!?, der vorzugsweise ein Tunnelgleichrichter ist, und eine Spannungsquelle mit dem positiven Pol + V_b sind mit der Tunneldiode D' in Reihe geschaltet. Die Spannungsquelle mit dem Pol +V_b ist eine Spannungsquelle konstanter Spannung, welche eine an dem Zustand der monostabilen Schaltung praktisch unabhängige Spannung liefert. Der Tunnelgleichrichter R stellt eine nichtlineare Belastung für die Tunneldiode dar, wie im folgenden noch erläutert werden wird.

Eine Vorspannungsquelle /_s liefert einen praktisch konstanten Vorspannungsstrom durch die Induktivi-

tat L an die Tunneldiode D'. Die Vorspannungsquelle I_s kann dadurch hergestellt werden, daß man eine Spannungsquelle von verhältnismäßig hoher Spannung über einen verhältnismäßig hohen Widerstand mit dem Schaltungspunkt 12 verbindet. Bei 5 einer derartigen Schaltung wird der der Diode £>' zugeführte Strom praktisch durch den erwähnten Widerstand bestimmt und ist von Änderungen des Widerstandes der Schaltelemente der monostabilen Schaltung nahezu unabhängig.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 wird nun unter Zuhilfenahme der Stromspannungskennlinien in Fig. 2 und 3 erläutert werden. Die F i g. 2 zeigt die Stromspannungskennlinie 20 der Tunneldiode D'. Diese Kennlinie enthält einen positiven Ast bei geringer Spannung, der im Nullpunkt beginnt und bis zu einem Maximum 22 ansteigt. Ferner enthält die Kennlinie 20 einen negativen Ast im mittleren Spannungsbereich, welcher vom Maximum 22 bis zu einem Minimum C verläuft, und schließlich noch einen positiven Ast in höherem Spannungsbereich jenseits vom Punkt C.

Die Vorspannungsquelle I_s liefert einen Vorspannungsstrom I/, um die Tunneldiode auf einen Arbeitspunkt A des unteren positiven Astes vorzuspannen.

Die F i g. 3 zeigt die Stromspannungskennlinie 24 des Tunnelgleichrichters R und zeigt die Polaritäten und Größen von Strom und Spannung, die am Tunnelgleichrichter R liegt bzw. durch ihn hindurchfließt. Eine positive Spannung am Gleichrichter R ruft einen positiven Strom / hervor, welcher in der Richtung des Pfeiles den Gleichrichter R durchsetzt.

Die Kennlinie 24 enthält einen sich in Fig. 3 rechts von der /-Achse erstreckenden Ast, auf welchem der Strom positiv und der Widerstand gering ist, einen mittleren Ast hohen Widerstandes mit praktisch konstantem Strom und einen Ast, auf welchem der Strom negativ ist, einen geringen Widerstand aufweist und der Strom von Minoritätsträgern gebildet wird. Da die Kennlinie 24 des Gleichrichters R in der Schaltung nach F i g. 1 als eine nichtlineare Belastung der Tunneldiode D dient, ist die Kennlinie 24 in F i g. 2 um die Spannungsachse gedreht dargestellt und in diese F i g. 2 mit dem Teil, welcher dem Strom Null oder dem hohen Widerstand entspricht auf den Stromwert // gezeichnet.

Die Tunnelgleichrichterkennlinie 24 ist gleichzeitig wegen der Vorspannung +V_b nach rechts verlagert, so daß der Ursprungspunkt 0 der Kennlinie 24 um den Betrag + V_b nach rechts verschoben ist.

In F i g. 2 ist somit die Stromspannungskennlinie 20 der Tunneldiode D' und der nichtlineare Zusammenhang des Widerstandes des Tunnelgleichrichters R gegenüber dem die Tunneldiode D' durchsetzenden Strom sowie die Spannung an der Tunneldiode!)' dargestellt. Ferner ist in Fig. 2 eine gestrichelte Linie 29 enthalten, welche die lineare Widerstandslinie der bekannten Schaltungen bedeutet.

Die Spannungen der Vorspannungsquellen/_s und V_b sind so gewählt, daß der im Ruhezustand geltende Abeitspunkt A an der Schnittstelle des Niederspannungsastes von positivem Widerstand der Kennlinie 20 mit dem Ast von annähernd konstantem Strom und hohem Widerstand des Tunnelgleichrichters liegt. Die Vorspannungsquellen sind so gewählt, daß der Arbeitspunkt A der einzige stabile Arbeitspunkt ist.

Mit anderen Worten sind also die Vorspannungsquellen so gewählt, daß die Gleichrichterkennlinie 24 nur einen der beiden Äste positiven Widerstandes der Diodenkennlinie 20 schneidet. Die Schnittstelle 26 liegt auf dem Ast negativen Widerstandes und stellt somit einen instabilen Arbeitspunkt dar.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 liegt der Arbeitspunkt der Diode D' im Normalzustand oder Ruhezustand im Punkt A in Fig. 2. Der Stromwert // des Arbeitspunktes A ist so gewählt, daß die Schaltung durch' einen Eingangsimpuls oder einer Eingangsspannung von vorgegebener Größe an den Eingangsklemmen 8 und 9 angestoßen wird.

Dieses Eingangssignal ruft eine Zunahme des durch die Diode D' fließenden Stromes hervor, so daß deren Arbeitspunkt in der Richtung des Maximums 22 der Kennlinie 20 verlagert wird. Nach Erreichung dieses Maximums springt der Arbeitspunkt auf die Stelle B. Sodann bewegt sich der Arbeitspunkt längs des positiven Hochspannungsastes der Kurve 20 nach unten in Richtung des Minimums C. Wenn der Arbeitspunkt dieses Minimum C erreicht, springt er auf die Stelle D des Niederspannungsastes zurück, worauf die Schaltung wieder in ihren stabilen Arbeitspunkt A zurückgeht.

In Fig. 11 ist der Ausgangsimpuls, welcher an den Klemmen 16 auftritt, durch den Kurvenzug A, B, C, D und E dargestellt, die den entsprechenden Buchstaben auf der Kennlinie 20 in Fig. 2 entsprechen.

Die Zeitdauer für den Stromübergang von der Stelle B zur Stelle C hängt hauptsächlich von dem Wert der Induktivität L ab. Die Dauer der Ausgangsimpulse ist also durch die Größe der Induktivität L bestimmt. Wenn die Ausgangsimpulse sehr kurz sein sollen, muß die Induktivität L sehr klein sein, und diese Induktivität kann daher entweder lediglich aus einem kurzen Draht bestehen oder auch lediglich aus der Eigeninduktivität der Anschlußdrähte der Tunneldiode D'.

Die sogenannte Erholungszeit oder die für den Übergang des Arbeitspunktes von D nach A ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung wesentlich kürzer als bei den bekannten Schaltungen mit geradliniger Widerstandlinie, d. h. bei Widerstandslinien nach Art der gestrichelten Linie29 in Fig. 2. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Arbeitspunkt von D nach A wandert, hängt von der veränderlichen Spannung an der Induktivität L ab, welche die Spannungsdifferenz zwischen dem Arbeitspunkt auf der Kennlinie 20 und der Spannung beim gleichen Strombetrag auf der Widerstandslinie 24 bzw. 29 ist.

Wenn der Arbeitspunkt oder der den augenblicklichen Betriebszustand kennzeichnende Punkt auf der Kennlinie24 an der Stelle!? liegt, bewirkt eine Spannung V₁, daß die Ausgangsspannung in ihren anfänglichen Ruhezustand zurückkehrt, wenigstens wenn eine lineare Widerstandslinie 29 gemäß dem Stand der Technik verwendet wird. Bei Verwendung einer nichtlinearen Widerstandslinie 24 ist eine Spannung (v_l5 V₂) wirksam. Hierdurch wird qualitativ die durch die Erfindung ermöglichte Verkürzung der Erholungszeit in der Schaltung nach Fig. 1 erklärt.

Die Benutzung einer nichtlinearen Impedanz in der Schaltung nach F i g. 1 führt zu einer Ausgangs-

kurvenfonn mit einer verkürzten Erholungszeit t_v die in Fig. 11 angedeutet ist, und die wesentlich kurzer ist als die dem Stand der Technik entsprechende Erholungszeit i₂ in F i g. 12.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach F i g. 1 besteht darin, daß der Ruhepunkt A der Schaltung verhältnismäßig stabil ist und von unerwünschten Änderungen der Vorspannung + V_b unbeeinflußt bleibt. Änderungen der Spannung + F₆ bewirken eine seitliche Verschiebung der Kennlinie 24, jedoch führt diese Verschiebung nicht zu einer Änderung des Ruhestroms im Arbeitspunkt A. Man sieht ohne weiteres, daß eine seitliche Verschiebung der linearen Belastungslinie 29 dagegen eine starke Verschiebung in der Lage des Punktes A hervorruft.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach F i g. 1 besteht darin, daß sie sowohl auf Eingangssignalpegel als auch auf die Vorderflanke eines Eingangssignals anspricht. Bei linearen Belastungswiderständen gemäß dem Stand der Technik würde die Tunneldiode D' nur auf die Vorderflanke des Eingangssignals ansprechen.

Dies bedeutet, daß bei den bekannten Schaltungen die Induktivität L einen hohen Scheinwiderstand für die Vorderflanke des Eingangsimpulses bildet. Es fließt daher praktisch der ganze Eingangsstrom durch die Tunneldiode £>'. Wenn jedoch das Eingangssignal einen konstanten Wert angenommen hat, stellt die Induktivität L einen sehr kleinen Widerstand dar, und ein Teil des Eingangsstroms fließt nicht mehr durch die Tunneldiode £>', sondern wird abgezweigt. Man muß daher bei den bekannten Schaltungen zur Erreichung einer geeigneten Wirkungsweise der Tunneldiode D' dafür sorgen, daß die Vorderfronten beider Eingangsimpulse zeitlich zusammenfallen.

Bei der Schaltung nach F i g. 1 sind die Widerstände des Tunnelgleichrichters R und der Stromquelle /_s im Vergleich zu dem Widerstand der Tunneldiode zu jeder Zeit so groß, daß der ganze Strom, d. h. sowohl der Strom während der Vorderflanke und der konstante Strom eines stetigen Eingangssignalpegels durch die Tunneldiode D' fließt. Die Diode D' wird also zuverlässig umgeschaltet, selbst wenn der eine Eingangsimpuls innerhalb der Dauer, d.h. innerhalb des horizontalen Astes des anderen Eingangsimpulses einsetzt.

Die Tatsache, daß die erfindungsgemäßen Schaltungen auch auf Eingangsignalpegel und nicht nur auf die Vorderflanke von Eingangsimpulsen ansprechen, ist für die Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungen als logische Stufen in Rechenmaschinen von Bedeutung, und zwar insbesondere dann, wenn die Schaltung durch zwei Eingangsimpulse ausgelöst werden soll, die normalerweise nicht gleichzeitig beginnen.

Die Tunneldiode und der Tunnelgleichrichter sind so vorgespannt, daß der Teil hohen Widerstandes der Kennlinie des Tunnelgleichrichters und der eine Teil geringen Widerstandes der Tunnelgleichrichterkennlinie benutzt werden, der dem Majoritätsträgerstrom (Tunnelstrom) entspricht. Da nur einer der Kennlinienteile geringen Widerstandes des Tunnelgleichrichters benutzt wird, kann der Tunnelgleichrichter durch einen gewöhnlichen Gleichrichter oder eine gewöhnliche Diode ersetzt werden, vorausgesetzt, daß die Vorspannung + F₆ geeignet eingestellt wird. Tunnelgleichrichter werden jedoch gegenüber einer gewöhnlichen Diode vorgezogen, weil die Kennlinie eines Tunnelgleichrichters einen schärferen Knick zwischen den Kennlinienteilen hohen Widerstandes und niedrigen Widerstandes aufweist. Man kann aber auch, wie aus der später noch zu besprechenden S F i g. 5 ersichtlich ist, den Ast niedrigen Widerstandes entsprechend dem Minoritätsträgerstrom des Tunnelgleichrichters benutzen.

In F i g. 1 ist die Quelle des konstanten Stromes 7_S über die Induktivität L an die Diode D' angeschlossen. Hierdurch wird der Stabilisierungseffekt der Induktivität L nutzbar gemacht.

Die Fig. 4 zeigt eine monostabile Tunneldiodenschaltung, in welcher die Stromquelle/_s unmittelbar an die Tunneldiode D' angeschlossen ist. Ferner ist ein zusätzlicher Tunnelgleichrichter R₂ oder gewöhnlicher Gleichrichter zur Induktivität L parallel geschaltet. Die Schaltung nach Fig. 4 hat eine Ausgangsklemme 1, an welcher der Ausgangsimpuls 34' abgenommen werden kann und eine weitere alter-

ao nativ zu benutzende Ausgangsklemme 2, an welcher der Ausgangsimpuls 36' erscheint.

Der Auegangsimpuls 36' unterscheidet sich von dem Ausgangsimpuls 34' darin, daß er einen horizontal verlaufenden Mittelteil und keinen abfallenden Mittelteil besitzt und darin, daß seine Rückfront weniger steil abfällt. Diese Eigenschaften rühren von dem Gleichrichter R₂ her, welcher der Spule L parallel liegt. Im übrigen ist die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 4 weitgehend derjenigen nach F i g. 1 gleich.

Die F i g. 5 zeigt eine monostabile Schaltung ähnlich derjenigen nach Fig. 1 und unterscheidet sich von dieser darin, daß der Gleichrichter R die umgekehrte Polarität besitzt und daß die mit ihm verbundene Vorspannungsquelle eine negative Spannung -F₆ liefert. In der Schaltung nach Fig. 5 wird der Ast niedrigen Widerstandes des Tunnelgleichrichters, der dem Minoritätsträgerstrom entspricht, benutzt, und die negative Spannung — F₆ ist

so gewählt, daß die Gleichrichterkennlinie 24' in F i g. 6 um einen Betrag — F₆ längs der Spannungsachse nach links verschoben ist.

Die F i g. 7 zeigt die Stromspannungskennlinie des Tunnelgleichrichters, wenn eine positive Spannung dem Gleichrichter!? zugeführt wird, um einen positiven Strom entgegengesetzt der Pfeilrichtung des Diodensymbols zu erzeugen. In Fig. 7 liegen die dem Minoritätsträgerstrom und dem Tunnelstrom entsprechenden Kennlinienbereiche umgekehrt wie in Fig. 3.

Man kann den einen oder den anderen Ast niedrigen Widerstandes der Tunnelgleichrichterkennlinie benutzen, da beide Äste symmetrisch und gleichartig verlaufen. Jedoch wird die an Hand der F i g. 1 bis 3 erläuterte Benutzung des einen Astes bevorzugt, weil dann der Arbeitspunkt der Schaltung nicht den instabilen Ast der Tunnelgleichrichterkennlinie von schwach negativem Widerstand durchläuft, welcher in der Nähe des Minoritätsträgerteils der Tunnelgleiehrichterkennlinie auftritt.

Die Schaltung nach Fig. 5 unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 1 ferner darin, daß die Vorspannungsstromquelle /_s unmittelbar an der DiodeD' liegt und nicht wie in Fig. 1 unter Zwischenschaltung der Induktivität L.

Die Schaltung nach Fig. 5 kann ebensogut derart aufgebaut werden, daß der Vorspannungsstrom/_s über die Induktivität L der Tunneldiode D' züge-

führt wird. Mit Ausnahme der obenerwähnten weniger wichtigen Unterschiede entspricht die Schaltung nach Fig. 5 weitgehend derjenigen nach Fig. 1 und arbeitet im wesentlichen gleich.

Die Schaltungen nach F i g. 1, 4 und 5 wurden im Vorstehenden als monostabile Schaltungen mit nur einem stabilen Arbeitszustand beschrieben. Die Schaltungen können jedoch ebenfalls als bistabile Schaltungen arbeiten, besitzen also dann zwei stabile Zustände, wenn man die Größen der Vorspannungsquellen + F₆ bzw. -F₆ entsprechend wählt. Beispielsweise kann die Schaltung nach Fig. 5 einem bistabilen Betrieb dadurch angepaßt werden, daß die Vorspannung — F₆ so weit vermindert wird, daß der Ast geringen Widerstandes der Tunnelgleichrichterkennlinie 24" (Fig. 6) den Hochspannungsast positiven Widerstandes der Tunneldiodenkennlinie 20 im Punkt 40 schneidet. (Die Kennlinien der Tunneldiode und des Tunnelgleichrichters können so gewählt werden, daß ein bistabiler Betrieb sich dann einstellt, wenn die Vorspannungsquelle — V_b den Spannungswert Null hat.)

Im bistabilen Betrieb wandert der Arbeitspunkt von A nach B und von dort zum Punkt 40, wenn der Schaltung ein positives Eingangssignal, das den Schwellenwert übersteigt, zugeführt wird. Der Arbeitspunkt wandert vom Punkt 40 über die Punkte C und D zurück zu Punkt A, wenn ein negativer Rückstellimpuls der Diode D' zugeführt wird oder auch als Folge der Rückfront eines positiven Eingangsimpulses.

Während des Rückstellprozesses befindet sich der Tunnelgleichrichter in einem Zustand niedrigen Widerstandes, und die Induktivität L trennt kurzzeitig die konstante Spannungsquelle —V_b von der Tunneldiode, so daß die Spannung an der Tunneldiode und der diese Diode durchsetzende Strom sich ändern können. Ohne die Induktivität (oder ohne eine verteilte Induktivität) würde die Spannungsquelle konstanter Spannung -F₆ den Rückstellvorgang der Tunneldiode erschweren.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind zwei Vorspannungsquellen/_s und F₆ verwendet worden. Man kann jedoch bei Benutzung nichtlinearer Impedanzen in Reihe mit einer Tunneldiode und nur einer Vorspannungsquelle zu gleichartigen Ergebnissen kommen.

In Fig. 8 der Zeichnung ist eine derartige Anordnung dargestellt.

F i g. 8 zeigt eine monostabile Tunneldiodenschaltung mit einer nichtlinearen Impedanz 30 (innerhalb der gestrichelten Umrandungslinie), einer Induktivität L und einer Tunneldiode D'. Alle diese Schaltelemente liegen in Reihe zwischen der eine Spannung + F₆ liefernden Klemme und der Erdklemme einer Quelle konstanter Spannung. Die nichtlineare Impedanz 30 enthält eine zweite Tunneldiode 31 parallel zu einem Widerstand 32. Die Signaleingangsklemmen 8 und 9 sind über Widerstände 10 und 11 mit dem Schaltungspunkt 14 zwischen der Induktivität L und der Tunneldiode D' verbunden. Die Ausgangsspannung der Schaltung wird an der Ausgangsklemme 16 abgenommen.

Die F i g. 9 zeigt die Stromspannungskennlinie 3O⁷ der nichtlinearen Impedanz 30 in F i g. 8. Die Kennlinie 30' ist eine Summenkennlinie, welche durch Addition der Kennlinie 31' der Tunneldiode 31 und der Kennlinie 32' des Parallelwiderstandes 32 entsteht Da die Tunneldiode 31 und der Widerstand 32 parallel geschaltet sind, ist der Strom durch die nichtlineare Impedanz 30 für jede an der nichtlinearen Impedanz liegende Spannung die Summe der Ströme durch die beiden Parallelzweige.

Die Tunneldiode 31 und der Widerstand 32 ergeben eine Summenkennlinie 30' mit einem Niederspannungsast 33 entsprechend geringer Spannung, geringem differenziellen Widerstand und geringem

ίο Strom, einen Mittelspannungsast 34 entsprechend einem hohen differenziellen Widerstand und praktisch konstantem Strom sowie einen Hochspannungsast 36 entsprechend hoher Spannung, geringem Widerstand und hohem Strom. Die Größe des Widerstandes32 ist in Fig. 9 durch die Neigung der Linie 32' angedeutet. Die Schaltelemente sind so gewählt, daß der Ast 34 konstanten Stromes einem Stromwert unterhalb des Spitzenstromes (22 in Fig. 10) der TunneldiodeD' entspricht.

Die Fig. 10 ist eine Stromspannungsdarstellung, welche die Kennlinie 20 der Tunneldiode D' in der Schaltung nach F i g. 8 wiedergibt. Die Kennlinie 20 enthält einen Niederspannungsast positiven Widerstandes, welcher sich vom Ursprungspunkt 0 bis zum Strommaximum 22 erstreckt, einen Ast negativen Widerstandes, der vom Punkt 22 bis zum Minimum C verläuft und einen Hochspannungsast positiven Widerstandes, welcher vom Minimum C bis zum PunktD und darüber hinaus verläuft. Die Fig. 10 zeigt auch die Kennlinie 30' der nichtlinearen Impedanz 30. Die Kennlinie 30' entspricht der Kennlinie 30' in Fig. 9, ist jedoch in der Darstellung der Fig. 10 so orientiert, daß die Belastung der Tunneldiode D' veranschaulicht wird.

Wie in F i g. 10 dargestellt, sind die Schaltelemente der Fig. 8 so gewählt, daß sich der Ruhearbeitspunkt A am Schnittpunkt des Niederspannungsastes positiven Widerstandes der Kennlinie 20 der Tunneldiode!)' und des Astes hohen Widerstandes und praktisch konstanten Stromes der Kennlinie 30' der nichtlinearen Impedanz 30 einstellt. Da die beiden Kennlinien 20, 30' keinen anderen Schnittpunkt haben, besitzt die Schaltung nur einen stabilen Arbeitspunkt und ist somit monostabil.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 8 ist weitgehend ähnlich derjenigen nach Fig. 1. Es sei erwähnt, daß die Eigenschaften der Schaltung nach Fig. 10 von der Kennlinie in Fig. 2 darin abweichen, daß die nichtlineare Widerstandslinie in Fig. 10 den negativen Widerstandsast der Kennlinie 20 nicht schneidet. Anderweitig ist die Wirkungsweise die gleiche. Im PunktE in Fig. 10 ist eine Rückstellungsspannung (F₁+F₂) zur Rückstellung auf den Ruhepunkt A wirksam. Bei der bekannten linearen Belastungslinie 29 bewirkt dagegen nur die Spannung F₁ die Rückstellung.

Wie oben bereits erläutert, veranschaulicht die Fig. 11 die Verkürzung der Erholungszeitt_x des Ausgangsimpulses A, B, C, D, E des die nichtlineare Belastung enthaltenden Kreises im Vergleich zu der Erholungszeiti₂ in Fig. 12, welche für den eine lineare Belastung enthaltenden Kreis gilt.

Die nichtlineare Impedanz 30 kann auch mittels anderer Schaltelemente als durch eine Tunneldiode mit parallelgeschaltetem Widerstand realisiert werden. Beispielsweise kann man eine Tunneldiode mit einem inneren Parallelwiderstand benutzen.

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Die Kennlinie der nichtlinearen Impedanz kann außerdem weitgehend ähnlich der Kennlinie 30' in F i g. 9 sein, jedoch von ihr auf dem Hochspannungsast 36 abweichen, da dieser Ast der Kennlinie beim Betrieb der dargestellten Schaltungen nicht benutzt wird.

Man sieht somit, daß gemäß der Erfindung Tunneldiodenschaltungen angegeben werden, welche sich durch ein verbessertes Verhalten bezüglich der Arbeitsgeschwindigkeit, bezüglich der Erholungszeit, bezüglich der Empfindlichkeit für Eingangssignalspannungen und bezüglich ihrer Stabilität gegen Vorspannungsänderungen auszeichnen.

Claims (10)

Patentansprüche: 1S

1. Kippschaltung mit einer Tunneldiode, die mit einer Induktivität und einer Belastung in einer Reihenschaltung liegt, an die eine eine praktisch konstante Spannung liefernde Vorspan- ao nungsquelle angeschlossen ist, wobei das Ausgangssignal parallel zur Tunneldiode abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung eine nichtlineare Impedanzanordnung (R bzw. 30) ist, deren Arbeitskennlinie (30') as zwei Bereiche (33, 36, Fig. 9) kleinen differentiellen Widerstandes, zwischen denen ein Bereich (34) großen differentiellen Widerstandes liegt, der die Tunneldiodenkennlinie (20) in dem bei niedrigen Spannungen liegenden Ast positiven Widerstandes schneidet, umfaßt.

2. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Impedanzanordnung einen Tunnelgleichrichter (R) enthält.

3. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Impedanz eine Tunneldiode mit einem inneren Parallelwiderstand enthält.

4. Kippschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) in der Reihenschaltung zwischen der Tunneldiode (D') und der nichtlinearen Impedanzanordnung (30, R) liegt.

5. Kippschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktivität (L) ein Gleichrichter, insbesondere ein Tunnelgleichrichter (R₂) parallel geschaltet ist (Fig. 4).

6. Kippschaltung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal an der die Tunneldiode (D') und die Parallelschaltung aus Induktivität (L) und Gleichrichter (R₂) bestehenden Reihenschaltung abgenommen wird (Fig. 4).

7. Kippdiodenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Tunneldiode (D') eine einen konstanten Strom (/_s) liefernde Stromquelle angeschlossen ist.

8. Kippschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Strom der Tunneldiode über die Induktivität zugeführt ist.

9. Kippschaltung nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß die den konstanten Strom liefernde Stromquelle direkt an die Tunneldiode angeschlossen ist (Fig. 5).

10. Kippschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (F₆) so bemessen ist, daß sich die Tunneldiodenkennlinie (20) und die durch die nichtlineare Impedanz bestimmte Arbeitskennlinie (30') nur in dem bei niedrigen Spannungen liegenden Ast positiven Widerstandes der Tunneldiodenkennlinie schneiden (Fig. 10).

H. Kippschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (F₆) so klein bemessen ist, daß ein zweiter stabiler Ruhearbeitspunkt der Schaltung an einem Schnittpunkt (40) des bei höheren Spannungen liegenden Astes positiven Widerstandes der Tunneldiodenkennlinie (20) mit der Arbeitskennlinie (24") existiert (Fig. 6).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1100 692;
IRE Transactions on Elektronic Computers, September 1960, S. 296 und 299;

British Communication and Electronics, April 1960, S. 257.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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