DE1213479B - Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer sinusfoermigen Spannung in eine Folge von Impulsen gleicher Frequenz - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

int. CI.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al #6/02

Nummer: 1213 479

Aktenzeichen: S 82110 VIII a/21 al

Anmeldetag: 19. Oktober 1962

Auslegetag: 31. März 1966

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer sinusförmigen Spannung in eine Folge von Impulsen gleicher Frequenz unter Verwendung besonderer Dioden.

Es ist bekannt, daß eine Halbleiterdiode bei Vorspannung in der Vorwärtsrichtung eine hohe Leitfähigkeit aufweist. In diesem Zustand enthält das kristalline Material der Halbleiterdiode eine große Anzahl überschüssiger Ladungsträger im Gegensatz zu den Bedingungen, die sich einstellen, wenn die Diode durch Anlegen einer Vorspannung in der Rückwärtsrichtung in den nichtleitenden Zustand gebracht worden ist. Wird die Vorwärtsspannung plötzlich durch eine genügend hohe Rückwärtsspannung ersetzt, dann kommt ein physikalisch interessantes Phänomen zum Tragen, welches in der Physik die Bezeichnung »Ladungsspeichereffekt« erhalten hat.

Infolge des Vorhandenseins von freien Ladungsträgern in dem Material wird vorübergehend ein rasch abnehmender Strom erzeugt. Die Diode wirkt daher in diesem Betriebszustand ähnlich wie ein Transistor, jedoch mit dem Unterschied, daß die Anode beim Anlegen einer Wechselspannung, welche die Diode abwechselnd in den »Offen«- und in den »Sperr«-Zustand bringt, während der einen Halbperiode der Wechselspannung als Emitter und während der anderen Halbwelle der Wechselspannung als Kollektor wirkt. Während der Emitterhalbwelle werden Ladungsträger mit kleiner Vorwärtsspannung bei einem niedrigen Impedanzpegel in den Kristall injiziert, wogegen während der Kollektorhalbwelle die Ladungsträger mit einer größeren Spannung und bei einem höheren Impedanzpegel in der Gegenrichtung fließen. Hieraus ergibt sich ein Verstärkungseffekt.

Es ist ferner bekannt, daß man mit derartigen Halbleiterdioden Verstärker aufbauen kann, die Verstärkungsfaktoren bis zu 10 haben. Sie eignen sich vorzugsweise als Impulsgeneratoren mit veränderlicher Wiederholungsfrequenz od. dgl. in modernen Digitalrechengeräten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe derartiger Halbleiterdioden eine einwandfrei arbeitende Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer sinusförmigen Spannung in eine Folge von Impulsen gleicher Frequenz zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von dem oben umrissenen Stand der Verstärkertechnik aus und besteht im wesentlichen darin, daß parallel zu der Quelle der sinusförmigen Spannung eine an sich bekannte Halbleiterdiode mit Ladungsspeichereffekt geschaltet ist, daß der Ausgangskreis über eine zur Halbleiterdiode entgegengesetzt gepolte Gleich-Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer
sinusförmigen Spannung in eine Folge von
Impulsen gleicher Frequenz

Anmelder:

Sperry Rand Corporation,

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. D. Jander, Patentanwalt,

Berlin 33, Hüttenweg 15

Als Erfinder benannt:
Thomas Kenneth Lewis,
Glenolden,Pa.(V.St.A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. November 1961
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richterdiode mit der Halbleiterdiode gekoppelt ist und daß eine Vorspannungsquelle mit den beiden Dioden verbunden ist, derart, daß die Gleichrichterdiode am Ende der Rekombinationszeit der Halbleiterdiode leitet und bei Polungsumkehr der sinusförmigen Spannung mit Beginn der Leitung der Halbleiterdiode sperrt. t

Vorzugsweise gelangt ein parallel zu der Quelle der sinusförmigen Spannung angeordneter Speicherstromkreis für elektrische Energie zur Anwendung. Der Speicherstromkreis kann ein Resonanzstarkstromkreis sein.

Der wesentliche Vorteil der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie sich für extrem hohe Frequenzen eignet, verhältnismäßig einfach im schaltungstechnischen Aufbau und billig in der Herstellung ist. Die neue Schaltungsanordnung kann außerdem als Quelle für die Taktgabe von Impulsen bei großen Wiederholungswerten und extrem schnellen Aufbau- und Abfallzeiten für die Taktimpulse dienen.

Weitere Zwecke und Vorteile der Schaltungsanordnung werden aus dem nun folgenden Beschreibungs-

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teil hervorgehen, in welchem unter Bezugnahme auf Schaltungsanordnung in Verbindung mit der Beschrei-

die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Schaltungs- bung von Fig. 2 völlig klar werden. Eine Vorspan-

anordnung nach der Erfindung näher erläutert werden nungsquelle, die bei dem gewählten Beispiel eine

soll. Batterie 116 ist, hegt am unteren Knotenpunkt 126

F i g. i der Zeichnung zeigt das Schaltbild einer 5 des Parallelstromzweiges, der den Generator enthält.

Schaltungsanordnung nach der Erfindung, und Die Vorspannungsquelle dient im Bedarfsfall zur Ver-

F i g. 2 gibt einige Kurven wieder, die bei der Schiebung des Bezugspegels des Eingangssignals, so

Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auftreten. daß die Diode 104 schneller stromleitend gemacht

In Fig. 1 dient ein Generator 100 zur Erzeugung werden kann oder daß die verschiedenen AusgangseinesshiusförmigenEingangssignals mit einem Spitzen- io pegel durch das Anlegen des Eingangssignals verwert von etwa 11 Volt. Selbstverständlich braucht die schoben werden. Eine weitere Stromquelle, beispiels-Eingangssignalquelle nicht unbedingt ein Generator weise die Batterie 120, kann über einen Widerstand für ein sinusförmiges Signal zu sein, sondern sie kann 124 (500 Ohm) an die Klemme 118 gelegt werden, irgendein behebiger Generator zur Erzeugung eines Diese Stromquelle dient zur. Steuerung des Stromsich ändernden Signals sein. Tatsächlich kann die 15 flusses durch die Diode 104, wie im folgenden noch Signalkurve auch eine gewisse Unregelmäßigkeit auf- näher beschrieben werden soll, und ihre Polarität ist weisen, bei der bevorzugten Ausführungsform des durch die jeweilig bevorzugte Verwendung vorge-Erfindungsgegenstandes hat sie indessen eine regel- geben. Außerdem steuert die Stromquelle 120 die mäßige Wellenform. Außerdem ist die Größe dieses Impulsbreite durch Steuerung des Stromflusses durch Signals zum mindesten teilweise mitbestimmend für 20 die Diode 106. Eine typische Stromquelle 120 kann die Größe der Ausgangsenergie. Bei dem dargestellten zwischen 0 und 30VoIt veränderlich sein, wodurch Beispiel beträgt diese Energie größenordnungsmäßig die Impulsbreite (gemessen in der Hälfte des Impuls-0,25 Watt Ausgangsleistung. Der Widerstand 102 punktes) zwischen etwa 5,5 und 7,0 Nanosekunden (10 Ohm) ist an die Signalstromquelle 100 ange- schwankt. Schließlich kann noch eine weitere Stromschlossen. Dieser Widerstand 102 kann die Serien- 25 quelle, beispielsweise die Batterie 122, in Reihe mit impedanz des Generators 100 darstellen, er kann der Diode 106 geschaltet werden. Die Polarität dieser aber auch wahlweise ein induktives Netzwerk bilden, Batterie ist vorzugsweise so gewählt, daß die Diode wie man es bei einigen wichtigen Vorgängen in dem 106 eine stärkere Rückwärtsvorspannung erhält, wo-Stromkreis benötigt, um die Leistungsverluste herab- durch die Leitkante des erzeugten Impulses steiler zusetzen. Parallel zu der Serienschaltung aus dem 30 ausfällt. Das heißt mit anderen Worten, daß durch Generator 100 und dem Widerstand 102 Hegt ein Anlegen eines Umkehrpotentials in der Größenord-Speicherstromkreis. Der Speicherstromkreis besteht nung von 1,0 Volt die Diode 106 erst stromleitend aus einer Induktivität 110 (1,6 Mikrohenry), der par- wird, wenn der an sie angelegte Eingangsimpuls allel zu dem Kondensator 112 (10 Pikofarad) liegt; (s. Fig. 2) die steile Führungskante erreicht hat. Die diese Parallelschaltung liegt in Reihe mit einem wei- 35 Wahl der Batterien 116, 120 und 122 ist für die teren Kondensator 114 (50 Pikofarad). Der Speicher- Wirkungsweise des Stromkreises nicht ausschlagstromkreis dient zur Aufspeicherung der von dem gebend; sie können jede gewünschte Spannung haben Eingangssignal gelieferten Energie so lange, bis das und in manchen Fällen auch ganz fortfallen. Die Di-Ausgangssignal erzeugt ist (wie dies im folgenden mensionierung der Stromkreiselemente ist im übrigen noch näher erklärt werden soll), worauf ein Abfließen 40 nur beispielsweise angegeben worden und bildet von Energie aus dem Speicherkreis ein flacheres Aus- keinen Teil der Erfindung,

gangssignal erzeugt. Parallel zu den beiden Strom- Für höhere Leistungsangaben können die obenzweigen liegt eine Diode 104. Diese Diode, die bei- genannten Beispiele für die Stromkreiselemente gespielsweise ein Fairchildhalbleiter mit der Handels- ändert werden. So k&nn man beispielsweise bei einer bezeichnung »FD-100« sein kann, ist eine Diode mit 45 Ausführungsform mit einer Ausgangsleistung von Ladungsspeichereffekt. Diese Eigenschaften sind für 8 Watt einen Generator für ein 30-Volt-Signal, von die Wirkungsweise der Schaltanordnung wesentlich, Spitze zu Spitze gemessen, verwenden,
können aber nach Maßgabe der gewünschten Fre- Im folgenden soll die Wirkungsweise der in F i g. 1 quenz der Wirkung des Impulsgenerators und auch wiedergegebenen Schaltungsanordnung unter Bezugnach Maßgabe der Impulsdauer des Ausgangssignals 50 nähme auf die in F i g, 2 gezeigten Kurven erklärt geändert werden. Außerdem können die Leistungs- werden. Das von dem Generator 100 gelieferte Einanforderungen die Benutzung verschiedener Dioden- gangssignal ist für die Zwecke der Erläuterung als typen zwingend notwendig machen. Ein weiterer Par- Signal (^4) dargestellt, weiches sich nach einer Sinusallelstromzweig ist in die Schaltanordnung eingefügt kurve ändert. Dieses Signal schwankt um den Bezugsund umfaßt die Gleichriehterdiode 106 und die Be- 55 pegel, der durch das von der Batterie 116 eingestellte lastung 108. Die Belastung 108 ist in der Figur sehe- Potential bestimmt ist. Wie oben bereits angedeutet, matisch als ein Widerstand von beispielsweise etwa würde beim Fortlassen der Batterie 116 das Bezugs-100 Ohm dargestellt, selbstverständlich umfaßt die potential normalerweise Null oder gleich dem Erd-Erfindung keineswegs notwendigerweise eine der- potential sein. Bei der zweiten Alternative muß das artige rein ohmsche Belastung. Vorzugsweise wird 60 Bezugspotential einen bestimmten, von dem Erdman für diese Diode eine solche wählen, die keinen potential verschiedenen Wert haben. Das Eingangsübertrieben starken Ladungsspeichereffekt zeigt. Im signal wird auf die anderen Parallelzweige durch den übrigen ist die Diode 106 so in den Stromkreis ein- Generator 100 des Impulsgeneratornetzwerks gegefügt, daß ihre Polung der Polung der Diode 104 geben. Man sieht also, daß das Potential an der entgegengesetzt ist. Infolgedessen ist die Diode 106 65 Klemme 118 so verläuft, wie die mittlere Kurve (B) nur dann stromleitend, wenn die Diode 104 nicht in Fig.2 es zeigt, d.h., sobald das von dem Genestromleitend ist, und umgekehrt. Diese Zusammen- rator 100 gelieferte Signal den negativen Bereich hänge werden bei der Beschreibung der Wirkung der durchläuft^ wird die Diode 104 in der Vorwärtsrich-

Claims (3)

1. S 6

   tung stromleitend, wodurch das Potential an der sich nach der gestrichelten Linie in F i g. 2 zu ändern. Klemme 118 tatsächlich der Kurvenform des Ein- Das heißt, das Potential an der Klemme 118 würde gangssignals folgt, so daß die Spannung an der der Wellenform des Eingangssignals folgen. Infolge Klemme 118 ebenfalls ein Signal hervorruft, welches der zusätzlichen Energielieferung aus dem Speicherden negativen Bereich durchläuft. 5 kreis erzeugt das auf Sie Diode 106 gegebene Signal

   Die Rekombinationszeit der Diode 104 und damit die praktisch quadratische Impulsform (C), die in

   die Impulsbreite hängen ferner von der Spannung F i g. 2 gezeichnet ist.

   der Vorspannungsstromquelle 120 ab. Der aus den Nachdem der Eingangsimpuls von den positiven

   Kondensatoren 112 und 114 und der Induktivität Bereichen in die negativen Bereiche übergegangen ist,

   bestehende Speicherstromkreis nimmt elektrische io wird erneut ein negativer Impuls auf die Klemme 118

   Energie auf, solange die Diode 104 stromleitend ist. gegeben, weil die Diode 104 im Vorwärtssinn vor-

   Dieser Speicherstromkreis kann ein Resonanzstrom- gespannt und stromleitend ist. Es ist klar, daß das

   kreis sein. . Ausgangssignal die in F i g. 2 gezeichnete Form (C)

   Hat das von der Eingangsstromquelle gelieferte annehmen muß, weil die Anlegung des negativen

   Signal die Rückwärtspolarität, darm würde das Poten- 15 Eingangssignals (wie das vorhandene Potential) an

   tial an der Klemme 118 normalerweise bestrebt sein, der Klemme 118 in Verbindung mit der Quelle 122

   der Wellenform des Eingangssignals zu folgen, also die Diode 106 im Rückwärtssinn vorspannt, so daß

   durch die positiven Bereiche zu gehen. Diese normale diese Diode nicht stromdurchlässig wird. Infolge-

   Wirkung würde dann so vor sich gehen, daß die dessen ist das Ausgangssignal so lange nicht vorhan-

   Diode 104 Vorspannung im Rückwärtssinn erhielte 20 den, bis der durch die Umschaltung der Diode 104

   und abgeschaltet würde. Infolge der Ladungsspeicher- erzeugte Impuls durch die Diode 106 hindurch-

   eigenschaft der Diode kann aber der tatsächliche gegangen ist.

   Rückwärtsstrom für die Dauer von 6 Nanosekunden Wie man sieht, liefert dieser Stromkreis ein Ausdurch die Diode 104 fließen. Dieser Stromfluß bleibt gangssignal mit einem etwa quadratischen Impuls, während der Zeit aufrechterhalten, während welcher 25 Dieser Impuls besitzt extrem schnelle Aufbauzeiten der Überschuß an Löchern und Elektronen wieder und extrem, schnelle Abfallzeiten. Im übrigen kann vereinigt bzw. aus dem Basisbereich ausgeschwemmt dieser Stromkreis in Bereichen über 40 MHz verwenwird. Ist die Wiedervereinigung dann vollzogen, dann det werden. Der kleinste Wiederholungswert liegt vererhält die Halbleiterdiode 104 die günstigste Vor- hältnismäßig hoch, kann aber größenordnungsmäßig spannung im Rückwärtssinn. Die Diode hat natür- 30 10 000 Hertz betragen. Eine obere Grenze für den lieh eine bestimmte Eigenkapazität; der Betrag dieser Wiederholungsbetrag ist noch nicht ermittelt worden, Kapazität ist aber praktisch so klein, daß er vernach- er hängt aber nur von den verfügbaren Stromkreislässigt werden kann. Ist die Diode 104 infolge der elementen ab.

   Vorspannung im Rückwätssinn abgeschaltet, dann Der Impulsgenerator für sehr hohe Frequenzen steigt das Potential an der Klemme 118 fast äugen- 35 nach der Erfindung ist in der obigen Beschreibung blicklich auf den Wert des Potentials an, welches an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert durch das Eingangssignal angelegt wird. Dieser worden. Sämtliche näheren Angaben über den Auf-Schaltvorgang kann selbstverständlich in extrem bau des Stromkreises und die Stromkreiselemente kurzer Zeit durchgeführt werden. Das Beispiel dieses sind ausschließlich zur Erklärung des Wesens der Stromkreises wurde insbesondere deshalb gewählt, 40 Erfindung gewählt und sollen diese in keiner Weise um zeigen zu können, daß er in der Lage ist, Schalt- einschränken. Der Fachmann wird selbstverständlich vorgänge auch in Schaltzeiten unterhalb 1 Nano- zahlreiche Modifikationen vornehmen können, ohne Sekunde auszuführen. Tatsächlich wurden bereits den Rahmen der Erfindung verlassen zu müssen. So Schaltzeiten in der Größenordnung von 1 Nano- kann der Speicherstromkreis (Resonanzkreis) beisekunde gemessen. Hat das Potential im Punkt 118 45 spielsweise in mannigfacher Weise abgeändert werden, einen genügend hohen positiven Wert erreicht, um so daß man entweder ein flacheres oder ein weniger die Rückwärtsvorspannung der Stromquelle 122 zu flaches Signal erhält. Ferner können die Parameter übertreffen, dann ist die Diode 106 im Vorwärtssinn der einzelnen Stromkreiselemente geändert werden, vorgespannt und beginnt stromdurchlässig zu werden. um die gewünschten Wirkungen zu erzielen, ohne daß Das Signal, welches von der Diode 106 durchgelassen 50 man dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen wird, ist der Wirkung nach dem Signal an der Klemme braucht.
   118 gleich. Dieses Signal wird dann auf die Belastung 108 gegeben, um von dieser weiterverarbeitet Patentansprüche:
   zu werden.

   Wie oben bereits erwähnt, hat der Speicherstrom- 55 1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer kreis mit den Induktivitäten und Kapazitäten während sinusförmigen Spannung in eine Folge von Imdes vorhergehenden Anlegens des Eingangssignals pulsen gleicher Frequenz, dadurch gekennbereits Energie aufgespeichert. Schaltet die Diode 104 zeichnet, daß parallel zu der Quelle (100) der nun in die Abschaltstellung um, dann wird aus dem sinusförmigen Spannung eine an sich bekannte Speicherkreis (Resonanzkreis) Energie in den rest- 60 Halbleiterdiode (104) mit Ladungsspeichereffekt liehen Parallelstromkreis entladen. Auf diese Weise geschaltet ist, daß der Ausgangskreis (108,122) gelangt Energie über die Klemme 118 und durch die über eine zur Halbleiterdiode (104) entgegenDiode 106 in die Belastung 108. Die Ausnutzung gesetzt gepolte Gleichrichterdiode (106) mit der dieser zusätzlichen Energie sucht, ein Signal mit einer Halbleiterdiode (104) gekoppelt ist und daß eine verhältnismäßig stark abgeflachten Spitze durch die 65 Vorspannungsquelle (120) mit den beiden Dioden Diode 106 hindurch zu erzeugen. Mit anderen Worten, (104,106) verbunden ist, derart, daß die Gleichohne den Speicherstromkreis in dem Impulsgenerator richterdiode (106) am Ende der Rekombinationswürde das Potential an der Klemme 118 bestrebt sein, zeit der Halbleiterdiode (104) leitet und bei

   Polungsumkehr der sinusförmigen Spannung mit Beginn der Leitung der Halbleiterdiode (104) sperrt.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen'parallel zu der sinus-

   förmigen Spannungsquelle angeordneten Speicherstromkreis (110,112,114) für elektrische Energie.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherstromkreis (110,112,114) ein Resonanzstromkreis ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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