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Schaltungsanordnung zur Amplituden-Diskriminierung von Impulsen mit
Hilfe einer Tunneldiode Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Amplituden-Diskriminierung
mit Hilfe einer Tunneldiode.
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Solche Diskriminatoren nutzen die N-Form der Tunneldiodenkennlinien
mit dem Bereich negativen Widerstandes zwischen zwei Bereichen positiven Widerstandes
aus. Normalerweise werden Tunneldioden stromgesteuert, d. h., der Sprung über den
negativen Bereich wird mit einem Stromimpuls erzielt, dessen Amplitude ausreicht,
um den höchsten Punkt der Kennlinie zu überwinden. Dabei entsteht ein Spannungssprung
an der Tunneldiode. Ist die Steuerstromamplitude geringer als der Maximalwert der
Kennlinie, dann wird der negative Bereich nicht überstrichen, und es entsteht kein
Spannungsimpuls.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Diskriminator mit einer Tunneldiode
zu entwerfen, der im wesentlichen spannungsgesteuert ist und einen Stromimpuls am
Ausgang liefert. Ausgehend von einer Tunneldiode, deren erste Elektrode mit einer
Gleichstromquelle und einem Eingang für die zu diskriminierenden Impulse verbunden
ist, ist die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Elektrode über einen geringen Widerstand hochfrequenzmäßig geerdet ist,
derart, daß interne Schwingungen im GHz-Bereich auftreten, und daß eine Ausgangsstufe
niedriger Impedanz mit Tiefpaßcharakteristik bezüglich der Schwingungen an der zweiten
Tunneldiodenelektrode angeschlossen ist.
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Vorzugsweise ist ein weiteres Tiefpaßfilter parallel zur Tunneldiode
und dem niedrigen Widerstand vorgesehen. Der genannte Widerstand ist gemäß weiterer
Erfindung eine schnelle Diode, die mit Hilfe des aus der Gleichstromquelle kommenden
Stromes in ihrem Leitbereich betrieben wird.
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Die Ausgangsstufe besteht in einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung einfach aus einem relativ langsamen Transistor, der somit nicht in der
Lage ist, den internen Schwingungen der Tunneldiode zu folgen.
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Der Hauptgedanke, auf dem die Erfindung beruht, besteht darin, eine
durch interne Schwingungen deformierte dynamische Charakteristik der- Tunneldiode
als statische Kennlinie zu verwenden. Seit einiger Zeit ist es bekannt (beispielsweise
aus IEEE Transactions an Electronic Devices, Juni 1965, S.373), daß Tunneldioden
in entsprechend niedrigomigen Kreisen zu Schwingungen in der Größenordnung von 1
bis 100 GHz neigen. Diese Schwingungen waren bisher bei Verwendung der Tunneldiode
als Schalter unerwünscht, und man suchte durch geeignete Dämpfung diese Schwingungen
zu unterdrücken. Dieser Diskriminator eignet sich wie alle Tunneldiodenschaltungen
zur Mikrominiaturisierung und für den Einsatz bei äußerst hohen Impulsfrequenzen.
Darüber hinaus bietet die deformierte Kennlinie die Möglichkeit der Zweischwellendiskrimination,
da eine Arbeitswiderstandskennlinie die Kennlinie der Tunneldiode in drei stabilen
Arbeitspunkten schneiden kann.
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Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen an Hand zweier Figuren näher
erläutert, von denen F i g. 1 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung und F i g. 2 ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Erläuterung der Funktion
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigen.
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Der Diskriminator gemäß F i g. 1 besteht aus einer Signal-Eingangsstufe
1, einer Signal-Ausgangsstufe 2, einer Gleichstromquelle 3 und dem eigentlichen
Tunneldiodenkreis, der alle erwähnten Stufen miteinander verbindet. Der Tunneldiodenkreis
wiederum enthält im wesentlichen die Serienschaltung einer schnellen Diode 5, beispielsweise
vom Germaniumtyp, und einer Tunneldiode 6. Parallel zu dieser Serienschaltung der
beiden Dioden liegt ein Tiefpaßfilter, bestehend aus der Serienschaltung einer Spule
7 und einem Widerstand B.
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Die Ausgangsstufe umfaßt für die hier gewählte Polarität des Ausgangssignals
einen npn-Transistor 9, desesn Basiselektrode über einen Blockkondensator 11 und
einen regelbaren Widerstand 10 geerdet ist. Die Emitterelektrode ist direkt mit
der Tunneldiodenanode, die Kollektorelektrode über einen Koppelkondensator
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mit dem Signalausgang 13 des Diskriminators verbunden.
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Die Gleichstromquelle 3 umfaßt eine positive Spannung -f- U und einem
pnp-Transistor 14, der einen konstanten Strom an den Verbindungspunkt von Diode
5 und Tunneldiode 6 liefert. Ein Potentiometer 15 in Basiskreis dieses Transistors
erlaubt die Einstellung des Gleichstroms auf einen gewünschten Wert. Der Gleichstrom
fließt teils durch die Diode 5 und teils durch die Tunneldiode 6 und die Filterelemente
7, 8 nach Erde 4.
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Die Diode 5 wird in Durchlaßrichtung betrieben und stellt daher nur
einen geringen Widerstand dar. Der Gleichstrom wird so eingestellt, daß die Tunneldiode
6 in dem Kennlinienbereich betrieben wird, der im statischen Betrieb einen negativen
Widerstand aufweist. Wenn die Gesamtimpedanz im Tunneldiodenkreis geringer als ein
kritischer Wert ist, dann treten Schwingungen im Bereich einiger Gigahertz auf,
aber da die Ausgangsstufe (Transistor 9) diesen hochfrequenten Schwingungen nicht
folgen kann, kann die Verformung der statischen Charakteristik auf Grund der Schwingungen
nach außen hin wie eine echte statische Charakteristik verwendet werden.
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F i g. 2 zeigt diese Charakteristik in einem Strom-Spannungs-Diagramm
als durchgezogene Linie, wobei die Spannung von rechts nach links ansteigend angenommen
ist. Man erkennt, daß diese Charakteristik zwei Bereiche negativen Widerstandes
zwischen drei Bereichen positiven Widerstandes aufweist. Der Gleichstromwert ist
so gewählt, daß die Tunneldiode sich in dem mittleren Bereich positiven Widerstandes
(Punkt A) stabilisiert.
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Die Summe der Spannungen Uo und UT über die Diode 5 und die Tunneldiode
6 wird praktisch durch die Ausgangsstufe 2 konstant gehalten. Erreicht nun beispielsweise
ein positiver Impuls von der Eingangsstufe 1 die Tunneldiode, dann steigt die Spannung
an der Diode 5 auf Kosten der Tunneldiodenspannung. Bei ausreichender Amplitude
bewegt sich der Arbeitspunkt der Tunneldiode über den höchsten Wert B der Kennlinie
hinweg, wobei sich der Tunneldiodenstrom plötzlich ändert. Dieser Stromimpuls kann
von der Ausgangsstufe 2 abgelesen werden.
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Es ist unmittelbar einzusehen, daß ein negativer Eingangsimpuls eine
Verschiebung des Arbeitspunktes von A nach links und einen Ausgangsstromimpuls umgekehrter
Polarität bewirken würde.
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In F i g. 2 ist weiterhin in gestrichelter Linie über derselben Spannungsabszisse
die Diodenkennlinie aufgetragen, mit von links nach rechts ansteigender Spannung,
so daß die Arbeitspunkte auf den beiden Kurven sich jeweils für dieselbe Abszisse
ergeben.
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Die Beschreibung der Schaltungsanordnung muß nunmehr noch durch die
Einzelheiten der Eingangsstufe vervollständigt werden, die jedoch keine Erfindungsmerkmale
enthält. Diese Eingangsstufe umfaßt einen npn-Transistor in Basisschaltung (Vorspannung
- U, einstellbarer Widerstand 16, Blockkondensator 17 im Basiskreis). Die
Emitterelektrode ist über einen Impedanzanpassungswiderstand (oder einen geeigneten
Transformator) und über einen Kondensator 19 an das Eingangskabel 20 angeschlossen.
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Wenn nur eine Polarität von Ausgangsimpulsen benötigt wird, dann soll
dies vorzugsweise diejenige sein, bei der der Höchstwert B der Tunneldiodenkennlinie
überschritten wird, da dieser Punkt wesentlich stabiler gegen Temperaturänderungen
ist als der Negativmaximalwert im linken Teil der Kennlinie. Dies ist ein bekannter
Effekt von Tunneldioden, der auch bei normaler, unverformter Kennlinie auftritt.
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Es ist offenbar, daß der Diskriminator gemäß F i g. 1 leicht verschiedenen
Anforderungen angepaßt werden kann: Die Diskriminatorschwelle kann durch das Potentiometer
15 in der Gleichstromquelle und/oder durch den Widerstand 16 in der Eingangsstufe
beeinflußt werden. Wenn beide Schwellen benutzt werden, dann beeinflußt man mit
dem Potentiometer 15 den Abstand zwischen den beiden Schwellen und mit dem Widerstand
16 ihre Absolutwerte.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Ausführungsform gemäß F
ig. 1, insbesondere was die Hilfskreise 1, 2 und 3 betrifft. In einer Versuchsausführung
der Schaltung gemäß F i g. 1 wurden Ausgangsimpulse am Ausgang 13 von 70 mV mit
einer Breite von 2 Nanosekunden erzielt: