DE1265862B - Komparator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIr

Deutsche Kl.: 21 e - 36/Θ1

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

M 63753IX d/21 e
8. Januar 1965
11. April 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Komparator zum Vergleich der Amplituden von zwei Eingangssignalen und zur Anzeige, welches der beiden Signale die größere Amplitude besitzt. Dabei enthält der Komparator zwei Eingänge und zwei 5 Ausgänge, einen oder mehrere in Kaskade geschaltete, transistorisierte Differenzverstärker, die zwei parallele Kanäle zur Versärkung der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen bilden, sowie eine Bezugsspannungsquelle.

Bei vielen elektronischen Einrichtungen ist es erforderlich zu wissen, welches Signal eines Signalpaares die größte Amplitude hat. Dabei ist die Größe der Differenz ohne Bedeutung. Zur Durchführung eines solchen Vergleiches hat man bisher einen Komparator benutzt, der die Amplituden der beiden Signale miteinander vergleicht und deren Differenz zur Anzeige bringt. Obwohl sich derartige Komparatoren zum Vergleich der Amplituden eines Signalpaares mehr oder weniger gut eigneten, konnten sie doch aus zahlreichen Gründen nicht völlig zufriedenstellend arbeiten. Die bekannten Komparatoren wirkten nämlich im Sinn eines Vergleiches der wirklichen Werte oder Beträge der Signale. Bei sehr großen Signalen betrug infolgedessen die Differenz sehr häufig nur einen sehr kleinen Prozentsatz der Signale. Der Komparator ist daher ungeeignet, die Differenz kleiner Größe exakt anzuzeigen. Außerdem können phasengleiche Signale in den beiden Signalen enthalten sein, die beide Signale vergrößern und dadurch die Genauigkeit des Komparators herabsetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Komparator zu schaffen, der die genannten Nachteile nicht aufweist.

Zur Zielsetzung der Erfindung gehört es auch, einen Komparator zu schaffen, der gegenüber den Differenzen zwischen einem Signalpaar extrem hoch empfindlich ist und der ein erstes logisches Signal erzeugt, wenn ein erstes Signal in dem Signalpaar das höchste ist, und ein zweites logisches Signal, wenn das zweite Signal in dem Signalpaar das höchste ist.

Die Lösung der genannten Aufgabe wird erreicht mit einem Komparator, welcher gekennzeichnet ist durch zwei Schaltanordnungen, die so mit den Kanälen und der Bezugsspannungsquelle verbunden sind, daß sie auf die Differenz zwischen den Signalen in den beiden Kanälen ansprechen, und von denen die eine Schaltungsanordnung den ersten Ausgang mit dem Erdpotential und die andere Schaltanordnung den zweiten Ausgang mit der Bezugsspannungs-Komparator

Anmelder:

Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke und Dipl.-Ing. H. Agular,

Patentanwälte,

1000 Berlin, Auguste-Viktoria-Str. 65

Als Erfinder benannt:
Timothy Daniel Stupar,
Venice, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 10. Januar 1964 (337 035)

quelle verbindet, wenn die Amplitude des Signals in dem ersten Kanal die größere der beiden Eingangsamplituden ist, und die eine Schaltanordnung den ersten Ausgang mit der Bezugsspannungsquelle und die andere den zweiten Ausgang mit dem Erdpotential verbindet, wenn die Amplitude des Signals in dem zweiten Kanal die größere der beiden Eingangsamplituden ist.

Ein weiteres Merkmal des Komparators der vorliegenden Erfindung ist eine Gegenkopplung, die das Summensignal aus den Signalen der beiden Kanäle negativ in die beiden Kanäle an einem in Signalflußrichtung weiter vorn liegenden Punkt des Komparators einspeist.

Weiterhin besitzt der Komparator eine Stromquelle für den ersten Differenzverstärker, die von dem genannten Summensignal der beiden Kanäle gesteuert ist, so daß der Strom des ersten Differenzverstärkers in Abhängigkeit von der genannten Summe der Signale geändert wird, wobei alle gleichphasigen Signale in dem Differenzverstärker unterdrückt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden Beschreibung hervorgehen, in der auf die Zeichnung Bezug genommen werden wird.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist das Schaltbild einer Ausführungsform des Komparators nach der Erfindung wiedergegeben.

809 538/205

Der mit 10 bezeichnete Komparator dient in erster Linie zum Vergleich der Amplituden eines Signalpaares und der Anzeige, welches dieser beiden Signale die größte Amplitude aufweist. An dem Komparator 10 befinden sich zwei getrennte Eingänge 12 und 14, die mit den Quellen der beiden miteinander zu vergleichenden Signale verbunden werden. Der Spannungsunterschied zwischen den Eingängen 12 und 14 ist gleich der Differenz zwischen den beiden Signalen.

Der Komparator 10 hat ferner ein Paar von Ausgängen 16 und 18, die dazu dienen, Signale zu führen, die anzeigen, welches der beiden Eingangssignale das größere ist. Ist das Potential an dem ersten Eingang 12 höher, d. h. positiver als das Potential an dem Eingang 14, dann hält der Komparator 10 die Ausgänge 16 und 18 auf einem ersten logischen Pegel; beispielsweise kann sich der Ausgang 16 auf Erdpotential befinden, und der Ausgang 18 kann einen vorbestimmten Bezugspegel haben. Ist das Potential an dem zweiten Eingang 14 höher, d. h. positiver als das Potential an dem Eingang 12, dann hält der Komparator 10 die Ausgänge 16 und 18 auf einem zweiten logischen Pegel. Beispielsweise kann sich der Ausgang 16 auf einem vorbestimmten Bezugspotential befinden und der Ausgang 18 auf Erdpotential.

Der Komparator 10 enthält eine Anzahl in Kaskade geschalteter Verstärkungsstufen 20, 22 und 24 und einen Ausgangskreis 26. Die erste Verstärkerstufe 20 besteht aus einem Paar von Transistoren 28 und 30 mit den Basen 32 und 34 und den Kollektoren 36 und 38 sowie den Emittern 40 und 42. Die beiden Transistoren 28 und 30 können praktisch identische Charakteristiken haben, so daß sie elektrisch im Gleichgewicht sind.

Die Basis 32 des ersten Transistors 28 ist über einen Widerstand 44 an den ersten Eingang 12 angeschlossen. Das Potential an der Basis 32 wird infolgedessen durch das Potential am Eingang 12 bestimmt. Die Basis 34 des zweiten Transistors 30 ist an den Eingang 14 über einen zweiten Widerstand 46 angeschlossen, der praktisch identisch dem ersten Widerstand 44 ist. Infolgedessen ist das Potential an der Basis 34 durch das Potential am Eingang 14 auf dieselbe Weise festgelegt wie das Potential an dem ersten Eingang 12.

Zwischen den beiden Basen 32 und 34 kann ein Diodenpaar 48 und 50 angeordnet sein. Diese Dioden 48 und 50 sind vorzugsweise sogenannte Zenerdioden und sind gegeneinandergeschaltet. Eine Zenerdiode ist eine Halbleitervorrichtung, die in der Vorwärtsrichtung mit einem minimalen Spannungsabfall an dem Strompfad leitet. Ist die Zenerdiode dagegen in der umgekehrten Richtung vorgespannt, dann leitet die Diode so lange nicht, wie die Vorspannung kleiner ist als der sogenannte Zenerpegel. Übersteigt die umgekehrte Vorspannung den Zenerpegel, dann wird die Diode in der umgekehrten Richtung stromleitend, ohne die Diode zu beschädigen. Der Widerstand der Diode im stromleitenden Zustand und in der umgekehrten Richtung ist eine inverse Funktion des Stromes, und der Spannungsabfall an dieser Strecke bleibt konstant auf dem Zenerpegel.

Solange die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen 12 und 14 kleiner ist als der Zenerpegel, ist zum mindesten eine der beiden Dioden 48 und 50 nicht stromleitend. Solange die Potentialdifferenz zwischen den Eingängen 12 und 14 kleiner ist als der Zenerpegel, beeinflussen die Dioden 48 und 50 infolgedessen nicht die Potentialdifferenz zwischen den Eingängen 12 und 14, und die PotentialdiSerenz zwischen den Basen 32 und 34 ist gleich der Potentialdifferenz zwischen den Eingängen 12 und 14. Sollte die Potentialdifferenz an den Eingängen 12 und 14 den Zenerpegel übersteigen, .dann ist eine der Dioden 48 und 50 in umgekehrter Richtung ausreichend hoch vorgespannt, um stromleitend zu werden. Die Kombination der Widerstände 44 und 46 und des Widerstandes der in umgekehrter Richtung stromleitenden Diode hält eine vorbestirnmte Spannung zwischen den Basen 32 und 34 aufrecht.

Man sieht also, daß die beiden Dioden 48 und 50 sowie die beiden Widerstände 44 und 46 im Sinn einer Begrenzung der maximalen Potentialdifferenz zwischen den beiden Basen 32 und 34 auf einen Pegel wirken, der den Komparator 10 nicht beschädigt.

Der Kollektor 36 des Transistors 28 ist an eine Quelle 52 mit einem positiven Potential über einen Lastwiderstand 54 angeschlossen. Der zweite Kollektor 38 ist an einen Widerstand 56 angeschlossen. Der Widerstand 56 ist seinerseits auch an die Quelle 52 angeschlossen, so daß der Widerstand 56 eine Belastung für den Transistor 30 bildet. Vorzugsweise sind die beiden Widerstände 54 und 56 identisch, so daß die beiden Transistoren 28 und 30 gegeneinander ausbalanciert sind.

Der Emitter 40 des ersten Transistors 28 liegt an dem einen Ende eines Potentiometers 58, welches einen einstellbaren Mittelabgriff aufweist Der Emitter 42 des Transistors 30 liegt an dem arideren Ende des Potentiometers 58. Der bewegbare Mfttelabgriff 60 dieses Potentiometers 58 steht mit einer Stromquelle 62 in Verbindung. Durch Änderung der Stellung des Mittelabgriffs 60 können die Ströme durch die Emitter 40 und 42 abgeglichen werden.

Aus dieser Anordnung ersieht man, daß die beiden Transistoren 28 und 30 so zusammengeschaltei sind, daß sie einen einstufigen Differenzversärker bilden. Durch entsprechende Einstellung der Lage des Mittelabgriffs 60 kann diese Verstärkereinheit 20 relativ zu den Potentialen an den beiden Eingängen 12 und 14 ins Gleichgewicht gebracht werden. Sind die Potentiale an den beiden Eingängen 12 und 14 identisch gleich, dann ist der Stromfluß durch die Kollektoren 36 und 38 und durch die Widerstände 54 und 56 auf entgegengesetzten Seiten des Verstärkers identisch gleich. Sind die Potentiale nicht identisch gleich, dann wirken die beiden Transistoren 28 und 30 wie ein Differenzverstärker und verstärken tatsächlich die Differenz. Das resultierende Differenzsignal ist dann die Differenz zwischen den Strömen in den Widerständen 54 und 56 und damit die Potentialdrfferenz zwischen den Basen 32 und 34.

Der zweite Verstärkerabschnitt 22 schließt ein Transistorenpaar 70 und 72 mit den Basen 74 und 76, den Emittern 78 und 80 und den Kollektoren 82 und 84 ein. Diese Transistoren 70 und 72 haben praktisch identische Charakteristiken.

Die Basis 74 des Transistors 70 liegt am Kollektor 36 des Transistors 28. Das Potential an dieser Basis ist also gegeben durch den Spannungsabfall, der von dem Kollektorstrom hervorgerufen wird, der durch den Widerstand 54 fließt. Die Basis 76 des Transistors 72 liegt am Kollektor 38 des Transistors 30.

Man sieht also, daß die Spannung an der Basis 76 durch den Spannungsabfall gegeben ist, der an dem Widerstand 56 durch den Strom aus dem Kollektor 38 erzeugt wird.

Die Emitter 78 und 80 der beiden Transistoren 70 und 72 sind direkt miteinander verbunden, so daß sie sich stets auf dem gleichen Potential befinden. Die Verbindungsstelle zwischen den beiden Emittern 78 und 80 liegt über einen Widerstand 86 an der Quelle des positiven Potentials. Der Kollektor 82 des Transistors 70 liegt an einem Widerstand 88. Der Widerstand88 stellt seinerseits die Verbindung zu einer Quelle 90 für negatives Potential her. Der Widerstand 88 bildet auf diese Weise eine Belastung für eine Seite der zweiten Stufe 22.

Der Kollektor 84 für den gegenüberliegenden Transistor 72 liegt an einem Widerstand 92. Der Widerstand 92 ist mit dem Widerstand 88 identisch und stellt die Verbindung zu der negativen Quelle 90 her. Damit bildet der Widerstand 92 eine Belastung für die zweite Seite der zweiten Stufe 22, die mit der ersten Stufe identisch ist.

Die Ströme, die durch diese Widerstände 88 und 92 fließen, und damit die Spannung an den Kollektoren 82 und 84, weichen um einen Betrag voneinander ab, der eine Funktion der Differenz zwischen den Potentialen an den Eingängen 12 und 14 und den Basen 32 und 34 ist.

Der dritte Verstärkerteil 24 besteht aus Transistoren 94 und 96, die praktisch identische Charakteristiken aufweisen. Diese beiden Transistoren 94 und 96 haben Basen 98 und 100, Kollektoren 102 und 104 sowie Emitter 106 und 108. Die Basis 98 des ersten Transistors 94 liegt unmittelbar an dem Kollektor 82 des Transistors 70. Die Basis 98 befindet sich infolgedessen auf einem Potential, welches eine Funktion des Spannungsabfalls an dem Widerstand 88 ist.

Die Basis 100 des zweiten Transistors 96 liegt unmittelbar an dem Kollektor 84 des Transistors 72 und befindet sich infolgedessen auf einem Potential, welches eine Funktion des Spannungsabfalls an dem Widerstand 92 ist. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Basen 98 und 100 ist auf diese Weise eine Funktion der Größe des in den ersten beiden Stufen 20 und 22 verstärkten Differenzsignals.

Der Kollektor 102 liegt über einen Widerstand 110 an der Quelle 52 für positives Potential, während der Kollektor 104 über einen zweiten Widerstand 112 an der gleichen Quelle 52 liegt. Diese Widerstände 110 und 112 sind also praktisch identisch miteinander und bilden Belastungen für die entgegengesetzten Seiten der dritten Stufe 24. Zusätzlich ist der Kollektor 102 über eine Diode 114 an Erde gelegt, während der Kollektor 104 über eine zweite Diode 116 an Erde liegt. Diese Dioden 114 und 116 sind in Gegentakt geschaltet, d. h., sie sind mit entgegengesetzter Polarität mit den Kathoden an Erde gelegt. Die beiden Dioden 114 und 116 ermöglichen es, daß die Kollektoren 102 und 104 negativ gegen Erde werden, aber sie wirken auch im Sinn der Verhinderung, daß die Kollektoren 102 und 104 positiver werden als das Erdpotential.

Die Emitter 106 und 108 der beiden Transistoren 94 und 96 sind direkt miteinander verbunden. Die Verbindungsstelle 122 zwischen den beiden Emittern 106 und 108 liegt ihrerseits an einer Stromquelle 90. Diese Stromquelle 90 liefert eine Spannung für den Betrieb der Transistoren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liefert diese Quelle 90 eine negative Spannung, die symmetrisch zu der Spannung aus der ersten Quelle 52 ist, d. h., sie besitzt gleiche Amplitude, aber entgegengesetzte Polarität.

Man sieht also, daß das Transistorenpaar 94 und 96 einen dritten Differenzverstärker bildet, der auf die Differenz zwischen den Spannnungen an den Lastwiderständen 88 und 92 anspricht. Der Strom in dem Kollektor 102 erzeugt einen Spannungsabfall an dem Widerstand 110, der eine Funktion des Signals auf einer Seite des !Comparators 10 ist. Der Strom in dem Kollektor 104 erzeugt einen Spannungsabfall an dem Widerstand 112, der eine Funktion des Signals auf der anderen Seite des Komparators 10 ist. Die Differenz zwischen den Spannungsabfällen an den Widerständen 110 und 112 ist infolgedessen eine Funktion des Differenzsignals auf den beiden Seiten der Differenzverstärker.

Die Dioden 114 und 116 lassen es zu, daß die Kollektoren 102 und 104 relativ zum Erdpotential negativ werden. Sobald jedoch einer der Kollektoren 102 und 104 anfängt, positiv zu werden, werden die Dioden 114 oder 116 stromdurchlässig. Ist also ein Differenzsignal vorhanden, dann ergibt sich infolgedessen, daß einer der Kollektoren positiv wird, bis er das Erdpotential erreicht; auf diesem verbleibt er. Der andere Kollektor wird jedoch um einen Betrag unter das Erdpotential heruntergedrückt, der eine Funktion der Differenz ist.

Der Strom aus beiden Emittern 106 und 108 fließt durch den Widerstand 120. Man sieht also, daß der Spannungsabfall an dem Widerstand 120 und infolgedessen das Potential an der Verbindungsstelle 122 eine Funktion der Summe der beiden Signale auf den beiden Seiten der Verstärkerstufen 20, 22 und 24 ist. Besteht eine Differenz zwischen den Potentialen an den Eingängen 12 und 14, dann bewirkt diese, daß die Signale auf den beiden Seiten des Komparators 10 in entgegengesetzter Richtung um gleiche Beträge sich einstellen. Infolgedessen erzeugt ein Differenzsignal kein Signal an dem Widerstand 120. Ist dagegen das gleiche Signal auf beiden Seiten vorhanden, d. h. also ein gleichphaisges Signal, dann erzeugt dieses ein Signal an dem Widerstand 120.

An dieser Stelle sei ausdrücklich bemerkt, daß unter bestimmten Umständen ein gleichphasiges Signal die Wirkung des Komparators 10 stören kann; es ist daher sehr erwünscht, derartige gleichphasige Signale fernzuhalten. Beim Erfindungsgegenstand erreicht man dies mit Hilfe der Stromquelle 62 für die Emitter 40 und 42 der ersten Verstärkerstufe 20. Die Stromquelle 62 besteht aus einem Transistor 124 mit einem Emitter 126, einer Basis 128 und einem Kollektor 130. Der Emitter 126 ist mit einem Widerstand 132 verbunden, der die Verbindung zu der Verbindungsstelle 122 zwischen den beiden Emittern 106 und 108 herstellt. Man sieht also, daß der Emitter 126 eine Spannung erhält, die eine Funktion der Summe der Signale in dem Komparator 10 ist. Auf diese Weise löschen sich die Differenzsignale, wie oben bereits kurz erwähnt, gegenseitig aus, und das einzige Signal an der Verbindungsstelle 122 ist das gleichphasige Signal.

Die Basis 128 des Transistors 124 ist an eine Verbindungsstelle 134 angeschlossen, die sich praktisch auf konstanter Spannung befindet. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel befindet sich diese Verbin-

7 8

dungsstelle 134 zwischen einer Zenerdiode 136, die 152 an Erdpotential oder an ein gegen Erde etwas an der Quelle 90 negativen Potentials liegt, und einem negatives Potential legt. Der Transistor 142 wirkt auf an Erde liegenden Widerstand 138. Dadurch wird ein ähnliche Weise, aber im entgegengesetzten Sinn, praktisch konstantes Bezugs-Vorspannungspotential Insbesondere wird der Transistor 152 stromdurchan der Basis 128 des Transistors 124 aufrecht- 5 lässig, und der Kollektor 154 kommt auf Erdpoten-

erhalten. tial, sobald der Transistor 140 abgeschaltet ist. Ist

Der Kollektor 130 des Transistors 124 ist mit dem der Transistor 140 stromdurchlässig, dann ist der bewegbaren Mittelabgriff 60 an dem Potentiometer Transistor 142 ausgeschaltet, und der Kollektor 154 58 verbunden. Man sieht also, daß dieser Transistor ist negativ gegen Erde.

124 wie eine veränderliche Stromquelle für die beiden io Die Ausgänge 16 und 18 können direkt an den KoI-

Emitter 40 und 42 der beiden Eingangstransistoren lektor 152 bzw. 154 angeschlossen sein. Die Aus-

28 und 30 wirkt. Da die Vorspannung an dem Emit- gänge 16 und 18 befinden sich also auf Erdpotential

ter 126 des Transistors 124 auf die Spannung an dem oder sind gegenüber Erdpotential etwas negativ vor-

Widerstand 120 anspricht, spricht der Transistor 124 gespannt, je nachdem, welcher der beiden Transisto-

nur auf gleichphasige Signale an. Dieser Umstand 15 ren 140 und 142 stromleitend ist.

bewirkt seinerseits, daß der Strom, der aus dem KoI- Zwischen die Ausgänge 16 und 18 kann ein Dio-

Iektorl30 in die Emitter 40 und 42 der Eingangs- denpaarl58 und 160 geschaltet sein. Diese beiden

transistoren 28 und 30 fließt, geregelt wird. Dioden 158 und 160 sind »gegengeschaltet« oder hin-

Die Spanntfngsschwankungen an dem Widerstand sichtlich ihrer Anoden, die eine gemeinsame Ver-

120 bewirken, daß der Strom aus der Quelle 62 sich 20 bindungssteile entgegengesetzter Polarität darstellen,

in einem Sinn ändert, der entgegengesetzt, d. h. also zusammengeschaltet. Die Verbindungsstelle zwischen

180° außer Phase, dem gleichphasigen Signal ist. den Dioden 158 und 160 ist an eine Stromquelle für

Durch eine entsprechende Abgleichung der verschie- eine Bezugsspannung angeschlossen. Die Spannung

denen Parameter kann dieser Effekt dazu benutzt dieser Quelle 162 ist normalerweise negativ und be-

werden, eine praktisch vollständige Löschung der 35 findet sich beispielsweise auf einem Pegel von —4,5

gleichphasigen Signale herbeizuführen. Daraus ersieht Volt. Führt der Ausgang des Transistors 140 Strom,

man, daß die von den beiden Spannungen längs der dann befindet sich die Kathode der Diode auf Erd-

Lastwiderstände 54 und 56 und damit auch die Dif- potential. Ist der Transistor 140 dagegen nicht strom-

ferenz zwischen diesen beiden Spannungen eine Funk- leitend, dann neigt der Kollektor 152 dazu, auf das

tion der Differenz zwischen den Potentialen an den 30 Potential der Klemme 90 abzusinken. Geschieht dies,

beiden Eingängen 12 und 14 sind. dann wird die Kathode der Diode 158 negativer als

Die Ausgangsstufe 26 enthält ein Paar praktisch die Anode, und damit wird die Diode 158 stromidentischer Transistoren 140 und 142 mit den Basen durchlässig. Dies hat zur Folge, daß ein Stromfluß 144 und 146, den Emittern 148 und 150 und den zwischen den Quellen 90 und 162 und durch den Kollektoren 152 und 154. Die Basis 144 des ersten 35 Widerstand 155 und die Diode 158 hindurch erzeugt Transistors 140 liegt an dem Kollektor 102 des Tran- wird. Unter diesen Umständen wird der Ausgang 16 sistors 94 in der dritten Stufe 24. Die Basis 146 des an das Potential der Bezugsquelle 162 gelegt.
Transistors 142 liegt an dem Kollektor 104 des Tran- Der Transistor 142 wirkt io entgegengesetzter sistors 96. Die Emitter 148 und 150 beider Transisto- Weise derart, daß sein stromleitender Zustand demren 140 und 142 liegen direkt an Erde. Hieraus er- 40 jenigen des Transistors 140 entgegengesetzt ist. Besieht man, daß die Vorspannung zwischen dem Emit- findet sich der Ausgang 16 auf dem Bezugspotential, ter 148 und der Basis 144 des Transistors 140 gleich dann wird der Transistor 142 in den stromleitenden dem Spannungsabfall an der Diode 114 sein muß. In Zustand versetzt, und der Ausgang 18 wird an Erdähnlicher Weise wird die Vorspannung zwischen dem potential gelegt. Kehrt sich die Potentialdifferenz zwi-Emitter 150 und der Basis 146 gleich der Spannung 45 sehen den beiden Eingängen 12 und 14 um und legt an der zweiten Diode 166 sein. der Transistor 140 den Ausgang 16 an Erde, dann

Der Kollektor 152 des ersten Ausgangstransistors wird der Transistor 142 stromundurchlässig. Es kann

140 steht über einen Lastwiderstand 155 in Verbin- dann ein Strom zwischen den Quellen 90 und 162

dung mit der negativen Spannungsquelle 90. Der KoI- durch den Wiederstand 156 und die Didode 160 fh'e-

lektor 154 des zweiten Ausgangstransistors 152 ist 50 ßen. Der Ausgang 18 wird dann auf dem Potential

ebenfalls über einen Lastwiderstand 156 mit der der Bezugsquelle gehalten.

Spannungsquelle 90 verbunden. Diese beiden Wider- Für die Zwecke der Anwendung des Komparators

stände 155 und 156 sind vorzugsweise praktisch iden- 10 zum Vergleich der Größen zweier Signale werden

tisch gleich. die Eingänge 12 und 14 getrennt an ein Paar von

Ist der Transistor 94 stromundurchlässig, dann 55 Quellen der beiden Signale angelegt. Die Ausgänge wird der Kollektor 102 durch die Diode 114 an Erd- 16 und 18 können dann mit einer Anordnung verpotential gelegt. Dies bewirkt, daß der Transistor 140 bunden werden, die auf die Ausgangssignale anspricht im Sinn einer Abschaltung vorgespannt wird, so daß und anzeigt, welches der Signale das größere ist oder kein Strom durch den Kollektor 152 fließt. Dies er- welches ein nachfolgendes Gerät betätigt,
möglicht es wiederum, daß der Kollektor 152 ein 60 Ist dann der Komparator 10 in dieser Weise angenegatives Potential bekommt. Ist der Transistor 94 schlossen und wird er entsprechend gespeist, dann andererseits stromdurchlässig, dann wird der Kollek- werden die beiden Signale an den Eingängen 12 und tor 102 praktisch negativ gegen Erde. Dies hat zur 14 an die Basen 32 und 34 der Transistoren 28 und Folge, daß der Transistor 140 einen Strom führt, der 30 in der ersten Verstärkerstufe 20 angekoppelt Ist duch den Kollektor 152 und den Widerstand 155 65 ein gleichphasiges Signal an beiden Eingängen 12 und fließt. Der Kollektor 152 wird jetzt an das Erdpoten- 14 vorhanden, dann werden die beiden Basen 32 und tial gefesselt. Auf diese Weise wirkt der Transistor 34 um denselben Betrag vorgespannt. Infolgedessen 140 wie ein »Ein-Aus«-Schalter, der den Kollektor neigt der Strom in den Kollektoren 36 und 38 dazu,

um entsprechende Beträge anzusteigen oder abzufallen und identische Signale an den Widerständen 54 und 56 zu erzeugen. Diese beiden Signale werden über beide Seiten der Stufe 22 an die Basen 98 und 100 der Transistoren 94 und 96 in der dritten Stufe 24 angekoppelt.

Die Ströme in den Kollektoren 100 und 104 nehmen um identische Beträge zu oder ab, so daß identische Signale an den Widerständen 110 und 112 erzeugt werden. Gleichzeitig fließt ein Strom, welcher der Summe dieser beiden Signale entspricht, durch den Widerstand 120, so daß das Potential an der Verbindungsstelle 122 eine Funktion des gleichphasigen Signals ist. Das Spannungssignal an der Verbindungsstelle 122 wird an den Emitter 126 des Transistors 124 in der Stromquelle 62 angekoppelt. Dadurch ändert sich der Strom durch die Emitter 40 und 42 in den Transistoren 28 und 30 der ersten Stufe 20. Die Änderungen des Stromes werden durch die Emitter 40 und 42 zurückgekoppelt und sind um 180° phasenverschoben gegenüber den Änderungen, die von dem gleichphasigen Signal erzeugt werden. Infolgedessen wird der gleichphasige Teil aller Signale gelöscht, die am Eingang zu der ersten Stufe 20 vorhanden sind, so daß nur die Differenzteile des Signals über die nachfolgenden Stufen auf die Widerstände 110 und 112 gekoppelt werden.

Für den Fall, daß der Eingang 12 positiver ist als der Eingang 14, wird die Basis 32 um einen Betrag positiver als die Basis 34, der nicht den Zenerpegel der Dioden 48 und 50 übersteigt. Dies hat wiederum zur Folge, daß der Transistor 28 stärker im Sinn der Stromdurchlässigkeit vorgespannt wird, während der Transistor 30 auf geringere Stromdurchlässigkeit vorgespannt wird. Die resultierende Differenz zwischen den Spannungen an den Widerständen 54 und 56 wird durch die zweite Stufe 22 und dritte Stufe 24 angekoppelt, so daß sich ein verstärktes Differenzsignal an den Widerständen 110 und 112 bildet. Wie oben bereits erwähnt, werden die gleichphasigen Anteile des Signals scheinbar (virtuell) eliminiert, und es bleibt nur die Differenz bestehen.

Der Transistor 94 wird im Sinn der Stromdurchlässigkeit vorgespannt, so daß ein Strom zwischen den Quellen 52 und 90 über den Widerstand 110, den Transistor 94 und den Widerstand 120 fließen kann. Dieser Stromfluß bewirkt, daß der Kollektor 102 und die Basis 144 des Transistors 140 negativ gegen Erde werden. Dies wiederum hat zur Folge, daß der Transistor 140 in den stromdurchlässigen Zustand gelangt. Es fließt dann ein Strom aus der Quelle 90 durch den Widerstand 155, den Kollektor 152 und den Emitter 148 nach Erde. Infolgedessen wird der Ausgang 16 an Erdpotential gelegt. Gleichzeitig wird aber das Potential an der Basis 100 des Transistors 96 diesen Transistor entweder weniger stromdurchlässig oder stromundurchlässig machen.

In diesem Fall wird der Kollektor 104 bestrebt sein, sein Potential gegenüber dem positiven Potential der Quelle 152 anzuheben. Nun verhindert aber die Diode 116, daß der Kollektor 104 positiver wird als Erdpotential. Dies bewirkt, daß die Basis 146 des Transistors 142 auf Erdpotential gehalten wird, so daß kein Strom durch den Kollektor 154 fließt. Bei diesen Gegebenheiten sucht der Kollektor 154 negativer zu werden und das Potential der Quelle 90 zu erreichen. Hat der Kollektor 154 jedoch dasselbe Potential wie die Bezugsquelle 162, dann fließt ein Strom zwischen den Quellen 90 und 162 über den Widerstand 156 und die Diode 160. Dies hat zur Folge, daß der Ausgang 18 an das Potential der Bezugsquelle gelegt wird.

Ist das Signal am Eingang 12 positiver als das Signal am Eingang 14, dann erkennt man also, daß der Ausgang 16 an Erdpotential gelegt wird, während der Ausgang 18 an das gleiche Potential gelegt wird, welches die Quelle 162 hat.

Wird das Signal am Eingang 14 positiver als das Signal am Eingang 12, dann tritt dieselbe Wirkung ein, mit der einen Ausnahme, daß jeder der Transistoren sich im entgegengesetzten Zustand der Stromdurchlässigkeit befindet. Das bedeutet, daß der Transistor 142 stromdurchlässig wird und der Transistor 140 stromundurchlässig gemacht wird. Dies bewirkt, daß der Ausgang 18 an Erdpotential und der Ausgang 16 an das Potential der Quelle 162 gelegt wird.

Hieraus ersieht man, daß die Potentiale an den Ausgängen 16 und 18 veranlaßt werden, zwischen zwei entgegengesetzten logischen Betriebszuständen umgeschaltet zu werden, abhängig davon, ob das Potential an dem Eingang 12 positiver oder negativer ist als das Potential an dem Eingang 14. Durch Anwendung der Differenzverstärker ist es möglich, sehr kleine Differenzen zwischen den Signalen festzustellen, unabhängig von der absoluten Größe der Eingangssignale. Wegen der negativen Rückkopplung von der Stromquelle 62 zu der Eingangsstufe 20 werden außerdem die gleichphasigen Anteile der Signale ausgelöscht, und es werden nur die zu der Differenz gehörigen Teile verstärkt. Das heißt, daß sich nur die Differenz zwischen den beiden Signalen im Sinn einer Betätigung des Komparators auswirkt. Die Anzahl der Verstärkerstufen und der Verstärkungsgrad dieser Stufen der Differenzverstärkeranordnung können genügend groß sein, um die gewünschte Empfindlichkeit zu bekommen. Da sämtliche gleichphasigen Teile der Signale ausgelöscht werden, werden die einzelnen Stromkreiselemente in dem Komparator nicht überlastet, obwohl die absoluten Beträge der Signale an sich groß sind. Da außerdem zwischen die Basen 32 und 34 die Strombegrenzungsdioden 48 und 50 geschaltet sind, kann man sehr hohe Verstärkungsgrade und eine hohe Empfindlichkeit erreichen, so daß auch sehr kleine Differenzen zwischen den Eingangssignalen ermittelt werden können. Bei extrem großen Differenzen begrenzen die Dioden 48 und 50 die Potentialdifferenz zwischen den Basen 32 und 34 auf einen Pegel, der dafür garantiert, daß sich die Ausgänge 16 und 18 auf den gewünschten logischen Pegeln befinden, bewirken aber andererseits, daß eine Beschädigung des Komparators verhindert wird.

Der Erfindungsgegenstand ist in der obigen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand eines beliebig ausgewählten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es versteht sich indessen von selbst, daß die Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll; jeder Fachmann auf diesem Spezialgebiet der Technik wird vielmehr in der Lage sein, den Erfindungsgegenstand abzuändern, ohne deshalb den Rahmen der Erfindung verlassen zu müssen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Komparator zum Vergleich der Amplituden von zwei Eingangssignalen und zur Anzeige, welches der beiden Signale die größere Amplitude besitzt, mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen,

809 558/205

mit einem oder mehreren in Kaskade geschalteten, transistorisierten Differenzverstärkern, die zwei parallele Kanäle zur Verstärkung der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen bilden, und einer Bezugsspannungsquelle, gekennzeichnet durch zwei Schaltanordnungen (140,142), die so mit den Kanälen und der Bezugsspannungsquelle verbunden sind, daß sie auf die Differenz zwischen den Signalen in den beiden Kanälen ansprechen, und von denen die eine (140) den ersten Ausgang (16) mit dem Erdpotential und die andere (142) den zweiten Ausgang (18) mit der Bezugsspannungsquelle verbindet, wenn die Amplitude des Signals in dem ersten Kanal die größere der beiden Eingangssignalamplituden ist, und die eine (140) den ersten Ausgang (16) mit der Bezugsspannungsquelle und die andere (142) den zweiten Ausgang (18) mit dem Erdpotential verbindet, wenn die Amplitude des Signals in dem zweiten Kanal die größere der beiden Eingangsamplituden ist.

2. Komparator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gegenkopplung, die das Summen-

signal aus den Signalen der beiden Kanäle negativ in die beiden Kanäle an einem in Signalflußrichtung weiter vorn liegenden Punkt des Komparators einspeist.

3. Komparator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Stromquelle (62) für den ersten Differenzverstärker (28), die von dem genannten Summensignal der beiden Kanäle gesteuert ist, so daß der Strom des ersten Differenzverstärkers in Abhängigkeit von der genannten Summe der Signale geändert wird, wobei alle gleichphasigen Signale in dem Differenzverstärker unterdrückt werden.

4. Komparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungen der Schaltanordnungen (140,142) durch mit dem Erdpotential verbundene Dioden (114,116) begrenzt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

österreichische Patentschrift Nr. 221 175;
USA.-Patentschrift Nr. 2 752 789.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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