DE1303935B

DE1303935B - Loud time pulse generator

Info

Publication number: DE1303935B
Application number: DENDAT1303935D
Authority: DE
Inventors: Gerhard-Günter 7301 Berkheim Gassmann
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Publication date: 1977-05-05

Description

Im allgemeinen werden zur Erzeugung von Impulsen RC-Generatoren z. R Multivibratoren, Sperrschwinger oder dgl. verwendet, bei denen die Zeitkonstante eines oder mehrerer RC-Glieder für die Wahl der Frequenz und der Impulsdauer verwendet wird. Es wurden auch bereits l.aufzeitimpulsgeneratorep vorgeschlagen. Bei diesen wird zur Bestimmung der Frequenz und der Impulsdauer die Laufzeit von Verzögerungsleitungen herangezogen. Eine Verzögerungsleitung mit relativ langer Laufzeit ist jedoch entweder sehr lang oder sie arbeitet unter Anwendung elektroakustischer Wandler in Verbindung mit der Schallaufzeit in einem Medium (z. B. Glas). In beiden Fällen wird relativ viel Platz ί>5 benötigt. Außerdem ist der wirtschaftliche Aufwand relativ hoch. Schließlich ist die Variation der Frequenz nicht oder nur in beschränktem Umfang möglich.In general, for the generation of pulses RC generators z. R multivibrators, blocking oscillators Or the like. Used in which the time constant of one or more RC elements for the choice of frequency and the pulse duration is used. Open-time pulse generators have also already been proposed. at this is used to determine the frequency and the pulse duration of the delay lines used. However, a relatively long delay line is either very long or they are works using electroacoustic transducers in connection with the sound propagation time in a medium (e.g. glass). In both cases there is a relatively large amount of space ί> 5 needed. In addition, the economic outlay is relatively high. Finally, the variation is the frequency not possible or only possible to a limited extent.

Bei Halbleiterbauelementen ist ferner der sogenannte Ladungsspeichereffekt bekannt, der die sogenannte Sperrverzögerungszeit zur Folge hat, vgl. R. F. S h e a »Transistortechnik«, i960, Seiten 299 bis 302, oder Meinke-Gundlach »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, 2, verbesserte Auflage. 1962, Seiten 1203/4.In the case of semiconductor components, the so-called charge storage effect is also known, the so-called Locking delay time, see R. F. S h e a "Transistortechnik", 1960, pages 299 to 302, or Meinke-Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 2, revised edition. 1962, pages 1203/4.

Aus der DT-AS 10 62 743 ist es in diesem Zusammenhang bekannt, den Ladungsspeichereffekt zur Verringerung der Impulsbreite von Impulsen auszunutzen, wobei als Halbleiterbauelemente Dioden dienen.From DT-AS 10 62 743 it is known in this context to reduce the charge storage effect to utilize the pulse width of pulses, with diodes serving as semiconductor components.

Aus der Zeitschrift »Electronics», 29.6.1964, Seite 52, ist es schließlich bekannt, den Ladungsspeichereffekt von Transistoren zur einstellbaren Verzögerung von Impulsen auszunutzen, wobei die Einstellbarkeit durch Anlegen einer veränderbaren Gleichspannung an die Basis der entsprechenden Transistoren erreicht wird.From the magazine "Electronics", June 29, 1964, page 52, it is finally known to use the charge storage effect of transistors for an adjustable delay of Exploit pulses, the adjustability by applying a variable DC voltage to the Base of the corresponding transistors is reached.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Laufzeitimpulsgeneratcr der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art unter Ausnutzung des erwähnten Ladungsspeichereffektes zu schaffen.In contrast, the invention is based on the object of providing a transit time pulse generator in the preamble of claim 1 specified type taking advantage of the charge storage effect mentioned create.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the measures of the characterizing part of claim 1. Advanced training are specified in the subclaims.

Der Laufzeitimpulsgenerator nach der Erfindung hat die Vorteile, daß er besonders wenig Platz benötigt, nur geringen wirtschaftlichen Aufwand erfordert und außerdem einfach in der Frequenz variiert und in integrierter Technik hergestellt werden kann, weil weder Spulen noch Kondensatoren und, wenn gewünscht, auch keine Widerstünde benötigt weruen.The runtime pulse generator according to the invention has the advantages that it requires very little space, requires little economic effort and also simply varied in frequency and can be manufactured using integrated technology because neither coils nor capacitors and, if desired, no resistors are needed either.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Anhand der Prinzipskizzen F i g. la—c soll die der Erfinoung zugrundeliegende Sperrverzögerungszeit von Halbleitern kurz erläutert werden. In F i g. la ist 3 ein Transistor, 4 ein Kollektorwiderstand, der mit der Battei L ,pannung + Ub verbunden ist. 2 ist ein Koppelwiderstand. 6 ist ein Schalter, dessen Potential am Punkt 1 je nach Schaltstellung positiv oder negativ sein kann. 5 ist ein Abgriff, von dem die Kollektorspannung des Transistors 3 abgenommen werden kann. Die beiden Spannungen, die dem Schalter zugeführt werden, sollen nicht auf Masse bezogen sein, sondern auf die Bezugsspannung, bei der der Basisstromeinsatz liegt. Bei Silizium-Transistoren ist dies bei ca. 0,5 bis 0,7 V der Fall. Zur Erreichung besonders großer Verzögerungszeiten genügt es somit, daß die negative Spannung relativ zur Masse einen Wert von z. B. + 0,3 V hat. Dadurch ist es möglich, daß als Schalter ebenfalls ein Transistor der gleichen Art wie der Transistor 3 angewendet wird.The invention will now be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the figures of the drawing. On the basis of the basic sketches F i g. 1a-c, the blocking delay time of semiconductors on which the invention is based is to be briefly explained. In Fig. la is 3 a transistor, 4 a collector resistor, which is connected to the battery L, voltage + Ub . 2 is a coupling resistor. 6 is a switch whose potential at point 1 can be positive or negative depending on the switch position. 5 is a tap from which the collector voltage of the transistor 3 can be tapped. The two voltages that are fed to the switch should not be related to ground, but to the reference voltage at which the base current is used. In the case of silicon transistors, this is the case at approx. 0.5 to 0.7 V. To achieve particularly long delay times, it is therefore sufficient that the negative voltage relative to the ground has a value of z. B. + 0.3V. This makes it possible that a transistor of the same type as the transistor 3 is also used as the switch.

In Fig. Ib wird der zeitliche Ablauf des Potentials 1 dargestellt, wenn der Schalter 6 von positivem zu negativem Potential umgeschaltet wird. Diese Umschaltung wird idealisiert als unendlich schnell betrachtet.In Fig. Ib the timing of the potential 1 shown when the switch 6 is switched from positive to negative potential. This switchover is idealized as infinitely fast.

In Fig. Ic ist die an dem Punkt 5 liegende Kollektorspannung des Transistors wiedergegeben. Der Spannungssprung in positiver Richtung erfolgt nach Ablauf der Verzögerungszeit τ. Diese Verzögerur.gszeit ist um so größer, je größer der Durchlaßstrom der Basisemitter-Diode ist, der von + über den Schalter und über den Widerstand 2 in die Basis des Transistors fließt. Sie ist ebenfalls um so größer, je kleiner die negative Spannung ist, die nach Umschaltung des Schalters 6 an Punkt 1 liegt. Je kleiner diese Sperrspannung ist, um so geringer ist der sogenannte Ausräumstrom, derThe collector voltage of the transistor at point 5 is shown in FIG. The voltage jump in positive direction takes place after the delay time τ has elapsed. This delay time is greater, the greater the forward current of the base-emitter diode, which flows from + via the switch and via the resistor 2 into the base of the transistor. It is also greater, the smaller the negative voltage that is at point 1 after the switch 6 has been switched over. The lower this reverse voltage, the lower the so-called clearing current, the

während der Zeit τ über den Widerstand 2 zurückfließt Zur Erzielung einer möglichst großen Verzögerungszeit r ist daher das Verhältnis von Durchlaß- zu Ausräumstrom möglichst groß zu machen. Diese Maßnahme wird z.B. dadurch erreicht, daß die dem Schalter 6 zugeführte positive Spannung möglichst groß und die negative Spannung möglichst klein gemacht wird.flows back through the resistor 2 during the time τ In order to achieve the greatest possible delay time r, the ratio of forward to clearing current must therefore be made as large as possible. This measure is achieved, for example, in that the positive voltage supplied to the switch 6 is made as large as possible and the negative voltage is made as small as possible.

In Fig.2 ist die Schaltung eines Laufzeitimpulsgenerators entsprechend der Erfindung dargestellt. Darin entsprechen die Transistoren 7,8 und 9 dem Transistor 3 von Fig. la. Die Widerstände 10, 11, 12 entsprechen dem Widerstand 4 und die Widerstände 13, 14,15 dem Widerstand 2 von Fig. la. Anstelle des Schalters 6 von F i g. 1 a dient der Transistor 8 für den Transistor 9, der Transistor 7 für den Transistor 8 und der Transistor 9 für den Transistor 7. Die Kollektorwiderstände 10, 11, 12 liegen an der Batteriespannung + U₈. Zur Variation der Frequenz des Laufzeitimpulsgenerators wird über die Ableitwidersiände 16,17,18 vom Potentiometer 19 eine variable negative Spannung den Basiselektroden der drei Transistoren zugeführt.In Figure 2, the circuit of a time-of-flight pulse generator according to the invention is shown. The transistors 7, 8 and 9 therein correspond to the transistor 3 of FIG. La. The resistors 10, 11, 12 correspond to the resistor 4 and the resistors 13, 14,15 to the resistor 2 of Fig. La. Instead of the switch 6 of FIG. 1 a, the transistor 8 is used for the transistor 9, the transistor 7 for the transistor 8 and the transistor 9 for the transistor 7. The collector resistors 10, 11, 12 are connected to the battery voltage + U ₈ . To vary the frequency of the transit time pulse generator, a variable negative voltage is fed to the base electrodes of the three transistors via the discharge resistors 16, 17, 18 from the potentiometer 19.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 2 dienen die Spannungsverläufe, wie sie in F i g. 3a bis c dargestellt sind. In F i g. 3a ist der zeitliche Verlauf der Spannung des Punktes 20, in F i g. 3b der des Punktes 21 und in Fig.3c der des Punktes 22 gezeigt, wie sie bei einer bestimmten Spannung am Potentiometer 19 auftreten. Zur Zeit t\ fällt die Spannung am Punkt 20 auf nahezu 0 V ab (siehe F i g. 3a). Die Folge davon ist, daß nach Ablauf der Sperrverzögerungszeit r die Spannung am Punkt 21 auf einen positiven Wert ansteigt (siehe Fig.3b). Infolge dieses Anstiegs fällt ohne Ablauf einer Verzögerungszeit die Spannung am Punkt 22 auf nahezu 0 V ab, weil der Transistor 9 die Verzögerungszeit τ nur beim Sperren, nicht jedoch beim öffnen aufweist. Infolge dieses zur Zeit i₂ erfolgenden Spannungssprungs auf nahezu 0 V am Punkt 22 steigt nach Ablauf der Verzögerungszeit τ die Spannung am Punkt 20 wieder auf einen positiven Wert an. Infolge dieses Anstiegs zur Zeit r₃ fällt die Spannung am Punkt 21 gleichzeitig auf nahezu 0 V ab. Dieser Abfall hat zur Folge, daß nach weiterem Verstreichen der Verzögerungszeit τ zur Zeit tt die Spannung am Punkt 22 auf positive Werte ansteigt und infolgedessen gleichzeitig die Spannung am Punkt 20 wieder auf negative Werte abfällt.To explain the mode of operation of the circuit according to FIG. 2 are the voltage curves as shown in FIG. 3a to c are shown. In Fig. 3a is the time course of the voltage at point 20 in FIG. 3b that of point 21 and that of point 22 in FIG. 3c, as they occur at a certain voltage at potentiometer 19. At time t \ , the voltage at point 20 drops to almost 0 V (see FIG. 3a). The consequence of this is that after the blocking delay time r has elapsed, the voltage at point 21 rises to a positive value (see FIG. 3b). As a result of this increase, the voltage at point 22 drops to almost 0 V without a delay time elapsing, because transistor 9 has delay time τ only when blocking, but not when opening. As a result of this voltage jump to almost 0 V at point 22 _{at time i 2} , after the delay time τ has elapsed, the voltage at point 20 rises again to a positive value. As a result of this increase at time r ₃ , the voltage at point 21 drops to almost 0 V at the same time. This drop has the consequence that after the delay time τ has elapsed further at time tt, the voltage at point 22 rises to positive values and, as a result, the voltage at point 20 drops again to negative values at the same time.

Wie man aus der Fig.3 erkennt, erzeugt dieser mit drei Transistoren arbeitende Laufzeitimpulsgenerator drei Impulsspannungen, die in ihrer Phaje jeweils um 12O⁰C verschoben sind. In ähnlicher Weise arbeitet ein Laufzeitimpulsgenerator mit insgesamt 5 Transistoren oder einer weiteren ungeraden Zahl von Transistoren. )e höher die Zahl der Transistoren, um so niedriger ist die Frequenz bei gleicher Verzögerungszeit der Transistoren.As can be seen from Figure 3, this operating with three transistors term pulse generator generates three pulse voltages that are displaced in their respective Phaje to 12O ⁰ C. A run-time pulse generator with a total of 5 transistors or a further odd number of transistors works in a similar way. ) e higher the number of transistors, the lower the frequency for the same delay time of the transistors.

F i g. 4 zeigt ein Impulsschema entsprechend F i g. 3, welches für einen Laufzeitimpulsgenerator mit 5 Transistoren gilt. Die gezeigten Spannungsdiagramme lassen sich in ähnlicher Weise herleiten wie die Spannungsdiagramme der Fi g. 3. hoF i g. 4 shows a pulse scheme corresponding to FIG. 3, which for a run-time pulse generator with 5 Transistors applies. The voltage diagrams shown can be derived in a similar way to the Stress diagrams of FIG. 3. ho

Um die Frequenz bei gleicher Zahl der Transistoren noch weiter herabzusetzen, wird das Verhältnis von Durchlaß- zu Ausräumstrom in vorteilhafter Weise dadurch erhöhl, daß anstelle der Koppelwiderstände 13, 14, 15 Dioden 13a, 14a, 15a (siehe F i g. 5) verwendet (15 werden, deren Sperrverzögerungszeit kleiner, vorzugsweise wesentlich kleiner, als die der Transistoren ist. Durch diese Dioden wird erreicht, daß das VerhältrIn order to reduce the frequency even further with the same number of transistors, the ratio of Passage to clearing current is advantageously increased by the fact that instead of the coupling resistors 13, 14, 15 diodes 13a, 14a, 15a (see Fig. 5) are used (15 whose blocking delay time is smaller, preferably significantly smaller, than that of the transistors. These diodes ensure that the behavior

von Durchlaß- zu Ausräumstrom wesentlich erhöht wird, weil für den Durchlaßstrom der niedrige Wert des Dioclendurchlaßwiderstandes maßgebend ist, während für den Ausräumstrom die Parallelschaltung des sehr hohen und praktisch vernachlässigbaren Sperrwiderstandes der Diode mit dem jeweiligen Ableitwiderstand (16,17,18) bestimmend ist.is increased significantly from forward to clearing flow, because the low value of the for the forward flow Diocl inlet resistance is decisive, while for the clearing current the parallel connection of the very high and practically negligible blocking resistance the diode with the respective bleeder resistor (16,17,18) is decisive.

In F i g. 5 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie in F i g. 2 verwendet Die grundsätzliche Wirkungsweise ist ebenfalls gleich. Durch Anwendung dieser Koppeldioden ist es also mittels einer schaltungstechnischen Maßnahme möglich, die Sperrverzögerungszeit der Transistoren weiter zu erhöhen und damit die Impulsfrequenz herabzusetzen.In Fig. 5 have the same reference numerals as in FIG. 5 for the same parts. 2 used The basic mode of operation is also the same. By using these coupling diodes, it is therefore by means of a circuit Measure possible to further increase the blocking delay time of the transistors and thus the Reduce pulse frequency.

Besonders stark wird die Sperrverzögerungszeit vergrößert, wenn wie in F i g. 6 anstelle der Koppelwiderstände 13, 14, 15 Transistoren 136, 14£>, 150 verwendet werden, die in Kollektorschaltung arbeiten. Diese Schaltungsanordnung ist in doppelter Weise vorteilhaft, denn die in Kollektorschaltung arbeitenden Transistoren für den Durchlaßstrom der nachfolgenden Basis-Emitter-Strecke wirken wie ein besonders niedriger Koppelwiderstand. Außerdem arbeiten sie auch als Impedanzwandler, so daß die Kollektorwiderstände 10, U, 12 der jeweils vorhergehenden Transistoren wesentlich größer als in den Schaltungen nach den F i g. 2 und 5 gewählt werden können. Das hat zur Folge, daß die Zahl der in der Basis-Emitter-Zone auftretenden Ladungsträger weiterhin erhöht wird, wodurch die Sperrverzögerungszeit eine zusätzliche Vergrößerung erfahrt. Auch in den Schaltungen nach den F i g. 5 und 6 läßt siLh die Frequenz mit dem Potentiometer 19 in relativ weiten Grenzen variieren. Mit den geschilderten Unterschieden ist die grundsätzliche Arbeitsweise die gleiche, wie bei den vorhergehenden Schaltungen.The blocking delay time is increased particularly strongly if, as in FIG. 6 instead of the coupling resistors 13, 14, 15 transistors 136, £ 14>, 150 which work in a collector circuit are used. This circuit arrangement is twofold advantageous, because the transistors working in the collector circuit for the forward current of the following The base-emitter path acts like a particularly low coupling resistance. They also work as a Impedance converter, so that the collector resistors 10, U, 12 of the respective preceding transistors much larger than in the circuits according to FIGS. 2 and 5 can be selected. This has the consequence that the number of charge carriers occurring in the base-emitter zone is further increased, whereby the Locking delay time experiences an additional increase. Also in the circuits according to FIGS. 5 and 6 lets you adjust the frequency with the potentiometer 19 in vary relatively wide limits. With the differences outlined, the basic mode of operation is the same as in the previous circuits.

Wenn eine Schaltung nach den Fig. 2, 4. 5 und 6 in integrierter Technik realisiert werden soll, ist es zweckmäßig, die Ableitwiderstände 16, 17, 18 durch Transistoren in Emitterschaltung zu ersetzen, um auf einfache Weise hohe Widerstandswerte zu realisieren. Zur Erzielung extrem hoher Verzögerungszeiten ist es zweckmäßig, außer der Verzögerungszeit der Transistoren noch zusätzlich die Verzögerungszeit von Dioden mitzuverwenden. So ist es z. B. möglich, die Widerstände 13, 14, 15 nach Fig. 2 in jeweils zwei Widerstände aufzuspalten und zwischen den Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände jeweils eine Diode zu legen, deren anderes Ende an eine bestimmte Spannung gelegt ist. Um die Sperrverzögerungszeit der zusätzlichen Dioden vollständig ausnutzen zu können, ist es weiterhin vorteilhaft, die in zwei Widerstände aufgespaltenen Koppelwiderstände jeweils durch einen Transistor in Kollektorschaltung zu ersetzen. Eine solche Schaltung ist in Fi g. 7 gezeigt. 131 und 532 sind die Transistoren, die dem in zwei Teile aufgespaltenen Widerstand 13 nach F i g. 2 entsprechen. Die Transistoren 141 und 142 entsprecher, dem Widerstand 14 und die Transistoren 151, 152 dem Widerstand 15. Die Dioden 23, 24 und 25 liegen jeweils zwischen den in Kollektorschaltung arbeitenden Transistoren und einer bestimmten Spannung U\. If a circuit according to FIGS. 2, 4, 5 and 6 is to be implemented using integrated technology, it is expedient to replace the bleeder resistors 16, 17, 18 with emitter-connected transistors in order to achieve high resistance values in a simple manner. In order to achieve extremely long delay times, it is advisable to use the delay time of diodes in addition to the delay time of the transistors. So it is z. B. possible to split the resistors 13, 14, 15 of FIG. 2 into two resistors and to place a diode between the connection point of these two resistors, the other end of which is connected to a certain voltage. In order to be able to fully utilize the blocking delay time of the additional diodes, it is also advantageous to replace the coupling resistors split into two resistors by a transistor in a collector circuit. Such a circuit is shown in FIG. 7 shown. 131 and 532 are the transistors which the resistor 13 split into two parts according to FIG. 2 correspond. The transistors 141 and 142 correspond to the resistor 14 and the transistors 151, 152 to the resistor 15. The diodes 23, 24 and 25 each lie between the transistors operating in the collector circuit and a certain voltage U \.

Der scheinbar sehr hohe Aufwand einer solchen Schaltung ist jedoch in integrierter Technik durchaus wirtschaftlich vertretbar, da in integrierter Technik Transistorsysteme wesentlich billiger als z. B. Widerstände und Kondensatoren hergestellt werden können. Außerdem erreicht man mit einer Schaltung nach F i g. 7 sehr niedrige Frequenzen von z. B. einigen kHz, obwohlThe apparently very high cost of such a circuit is, however, in integrated technology economically justifiable, since in integrated technology transistor systems are much cheaper than z. B. Resistors and capacitors can be made. In addition, a circuit according to FIG. 7th very low frequencies of e.g. B. some kHz, though

die Transistoren Grenzfrequenzen von vielen MHz, z. B. 200 MHz, besitzen. Somit können mit der Schaltung Impulsspannungen sehr hoher Flankensteilheit erreicht werden. Auch die Kollektorwiderstände 10, 11, 12 können aus Halbleitermaterial hergestellt werden.the transistors cut-off frequencies of many MHz, e.g. B. 200 MHz own. Thus, with the circuit Pulse voltages with a very high edge steepness can be achieved. The collector resistors 10, 11, 12 can be made from semiconductor material.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenIn addition 3 sheets of drawings

Claims

13 claims:

1. Runtime pulse generator with an amplifier element, the at least one the frequency and the Duration of the impulses determining delay element is connected downstream, whose output to the input of Amplifier element is fed back, characterized in that as an amplifier element one transistor (7) and two or a higher even number of transistors (8,9) as delay elements serve, the blocking delay time of all transistors serving as the running time that all transistors (7, 8, 9) each have a coector resistance (10, 11, 12) and that the collector of each transistor has a coupling resistor (14, 15, 13) is connected to the base of the following transistor

2. Runtime pulse generator according to claim 1, characterized in that instead of the coupling resistors Diodes (14a, 15a, 13a) are used whose blocking delay time is smaller than that of the transistors (7,8 9) is.

3. Runtime pulse generator according to claim 1, characterized in that instead of the coupling resistors Transistors in the collector circuit (146,156,136) are used.

4. Runtime pulse generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that as on known, each from the base of the transistors (7, 8, 9) bleeder resistors (16, 17, 18) to one lead variable voltage source (19).

5. Integrated time-of-flight pulse generator according to claim 4, characterized in that the leakage resistors are replaced by transistors in a common emitter circuit.

G. transit time pulse oscillator according to one of claims 1 to 5, characterized in that J ^; e coupling resistors (13, 14, 15) each consist of two partial resistors, the connection point of which is connected to a voltage (Ux) via a diode (23, 24, 25).

7. transit time pulse oscillator according to claim 6, characterized in that the two partial resistances by one transistor each (131,132; 141,142; 151,152) in a collector circuit replaces sircJ (Fig. 7).