DE1537035A1 - Schaltung zur Erzeugung von Impulsen mit kurzer Anstiegszeit - Google Patents

Description

Patentanwalt

Karl-A, B rose

802-1 München - Puliach ^N^'^ü<Jv

Ko/au München-Pullach, 6. September 1967

- 3930-A

THE BENDIX CORPORATION, Usher Building, Detroit, Michigan, USA

Schaltung zur Erzeugung von Impulsen mit kurzer Anstiegszeit.

Die Erfindung "betrifft einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Impulsen mit grosser Stromamplitude und besonders kurzer Anstiegszeit auch in dem !"alle, wenn die die Ausgangs- . impulse triggernden Eingangsimpulse relativ grossβ Anstisgszeiten und kleine Stromamplituden haben_o

Es besteht ein Bedarf an Impulsgeneratoren, welche Ausgangsimpulse erzeugen, deren Anstiegszeit kürzer ist, als man es mit dem bekannten Vorspannen von einem Transistor erreichen kann. Wo die Stromamplitude nicht seht gross sein muss, kann man zur Erzeugung von Impulsen schneller Anstiegszeit Tunneldioden verwenden. Lawinentransistoren wurden bisher da eingesetzt, wo man zwar sehr hohe Stromamplituden benötigte, aber auf "besonders kurze Anstiegszeiten verzichten konnte. Solche Lawinentransistoren können Impulse von etwa 7 his 10 Nanosekunden erzeugen, deren Stromamplitudenwerte zwischen 5 und 7 Ampere liegen. Eine günstige Eigenschaft des Lawinentransistors ist die, daß er Impulse erzeugen kann, die eine scharfe Abfallflanke haben, was bei Verwendung von Hochfrequenzeingangssignalen wichtig ist.

LawiD^ntransistoren haben jedoch den Nachteil, daß sie sehr

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teure Bauteile sind, was insbesondere "bei .grossfen produzierten Stückzahlen von entsprechenden Geräten ins Gewicht fällt. Ausserdein lässt es sich "bei der Herstellung von Lawinentransistor en nicht vermeiden, daß ein ielativ grosser Prozentsatz nicht die gewünschten Eigenschaften hat, wodurch "bei der Verwendung von Lawinentransistoren in elektronischen Geräten zu den relativ hohen Herstellungskosten allein für die Lawinentransistoren auch noch weitere überhöhte Kosten für entsprechende Überprüfungen bzw. vorbereitende Messungen kommen. Ausserdem gibt es nur KPN-Lawinentransistören, wodurch ihre Einsetzbarkeit weiter begrenzt ist. Die Erfindung sucht einen Impulsgenerator zu schaffen, der Ausgangsimpulse äusserst kurzer Anstiegszeit bei hoher Stromamplitude erzeugt, aber wesentlich billiger in der Herstellung ist, als ähnliche Impulsgeneratoren mit Lawinentransistoren.

Die Erfindung sucht auch einen solchen Impulsgenerator zu schaffen, der selbst sehr schnell in seinen Ausgangszustand zurückgeht, so daß er also nach möglichst kurzer Zeit den nächsten Eingangsimpuls im Sinne der Erzeugung eines Ausgangsimpulses verarbeiten kann. Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung, einen solchen Impulsgenerator zu schaffen, in dem Standardbauelemente verwendet werden, die in bekannter Weise günstig mit voraussagbaren Eigenschaften sbellbar sind. Es wird Wert darauf gelegt, /aer zu schaffende Impulsgenerator im Gegensatz zu der bekannten Schaltung mit Lawinentransistor entweder in PHP oder in EPE-Schaltweise verdrahtet werden kann. , ' . .

Die Merkmale der Erfindung sowie weitere Vorteile der-selben ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Aus

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führungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Figur 1 den Schaltplan der ersten Ausführungsform; Figur 2 den Schaltplan der zweiten Ausführungsform}

Figur 3 die Strom/Spannungskennlinien der Eingangstransistoren und der !Tunneldioden in den Schaltungen nach Figur 1 und 2 modifiziert durch diw Wirkung der zugeordneten Widerstände ; und

Figur 4 die Schaltfolge der Tunneldiode.

Bei der Schaltung nach Figur 1 wird ein positiv werderifer Eingangsimpuls an einen Eingangskreis bestehend aus einer Tunneldiode 12 und einem Widerstand 14 gelegt. Ebenfalls wird die Eingangsgrösse an die Basis eines Transistors 16 gelegt. Der Kollektor des Transistors 16 liegt unmittelbar an der Basis eines weiteren Transistors 18 und der Emitter des Transistors 18 ist über einen Widerstand 20 mit einer Gleichstromquelle 22 verbunden. Ein Widerstand 24 vermindert die Möglichkeit, daß der Transistor 18 bei Abwesenheit weines Eingangsimpulses aufgrund der Kollektorbasis Verlustäröme bei erhöhten Temperaturen leitend wird. Ein Koninsator 26 liegt zwischen der Gleichspannungsquelle und einem Belastungswiderstand 28*·

Wenn der Triggergenerator keine Ausgangsgrösse abgibt, liegt die volle Spannung der Quelle 22 über dem Kondensator 26 und

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den Widerständen 20 und 28, wodurch der Kondensator 26 also auf seine grösstmögliche Spannung geladen wird, Wenn ein positiv werdender Impuls am Eingang erscheint, dann erhöht sich "bei Eingangs spannung über der Tunneldiode 12 und dem Widerstand 14·. Figur 3 zeigt die zusammengesetzte Eingangs-Spannung/Strom-Kennlinie der Tunneldiode 12 mit Widerstand 14· ala durchgehenden Linienzug. Die gestrichelte Linie, welche den ersten Anstieg der Kurve nach oben fortsetzt, ist die Kennlinie des Widerstandes 14-, welche den Anstieg der Kennlinie auf einen etwas weniger steilen Winkel begrenzt, als dann der Fall wäre, wenn nur die Tunneldiode alleine verwendet würde. Die weitere gestrichelte Kurve stellt die Basis-Emitter-Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors dar, d.h. ig/V-g-g. Aus Figur 3 ist ersieht- ' lieh, daß dann, wenn der Eingangsimpuls unmittelbar an die Basis des Transistors 16 gelegt würde, nur eine sehr geringe Spannungserhöhung stattfinden würde, bis ein Wert erreicht wird, bei welchem der Transistor zu leiten beginnt, wonach der Strom mit ansteigender Spannung sehr schnell ansteigt. Eine solche Kennlinie ergibt aberieine ausreichend kurze Anstiegszeit für eine ganze Reihe von Anwendungen. Bei Verwendung der Tunneldiode 12 im Eingangskreis steigt die Spannung auf einen kleineren Wert V, worauf aufgrund des negativen Widerstandsverhaltens der Tunneldiode die Spannung nahezu augenblicklich auf den viel höheren Wert V_£ steigt, wodurch der TransJsbor 16 sofort einen relativ hohen Strom leitet.

Der Transistor 18, dessen Basis unmittelbar am Kollektor des Transistors 16 liegt, wird nahezu gleichzeitig in den Leitzustand geschaltet. Bei Mtendem Transistor 18 wird

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der Kondensator 26 durch diesen Transistor 18 entladen und zwar in umgekehrter Richtung durch die Diode 12 über die Basis- un-d Emitterkreise des Transistors 16 zur Erde. Dieser erhebliche umgekehrte Strom schaltet die Tunneldiode ab und beendet damit das Gleiten des Transistors 16, wodurch auch sofort der Transistor 18 abgeschaltet wird. Die Entladung des Kondensators 26 lasst einen scharfen negativen Impuls über dem Widerstand 28 entstehen. Wegen der Regenerativ-Kopplung der Transistoren 16 and 18 hat dieser Ausgangsimpuls eine Stromamplitude, die vergleichbar ist den Stromamplituden in Impulsen, die von Lawinentransistoren abgegeben werden. Dabei soll die Dauer des Eingangsimpulses die Speicherzeit der Transistoren 16 und 18 nicht überschreiten.

Der Schaltzyklus des Impulsgenerators nach der Erfindung ist in Figur 4- gezeigt, welche neben der Darstellung der Figur 3 auch die eingezeichnete Schaltfrequenz zeigt. Wenn sich die Eingangsspannung eines positiven Eingangsimpulses ^: über der Tunneldiode 12 und dem Widerstand 14· erhöht, erhöht sich der Stromfluß durch die Tunneldiode nur sehr ge- ^; ringfügig bis sie den unstabilen Pegel I erreicht (Kurve 1). Die entsprechende Spannung erhöht sich dann schnell von V über die Kurve 2 auf einen viel grösseren Wert und schnei-?

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det die Transistor-Kennlinie an einem Punkt, welcher einem I sofort einsetzenden erheblichen Siromfluß entspricht. Wenn der Kondensator 26 entladen ist, wird die Spannung an der Tunneldiode sehr schnell viel kleiner und geht über die , Kurve 3 auf den Ausgangspunkt zurück, mit der Abwandlung, daß die fortdauernde Entladung durch den Transistor 18 die Tunneldiode in den negativen Teil ihrer Kennlinie (Figur 4)

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treibet, bevor die Transistoren 16 und 18 wieder abgeschaltet werden, wonach, die (Tunneldiode wieder über die Kurve 5 in ihren spannungslosen Zustand zurückkehrt. Ersichtlich erzeugt der Impulsgenerator nach der Erfindung nicht nur Impulse mit hoher Stromamplitude und besonders kurzen Anstiegszeiten, sondern stellt sich auch selbst sehr schnell wieder in den Ausgangszustand zurück, wodurch sicherge- W stellt wird, daß die Abfallflanke des Ausgangsimpulses ebenfalls sehr scharf und steil ist·, der Impulsgenerator ist also sehr schnell wieder bereit zur Aufnahme des nächsten Eingangsimpulses.

Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung weicht von der Ausbildung nach !Figur 1 in doppelx ter Hinsicht ab: Zunächst einmal kann diese Schaltung auch durch negativ werdende Eingangsimpulse getriggert werden und zweitens weist sie eine Zener-Diode auf, um die Spannung über dem Kondensator eo zu regeln oder festzuhalten, daß sie immer kleiner ist als die Zusammenbruchspannungen der Kollektorbasisstrecke der Transistoren bei offenem " Emitter (BVqbq)· Dadurch kann eine Versorgungsleitung verwendet werden, die grosser ist als/Lie Zusammenbruchs spannung der Transistoren und man kann auch die Amplitude der Ausgangsimpulse dadurch bestimmen, daß man Zener-Dioden mit entsprechenden Werten aussucht. (In Figur 1 kann die Spannung über dem Kondensator 26 diese Zusammenbruchsspannung nicht überschreiten.) Die positive Yersorgungsspahnung wird bei 30 eingespeist. Zwischen der Spannungsquelle 30 und einer Anzahl von Parallelkreisen, deren einer einen Kondensator 34 und einen Ausgangswiderstand 36 aufweist, liegt ein Vorspann-Widerstand 32» Parallel zum Kondensator 34 und Widerstand 36 liegt eine Zener-Diode 33?

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welche den Spannungsabfall über diesen beiden Bauelementen auf einen Wert begrenzt, der kleiner ist als die Zusammenbruchsspannung. Mit dem Widerstand 32 ist weiter eine Tunneldiode 40 mit zugeordnetem Widerstand 42 verbunden, wobei diese Teile im Basiskreis eines Transistors 43 liegen. Die Basis eines zweiten Transistors 44 ist mit dem Kolfektor des Transistors 43 verbunden. Der Widerstand 46 stellt sicher, daß der Transistor 44 nicht bei Abwesenheit eines Eingangsimpulses aufgrund der bei erhöhten Temperaturen auftretenden Kollektor-Basisverlustströme leitet. Zweckmässig ist auch noch in manchen Fällen die Einschaltung einer Diode 48 in die Eingangsleitung. Ein Widerstand 50 dient zur Erhöhung des Ruhestromes durch die Tunneldiode 40, um deren Schwellwertempfindlichkeit zu erhöhen. Wenn dieser Widerstand vorgesehen ist,dann verhindert die Diode 48 das ^Hessen dieser Stromkomponente zurück durch den Eingang. Sie verhindert auch das Fliessen eines Teils der Kondensatorentladung in die Quelle.

Wenn ein negativ werdender Eingangsimpuls an die Basis des Transistors 43 kommt, dann ergibt sich ein erhöhter Spannungsabfall über der Tunneldiode 40 und dem Widerstand 42. Wenn dieser Spannung afofall gross genug ist, daß die Tunneldiode ihren spitzen Strom I erreicht, dann leitet sie und die Emitter-Basis-Spannung am Transistor 43 wird erheblich grösaac, wodurch der Transistor 43 leitend wird. Der im Kollektorkreis des Transistors 43 fliessende Strom macht sofort den Transistor 44 leitend, vrodurch ein Strompfad vom Kondensator 34 durch den Transistor 43, den Kollektor des Transistors 44 und in umgekehrter Richtung durch die Tunneldiode 40 an die Basis des Transistors 43 geöffnet

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wird. Diese Entladung, welche den Ausgangämpuls über dem Widerstand 36 erzeugt, stellt auch automatisch den ganzen Kreis wieder in der unter Hinweis auf Figur 1 beschriebenen Weise in den Ausgangszustand zurück.

Die Zener-Diode kann sowohl bei negativ werdenden wie auch bei positiv werdenden Eingangsimpulsen verwendet werden} die Zener-Diode kann auch für diese beiden Fälle weggelassen werden. Zur Steuerung des Ansprechsverhaltens bzw. der Empfindlichkeit können eine Reihe von Vorspannanordnungen für die Tunneldiode verwendet werden. Die Verwendung der Diode MB ist eine Kannlösung und hängt von den geforderten Eigenschaften des Kreises ab. Sie dient einer Verhinderung des Ab -*fliessens eines ^fJ?ei-Ies der Knndensatorentladung in die Signalquelle.

Alle dargestellten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.) Schaltung zur Erzeugung von Impulsen kurzer Anstiegszeit und grosser Stromstärke bei Triggerung durch Eingangsimpulse grosser Anstiegszeit und kleiner Stromstärke, mit einer Tunneldiode im Eingangskreis und einem Ausgangskreis mit Belastungswiderstand und einem Kondensator zwischen dem BeIa-stungswiderstand und einer Gleichspannungsquelle, sowie Sehaltmittel, zur Erzeugung einer schnellen Entladung des Kondensators,, dadurch gekennzeichnet , daß zu diesen letzteren Mitteln zwei regenerativ gekoppelte Transistoren (16, 18) gehören, die derart zwischen dem Eingang?- und dem Ausgangskreis liegen, daß bei Anliegen eines Eingangsimpulses über der Tunneldiode (12) diese die Eingangsspannung am ersten Transistor (16) im Sinne einer öffnung desselben anlegt, wodurch der zweite Transistor (18) geöffnet wird, so daß der Konfensator (26) durch den Transistor und durch die Tunneldiode (12) entladen wird, wodurch gleichzeitig der Ausgangsimpuls über der Belastung (28) erscheint und die Schaltung in den Ruhezustand zurückgeschaltet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine

ι ·
Zener-Diode (38) parallel zu der Serienschaltung bestehend

aus Kondensator (34·) und Belastangswiderstand (36) Fig. 2).

3. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein gleichrichtendes Bauelement (48) in der Eingangsleitung (Fig. 2) zur Verhinderung einer Kopplung der Kondensatorentladung an die Eingangsimpulsquelle.

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It

4. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit der Tunneldiode (12) in Reihe, liegenden Widerstand zur Erhöhung des Ruhestroms der Tunneldiode, wodurch die Schwellwertempfindlichkeit der Tunneldiode erhöht wird,

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (14) einmal in Reihe mit der Tunneldiode (12), zum anderen parallel zu den Eingangselektroden des ersten Transistors (16) liegt, daß die Basis des zielten Transistors (18) unmittelbar am Kollektor des ersten Tran-

und
sistors (16) liegt,/daß der Kondensator (26) mit dem Emitter des zweiten Transistors (18) verbunden ist, dessen Kollektor an der Verbindung zwischen Tunneldiode (12) und Widerstand (14) liegt.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (32, 42) in Reihe mit der Tunneldiode (40) zwischen einer Gleichstromquelle (30) und. dem Triggersignaleingang liegt, welcher seinerseits an der Basis des ersten Transistors (43) liegt, und daß die Basis des zweiten Transistors (4²I-) mit dem Kollektor des ersten Transistors (43) und der Kondensator (34) mit dem Emitter des ersten TransistorsC43) verbunden ist, wobei der Kollektor des zweiten Transistors (44) mit dem Punkt zwischen der Tunneldiode (40) und dem Widerstand (32, 42)verbunden ist.

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