DE1922761A1 - Kondensatorspeicher - Google Patents

Description

Abschrift

Kondensatorspeicher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kondensatorspeicher, der eine Reihe von Kondensatoren enthält, die über die Hauptstrombahnen von Transistoren miteinander verbunden sind, wobei die Steuerelektroden der Transistoren gruppenweise miteinander verbunden sind und dabei Knotenpunkte bilden, denen Steuersignale zugeführt werden, die entsprechend den ansteigenden Ordnungszahlen der Knotenpunkte in der Phase verschoben sind. Kondensatorspeicher werden vielfach als Verzögerungsleitungen für z.B. Audiooder Videofrequenzsignale verwendet. Dabei ist es erforderlich, daß die in einem der Kondensatoren der Reihe vorhandene Ladung möglichst verlustfrei auf einen folgenden Kondensator der Reihe übertragen wird.

Bei einem bekannten Kondensatorspeicher dieser Art, der in der Patentanmeldung beschrieben wurde, sind aufeinanderfolgende Kondensatoren einer Reihe von Kondensatoren je über die Emitter-Kollektor-Strecke eines npn-Trahsistors miteinander verbunden. Die vom Koilektorkreis abgekehrten Anschlußklemmen der Kondensatoren sind mit den Basiselektroden der entsprechenden Transistoren verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren sind gruppenweise miteinander verbunden und bilden dabei Basisknotenpunkte, denen Steuersignale zugeführt werden, die entsprechend den

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ansteigenden. Ordnungszahlen der Basisknotenpunkte gegenseitig in der Phase verschoben sind. Wie in der obenstehenden'Patentanmeldung erwähnt wurde, wird nun für Eingangssignale, die im Intervall -E<.V. <_+E liegen, wobei E die Amplitude des Steuersignals darstellt, eine lineare Beziehung zwischen . dem Spannungsabfall Δ Y über dem Speicherkondensator aus der ersten Stufe des Speichers und dem dieser, ers.ten S.tufe zugeführten Eingangssignal bestehen. Im erwähnten Intervall wird Δ Y über dem erwähnten Kondensator das Intervall 0 < Δ γ <, + E durchlaufen. Wenn das Eingangssignal V. gleich null Volt ist, wird der Spannungsabfall Δ Y über dem Kondensator aus der ersten Stufe gleich ?? E sein, welcher Spannungsabfall nachstehend als "Nullpegel" bezeichnet wird. Wenn - ■ ■■ das Eingangssignal V» gleich - E volt ist, wird der Spannungsabfall A Y über dem Kondensator aus der ersten Stufe gleich null "Volt sein;, dieser Spannungsabfall wird nachstehend als "Spitzenpegel" bezeichnet.

Wenn die Reihe von Kondensatoren in diesem bekannten Kondensatorspeicher groß ist, wird die Wirkung des Speichers durch die Tatsache beeinträchtigt, daß bei Übertragung von Ladung zwischen zwei aufeinander, folgenden Kondensatoren aus der Reihe von Kondensatoren Ladung verloren geht, weil der Kollektor-Emitter-Stromverstärkungsfaktor <* der verwendeten Transistoren etwas kleiner als 1 ist. Dies hat zur Folge; daß sich der Nullpegel langsam aufwärts zu dem Spitzenpegel bewegt, Je nachdem die Ladung weiter vorgeschoben wird. Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, daß auch die Transistorladeströme nach jeder folgenden Stufe des Speichers und somit bei den' meisten Transistoren auch der Kollektor-Emitter-Stromverstärkungsfaktor «· verringert werden. Nach einer gewissen Anzahl, meistens einigen zehn Stufen ist der

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erwähnte Nullpegel so weit vorgeschoben, daß in den oberen Spitzen des Signals der Transistor außerhalb seines linearen Wirkungsbereiches gelangt, so daß das Signal abgeplattet und somit verzerrt wird.

In der gleichzeitig mit der zuerst erwähnten Patentanmeldung eingereichten Patentanmeldung werden die erwähnten LadungsVerluste völlig oder teilweise dadurch ausgeglichen, daß einer oder mehrere der Kondensatoren aus der Reihe von der Reihenschaltung einer beim Übertragung von Ladung leitenden Diode und eines zusätzlichen Kondensators überbrückt werden, wobei dieser zusätzliche Kondensator die Eingangs impedanz zwischen xlem limit ter und dem Kollektor des Ililfstransistors bildet, dessen Basis-Emitter-Strecke zu der erwähnten Diode gegensinnig parallel geschaltet ist, während der Knotenpunkt der Diode und der Basiselektrode des Hilfstransistors mit derjenigen Seite des Kondensators verbunden is1^ der die Ladung für den auffolgenden Kondensator entnommen wird.

Die obenerwähnte Lösung zum Erzielen einer vollständigen oder teilweise Kompensation der erwähnten Ladungsverluste kann in Kondensätorspeichern angewandt werden, in denen die Reihe von Kondensatoren nicht zu groß ist. Da der Emitter-Kollektor-Stromverstärkungsfaktor oc für jeden der verwendeten Transistoren verschieden ist, ist es erforderlich, daß die Verstärkung jedes der verwendeten Ladungsverstärker einstellbar ist, was z.B. dadurch verwirklicht werden kann, daß der zusätzliche Kondensator in den Ladungsverstärkern veränderlich ausgebildet wird» Die obenerwähnte Lösung läßt sich weniger gut in Kondensatorspeichern anwenden, in denen die Reihe von Kondensatoren groß ist und z. B. 200 Kondensatoren umfaßt. Die Anzahl benötigter Ladungsverstärker müßte in diesem Falle etwa 5 betragen, was bedeutet, daß., zum Inbetriebsetzen eines derartigen

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Kondensatorspeichers diese fünf Ladungsverstärker gesondert eingestellt werden müssen, wodurch die Bedienung des Kondensatorspeichers erheblich erschwert wird. Außerdem wird im Zusammenhang mit der zulässigen Verzerrung des elektrischen Ausgangssignal des Kondensatorspeichers die zulässige Amplitude des dem Speicher zugeführten elektrischen Eingangssignals durch die Stelle bestimmt, an der der Ladungsverstärker im Kondensatorspeicher angebracht wird. Messungen haben ergeben, daß die zulässige Amplitude des Eingangssignals bei Verwendung von 50 Kondensatoren vor dem ersten Ladungsverstärker etwa die Hälfte des möglichen Aussteuerraumes - E < Y. < +E des ersten Transistors im Speicher ist, während bei Verwendung von 200 Kondensatoren die zulässige Amplitude des Eingangssignals gleich Null ist.

Die Erfindung hat den Zweck, eine Schaltungsanordnung der beschriebenen Art zu schaffen, bei der einerseits die zulässige Amplitude des Eingangssignals im Zusammenhang mit der zulässigen Verzerrung des Aubgangssignals von der Anzahl Stufen des Kondensatorspeichers unabhängig ist, während andererseits die Anzahl benötigter Ladungsverstärk ker im Kondensatorspeicher erheblich herabgesetzt wird, wobei der Kondensatorspeicher außerdem besonders gut in einem Halbleiterkörper integriert werden kann. .,

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Transistoren von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen sind und daß die Steuersignale ent-/ ■ sprechend den ansteigenden Ordnungszahlen der Knoten-: punkte abwechselnd eine positive und negative Polarität haben.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:'

Pig. 1 einen Kondensatorspeicher nach der Erfindung, und

Pig. 2 den Spannungsverlauf an verschiedenen Punkten des Kondensatorspeichers.

Fig. 3 veranschaulicht die Abschwächung eines Eingangssignals in dem Kondensatorspeicher nach der Erfindung und die Abschwächung eines gleichen Eingangssignals im bekannten Kondensatorspeicher.

In Pig. 1 besteht die Reihe von Kondensatoren aus den Kondensatoren C₁ - G . Diese Kondensatoren sind durch die Hauptstrombahnen der Transistoren T₁ - T_n miteinander verbunden, während die von diesen Hauptstrombahnen abgekehrten Anschlußklemmen mit einem Punkt konstan ten Potentials verbunden sind. Es sei dabei bemerkt, daß bei Zweipoltransistoren die Hauptstrombahn die Emitter-Kollektor-Strecke ist, während bei Feldeffekttransistoren die Hauptstrombahn die Strecke zwischen der Quellenelektrode und der Abflußelektrode ist. Die Steuerelektroden der ungeradzahligen Transistoren sind miteinander verbunden und bilden dabei einen ersten Knotenpunkt, der mit dem Ausgang 1 der, Schaltspannungsquelle S verbunden ist. Die Steuerelektroden der geradzahligen Transistoren sind gleichfalls miteinander verbunden und bilden dabei einen zweiten Knotenpunkt, der mit dem Ausgang 3 der Schaltspannungsquelle S verbunden ist. Die Emitter-Elektrode des Transistors T₁ oder, wenn T₁ ein Feldeffekttransistor ist, die Quellenelektrode dieses Transistors ist über die Reihenschaltung eines Widerstandes R₁, der Signalspannungsquelle V^

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und der Gleichspannungsquelle E₁ mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden. Die den Hauptstrombahnen der Transistoren T₁ - T zugekehrten Anschlußklemmen der ungeradzahligen Kondensatoren sind über die ungeradzahligen Dioden D.., D~, Dt mit dem Ausgang 2 der Schaltspannungsquelle S verbunden. Die den Hauptstrombahnen der Transistoren T.. - T zugekehrten Anschlußklemmen der geradzahligen Kondensatoren sind über die geradzahligen Dioden Dp, D., D_n mit dem Ausgang 4 der Schaltspannungsquelle S verbunden. Die an den Ausgängen 1, 2, und 4 der Schaltspannungsquelle S auftretenden Spannungen sind in den Figuren 2c» 2d, 2a bzw. 2b dargestellt. Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Kondensatorspeichers ist folgende.

Es sei angenommen, daß der Kondensator C₁ im Zeitintervall ¹V-Z eine Information e empfangen hat (siehe Fig.2e). Im Zeitintervall Tr wird der Transistor T₂ eingeschaltet, wodurch der Kondensator C₁ weiter aufgeladen wird, bis die Spannung über dem Kondensator C₁ gleich null Volt geworden.ist. Zugleich wird das im Zeitintervall*^". im Kondensator C₁ vorhandene Ladungsdefizit C₁ (E-e) um einen Faktor d geschwächt auf den Kondensator Cp übertragen, wobei die Schwellwertspannung V, zwischen der Basis- und der Emitter-Elektrode (wenn T₁ ein Zweipoltransistor ist) oder die Schwellwertspannung zwischen der Steuerelektrode und der Quellenelektrode (wenn T₁ ein Feldeffekttransistor ist) vernachlässigt wird. Die Spannung über dem Kondensator C₂ sinkt dadurch auf E-d. (E-e) ab, wobei d einen Schwächungsfaktor für die erwähnte Ladungsübertragung darstellt, der bei Verwendung von Zweipoltraneistoren im wesentlichen durch den Emit— ter-Kollektor-Stromverstärkungsfaktor oc der Transistoren und bei Verwendung von Feldeffekttransistoren im wesentlichen durch in den Kondensatoren auftretende Leckströme bestimmt wird. Im Intervall'Ζη wird der Kondensator O^

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durch den Transistor T, weiter entladen, bis die Spannung über diesem Kondensator gleich null Volt geworden ist. Zugleich wird der im Kondensator C2 während der Zeitintervalle ^V und TTg vorhandene Ladungsüberschuß Cp {E-d.(E-e)} um einen Faktor d geschwächt auf den Kondensator C, übertragen. Die Spannung über dem Kondensator C, wird dadurch gleich [Έ-d ^E-d(E-e)Jj . Im Zeitintervall χ~ wird der Kondensator C, durch den Transistor T. weiter entladen, bis die Spannung über diesem Kondensator gleich null Volt geworden ist. Zugleich wird das im Kondensator C_ während der Zeitintervalle X"™ und ¹^₈ vorhandene Ladungsdefizit C, f E-d /E-d(E-e))] um einen Paktor d geschwächt auf den Kondensator C. übertragen. Die Spannung über dem Kondensator C- wird dadurch gleieh (E-d Γ E- / E-d(E-e) 1 I . Eine einfache Berechnung ergibt, daß die Spannung V über dem n.Kondensator nach der Übertragung zwischen den (n-1).Kondensator und dem n. Kondensator gleich E-(d-d +d'-d^+dⁿ) E+dⁿ.e sein wird. Für einen großen Wert von η ist dies annähernd gleich

= ^E - TtT ± <*^η·^β^? E + dⁿ. e . . . (1)

wenn d dem Wert 1 nahe liegt.

Das Verhalten der Spannung V_n als Punktion der Ordnungszahl η ist in Fig. 3 sowohl für den bekannten Kondensatorspeicher (mit einer gestrichelten Linie) als auch für den Kondensatorspeicher nach der Erfindung veranschaulicht. Die ge- _ 8 -

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strichelte linie b veranschaulicht das Verhalten des Nullpegels als Punktion der Ordnungszahl η im bekannten Kondensatorspeicher, während die volle Linie b das Verhalten des Nullpegels als Punktion der Ordnungszahl η im Kondensatorspeicher nach der Erfindung darstellt. Aus einem Vergleich zwischen den Verhalten der Nullpegel geht hervor, daß der Nullpegel im Kondensatorspeicher nach der Erfindung zu dem festen Wert -rß konvergiert. Außerdem illustriert Pig. 3 das Verhalten der extremen Werte der Eingangssignale V₁ und V_Q1, die dem Kondensatorspeicher nach der Erfindung bzw. dem bekannten Kondensatorspeicher zugeführt werden, als Punktion der Ordnungszahl η der Kondensatoren. Die gestrichelte Linie a zeigt das Verhalten des Minimums des Eingangssignals Vq₁, während die gestrichelte Linie c das Verhalten des Maximums des erwähnten Eingangssignal als Punktion der Ordnungszahl η darstellt. Die volle Linie a.. veranschaulicht das Verhalten des Minimums des Eingangssignal8 V₁ als Punktion der Ordnungszahl n, während die volle Linie C₁ das Verhalten des Maximums des Eingangssignals V₁ als Punktion der Ord- ■■ nungszahl η darstellt. Aus einer näheren Betrachtung des Verlaufes der gestrichelten Kurve a geht hervor, daß der Transistor T~q, der mit dem Kondensator C„_o aus dem bekannten Kondensatorspeicher zusammenwirkt,, in seinen nicht-linearen Arbeitsbereich gelangt ist.. Dadurch wird das Eingangssignal Vq₁ verzerrt, was durch die Kurve Vq₂₀ in Fig. 3 dargestellt ist, die das Verhalten der Spannung über dem Kondensator Cp^ als Punktion der Zeit zeigt. Der Verlauf der Kurve a der Pig. 3 zeigt weiter, daß der Wert von n, bei dem zum ersten Mal Verzerrung eines Eingangssignals auftritt, von der Größe der Amplitude des Eingangssignals abhängig ist. Dadurch wird die Wahl der Stelle, an der im bekannten Kondensatorspeicher ein Ladungsverstärker

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angebracht werden soll, einerseits durch die Größe des Eingangssignal und andererseits durch den Wert der Ordnungszahl η "bestimmt. Aus einer näheren Betrachtung des Verlaufes der vollen Linie a geht hervor, daß keiner der Transistoren des Kondensatorspeichers nach der Erfindung in seinen nicht-linearen Arbeitsbereich gelangt. Dadurch ist die Stelle, an der der erste Ladungsverstärker im Kondensatorspeicher angebracht werden muß, lediglich von dem gewünschten Signal-Rausch-Verhältnis abhängig. Wenn nicht mehr als 200 Stufen in Reihe geschaltet sind, können in den meisten Fällen die Ladungsverstärker sogar völlig weggelassen werden, und es reicht aus, das Signal nach Durchgang durch die integrierte Verzögerungsleitung auf übliche Weise zu verstärken.

Da jedem ungeradzahligen Kondensator aus dem Kondensatorspeicher nach Fig. 1 aus beiden Richtungen Ladung zugeführt wird, ist eine zusätzliche Diode erforderlich, durch die nach jeder Ladungsübertragung eine konstante Ladung abgeführt werden kann. Dies erfolgt mittels der ungeradzahligen Dioden D₁, D~ und D,- der Fig. 1. Jeder geradzahlige Kondensator benötigt gleichfalls eine geradzahlige Diode zum Zuführen einer konstanten Ladung jeder Ladungsübertragung. Statt der in Fig. 1 gezeigten Dioden können zwei Mehremitter-Transistoren angewandt werden. Die geradzahligen Dioden werden dabei durch eine gleiche Anzahl Basis-Emitter-Dioden eines npn-Mehremitter-Transistors ersetzt. Die ungeradzahligen Dioden werden durch eine gleiche Anzahl Basis-Emitter-Dioden eines pnp-Mehremitter-Transistors ersetzt. Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß die den Ausgängen 2 und 4 der Schaltspannungsquelle zugeführte Steuerenergie erheblich geringer sein kann, wodurch der Verdrahtung und den mit den Ausgängen 2 und 4 gekoppelten Endtransistoren der Schaltspannungsquelle weniger

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strenge Anforderungen gestellt werden können, was insbesondere bei Tastfrequenzen > 1 MHz wichtig ist.

Es dürfte einleuchten, daß sich die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt und daß für den Fachmann im Rahmen der Erfindung viele Abarten möglich sind. Z.B. können sowohl Zweipolals auch Feldeffekttransistoren Anwendung finden. Ferner können sowohl Feldeffekttransistoren mit einer η-leitenden und p-leitenden Kanalzone als auch Feldeffekttransistoren vom Anreicherungs- und.Verarmungstyp verwendet werden. Außerdem kann die in Fig. 1 beschriebene Schaltungsanordnung z.B. vorteilhaft zum Erzielen eines üblichen Filters für elektrische Signale angewandt, werden. Auch können in Vereinigung mit der in Fig. 1 beschriebenen Schaltungsanordnung übliche Ein- und Ausgangskreise verwendet werden. Weiterhin können zwei oder mehrere Schaltungsanordnungen der in Fig. 1 beschriebenen Art zu einem gemeinsamen Eingang (gemeinsamen Eingängen) und/oder zu einem gemeinsamen Ausgang (gemeinsamen Ausgängen) parallel geschaltet werden.

Patentansprüche:

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kondensatorspeicher mit einer Reihe von Kondensatoren, die über die Hauptstrombahnen von Transistoren miteinander verbunden sind, wobei die Steuerelektroden der Transistoren gruppenweise miteinander verbunden sind und dabei Knotenpunkte bilden, denen Steuersignale zugeführt werden, die entsprechend den ansteigenden Ordnungszahlen der Knotenpunkte in der Phase verschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Transistoren von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen sind und daß die Steuersignale entsprechend den ansteigenden Ordnungszahlen der Knotenpunkte abwechselnd eine positive und negative Polarität haben.

2. Kondensatorspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Hauptstrombahnen der Transistoren abgekehrten Anschlußklemmen der Kondensatoren mit Punkten konstanten Potentials verbunden sind.

3. Kondensatorspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hauptstrombahnen der Transistoren zugekehrten Anschlußklemmen der geradzahligen Kondensatoren über Halbleiterdioden vom gleichen Leitfähigkeitstyp mit einer ersten Schaltspannungsquelle verbunden sind, während die die Hauptstrombahnen der Transistoren zugekehrten Anschlußklemmen der ungeradzahligen Kondensatoren über Halbleiterdioden von einem dem der bereits erwähnten Halbleiterdioden entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp mit einer zweiten Schaltspannungsquelle verbunden sind, wobei die von der ersten und von der zweiten Schaltspannungsquelle abgegebenen Spannungen entgegengesetzten Polaritäten haben.

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