DE1952059C3

DE1952059C3 - Verstärkerschaltung, die über eine Kompressionsschaltung gesteuert wird

Info

Publication number: DE1952059C3
Application number: DE1952059A
Authority: DE
Inventors: Charles Christian Rochester Minn. Hanson (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-10-18
Filing date: 1969-10-16
Publication date: 1978-07-06
Also published as: US3600589A; DE1952059B2; FR2020972A1; DE1952059A1; CH500632A; JPS4947194B1; GB1251117A; NL6915647A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung, die über eine Kompressionsschaltung gesteuert wird und deren Ausgangsspannung auf den Eingang rückgekoppelt ist und die besonders für Kontrastmessungen bei Zeichenlesern oder Markierungslesern geeignet ist.

Mit Photozellen zusammenarbeitende Verstärker mit Bereichskompression sind schon bekannt. Lichtempfindliche Fühler, die zu Meß- und Steuerzwecken benutzt werden, enthalten üblicherweise Verstärker zur Erhöhung der Signalamplitude. Die entstehenden Signale sind direkt proportional der Spannung des Abtastelements.

Kompressionsschaltungen andererseits werden in Tonverstärkeraplagen verwendet, und ihr Hauptzweck besteht in der Störungsunterdrückung und der Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit. Es handelt sich dabei meistens um die Verstärkungsregelung durch Regelung der Gegenkopplung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine über eine Kompressionsschaltung gesteuerte Verstärkerschaltung für Zeichen- oder Markierungsleser anzugeben, die nur bei Änderungen ihrer Eingangsspannung eine von Null verschiedene Ausgangsspannung liefert.

Diese Aufgabe wird mit einer Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß als Verstärker ein Differenzverstärker verwendet ist, dessen nichtinvertierender Eingang mit der Ausgangsklemme der Kompressionsschaltung verbunden ist und dessen Ausgang einmal direkt über einen Widerstand und zum anderen über ein Netzwerk, das einen weiteren als Spannungsvergleichsschaltung dienenden Differenzverstärker und einen als Speicher für die Spitzenspannung wirkenden Kondensator enthält, mit dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers verbunden ist, der über einen Widerstand an das Bezugspotential angeschlossen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und den Zeichnungen näher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der Verstärkerschaltung,

F i g. 2 eine Kurve, in der die Spannung an einer Siliziumdiode als Funktion des Stromes aufgezeichnet ist, wie sie im Verstärkungskreis verwendet wird,
F i g. 3 das Schaltschema des Verstärkers nach Fig. 1, F i g. 4a und 4b Kurven typischer Eingangssignale und -> entsprechende Ausgangssignale für den Verstärker,

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verstärkers und

F i g. 6a und 6b typische Eingangsstromkurven und entsprechende Ausgangsspannungskurven für das in

in F i g. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel des Verstärkers.

Der Verstärker benutzt ein in einer Richtung leitendes Element mit logarithmischer Charakteristik, um eine Bereichskompression zu erzielen. Bei Kontrastmessungen erhält man üblicherweise eine lineare

r> Charakteristik bei Änderungen des auftreffenden Lichtes. Bei dem als Licht-Abfühlverstärker verwendeten Stromverstärker liefert die Licht-Abfühleinheit einen Ausgangsstrom, der relativ zu dem auf die Einheit auftreffenden Licht grundsätzlich linear ist und den

jo Wert 0 erreicht, wenn kein Licht auftrifft. Bei der Kontrastmessung jedoch, und im besonderen bei der Zeichenerkennung, treten mehrere Lichtpegel auf, die es erforderlich machen, nur die Änderungen, die zwischen dem Vorhandensein oder Fehlen einer

r> Markierung auf einem Blatt erfolgen, zu berücksichtigen. Somit verwendet das nachfolgend beschriebene System bekannte Bauteile zur Erzielung einer Kompression der Änderungen der Eingangsspannuug und zur Erzeugung eines Ausgangssignals aus relativ kleinen

κι Spannungsänderungen bei der Zeichenerkennung.

Im Blockdiagramm der Fig. 1 ist mit der Nr. 10 eine photoempfindliche Zelle bezeichnet, die auf der einen Seite mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 12 und auf der anderen Seite mit einem Arbeitselement 14

r> verbunden ist. Das Arbeitselement ist hier ein NPN-Siliziumtransistor, dessen Kollektor 15 geerdet ist. Eine Kurzschlußbrücke 16 verbindet Kollektor und Basis so, daß der Transistor als P-N-Diode arbeitet. Der Punkt 18 der Meßschaltung zwischen dem Emitter und der Photozelle 10 führt zur positiven Seite 21 eines Differentiulverstärkers 20. Die Ausgangsleitung 22 des Verstärkers 20 liefert ein positives Ausgangssignal, welches den Kontrast oder die Änderung der Lichtstärke bei der Zeichenerkennung darstellt. Das Ausgangs-

4j signal ist an eine Rückkopplungsschaltung mit zwei Wegen angeschlossen. Der erste Rückkopplungsweg verläuft über einen Verstärker 25, einen Spannungsspitzenspeicher 27 und einen Widerstand 28 zum negativen Anschluß 30 des Differentialverstärkers. Der zweite

V) Rückkopplungsweg, der einen zweiten Widerstand 32 enthält, verläuft direkt vom Ausgang 22 zum Eingang 30 des Differentialverstärkers. Ein dritter Widerstand 35 liegt zwischen negativer Eingangsklemme und der Erdverbindung 36.

η Als Kontrast wird das Verhältnis des vom Lichtfühler kommenden Stromes bei Anwesenheit einer Markierung zu dem Strom, der fließt, wenn nur das Papier oder der Untergrund des gelesenen Mediums vorliegt, betrachtet. Somit ist

,. / Markierung) . I_K.

Kontrast = —-,r—= — oder = ■ '

/(Papier) l_P

Der Photo-Abtastverstärker benutzt die logarithmische Charakteristik einer Siliziumdiode zum Messen des Kontrastverhältnisses in der nachfolgend beschriebenen

Art. Die ideale P-N-Diode folgt der Beziehung

/ = /_s-e

Dabei ist

/ = der Strom durch den P-N-Obergang,

Λ = der Sättigungsstrom,

q = die Elementarladung,

V = die Spannung über der Verbindung,

K = die Boltzmannsche Konstante und

T = die absolute Temperatur.

Die Siliziumdiode entspricht jedoch nicht der idealen P-N-Diode. Bei sehr niedrigen Strömen z. B. tritt wegen der Haftstellen innerhalb der Energiebandlücke
Rekombinationsstrom auf, der bewirkt, daß

J e- 2KT

Wenn die Dichte der Minoritätsträger vergleichbar wird mit der Dichte der Majoritätsträger, folgt der Strom der Beziehung

Jl₁V

I χ e^{2K T}.

einer lichtempfindlichen Zelle bei Änderung des Lichtpegels gemessen werden soll. Somit stellt Ip das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Zelle beim Fehlen einer Markierung und Im das Signal beim Vorhandensein einer Markierung dar. Im entspricht also einem niedrigeren Lichtpegel, der dem von einer Markierung auf einen optischen Markierungsleser reflektierten Licht entspricht. Es wird eine Spannungsänderung erzeugt, die nur die Funktion von Stromverhältnissen und unabhängig von StromgrötJen ist. Somit liefert das durch die lichtempfindliche Zelle und die P-N-Diode gebildete Netzwerk eine Ausgangsspannung aufgrund einer Stromänderung in der lichtempfindlichen Zelle, welche an die positive Klemme 21 des ein r> Differentialverstärkers gegeben wird und dort als Eingangsspannung erscheint. Wenn dieses Eingangssignal = /pder höhere Strom ist, wird die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers in den positiven Bereich getrieben und die Spitzen-Speicherschaltung auf einen Wert aufgeladen, welcher ausreicht, um die auf der Kontrast-Ausgangsleitung 24 vorhandene Spannung dadurch auf 0 zu drücken, daß eine Spannung über den /?/>Widerstand 28 auf den Verstärkereingang 30 zurückgekoppelt wird. Wenn der Eingangsstrom auf den Wert Im abfällt, also ein Zeichen vorhanden ist, ändert sich die Ausgangsspannung wie folgt:

Dieser Bereich kanu weiter verändert werden durch den Bahnwiderstand des Halbleiters auf einer Se: ie der P-N-Verbindung. In diesem Falle verändert sich der Strom um

I V

v/r

wobei Reff nicht der lineare Widerstand, sondern die Summe des Bahnwiderstandes auf beiden Seiten der P-N-Verbindung ist. Zwischen dem hohen Injektionsbereich und dem niedrigen Rekombinationsstrombereich liegt ein Betriebtbereich, in welchem der Strom der P-N-Diode sehr eng der Gleichung für die ideale Diode folgt. Die Kurve der Fig.2 zeigt die Beziehungen zwischen Strom und Spannung in diesem Bereich über verschiedene Größenordnungen des Strombereiches. Im Betriebsbereich, in dem die Gleichung der idealen Diode die Beziehung zwischen Strom und Spannung beschreibt, kann die Siliziumdiode für die Messung des Stromverhältnisses benutzt werden. Wie aus der vorletzten Gleichung abgeleitet werden kann, tritt bei Änderung des Stromes von I\ nach h folgende Spannungsänderung auf:

da

ergibt sich

I_x,

7"

V '/

R, (R₁+ j
K₁ R,

')■

Da die meisten Werte der Gleichung konstant sind, kann man schreiben:

V_Aus — Konstante · /„

Nur die Temperatur Tmuß außerdem berücksichtigt werden. Der Änderungsprozentsatz von V,\_u~. pro Grad Celsius beträgt

Die Größe der Spannung bei einem gegebenen Strom ändert sich von einer Diode zur anderen, da der Sättigungsstrom von deren Form abhängt. Die Spannungsänderung zwischen zwei Strompegeln bleibt jedoch von einer Diode zur anderen unverändert. Somit liefert der gemäß Darstellung in Fig. 1 als P-N-Diode geschaltete Siliziumtransistor im gewünschten Meßbereich eine Beziehung zwischen V und /, die sich der Charakteristik einer idealen Diode mit einem von Spannungsänderungen logarithmisch abhängigen Ausgangssignal nähert.

In den in F i g. 1 gezeigten System ist eine Anordnung vorgesehen, mit der das Verhältnis der Ausgangssignale Bei Raumtemperatur ist das ungefähr 0,3% pro Grad Celsius, so daß diese Abweichung praktisch keine Bedeutung hat.

Fig. 3 zeigt das Schaltschema eines verbesserten Strom-Verhältnisverstärkers. Der Differentialverstärker 20 ist wieder in Blockform dargestellt, da schon bekannte Einzelheiten der Einfachheit halber weggelassen sind. Die lichtempfindliche Zelle 10 und die P-N-Diode 14 sind in Reihe geschaltet zwischen eine negative Gleichstromquelle 12 und die Erdverbindung 15. Die Anzapfung 18 liefert ein Strumausgangssignal an die Eingangsklemme 21 des Verstärkers. Die Ausgangs-

klemme 22 gehört zum ersten Rückkopplungswcg, der über den Widerstand 32 zur zweiten Eingangsklemmc 30 des Verstärkers 20 verläuft. Die Polarität der Klemme 30 ist der der Klemme 20 entgegengesetzt. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird an der Ausgangsklemme 24 abgenommen. Der zweite Rückkopplungsweg enthält einen Spannungs-Begrenzerwiderstand 40 und führt zu einem Spannungsvergleicher, der durch die zwei gleichartigen Siliziumtransistoren 44 und 45 gebildet wird. Der Eingangsweg liegt über einer Diode 41 bei 42 an Erde. Die Transistoren 44 und 45 bilden einen Differentialverstärker. Der Kollektor des Transistors 44 ist über einen Vorspannwiderstand 48 mit einer positiven Stromquelle 50 und der Emitter über einen Vorspannwiderstand 52 mit einer negativen Stromquelle 54 verbunden. Der Kollektor des Transistors 45 ist direkt mit der positiven Stromquelle, der Emitter aber ebenfalls über den Vorspannwiderstand 52 mit der negativen Stromquelle 54 verbunden. Die Basis des Transistors 45 ist bei 58 geerdet. Die Leitung 60 stellt die Verbindung zwischen dem Kollektor des Transistors 44 als Ausgang des Differentialverstärkers und der Basis eines als Stromverstärker arbeitenden Transistors 65 her. Der Kondensator 66 dient der Stabilisierung. Der Kollektor des Transistors 65 ist über einen Begrenzungswiderstand 68 mit einer positiven Stromquelle und der Emitter über eine Diode 70 mit einer Seite des Spannungs-Speicherkondensators 27 verbunden, dessen andere Seite bei 72 geerdet ist. Die Diode stellt sicher, daß keine rückwärtige Vorspannung auf den Transistor 65 gelangt, der die Stromverstärkung des Vergleichers übernimmt and die Ladung des Kondensators 27 steuert. Der Transistor 80 bildet einen Pufferverstärker. Sein Kollektor ist an eine positive Spannung und sein Emitter an einen Spannungsteiler angeschlossen, der von den in Reihe geschalteten Widerständen 82 und 84 gebildet wird. Der Widerstand 84 ist an eine negative Stromquelle 90 angeschlossen. Der Mittelpunkt 86 des Spannungsteilers ist mit der Basis eines Transistors 92 verbunden, dessen Kollektor an einen Widerstand 95 und dessen Emitter über einen Vorspannwiderstand 96 an die negative Stromquelle 90 angeschlossen ist. Ein Widerstand 97 liegt zwischen der negativen Stromquelle 90 und dem Verbindungspunkt 98, zu welchem auch der Widerstand 95 führt. Die Leitung 99 führt zur Eingangsklemme 30 des Differentialverstärkers. Der von den Widerständen 82 und 84 gebildete Spannungsteiler und der Transistor 92 steuern den Stromfluß durch den Widerstand 95. Der Spannungsteiler wiederum wird durch die Entladung des Kondensators 27 gespeist und bildet mit dem Widerstand 97 den im Blockdiagramm der F i g. 1 gezeigten /<y Widerstand 28. Ein Teil dieses Widerstandes ist also veränderlich und ein anderer Teil fest, so daß der Stromfluß durch den Widerstand 95 und demzufolge auch die Spannung geregelt wird. Dadurch wird das Ausmaß der Rückkopplung gesteuert.

Wenn keine Markierung gelesen wird, d. h. ein im wesentlichen weißer Untergrund des nicht dargestellten Dokumentes abgefühlt wird, dann liefert dieser Lichtpegel den größten Wert der Spannung. Die P-N-Diode führt unter diesen Bedingungen den größten Strom, und die Spannung am Eingang 21 des Differentialverstärkers hat den kleinsten positiven Wert. Der Ausgang des Verstärkers hat daher ebenfalls den kleinsten positiven Wert. Von den den Differentialverstärker oder Vergleicher bildenden Transistoren 44 und 45 leitet der Transistor 44 aufgrund dieses Ausgangssignals nur schwach und infolgedessen leitet der Transistor 45 mehr. Das Ausgangssignal de Dilfercntialverstärkers vom Kollektor des Transistor: 44 reduziert die Spannung und erhöht den Stromflu durch den Transistor 65, welcher normalerweise infolg' seiner Vorspannung nichtleitend ist. Dadurch wird de Kondensator 27 auf hohe Spannung gebracht um gleichzeitig der Transistor 80 so gesteuert, daß di Spannung am Spannungsleiter 82 und 84 steigt und de Stromfluß vom Verstärker über den Widerstand 9 durch den Transistor 92 verändert wird. Eine Span nungsänderung am negativen Eingang 30 gleicht di Potentialdifferenz zwischen positivem und negativen Eingang des Differentialverstärkers aus.

Wenn ein Zeichen gelesen wird, dann wird der Stror durch die lichtempfindliche Zelle und die Diode 14| größer. Dadurch wird der Eingang des Verstärker: positiver, und der Transistor 44 im Vergleicher leite mehr. Der entgegengesetzte Transistor 45 hingegen dessen Basis mit Erde verbunden ist, leitet weniger. A der Basis des Transistors 65 fällt die Spannung ab. un da dieser Transistor vorgespannt ist, nimmt der Strom] ab. Der Kondensator 72 speichert die Spannungsspitze bevor der Transistor 65 abschaltet. Der Puffertransisto 80, der bisher schon leitend war, entlädt nun de Kondensator 72. Dadurch wird die Rückkopplung au den Differentialverstärker so verzögert, daß da erhöhte Eingangssignal zu diesem Verstärker in Forn einer Spannungsspitze als Anzeige der Markierung am] Ausgang 24 erscheint, bevor der Rückkopplungskrei den Verstärker wieder auf Null-Ausgangssignal zurück führt.

Die Kurve 4A in Fig.4 zeigt den Eingangsstrom zum] Differentialverstärker. Der Bereich 100 ist der Dunkel pegel zwischen zwei Dokumenten. Der stark negativi Kurventeil 102 gibt den größten Lichtpegel wieder, de durch ein stark reflektierendes Doßument ohnt Markierung erzeugt' wird. Die Markierungen selbs erzeugen positive Stromimpulse 104 am Eingang 21 zum] Verstärker. Die Kurve 4ß zeigt die Ausgangsspannung des Verstärkers 20. Das waagerechte Stück 105 in de Kurve 4ß entspricht wieder dem Dunkelpegel zwischei zwei Dokumenten. Die negative Spitze 106 stellt dii Vorderkante des Dokumentes dar. Durch dieserl Ausschlag wird der Kondensator aufgeladen der di Rückkopplung verzögert, die den Verstärker erst nacl| einer gewissen Zeit auf den Null-Bezugswert zurück bringt. Die positiven Spannungs-Ausgangsimpulse iod entsprechen den abgelesenen Markierungen und den] Stromänderungen am Eingang des Verstärkers.

Das in F i g. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel verwen det im wesentlichen dieselbe Verstärkerschaltung, abe die von der lichtempfindlichen Zelle 10 und der Diode 1<| gebildete Eingangsschaltung ist anders betrieben. Di lichtempfindliche Zelle 10 liegt bei 110 an positive Spannung und die Diode 14 ist bei 15 geerdet. De übrige Teil der Schaltung ist im wesentlichen unveränl dert. Der über den von den Transistoren 44 und 43 gebildeten Vergleicher verlaufende RückkopplungsweJ ist insofern etwas geändert, als der Transistor 44 dl· Bezugsspannung liefert und die Ausgangsleitung H vom Transistor 45 abgenommen und zur Basis de] Strom-Verstärkungstransistors 65 geführt wird. De Kondensator 27 wird über den an den Eingang 30 de: Differentialverstärkers angeschlossenen Widerstand 2)1 entladen. Der Rückkopplungswiderstand 32 zwischei| Eingang und Ausgang des Verstärkers und d& Vorspannwiderstand 35, die den negativen Eingang 3(| mit Erde verbinden, bleiben unverändert.

In der in Γ i g. 6a gezeigten Kurve ist der Lingangsstrom von der Abfühlschaltung gezeigt. An der Dunkelstelle 120 zwischen zwei Dokumenten ist der Strom im wesentlichen gleich Null. Eine große Lichtmenge erzeugt einen großen Eingangsstrom 122, der beim Abfühlen von Zeichen 124 abfällt. Kurve 6b zeigt das entsprechende Ausgangssignal vom Verstärker. Das negative Ausgangssignal 125 entspricht dem dunklen Pegel zwischen den Dokumenten. Die Spitzen-Ausgangsspannung 126 dient zur Ladung des Kondensators. Die Markierungszeichen erzeugen negative Spannungsspitzen 128.

Wenn die lichtempfindliche Zelle 10 gut leitet, d. h. wenn keine Markierung auf einem Dokument vorhanden ist, leitet die Diode 14. Die Spannung an der Eingangsklemme 21 des Differentialverstärkers ist dann positiv und das Ausgangssignal, wie die Kurve 6a zeigt, ebenfalls. Der durch die Transistoren 44 und 45 gebildete Vergleicher spricht auf das Ausgangssignal so an, daß der Transistor 44 mehr und der auf Erdpotential bezogene Transistor 45 weniger Strom leitet. Der mit seinem Kollektor an die Basis des Stromverstärkungstransistors 65 angeschlossene Transistor 45 erreicht eine höhere Spannung, und durch den Transistor 65 fließt ein größerer Strom, der den Kondensator 27 auflädt. Die Emitterspannung dieses Stromverstärkungstransistors wird über den Rückkopplungswiderstand 28 auf die negative Eingangsklemme 30 des Differentialverstärkers zurückgeführt. Dadurch wird erreicht, daß zwischen dem positiven und dem negativen Eingang keine Potentialdifferenz auftritt, und die Ausgangsspannung an der Klemme 24 wird ungefähr gleich der Bezugsspannung 0. Das Vorhandensein einer Markierung reduziert das abgefühlte Licht und somit die Leitfähigkeit der Diode 14, wodurch die Spannung weniger positiv wird. Das Ausgangssignal des

Ii Verstärkers verläuft infolgedessen in negativer Richtung, wodurch der Transistor 44 weniger und der Transistor 45 mehr leitet. Der Strom im Transistor 65 geht auch zurück und der Kondensator speichert die Spannungsspitze, die er empfangen hat, bevor der

ι ■> Transistor 65 abschaltete. Somit bleibt das Rückkopplungssignal an der negativen Klemme 30 des Differentialverstärkers lange genug unverändert, um dem Differentialverstärker die Abgabe der erhöhten Ausgangs-Spannungsspitze zu gestatten, welche die Markierung darstellt. Bei richtiger Wahl der Verstärkungskonstanten und der Widerstands- und Verstärkungswerte im Ausgangsstromkreis, liefert die schrittweise Spannungsänderung aufgrund der logarithmischen Charakteristik des Meßkreises einen erhöhten Ausgangsstrom und dadurch eine wesentlich höhere Ausgangsspannung, die für angeschlossene Geräte geeignet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärkerschaltung, die über eine Kompressionsschaltung gesteuert wird und deren Ausgangsspannung auf den Eingang rückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker ein Differenzverstärker (20; F i g. 1) verwendet ist, dessen nichtinveriierender Eingang (21) mit der Ausgangsklemme (18) der Kompressionsschaltung verbunden ist und dessen Ausgang einmal direkt über einen Widerstand (32) und zum anderen über ein Netzwerk, das einen weiteren als Spannungsvergleichsschaltung dienenden Differenzverstärker (25) und einer, als Speicher (27) für die Spitzenspannung wirkenden Kondensator enthält, mit dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers verbunden ist, der über einen Widerstand an das Bezugspoteiitial angeschlossen isi.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionsschaltung als Diode die Emitter-Basisstrecke eines Transistors aufweist.