DE2457549A1 - Schaltung zum abschneiden eines signales - Google Patents

Description

Sony Corporation, Tokyo / Japan

Schaltung zum Abschneiden eines Signales

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Abschneiden eines Eingangssignales bei einem vorbestimmten Wert, insbesondere auf eine Abschneideschaltung, die ein Halbleiterelement mit P-N-Grenzschicht zum Abschneiden des Eingangssignales benutzt;

Es ist bereits eine Schaltung bekannt, die als Ausgangssignal nur die Teile der Eingangssignale liefert, deren Amplitude einen vorbestimmten Wert überschreiten. Eine derartige Abschneideschaltung schneidet somit ein Signal bei einem vorbestimmten Abschneidewert ab; sie enthält üblicherweise ein Halbleiterelement mit P-N-Grenzschieht (im allgemeinen eine.Diode), das mit einer Eingangssignalquelle verbunden ist und an das ein Lastwiderstand angeschlossen ist, an dem das Äusgangssignal abgenommen wird. Eine an die P-N-Grenzschicht angeschlossene Spannungsquelle bestimmt hierbei das Abschneideniveau. Bei dieser bekannten Schaltung erfolgt das Abschneiden des Signales unter Ausnutzung einer Änderung der Leitfähigkeit der P-N-Grenzschicht. Ist die Amplitude des Eingangssignales, kleiner als der von der Spannungsquelle bestimmte Abschneidepegel , so ist das Halbleiterelement mit P-N-Grenzschicht im nicht leitenden Zustand und liefert daher kein Ausgangssignal, übersteigt dagegen die Amplitude des Eingangs-

509824/0676

BAD ORIGINAL

signales den Abschneidepegel, so wird die P-N-Grenzschicht in den leitenden Zustand geführt, und es werden die Teile des Eingangssignales, deren Amplitude den Abschneidepegel übersteigt, als Ausgangssignal abgenommen.

Da die Spannungs-Strom-Kennlinie der leitfähigen P-N-Grenzschicht nicht linear ist, ergibt sieh auch eine nicht lineare Beziehung zwischen dem abgeschnittenen Ausgangssignal und dem Eingangssignal. Hieraus folgt der Nachteil, daß das Ausgangssignal eine verzerrte Wellenform besitzt. Es ist daher aus verschiedenen Gründen erwünscht, diese Kennlinie (Beziehung zwischen dem abgeschnittenen Ausgangssignal und dem Eingangssignal) zu beeinflussen. Eine solche Beeinflussung ist jedoch bei den bisher bekannten Abschneideschaltungen kaum möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieses Nachteiles eine verbesserte Abschneideschaltung (unter Verwendung einer P-N-Grenzschicht) zu entwickeln, bei der sich die Kennlinie (d.h. die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal) auf einfache Weise ändern, insbesondere im gewünschten Falle auch linear gestalten läßt (indem eine an sich durch die P-N-Grenzschicht vorhandene Nicht-Linearität in geeigneter Weise kompensiert wird).

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer bekannten Abschneideschaltung;

509824/0676

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Abschneideschaltung;

Fig. 3 ein Diagramm zur_Erläuterung der Erfindung;

Fig. ^ und 5 Schaltbilder zur Erläuterung zweier praktischer Ausführuhgsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung.

Ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Abschneideschaltung unter Verwendung einer P-N-Grenzschicht ist in Fig. 1 veranschaulicht. Zwischen Eingangsanschlüssen IA und IB sind in Reihe miteinander geschaltet eine Abschneidediöde 2, ein Lastwiderstand 3 sowie eine Vorspannungsquelle 4 zur Einstellung eines Abschneideniveaus. Ausgangsanschlüsse 5A, 5 B sind mit den beiden Enden des Lastwiderstandes 3 verbunden.

Bezeichnet man die Spannung an der Diode 2 mit ν~, wenn die Diode·leitend ist, und mit V„ die Spannung der Vorspannungsquelle 4, so wird die Diode 2 leitend, wenn eine Eingangsspannung V₁ die Bedingung' erfüllt V₁ > V_D + V₀. Unter dieser Bedingung fließt ein Strom durch den Lastwiderstand J>, so daß man an den Ausgangsanschlüssen 5A und 5B eine Ausgangsspannung V2 erhält (vgl. den in Fig. 1 schraffierten Teil der Spannungswelle).

In der obigen bekannten Abschneideschaltung gilt"nun folgende Beziehung:

V₂ = V₁ - v_D - V₀

Der durch die Diode 2 fließende Strom I läßt sich durch folgende Beziehung ausdrücken:

509824/0676

-ZJ-

Die Beziehung zwischen der Eingangsspannung V. und der Ausgangsspannung Vp wird daher bei der Bedingung V₁ Z V₀ nicht linear.

Es ist jedoch oft erwünscht, daß die V^-Vp-Kennlinie linear verläuft und außerdem variiert werden kann. Diese Forderungen lassen sich jedoch mit der oben erläuterten bekannten Abschneideschaltung nicht erfüllen.

Anhand von Fig. 2 sei nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abschneideschaltung erläutert. Hierbei ist 1 eine Signalquelle, IA, IB sind Eingangsanschlüsse, 2 eine Abschneidediode, 2 ein Lastwiderstand sowie 4 eine Vorspannungsquelle zur Einstellung eines Abschneideniveaus. Außerdem ist eine veränderliche Vorspannungsquelle 6 in Reihe zur Spannungsquelle 4 bzw. zur Signalquelle 1 geschaltet; eine Detektorschaltung 7 liegt parallel zur Diode 2 zur Feststellung einer Spannung an der Diode 2. Ein Ausgangssignal der Detektorschaltung 7 wird der veränderlichen Vorspannungsquelle 6 zugeführt und steuert diese. Ausgangsanschlüsse 5A und 5B sind wie im Falle der Fig. 1 mit den beiden Enden des Widerstandes 3 verbunden.

Bezeichnet man die Spannung der veränderlichen Vorspannungsquelle 6 mit d/ V_D (wobei dL eine' Konstante ist) und wählt man im übrigen dieselben Symbole V_Q, V., Vp und V_D wie im Falle der Fig. 1, so gelten für die Abschneideschaltung der Fig. 2 folgende Gleichungen:

609824/0676

Sei·« J

— 5 —

V₂ = V₁ - (1 -ά.) V_D -

I = I₅ ^exp (^T_n) - i

Es ergeben sich damit die in Fig. 3 dargestellten V.-Vp-Kennlinien mit qL als Parameter. Der Fall oL = 0 injjFig. 3 entspricht dem Falle der Fig. 1, wobei in der Nähe des Abschneideniveaus eine Nichtlinearität vorhanden ist. Bei d, = 1 gilt V_g = V₁ - V_Q; die V^V^Kennlinie wird daher streng linear. Im Falle O- ^ 1 ist die V^-Vp-Charakteristik umgekehrt gekrümmt gegenüber dem Fall der Fig. 1. Wird daher bei der Schaltung nach Fig. 2 die veränderliche Vorspannungsquelle 6 mit dem Ausgangssignal der Detektorschaltung 7 so gesteuert, daß die Spannung der.veränderlichen Vorspannungsquelle 6 einer Spannung d«V^ entspricht, die proportional zur Spannung V_D an der Diode 2 ist, so erhält man eine Abschneideschaltung, deren V^-Vp-Charakteristik wie in Fig. 3 gesteuert wird. Wird insbesondere die Schaltung mitck= 1 gesteuert, macht man also die Spannung der veränderlichen Vorspannungsquelle 6 gleich der Spannung V_ an der Diode 2, so erhält man eine lineare V₁-Vp-Kennlinie.

Erfindungsgemäß wird somit das Abschneideniveau, das bestimmt wird durch die Spannung V„ der Spannungsquelle 4 und die Spannung der veränderlichen Vorspannungsquelle 6·, in Abhängigkeit von der Spannung V_D an der Diode 2 variiert, um die gewünschte Eingangsspannung-Ausgangsspannung-Kennlinie zu erhalten.

509824/0676

Pig. H zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abschneideschaltung. Ein Eingangsanschluß IA ist über die Reihenschaltung einer Diode 10, eines Lastwiderstandes 11 und eines Widerstandes 12 mit Masse verbunden. Ein Differentialverstärker 20 stellt eine Spannung V_D an der Diode 10 fest. Dieser Differentialverstärker 20 enthält einen.Transistor 21, dessen Basis mit dem Eingangsanschluß IA und dessen Kollektor über einen Widerstand 13 mit einer Spannungsquelle 31 (Spannung +V ) verbunden ist. Ferner enthält dieser

C C

Differentialverstärker 20 einen Transistor 22, dessen Basis an den Verbindungspunkt zwischen Diode 10 und Widerstand 11 angeschlossen ist, dessen Kollektor mit dem Spannungsquellenanschluß 31 verbunden ist und dessen Emitter über einen Widerstand 14 mit dem Emitter des Transistors 21 und über einen Widerstand 15 an Masse angeschlossenjist.

Um mit dem vom Differentialverstärker 20 festgestellten Signal das Abschneideniveau der Abschneideschaltung zu steuern, sind Transistoren 24 und 25 vorgesehen. Der Kollektor des Transistors 21 ist an die Basis des Transistors 2k angeschlossen, dessen Kollektor mit dem Spannungsquellenanschluß 31 verbunden ist und dessen Emitter über die Reihenschaltung von Widerständen 16 und 17 an Masse liegt; die Basis des Transistors 25 ist an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 16 und 17 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 25 ist mit dem Spannungsquellenanschluß 31 und der Emitter des Transistors 25' mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 11 und 12 verbunden.

509824/0676

In dieser Schaltung wirkt der von den Transistoren 2k und 25 gebildete Schaltungsteil als Vorspannungsquelle k sowie als veränderliche Vorspannungsquelle 6, um zusammen mit der Spannung am Widerstand 12 das Abschneideniveau festzulegen. Man erhält somit ein abgeschnittenes Ausgangssignal am Widerstand 11. In diesem Falle wird die Spannung V~ an der Diode 10 durch den Differentialverstärker 20 festgestellt, und es wird eine Spannung "entsprechend dieser festgestellten Spannung V~ über die als Emitterfolger geschalteten Transistoren 2k, 25 dem Widerstand 12 zugeführt. Werden die Widerstandswerte der Widerstände 13, Ik, 16 und 17 geeignet gewählt, so kann man am Widerstand 11 ein abgeschnittenes Ausgangssignal mit einer beliebigen gewünschten Kennlinie (entsprechend einer der Kennlinien in Fig. 3) erzielen.

Bezeichnet man die Widerstandswerte der Widerstände 13, Ik, 16 und 17 mit R₅, R₁₁, Rg und R₇ und wählt man für die Spannungen an den einzelnen Teilen bzw. Punkten die in Fig. k angegebenen Symbole, vernachlässigt man schließlich die Basisströme der Transistoren, so gilt folgende Beziehung:

CjX J X OCjX X U

<Vv_BE1 = v_BE2)

_BE1 = v_BE2

Man erhält daraus folgende Beziehung: ^VC1 ^{= V}CC " ^XE1^R3

-V -^ -tr

-^VCC" RT ^VD
Der Strom !„j, läßt sich damit wie folgt ausdrücken:

509824/0676

¹EI ^{= (V}C1 - W ' ^(R6 ⁺ V

= ^(VCC - M ^VD - W ' ^(R6 ^{+ R}7⁾

Für die Spannung V_pt- erhält man dann nachstehende Beziehung:

^VE5 ^{= 1}EH ' ^R7 " ^VBE5

= ^(VCC -M^VD "W ^R7 ' ^(R6 ⁺ V - ^VBE5

^(R6 ^{+ R}7^{) R}7 ^/(R6 ⁺ V - ^VBE₅

Für die Ausgangsspannung V₂ gilt dann:

/ R₁, (R₆

- ^(VCC - ⁷BE^ ^R7· ' ^(R6 ^{+ R}7^} - ^VBE5

Da die Transistoren 2k und 25 in ihrem aktiven Bereich betrieben werden, sind die Spannungen V_BEi. und V^p₁- bei einer schwachen Änderung ihrer Kollektorströme konstant. Da bei der Diode 10 der übergang vom nicht-leitenden in den leitenden Zustand ausgenutzt wird, wird die Spannung Vp an der Diode 10 veränderlich. Bezeichnet man eine Änderung der Eingangs spannung V^ mit ^V. und eine Änderung der Ausgangsspannung Vp mit AV₂, si gilt die folgende Beziehung:

Δν₂ = Av₁ - (l - oO ) v_D

&= R₃'R₇^ (R₆ + R)

Werden die Widerstandswerte R,, Rj., R₆ und R₇ der Widerstände 13, 14, 16 und 17 geeignet gewählt, so kann man jede der Abschneidekennlinien der Fig. 3 erzielen.

B09824/0676

Wählt man beispielsweise die Widerstandswerte so, daß die Bedingung oL = 1 erfüllt ist, so wird ^V₂ = AV,.

Man kann daher eine Eingangsspannungs-Ausgangsspannungs-Kennlinie einstellen, die nicht von der Kennlinie der Diode 10 abhängt.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung erzielt man somit eine beliebige gewünschte Abschneidekennlinie, insbesondere auch eine solche mit guter Linearität. Erfindungsgemäß wird hierfür nicht eine spezielle Diode benötigt; das Problem wird vielmehr mit einer ganz einfachen Schaltung gelöst, die sich außerdem leicht als integrierte Schaltung ausführen läßt.

Fig. 5 zeigt das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles. Anstelle der Diode 10 (Fig.-4) ist in Fig. ein Transistor 27 in Emitterfolgesch.altung verwendet; seine Basis-Emitter-Grenzschicht wird in der gleichen Weise wie in Fig. 4 zum Abschneiden benutzt. Da die Funktion der Schaltung gemäß Fig. 5 anhand der obigen Beschreibung des Ausführungsbeispieles der Fig. H ohne weiteres verständlich sein dürfte, kann von einer nochmaligen detaillierten Erläuterung abgesehen werden.

509824/0676

Claims (6)

1. - ίο -

   Patentansprüche

   Schaltung zum Abschneiden eines Signales, mit zwei Eingangsanschlüssen, denen ein Eingangssignal zugeführt wird, einem Halbleiterelement mit einer P-N-Grenzschicht, das mit einem der Eingangsanschlüsse verbunden ist, so daß das Eingangssignal der P-N-Grenzschicht zugeführt wird, ferner mit einem Widerstand, der mit dem anderen Anschluß des P-N-Grenzschicht-Halbleiterelements verbunden ist, weiterhin mit zwischen den anderen Anschluß des Widerstandes und den anderen Eingangsanschluß geschalteten Schaltungselementen zur Zuführung einer Vorspannung zur P-N-Grenzschicht zwecks Einstellung eines Leitfähigkeits-Spannungspegels, sowie mit Schaltungsteilen zum Abnehmen eines Ausgangssignales vom Widerstand,' dadurch gekennzeichnet , daß ein Detektor vorgesehen ist, der eine an der P-N-Grenzschicht des Halbleiterelementes auftretende Spannung feststellt und in Abhängigkeit von dieser festgestellten Spannung die der P-N-Grenzschicht zugeführte Vorspannung steuert.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsteile zur Zuführung einer Vorspannung erste Schaltungselemente enthalten, die eine konstante Spannung erzeugen sowie zweite Schaltungselemente, die zusätzlich zu dieser konstanten Spannung eine veränderliche Spannung erzeugen, wobei diese zweiten Sehaltungsteile vom Detektor so gesteuert werden, daß die veränderliche Spannung proportional zur Spannung an der P-N-Grenzschicht ist.

   50 9824/067 6

   - li -
3. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltungsteile als variable Spannung eine Spannung erzeugen, die gleich der Spannung an der P-N-Grenzschicht ist.
4. ¹J. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mit P-N-Grenzschicht durch eine Diode gebildet wird, die zwischen den einen ■ Eingangsanschluß und das eine Ende des Widerstandes geschaltet ist.
5. 5· Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mit P-N-Grenzschicht durch einen Transistor gebildet wird, dessen Basis-Emitter-Grenzschicht zwischen den einen Eingangsanschluß und den einen Anschluß des Widerstandes geschaltet ist.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ' daß der Detektor durch einen Differentialverstärker i. gebildet wird, dessen Eingangsanschlüsse mit beiden

   '■ Enden des Halbleiterelementes mit P-N-Grenzschicht

   verbunden ist und dessen einer Ausgangsanschluß mit

   * den Schaltungselementen zur Zuführung einer Vorspannung

   verbunden ist. .

   7· Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente zur Zuführung einer Vorspannung einen ersten zusätzlichen Transistor enthalten, dessen Kollektor an eine Spannungsquelle angeschlossen ist und'dessen Emitter mit dem anderen Eingangsanschluß über einen ersten zusätzlichen Widerstand verbunden ist, daß ferner der Verbindungspunkt

   5 09824/0676

   zwischen Emitter und diesem ersten zusätzlichen Widerstand mit dem anderen Anschluß des genannten Widerstandes verbunden ist, und daß weiterhin ein zweiter zusätzlicher Transistor vorgesehen ist, dessen Kollektor an die Spannungsquelle angeschlossen ist, dessen Emitter mit der Basis des ersten zusätzlichen Transistors verbunden ist und dessen Basis an den Ausgang des
   Differentialverstärkers angeschlossen ist.

   5 09824/0676

   Jl .

   Leerseite