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Impulsverstärkereinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Impulsverstärkereinrichtung mit Lichtwandlereingang,
insbesondere zur Verwendung für eine impulsdauermodulierte Mehrkanalsystemeinrichtung
mit Zeitmultiplex-Signalübertragung mittels Licht-oder Infrarotstrahlung, zum Empfang
von aus elektrischen Nadelimpulsen abgeleiteten Lichtblitzen und deren Rückumsetzung
und Verstärkung mit zusätzlicher Nutz-Störsignaltrennung.
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Der Empfang von kurzen schnellen Licht- oder Infrarotimpulsen bei
Gegenwart von Störlicht mit konstanter oder niederfrequenter Amplitude, z.B. von
Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Tageslicht, bedarf besonderer Störunterdrückungsmaßnahmen.
Die Notwendigkeit einer sehr schnellen rauscharmen Impulsverarbeitung ist gegeben,
um die zeitliche Empfangsunschärfe der Impulsflanke gering zu halten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schnellen, rauscharmen
Impulsverstärker zu erstellen, bei dem bei Fehlen von Nutzsignalen sowohl niederfrequente
Störsignale als auch die damit verbundenen Rauschimpulse, die zu einer Fehlinformation
führen könnten, unterdrückbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von einer
oder mehreren Fotodioden als Lichtwandlereingang empfangenen Lichtblitze als elektrische
Signale an den Eingang einer als Strom-Spannungskonverter geschalteten Kaskode geführt
sind, deren Arbeitspunkteinstellung über eine mit einem Kondensator überbrückte
Konstantstromquelle
erfolgt, wobei eine Verstärkung schneller kurzer Impulse und eine Unterdrückung
niederfrequenter Störsignale erfolgt, daß der Kaskodeneingang zusätzlich über einen
Eingangswiderstand gegen Masse geschaltet ist, wobei der Einsatzpunkt für die Unterdrückung
der mit den niederfrequenten Signalen korrelierten Rauschimpulse durch eine Vorspannung
in der Kaskode festgelegt ist, daß der Strom-Spannungskonverter direkt oder über
einen Verstärker an einen Diskriminatortransistor angeschlossen ist, dessen Emitter
am Teilerpunkt eines zum einen über einen Widerstand gegen Bezugspotential und zum
anderen über einen weiteren Widerstand gegen eine feste oder steuerbare Spannung
geschalteten Spannungsteilers liegt, wobei zudem der Emitter über einen Endverstärker
den Ausgang der Impulsverstärkereinrichtung bildet, und daß der Kollektor an eine
Schaltung zur automatischen Rauschunterdrückung angeschlossen ist, wobei in einer
dem Ausgang des Impulsverstärkers nachgeschalteten Demodulationsstufe ausgangsseitig
bei ausreichendem Nutzsignalpegel eine Signalfreigabe erfolgt, und daß durch Bemessung
des Eingangswiderstandes und der Vorspannung in der Kaskode bei Fehlen eines eingangsseitigen
Nutzsignales die mit den niederfrequenten Störsignalen korrelierten Rauschimpulse
ab einem festzulegenden Störsignalpegel in der Kaskode unterdrückbar sind, bevor
die Schaltung zur automatischen Rauschunterdrückung die Rauschimpulse als unechte
Nutzsignale auswertet.
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Vorteilhaft ist hier, daß durch Verwendung der Konstantstromquelle
die dynamischen Eigenschaften der Kaskode bei Störlicht solcher Intensität, die
noch nicht die vorgesehene Sperre auslöst, praktisch nicht beeinflußt werden, wodurch
bei mäßigen Störlicht noch ein guter Empfang vorliegt, daß durch Wahl des die Konstantstromquelle
überbrückenden Kondensators die Grenzfre-
quenz der zu unterdrückenden
niederfrequenten Störsignale festgelegt ist, daß die niederfrequenten Störsignale
ab einer gewissen Größe die Kaskode mittels des Stromgenerators sperren, wobei das
mit den niederfrequenten Störsignalen gekoppelte Rauschen unterdrückt ist, daß der
Einsatzpunkt der Sperre in der Kaskode beliebig festlegbar ist, wobei eine nachgeschaltete
automatische Rauschunterdrückung durch die Rauschsignale allein nicht anspricht,
daß der Einsatzpunkt in der Sperre eine Optimierung hinsichtlich Störlichtverträglichkeit
und Rauschen zuläßt, wobei eine unterschiedliche Schwelle bei Übertragung digitaler
oder analoger Signale festzulegen ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß als
Strom-Spannungskonverter ein eingangsseitiger und ein ausgangsseitiger Transistor
über ihre Kollektor-Emitterstrecken in Serie geschaltet sind, wobei die Basis des
eingangsseitigen Transistors mit dem Kollektor des ausgangsseitigen Transistors
über einen Gegenkoppelwiderstand verbunden sind, und wobei zwischen der Basis des
eingangsseitigen Transistors und Speisespannung der Lichtwandler angeschlossen ist,
und wobei über den Emitter des eingangsseitigen Transistors die mit einem Kondensator
überbrückte Konstantstromquelle angeschlossen ist, und wobei der Kollektor des ausgangsseitigen
Transistors sowohl den Strom-Spannungskonverterausgang bildet als auch über einen
Kollektorwiderstand an Speise spannung liegt und daß die Basis des ausgangsseitigen
Transistors an die Vorspannung angeschlossen ist. Vorteilhaft ist hier, daß der
Strom-Spannungskonverter für kurze schnelle Impulse eine kleine reelle Eingangsimpedanz
darstellt, wodurch kurze Impulsanstiegszeiten erzielbar sind.
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Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß
als Schaltung zur automatischen Rausch-
unterdrückung ein gegen
Speisespannung geschalteter Ladekondensator dient, wobei der Diskriminatortransistor
als gepulster Stromgenerator dient, und wobei der Ladekondensator durch einen weiteren
Spannungsteiler aus zwei Widerständen überbrückt ist, dessen spannungsseitigem Widerstand
die Basis-Emitterstrecke eines Rauschabschalt-Transistors parallel geschaltet ist,
deren Schwellcharakteristik zur Festlegung des Einsatzpunktes der automatischen
Rauschunterdrückung vorgesehen ist, und daß der Kollektor des Rauschabschalt-Transistors
als Steuerausgang für die Signalfreigabe bei ausreichendem Nutzpegel dient. Vorteilhaft
ist hier, daß der Diskriminator-Transistor einerseits eine Unterscheidung der Impulse
nach der Höhe, andererseits für jene Impulse, die diese freiwählbare Schwelle überschreiten,
als gepulster Stromgenerator mit der RC-Kombination im Kollektorkreis eine Diskriminierung
nach der Impuls-Zeitfläche zuläBt, daß bei Übertragung von Licht- oder Infrarotimpulsen
konstanter Dauer durch den Diskriminator-Transistor eine Unterscheidung zwischen
Rausch- und Nutzsignal durch die Kombination dieser beider Auswahlkriterien auf
einfachste Weise ermöglicht ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist noch vorgesehen, daß
der Diskriminator-Transistor durch den angesdalossenen Spannungsteiler bei kleinen
Impulsamplituden gesperrt ist, daß bei Überschreitung der durch die feste oder steuerbare
Spannung einstellbaren Schwelle der Diskriminator-Transistor einerseits als Emitterfolgerstufe
zur Weitergabe der freigegebenen Impulse an den Endverstärker dient, andererseits
als gepulster Stromgenerator gemäß der Impulszeitfläche der durchgeschalteten Impulse
der Aufladung des Ladekondensators dient. Vorteilhaft ist hiere daß in einer Transistorstufe
drei E'unktionen einer elektronischen Verarbeitung
kombiniert sind
und eine Auffächerung zur weiteren Impulsverarbeitung und zur Schaltung zur automatischen
Rauschunterdrückung erfolgt.
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Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung ist noch vorgesehen,
daß als Schalter für die Signalfreigabe bei ausreichendem Nutzpegel ein Feldeffekttransistor
dient, dessen Steuerelektrode an den Ausgang der Schaltung zur automatischen Rauschunterdrückung
angeschlossen ist, und über dessen Schaltstrecke die niederfrequenten Signale von
einem Demodulationsstufenausgang geführt sind, wobei die Schaltstrecke durch einen
hochohmigen Widerstand überbrückt ist. Vorteilhaft ist hier, daß durch den hochohmigen
Widerstand bei gesperrtem Feldeffekttransistor ein niederfrequentes Signal kleiner
Amplitude zur Funktionskontrolle anliegt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Ersatzschaltbild für
den Lichtwandlereingang und Fig. 2 die Schaltung einer erfindungsgemäßen Impulsverstärkereinrichtung.
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Anhand von Fig. 1 wird der Lichtwandlereingang der Impulsverstärkereinrichtung
erklärt. Die Schnelligkeit einer Fotodiode als Lichtwandler wird neben den Ladungsträgerlaufzeiten
durch die Zeitkonstante RE, CG, wo RE die reelle Eingangsimpedanz und CG die Summe
von SperrschIchtkapazität der Fotodiode und Eingangskapazität des Empfängers darstellt,
festgelegt. Für eine schnelle Impulsverarbeitung eignet sich daher am besten ein
schneller Strom-Spannungskonverter, dessen Parallelgegenkopplung eine sehr kleine,
reelle Eingangsimpe-
danz realisieren läßt, wie die erfindungsgemäße
Lösung es vorsieht.
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Anhand von Fig. 2 wird die Schaltung einer erfindungsgemäßen Impulsverstärkereinrichtung
beschrieben und erläutert. In einer als Lichtwandler D dienenden Fotodiode werden
Lichtblitze aus einer impulsdauermodulierten Mehrkanalsystemeinrichtung mit Zeitmultiplex-Signalübertragung
empfangen. Der Lichtwandler D ist mit einem Anschluß an Speise spannung gelegt und
mit dem zweiten Anschluß zum einen über einen Eingangswiderstand R1 an Bezugspotential
und zum anderen an die Basis eines eingangsseitigen Transistors T2 einer Kaskode
geschaltet.
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Von Speise spannung aus über einen Kollektorwiderstand R3 ist die
Kollektor-Emitterstrecke eines ausgangsseitigen Transistors T1 der Kaskode über
die Kollektor-Emitterstrecke des eingangsseitigen Transistors T1 an eine durch einen
Kondensator Cl überbrückte Konstantstromquelle G angeschlossen, die mit ihrem zweiten
Anschluß an Bezugspotential liegt. Der Kollektor des ausgangsseitigen Transistors
T1, der im weiteren an einen Verstärker V angeschlossen ist, ist über einen Gegenkoppelwiderstand
R2 an die Basis des eingangsseitigen Transistors T2 geschaltet. Die Basis des ausgangsseitigen
Transistors T1 ist an eine Vorspannung Ul gelegt, durch die der Einsatzpunkt für
die Unterdrückung der mit niederfrequenten Signalen korrelierten Rauschimpulse festlegbar
ist. Der Ausgang des Verstärkers V ist an die Basis eines Diskriminator-Transistors
T3 geschaltet, dessen Emitter zum einen an den Teilerpunkt eines zwischen einer
festen oder steuerbaren Spannung U2 und Bezugspotential liegenden Spannungsteilers,
bestehend aus zwei Widerständen R5, R4, geschaltet ist, und zum anderen über einen
Endverstärker EV den Ausgang Al der Impuls-Verstärkereinrichtung bildet. Ein gegen
Speisespannung geschalteter und durch einen weiteren Spannungsteiler aus zwei Widerständen
R6, R7 überbrückter
Ladekondensator C2 ist an den Kollektor des
Diskriminator-Transistors T3 angeschlossen und bildet zusammen mit einem über seine
Basis an den Teilerpunkt des weiteren Spannungsteilers R6, R7 angeschlossenen Rauschabschalt-Transistor
T4 eine Schaltung zur automatischen Rauschunterdrückung SQ. Von Speisespannung aus
über die Emitterkollektorstrecke des Rauschabschalt-Transistors T4 wird der Ausgang
A2 der Schaltung zur automatischen Rauschunterdrückung gebildet über den (in der
Zeichnung nicht mehr dargestellt) die Freigabe der demodulierten Signale erfolgt,
wobei dieser Ausgang A2 an die Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors angeschlossen
ist und in einer an die Impulsverstärkereinrichtung angeschlossenen Demodulationsstufe
ausgangsseitig die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors liegt. Ein hochohmiger
Widerstand der diese Schaltstrecke überbrückt, läßt ein niederfrequentes Signal
durch, wodurch aus Betriebssicherheitsgründen erkennbar ist, daß die Anlage wohl
in Betrieb ist, jedoch eine gestörte Signalabgabe erfolgt.
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Im weiteren wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Impulsverstärkereinrichtung
beschrieben, wobei speziell ein Empfang von Infrarot-Impulsen angenommen ist. Die
Kaskode mit dem Gegenkoppelwiderstand R2 stellt einen Strom-Spannungskonverter dar,
dessen reelle Eingangsimpedanz RE (in Fig. 1) dynamisch so verringert wird, daß
der Eingangswiderstand R1 keinen Nebenschluß bildet. Für die Dauer der Infrarot-Impulse
(z.B. i 1/usec) wird die Konstantstromquelle G durch den überbrückenden Kondensator
Cl kurzgeschlossen und ist damit wirkungslos. Bei niederfrequenten Infrarot-Signalen
(Störlicht) ist die Konstants-tromquelle G voll wirksam und ihre hohe Ausgangsimpedanz
bewirkt eine derart starke Stromgegenkopplung der Kaskode, daß kein niederfrequentes
Störsignal am Ausgang der Kaskode auftritt. Jeder Foto-
diodenstrom
ist mit einem Rauschstrom gekoppelt, dessen Größe direkt vom Diodenstrom abhängt.
Wenn nun ein niederfrequentes Störlicht (Sonne, Glühlampe) einen Fotodiodenstrom
erzeugt, so ist damit ein Rauschstrom korreliert, dessen hochfrequente Anteile als
Spannungsimpulse sehr wohl am Ausgang der Kaskode auftreten und bei genügend starker
Störlichtintensität die nachgeschaltete Schaltung zur automatischen Rauschunterdrückung
SQ bei Abwesenheit eines Nutzsignales zum Ansprechen bringen, so daß Fehlinformationen
von der Impulsverstärkereinrichtung abgegeben werden. Dies verhindert ein Sperrmechanismus,
bestehend aus der Kaskode und der Konstantstromquelle G. Da bei niederfrequenten
Eingangssignalen die Konstantstromquelle G voll wirksam ist, ist der Eingang der
Kaskode hochohmig, da der Gegenkoppelwiderstand R2 nicht dynamisch reduziert wird.
Daher baut sich das niederfrequente Signal als Spannungsabfall am Eingangswiderstand
R1 auf und hebt die Basis des eingangsseitigen Transistors T2 der Kaskode an. Da
der Emitter des eingangsseitigen Transistors T2 der Kaskode nachfolgt, verringert
sich die Kollektorspannung des eingangsseitigen Transistors T2 der Kaskode bei genügend
starker Störlichtintensität soweit, daß der Verstärkungsmechanismus des eingangsseitigen
Transistors T2 der Kaskode zusammenbricht und kein Rauschsignal am Ausgang des Kaskode
auftreten kann. Der Einsatzpunkt dieses Sperrmechanismuses wird durch die Vorspannung
U1 des ausgangsseitigen Transistors T1 der Kaskode festgelegt, und zwar so, daß
die nachgeschaltete Schaltung zur automatischen Rauschunterdrückung SQ durch die
vom Störlicht herrührenden Rauschimpulse nicht zum Ansprechen gebracht wird. Ein
weiterer Vorteil der Konstantstromquelle G besteht darin, daß bei Störlichteinfall
unterhalb der Einsatzschwelle des Sperrmechanismuses zwar die Basisspannung des
eingangsseitigen Transistors T2 der Kaskode angehoben wird, aber der
Kollektorstrom
der Kaskode unverändert bleibt und damit praktisch auch die dynamischen Eigenschaften.
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Über den Verstärker V gelangen die Impulse an den Diskriminator-Transistor
T3, dessen Emitterkreis eine Impulstrennung bewirkt und dessen Kollektor an die
Schaltung zur automatischen Rauschunterdrückung SQ angeschlossen ist. Durch die
feste oder steuerbare Spannung U2, die als dynamische Schwelle ausgebildet sein
kann, wird nach der Impulshöhe diskriminiert, d.h. nur Impulse ab einer gewissen
Höhe gelangen in den Endverstärker EV. Der Kollektor des Diskriminator-Transistors
T3 wirkt als gepulste Stromquelle, die den Ladekondensator C2 je nach Höhe und Form
der anstehenden Impulse auflädt. Neben der Impulshöhe bildet damit die Impuls-Zeitfläche
ein weiteres Kriterium, so daß bei Infrarot-Impulsen konstanter Dauer eine Unterscheidung
zwischen Nutzsignal und Rauschen möglich ist. Die Spannung am Ladekondensator C2
ist daher das Maß dafür, ob Nutzsignale genügender Stärke zur Verfügung stehen.
Ist dies der Fall, wird der Rauschabschalt-Transistor T4 aufgesteuert, und im weiteren
über einen nicht gezeichneten Schalter der Weg des demodulierten Signales freigegeben.
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Die erfindungsgemäße Impulsverstärkereinrichtung erzielt in vorteilhafter
Weise, daß bei durch Fremdlicht hervorgerufenem Rauschen alleine kein Nutzsignal
vorgetäuscht wird, daß erst ab einer gewissen Nutzsignalintensität die automatische
Rauschunterdrückung ein Nutzsignal freigibt, daß bei mäßigem Störlichteinfall die
Nutzsignalfreigabe nicht beeinflußt wird und die Empfangsqualität nur unwesentlich
verschlechtert wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß durch mehrere Fotodioden
als Lichtwandler die Betriebssicherheit und die Empfindlichkeit erhöht wird.
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5 Patentansprüche 2 Figuren