DE3100297A1

DE3100297A1 - "amplitudenbegrenzerschaltung"

Info

Publication number: DE3100297A1
Application number: DE19813100297
Authority: DE
Inventors: Yasumori Kadaira Tokyo Ishijima; Rikichi Kamagaya Chiba Murooka
Original assignee: Sony Tektronix Corp
Current assignee: Tektronix Japan Ltd
Priority date: 1980-01-09
Filing date: 1981-01-08
Publication date: 1981-12-24
Also published as: US4382198A; DE3100297C2; FR2473728B1; GB2067042A; GB2067042B; JPS6318363B2; FR2473728A1; CA1167115A; JPS5698012A

Description

S/T 81G TER MEER - MÜLLER · STEINMEiSTER

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Amplitudenbegrenzerschaltung, mit der sich das Ausgangssignal eines elektronischen Geräts oder einer elektronischen Baugruppe begrenzen oder innerhalb eines vorgebbaren Bereichs halten läßt, so daß sich die Schaltung je nach Anwendungsbereich auch als Amplituden-Aufteilschaltung bezeichnen ließe.

Die Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel einer bekannten Amplituden-

-JQ begrenzerschaltung. Bestimmte Spannungsgrenzwerte, z.B. +V₁ und -Vw werden jeweils einer Klemme von zwei in Reihe geschalteten Dioden 10 bzw. 12 zugeführt. Wenn die Eingangsspannung Vi (beispielsweise eine Dreieckspannung wie die Fig. 2A zeigt) von einer nicht gezeigten Signalquelle aus einer Eingangsklemme 2 zugeführt wird und innerhalb des Amplitudenbegrenzungsbereichs liegt, das heißt wenn gilt -V~< Vi <+V., bleiben die Dioden und 12 gesperrt, so daß das Eingangssignal über einen Widerstand 14 auf eine Ausgangsklemme 6 gelangt. Die Diode 10 allein wird durch- oder EIN-geschaltet, das heißt,sie klemmt die Ausgangs spannung auf den oberen vorgegebenen Grenzwert der Spannung V., wenn +V₁ < Vi gilt, und andererseits ist Diode 12 allein durch-, das heißt EIN-geschaltet und klemmt die Ausgangsschaltung auf den Wert -V₂, wenn Vi< -V₂ gilt (vgl. Fig. 2B).

Beim EIN- oder Durchschalten einer der Dioden 10 oder fließt jedoch ein Strom (I_n in Fig. 2C) über den Widerstand 14 in die Signalquelle und kann dort unerwünschte Effekte auslösen, beispielsweise eine Verzerrung des Verlaufs eines Nutzsignals. Werden die Streukapazitäten der Dioden 10 und 12 und der Wert des Widerstands 14

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mit Cd bzw. R bezeichnet, so errechnet sich die Zeitkonstante ^ der Schaltung von Fig. 1 zu

t = 2R Cd.

Wird zusätzlich die Lastkapazität C_L zwischen der Ausgangsklemme 6 und Masse berücksichtigt, so ergibt sich für die Zeitkonstante

X = R (2Cd + C_L).

Es liegt nahe, den Strom I₀ durch Vergrößerung des Werts des Widerstands R zu vermindern und damit auch die Belastung der Signalquelle. Dies jedoch führt zu einer Erhöhung der Zeitkonstante, so daß der Frequenzgang oder das Ansprechverhalten verschlechtert wird. Wird umgekehrt versucht, das Frequenzansprechverhalten durch Verwendung von kleinen Widerstandswerten für R zu verbessern, so steigt damit die Belastung der Signalquelle an.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Amplitudenbegrenzerschaltung anzugeben, welche eine vorgeschaltete Signalquelle nur minimal belastet und gleichzeitig ein ausgezeichnetes Frequenzansprechverhalten zeigt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer bekannten, bereits erläuterten .Amplitudenbegrenzerschaltung;
Fig. 2 Spannungs- und Stromverläufe zur Erläuterung

der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1; Fig. 3, 4 und 5 drei jeweils unterschiedlich gestaltete Ausführungsbeispiele der Erfindung und Fig. 6 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 5.

Die Fig. 3 zeigt in etwas vereinfachter Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, an dem gleichzeitig auch das Prinzip der Erfindung näher erläutert wird.
Schalterelemente 22 bzw. 24 dienen als Spannungshalteschaltungen oder Spannungswertklemmschaltungen, wobei an einer Klemme von jedem der Schalterelemente eine im Prinzip willkürlich vorgebbare Spannung +V bzw. -V-anliegt. Die Eingangssignalspannung Vi von einer nicht gezeigten Signalquelle wird von einer Eingangsquelle 2 aus einem Schalterelement 20, dem nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 26 sowie dem invertierenden Eingang eines Komparators 28 zugeführt. Die jeweils anderen Eingänge der Komparatoren 26 bzw. 28 sind, wie die Fig. 3 erkennen läßt, durch die vorgebbaren Spannungswerte +V₁ bzw. -V₂ beaufschlagt. Es sei erwähnt, daß die Eingangsimpedanzen der Komparatoren 26 bzw. 28 hoch genug liegen, um einen Einfluß auf die Signalquelle vernachlässigen zu können. *

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O /«τι

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Wird angenommen, daß die Eingangssignalspannung Vi größer ist als -V₀, jedoch kleiner als +V₁ (d.h. -V₀C Vi <+V₁), so stehen die Ausgänge der beiden Komparatoren 26 und auf "0". Der Schalter 20 bleibt geschlossen. Die Schalterelemente 22 und 24, die jeweils durch die Komparatoren 26 und 28 gesteuert werden, sind in offenem Zustand, soweit der jeweils zugeordnete Komparator im Zustand "O" steht; sie sind jedoch geschlossen, wenn die zugeordnete Komparator auf den Zustand "1" umschaltet.

Gilt der Fall Vi > +V., so wird der Ausgang des Komparators 26 zu "1", so daß die Schalterelemente 20 bzw. 22 AUS- bzw. EIN-schalten, während das Schalterelement im Zustand AUS verbleibt. Die Ausgangsklemme 6 wird damit von der Eingangsklemme 2 getrennt. Die Spannung an der Ausgangsklemme 6 bleibt jedoch durch das Schalterelement 22 auf den Spannungswert +V₁ geklemmt. Für den Fall, daß ViC -V- gilt, schaltet der Komparator 28 ausgangsseitig auf "1", so daß die Schalterelemente 20 bzw. 24 in den Zustand AUS bzw. EIN gelangen, während das Schalterelement 22 im Zustand AUS verbleibt. Wiederum wird die Ausgangsklemme 6 von der Eingangsklemme 2 getrennt; sie wird jedoch über das Schalterelement 24 auf dem Spannungspegel -V» gehalten. Die Komparatoren 26 und 28 bilden zusammen mit einem ODER-Glied 30 die Steuerschaltung.

Wie sich aus dieser Beschreibung ersehen läßt, wird zur Amplitudenbegrenzung die Ausgangsklemme wirksam von der Eingangsklerame und damit von der Signalquelle getrennt, während ein gewünschter Spannungswert auf die Ausgangsklemme geschaltet wird, wobei unerwünschte Effekte auf die Signalquelle verhindert werden, wie sie beim oben erläuterten Stand der Technik zu be-

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obachten sind. Die Zeitkonstante "C der Schaltungsanordnung ist sehr klein, so daß sich eine breitbandige Amplitudenbegrenzerschaltung verwirklichen läßt, wenn sehr schnelle Schalter, beispielsweise Diodenbrücken

c oder dergleichen für die Schalterelemente 20, 22 und 24 verwendet werden. Obgleich bei der Schaltung nach Fig. das Ausgangssignal sowohl auf einen oberen als auch auf einen unteren Amplitudenwert begrenzt werden kann, ist es selbstverständlich, daß je nach Anwendungsart auch

..Q nur eine Begrenzung auf einen Spannungswert vorgesehen werden kann. Dies gilt entsprechend für die Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5.

Die Fig. 4 verdeutlicht das Schaltbild einer zweiten

.j5 Ausführungsform der Erfindung. Die vorgebbaren Spannungswerte +V₁ und -V₂ werden an die Basen von Transistoren (nachfolgend nur als TR bezeichnet) 60 und 62 angelegt; die Spannungswerte sind bestimmt durch zwei Spannungsquellen V _ und -V_FF sowie die Werte von Widerständen 66,

2Q 68 und 70. Es sei erwähnt, daß die Spannungsabfälle über Dioden 48 bzw. 50 durch die Basis-Emitterspannungen von TR 60 und 62 kompensiert werden.TR 40 und 54, Teilerwiderstände 32 bis 36 und Widerstände 38 und 56 bilden gemeinsam ein Stromquellenpaar. Liegt die Eingangssignalspannung Vi innerhalb des Bereichs zwischen oberer und unterer Begrenzungsamplitude, das heißt gilt -V₂ < Vi < +V.. , so fließt der Strom von der Stromquelle TR 40 durch die aus schnell schaltenden Dioden 44 bis 50 aufgebaute Diodenbrücke als Schalteranordnung 51 sowie durch die

₃Q andere Stromquelle TR 54 und den Widerstand 56. Die Schalteranordnung 51 ist also EIN-geschaltet und TR 60 und 62 sind beide gesperrt, das heißt stehen im Zustand AUS. Da die Eingangsklemme 2 über die Schalteranordnung mit der Ausgangsklemme 6 verbunden ist, erscheint die

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Eingangssignalspannung Vi direkt auf der Ausgangsklemme 6. Die durch die Widerstände 38 und 56 fließenden Ströme sind durch Wahl der Widerstände gleich.

überschreitet die Eingangssignalspannung Vi den vorgebbaren Spannungswert +V₁, so schaltet TR 60 ein und sperrt damit die Diode 44 (vgl. Fig. 4). Der Emitterstrom des Transistors 40 wird damit über die Reihenschaltung von TR 60 und Widerstand 56 aufgespalten bzw. umgeleitet. Diese Stromaufteilung verursacht eine geringfügige Potentialerhöhung am Verbindungspunkt des Widerstands 56 mit dem Emitter von TR 54, so daß letzterer Transistor endgültig gesperrt wird. Damit werden auch die Dioden 46 und 48 gesperrt und trennen die Ausgangsklemme 6 von der Eingangsklemme 2; sie legen gleichzeitig den vorgegebenen Spannungswert +V₁ über die Diode 50 an die Ausgangsklemme 6.

Die Schaltung arbeitet für den Fall Vi < -V₂ ähnlich. In diesem Fall jedoch ist die Diode 46 gesperrt und TR ist EIN-geschaltet. Die Durchschaltung des TR 62 führt zur Sperrung von TR 40 und der Dioden 44 und 50. Das heißt, die Eingangs- und Ausgangsklemme werden voneinander getrennt und der vorgegebene Spannungswert -V_ erscheint über die Diode 48 auf der Ausgangsklemme 6. Bei dieser Ausführungsform bilden die Stromquelle TR und 54, die Dioden 4 4 und 46, TR 60 und 62 sowie die zugeordneten Schaltkreiselemente die Steuerschaltung. Die Dioden 48 und 50 dienen zur Spannungshaltung, also als Spannungsklemmschaltung.

Die Fig. 5 zeigt das Schaltbild der dritten Ausführungsform der Erfindung. Die aus Fig. 4 bereits bekannten Bauteile sind mit den gleichen Bezugshinweisen gekenn-

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zeichnet. Ersichtlicherweise sind die Schaltungen nach Fig. 4 und 5 ähnlich, jedoch mit dem Unterschied, daß bei Fig.5 zusätzliche Temperaturkompensationsdioden 80, 82, 90 und 92 sowie ein variabler Widerstand 84 und Dioden 42, 52/ 86 und 88 vorgesehen sind. Der variable Widerstand 84 dient zur Einstellung vollkommen gleicher Ströme durch TR 40 und 54. Die Temperaturkompensationsdioden 80, 82, 90 und 92 kompensieren die Drift bei verschiedenen Temperaturen aufgrund der möglicherweise unterschiedlich abweichenden Basis-Emitter-Spannungen bei den Transistoren TR 40, 54, 60 bzw. 62. Ist mit der Ausgangsklemme 6 eine eine Spannungsquelle enthaltende Last verbunden (vgl. Fig. 6A), so kann der Fall eintreten, daß auf der Klemme 6 ein Potential V entsteht, wenn die Schalteranordnung 51 gesperrt wird. Die Dioden 84 und 50 sind gesperrt, solange -V»<V < +V. gilt; jetzt jedoch bilden die Dioden 86 und 88 die Spannungshalteschaltung, so daß die Klemmenspannung (V ) entweder auf +V₁ oder -V„ gehalten wird. Dioden 42 bzw. 52 dienen dazu, den nicht leitenden Zustand (Sperrzustand) der Schalteranordnung 51 sicherzustellen. Die Dioden 42, 52, 86 und 88 können jedoch eingespart werden, wenn eine Last vorliegt, wie sie beispielsweise die Fig. 6B zeigt. Die übrigen Schaltungsgruppen arbeiten in entsprechender Weise wie bei der zweiten in Verbindung mit Fig. 4 erläuterten Ausführungsform.

Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich sein dürfte, unterbricht die erfindungsgemäße Amplitudenbegrenzerschaltung die Verbindung zwischen der Ausgangsklemme und der Eingangsklemme und schaltet einen vorgebbaren Spannungspegel,welcher der Begrenzerspannung entspricht auf die Ausgangsklemme, wenn die Eingangssignalspannung den Wert der Amplitudenbegrenzerspannung erreicht.

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Unerwünschte Effekte auf die Signalquelle, wie sie bei bekannten Amplitudenbegrenzerschaltungen zu beobachten sind, zeigen sich bei der erfindungsgemäßen Schaltung nicht. Die erfindungsgemäße Amplitudenbegrenzerschaltung ist außerdem für einen sehr weiten Frequenzbereich einsetzbar, da sie sich durch eine sehr kurze Zeitkonstante oder sehr kurze Ansprechzeit auszeichnet, insbesondere wenn sehr schnelle Schalterelemente ,etwa eine Diodenbrücke aus extrem schnell schaltenden Dioden verwendet wird.

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Claims

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PATENTANWÄLTE

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europaischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalres agrees pres !'Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dip! -Ing. H. Steinmeister Dipl.-lng. F. E. Müller «sinker««,!! ν

Triftstrasse 4. Siekerwall 7.

D-8O0O München 22 d-4soo Bielefeld 1

Case: S/T 81G

Mü/hm 8. Januar 1981

SONY/TEKTRONIX CORPORATION 9—31_# Kitashinagawa-5, Shinagawa-ku, Tokyo / Japan

Amplitudenbegrenzerschaltung

Priorität: 9. Januar 1980 - Japan - Ser.No. 513/80

PATENTANSPRÜCHE

Λ L Amplitudenbegrenzerschaltung, gekennzeichnet durch

- eine zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsklemme liegende Schalteranordnung (20-24; 51),

- eine Steuerschaltung (26,28,30; 40,54,60,62 und 44,46 oder 48,50), welche die Schalteranordnung leitend geschaltet (geschlossen) hält, wenn die Eingangsspannung (Vi) an der Eingangsklemme (2) unterhalb eines vorgebbaren Pegels (V₁; -V„) bleibt, jedoch nicht leitend schaltet (öffnet), sobald die Eingangsspannung den Vorgabepegel überschreitet, und

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- eine auf das Eingangssignal ansprechende Spannungs-Haiteschaltung (Spannungswert-Klemmschaltung)(44,46 oder 48,50; 86,88), welche die Spannung an der Ausgangsklemme (6) auf dem Vorgabepegel hält, wenn die Schalteranordnung geöffnet ist.
2. Amplitudenbegrenzerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Komparator (26, 28) enthält, welcher die Eingangsspannung (Vi) gegen den Vorgabepegel (V₁; -V„) vergleicht.
3. Amplitudenbegrenzerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Halteschaltung einen Schalter (z.B. 48) aufweist, über welchen der Vorgabepegel an die Ausgangsklemme anlegbar ist.
4. Amplitudenbegrenzerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung und der Schalter der Spannungshalteschaltung durch eine Dioden-Brückenschaltung (51) gebildet sind.
5. Amplitudenbegrenzerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerschaltung prüft, ob die Eingangsspannung inner- oder außerhalb eines durch zwei vorgebbare Spannungspegel (V₁; "V₂) definierten Bereichs liegt und zur Steuerung der Steueranordnung und der Spannungs-Halteschaltung entsprechend dem jeweils ermittelten Ausgangssignal dient.

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6. Amplitudenbegrenzerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet/ daß die Spannungshalteschaltung zwei Schalter aufweist, über die entweder der eine oder der andere der vorgebbaren Pegel auf die Ausgangsklenune schaltbar ist.
7. Amplitudenbegrenzerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- eine zwischen die Eingangs- und die Ausgangsklenune geschaltete Dioden-Brückenschaltung mit zwei Steueranschlüssen;

- eine mit der einen Steuerklemme der Diodendrücke verbundene Stromquelle und eine mit der anderen Steuerklemme der Diodenbrücke verbundene Stromsenke, und

- einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Emitter mit der einen bzw. der anderen Steuerklemme verbunden sind, deren Basen auf den ersten bzw. zweiten vorgebbaren Spannungspegel geschaltet sind und deren Kollektoren überkreuz mit der Stromsenke einerseits bzw. der Stromquelle andererseits verbunden sind.
8. Amplitudenbegrenzerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle bzw. die Stromsenke einander mit einem gleichen Strom speisen.
9. Amplitudenbegrenzerschaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Diode, die zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der Ausgangsklenune bzw. zwischen dem Emitter des zweiten Transistors und der Ausgangsklemme angeschlossen sind.

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10. Amplitudenbegrenzerschaltung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine dritte und eine vierte Diode, die in Reihe zwischen den Emittern des ersten und zweiten Transistors geschaltet sind.

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