DE3106477C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spitzendetektor, der einen ersten Kondensator als Speicherelement, eine mit diesem Konden­ sator gekoppelte Ladeschaltung und eine Spannungsvergleichsschaltung enthält, die die Eingangsspannung des Spitzendetektors mit der Spannung über dem ersten Kondensator vergleicht und die Ladung dieses Konden­ sators im ausgleichenden Sinne regelt, wenn die Kondensatorspannung dem zu messenden Spitzenwert der Eingangsspannung nicht proportional ist.

Ein derartiger Spitzendetektor ist aus dem Aufsatz von J. Hawke in der Zeitschrift "Electronic Engineering", Band 49, Mitte Oktober 1977, Seite 23, mit dem Titel "Low offset peak detektor circuit uses transistors" bekannt.

In diesem Aufsatz wird das Problem der Offsetspannung an­ gegeben, die bei Spitzendetektoren auftritt, die mit einer Diode bestückt sind. Dadurch, daß die Diode in einen Rückkopplungskreis eines Operationsverstärkers aufgenommen wird, kann dieses Problem größtenteils gelöst werden. Dabei ist es nachteilig, daß der Ver­ stärker eine beschränkte Bandbreite aufweist, so daß Hochfrequenz­ signale außerhalb des Bandes nicht genau gemessen werden können.

In dem genannten Aufsatz wird eine Schaltung mit Transis­ toren vorgeschlagen, die eine geringe Anzahl Einzelteile enthält und dennoch einen hohen Verstärkungsfaktor aufweist, wodurch die Band­ breite zunimmt. Der obengenannte Operationsverstärker ist durch einen Differenzverstärker ersetzt, der aus zwei als emittergekoppeltes Paar geschalteten Transistoren mit einem Stromspiegel in den Kollektoren besteht. Diese Spannungsvergleichsschaltung vergleicht die angebotene Eingangsspannung mit der Spannung über einen Kondensator, der als Speicherelement dient. Wenn die letztere Spannung nicht gleich dem Spitzenwert der Eingangsspannung ist, regelt eine Ladeschaltung die Ladung des Kondensators. Die Ladeschaltung enthält einen Entlade­ widerstand und eine Stromquellenschaltung, die mit einem der Kollek­ toren der Verstärkertransistoren verbunden ist.

Sowohl der Spitzendetektor mit Operationsverstärker als auch der oben beschriebene Spitzendetektor führen Hochfrequenzströme durch die ganze Schaltung bis zu dem Speicherkondensator, jeweils wenn die Hochfrequenzeingangsspannung nahezu ihren Spitzenwert erreicht. Jedes verstärkende Element in der Schaltung beschränkt jedoch durch seine eigene abfallende Frequenzkennlinie die Gesamtfrequenzkennlinie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, als Spannungsvergleichsschaltung einen einzigen Transistor zu verwenden, der damit das einzige hochfrequente verstärkende Element im Spitzendetektor sein soll.

Ein Spitzendetektor vom eingangs genannten Typ ist zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsvergleichsschaltung ein Transistor ist, dessen Basis-Emitterstrecke mit einer ersten Eingangs­ klemme des Spitzendetektors und über den ersten Kondensator mit der zweiten an Masse angeschlossenen Eingangsklemme verbunden ist und dessen Kollektor über einen zweiten Kondensator mit der zweiten Ein­ gangsklemme verbunden ist, und daß die Ladeschaltung eine Verstärker­ schaltung enthält, die mit einem hochohmigen Eingang, der mit dem Kollektor und mit einer einen von der Eingangsgröße unabhängigen Strom laufenden Stromquellenschaltung verbunden ist, und mit einem Ausgang versehen ist, der mit dem Ausgang des Spitzendetektors und mit der mit dem ersten Kondensator verbundenen Elektrode des Tran­ sistors verbunden ist.

Der Vorteil eines derartigen Spitzendetektors ist der, daß eine sehr große Bandbreite erhalten wird, deren sogenannte 3-dB-Punkte leicht auf eine Frequenz von einigen Hz, die durch die Stromquellenschaltung und den zweiten Kondensator bestimmt wird, und auf eine Frequenz eingestellt werden können, die in der Größenordnung der sogenannten Transitfrequenz fr liegt. Dies ist die Frequenz, bei der der Stromverstärkungsfaktor h _fe des Transistors gleich 1 geworden ist.

Dieser hochfrequente 3-dB-Punkt wird durch das Hoch­ frequenz-Ersatzschaltbild des Transistors, wobei vor allem der Basis­ reihenwiderstand r _bb von Bedeutung ist, und weiter durch die Qualität der Kondensatoren, die Anordnung (Layout) der Einzelteile und die Amplitude des Eingangssignals bestimmt.

Die Hochfrequenzströme, die oben bereits erwähnt wurden, fließen bei diesem Spitzendetektor nur durch den Eingangskreis, den Transistor und die zwei Kondensatoren. Die Verstärkerschaltung ist zu träge, um anzusprechen. Die letztere Schaltung und die Stromquellen­ schaltung bewirken aber die Gleichstromeinstellung des Detektors und damit der Gleichspannungen an den zwei Kondensatoren, also des Maßes für den zu messenden Spitzenwert. Für sehr niedrige Frequenzen und für Gleichspannung bildet die ganze Schaltung ein selbsteinstellendes rück­ gekoppeltes System.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausführung einer gemeinsamen Basisschaltung mit npn-Transistor,

Fig. 3 eine Ausführung einer gemeinsamen Emitterschaltung mit npn-Transistor und

Fig. 4 eine Ausführung einer gemeinsamen Emitterschaltung mit pnp-Transistor und Integrator.

In Fig. 1 ist im Blockschaltbild der Spitzendetektor dar­ gestellt. Der Teil A stellt den Teil dar, in dem bei Hochfrequenzein­ gangssignalen die Hochfrequenzströme fließen, während der Teil B den niederfrequenten und gleichspannungsgegenkoppelnden Teil nach der Er­ findung darstellt.

Das Signal, dessen positiver oder negativer Spitzenwert gemessen werden muß, wird der ersten Eingangsklemme 1 und der zweiten Eingangsklemme 2, die zugleich mit der Masse der Schaltung verbunden ist, zugeführt. Die Klemme 1 ist mit der einen Elektrode 3 und die Klemme 2 über den ersten Kondensator 4 mit der anderen Elektrode 5 der Basis- und Emitter-Elektroden eines Transistors 6 verbunden, der mit seinem Kollektor über den zweiten Kondensator 8 wieder an die Klemme 2 angeschlossen ist.

Eine Stromquellenschaltung 9 liefert einen Strom entweder an den Transistor 6 oder an den Kondensator 8. Bei gesperrtem Transis­ tor wird der Kondensator 8 aufgeladen und die Spannung über dem Konden­ sator nimmt zu. Diese Spannung wird mit einer durch einen Block dar­ gestellten Verstärkerschaltung 10 mit einem hochohmigen Eingang 11 ge­ messen. Der Bezugseingang 12 ist mit der Masse 13 verbunden.

Der Ausgang 14 ist die Ausgangsklemme 15 des Spitzendetektors. Er ist zugleich mittels einer Verbindung 16 mit der Elektrode 5 und dem Kondensator 4 verbunden. Die andere Ausgangsklemme 17 des Spitzen­ detektors ist mit der Masse 13 verbunden.

Die Wirkung der Schaltung ist derart, daß bei gesperrtem Transistor 6 die Basis-Emitterdiode zwischen den Punkten 3 und 5 nach einiger Zeit stromdurchlässig wird. Zu diesem Zeitpunkt kann der Tran­ sistor Kollektorstrom führen. Es ist einleuchtend, daß der Transistor 6 vom pnp-Typ ist, wenn die Stromquellenschaltung Strom gemäß dem Pfeil 18 führt und daß der Transistor vom npn-Typ ist, wenn der Strom gemäß dem Pfeil 19 fließt.

Beispielsweise läßt sich folgendes sagen: Der Transistor 6 ist vom pnp-Typ, der Strom fließt gemäß dem Pfeil 18. Bei ge­ sperrtem Transistor lädt sich der Kondensator 8 negativ auf. Weiter sei angenommen, daß das positive Signal detektiert werden muß. Die Basis-Emitterdiode muß dann bei positiven Spitzenwerten des Eingangs­ signals leitend werden. Dann wird der Punkt 3 der Emitter und der Punkt 5 die Basis sein, während bei gesperrtem Transistor die Spannung über dem Kondensator 4 abnehmen muß. Die Verstärkerschaltung 10 soll also einen positiven Verstärkungsfaktor aufweisen. Die anderen drei mög­ lichen Fälle werden in den Fig. 2, 3 und 4 beschrieben.

In Fig. 2 ist ein Detektor für negative Spitzenwerte mit einem npn-Transistor 6 in gemeinsamer Basisschaltung dargestellt. Die Stromquellenschaltung 9 mit gemäß dem Pfeil 19 fließenden Strom ist gestrichelt dargestellt, weil sich herausstellt, daß statt dieser Schaltung der Einstellstrom der ersten Stufe der Verstärkerschaltung verwendet werden kann; der Eingang 11 liefert also diesen Strom. Der Wert dieses Stroms für den Typ LM 324 ist z. B. 50 nA. Die Verstärker­ schaltung 10 enthält den Differenzverstärker 20 mit hochohmigen nicht­ invertierendem Eingang 11 und dem Eingang 12, der mit dem Knotenpunkt 21 eines Spannungsteilers 22, 23 verbunden ist, der zwischen dem Aus­ gang 14 des Verstärkers 20 und einer zweiten Bezugsspannung +E ange­ ordnet ist. Diese Bezugsspannung sorgt dafür, daß die Kollektor­ spannung des Transistors 6 stets größer als die Basisspannung ist, während das Teilverhältnis des Widerstandes 23 und des Widerstandes 22 den Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung bestimmt. Die Ver­ bindung 16 zwischen dem Ausgang 14 und der Basis 5 besteht aus einem ersten Widerstand 24, der zwischen der Basis 5 und dem Abgriff 25 eines einstellbaren Spannungsteilers 26 angeordnet ist, der zu einer Diode 27 parallelgeschaltet ist. Diese Parallelschaltung wird von dem Spannungs­ teiler 22, 23 aus der Spannungsquelle +E gespeist, die positiv gegen­ über dem Ausgang 14 ist. Die Einstellung am Abgriff 25 ist derart, daß die Basis-Emitterspannung zwischen den Punkten 5 und 3 beim Erreichen des zu detektierenden Spitzenwertes nahezu gleich der Spannung zwischen den Punkten 25 und 14 ist und bei Temperaturänderungen dieser Spannung gleich bleibt.

Die Wirkungsweise des Spitzendetektors ist wie folgt: Bei gesperrtem Transistor 6 lädt sich der Kondensator 8 positiv mit dem Strom der Quelle 9 gemäß der Pfeilrichtung 19 auf. Dadurch steigt die Spannung am Ausgang 14 der Verstärkerschaltung 10 ebenfalls an, und der Kondensator 4 wird auf dieselbe Spannung aufgeladen. Sobald diese Spannung nahezu gleich dem negativen Wert des Eingangssignals 28 am Eingang 1-2 wird, wird der Transistor 6 leitend, wobei der Strom der Quelle 9 und ein Entladestrom des Kondensators 8 den Kollektorstrom bilden werden. Wenn der Mittelwert der zugeführten Ladung bei gesperrtem Transistor gleich dem Mittelwert der abgeführten Ladung bei leitendem Transistor ist, ist ein Gleichgewichtszustand erreicht. Die Welligkeits­ spannung am Kondensator 8 wird durch den Wert dieser Wechselladung und den Kapazitätswert bestimmt. Bei abnehmenden Frequenzen des Eingangs­ signals wird diese Welligkeitsspannung immer größer infolge der langen Zeit, während deren der Kondensator 8 von der Stromquelle 9 zwischen zwei Spitzenwerten aufgeladen wird. Diese Welligkeitsspannung ist auch am Aus­ gang 15 vorhanden und bestimmt damit die Genauigkeit der Spitzenwert­ messung bei niedrigen Frequenzen. Bei hohen Frequenzen wird die Wellig­ keitsspannung am Kondensator 8 nicht weitergeleitet, sondern bestimmt der Mittelwert der Kondensatorspannung die Einstellung der Verstärkerschal­ tung 10. Wenn die Welligkeit am Kondensator 8 größer wird, nimmt die Genauigkeit des Spitzendetektors ab.

In Fig. 3 werden mit einem npn-Transistor in gemeinsamer Emitterschaltung positiv gerichtete Maximalwerte des Eingangssignals gemessen. Die Verstärkerschaltung 10 enthält einen Pufferverstärker 20, dessen einer Eingang 11 hochohmig ist und mit dem Kondensator 8 und dem Kollektor 7 verbunden ist. Ein nachgeschalteter Verstärker 29 ist als Umkehrverstärker geschaltet. Dazu ist der nichtinvertierende Eingang 12 mit dem Knotenpunkt 21 eines Spannungsteilers 22-23 verbunden, der zwischen der Masseleitung 13 und einer Quelle +E angeordnet ist. Der invertierende Eingang 30 ist über einen Widerstand 31 mit dem Ausgang des Verstärkers 20 und über einen Widerstand 32 mit dem Ausgang 14 des Verstärkers 29 verbunden. Die Parallelschaltung der Diode 27 und des Spannungsteilers 26 wird über einen Widerstand 33 aus einer Quelle -E ₁ gespeist.

Bei diesem Spitzendetektor wird bei gesperrtem Transistor 6 der Kondensator 8 ebenfalls positiv aufgeladen, aber der Kondensator 4 wird durch die Inversion in der Verstärkerschaltung 10 in negativer Richtung aufgeladen. Dadurch kann tatsächlich der positive Maximalwert eines Signals 28 den Basis-Emitter-Übergang 5-3 des Transis­ tors 6 leitend machen.

In Fig. 4 ist der Transistor 6 auch in Emitterschaltung angeordnet. Der Transistor ist vom pnp-Typ, so daß sich einige Polari­ täten in bezug auf den Spitzendetektor nach Fig. 3 geändert haben. Die negativen Spitzenwerte des Signals 28 werden gemessen, und die Stromquelle 9 liefert Strom gemäß der Pfeilrichtung 18. Die Diode 27 ist gegensinnig angeschlossen, und die Quelle E ₁ weist nun eine negative Polarität in bezug auf den Ausgang auf. In dieser Schaltung sind zwei Änderungen im Vergleich zu der Schaltung nach Fig. 3 enthalten. Zunächst ist der Kondensator 8 nicht unmittelbar mit der Masseleitung 13, sondern über den Kondensator 4 mit dieser Leitung verbunden. Für den Hochfrequenz­ strom bedeutet diese Schaltung, daß der Entladestrom des Kondensators 8 unmittelbar zwischen diesem und dem Emitter-Kollektor-Übergang fließt, und daß der Kondensator 4 nur den Eingangsstrom in dem Kreis 2-4-3-5-1 führt. Wenn das Verhältnis zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 8 und 4 gleich dem Stromverstärkungsfaktor h _fe des Transistors 6 gewählt wird, sind die Welligkeitsspannungen gleich, aber von entgegengesetztem Vorzeichen. Dies bedeutet, daß am Eingang 11 keine Spannung mit hochfrequenter Wellig­ keit angeboten wird. Dies kann von Bedeutung sein bei der eben­ falls in Fig. 4 dargestellten Verstärkerschaltung 10, die nur aus einem einzigen Integrator besteht. Dazu ist der Eingang 11 über einen Konden­ sator 36 mit dem Ausgang 14 und der Eingang 12 mit einer Quelle -E ₂ ver­ bunden. Der Integrator hält ein Potential -E ₂ am Kollektor des Transis­ tors 6 dadurch aufrecht, daß die Ausgangsspannung am Ausgang 14 derart geregelt wird, daß Ladeströme für den Kondensator 4, den Kondensator 8 und den Kondensator 36 in Kombination mit dem Strom der Quelle 9 die richtige Spannungsverteilung über die Kondensatoren 4 und 8 ergeben. Der Widerstand 35 am Eingang ist vorgesehen, um ein Koaxialkabel mit seiner charakteristischen Impedanz abschließen zu können. Der Wider­ stand 35 ist niederohmig und soll Streueffekte, die durch den nicht­ idealen Transistor herbeigeführt werden, dämpfen.

Es wird noch bemerkt, daß der angewendete Transistor mit Basis-, Emitter- und Kollektor-Elektroden auch ein Feldeffekttransistor sein kann mit Gate-, Source- bzw. Drainelektroden.

Claims (6)

1. Spitzendetektor, der einen ersten Kondensator als Speicher­ element, eine mit diesem Kondensator gekoppelte Ladeschaltung und eine Spannungsvergleichsschaltung enthält, die die Eingangsspannung des Spitzendetektors mit der Spannung über dem ersten Kondensator vergleicht und die Ladung dieses Kondensators im ausgleichenden Sinne regelt, wenn die Kondensatorspannung dem zu messenden Spitzenwert der Eingangsspannung nicht proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsver­ gleichsschaltung ein Transistor (6) ist, dessen Basis-Emitterstrecke (3) mit einer ersten Eingangsklemme (1) des Spitzendetektors und über den ersten Kondensator (4) mit der zweiten an Masse angeschlossenen Eingangs­ klemme (2) verbunden ist und dessen Kollektor über einen zweiten Konden­ sator (8) mit der zweiten Eingangsklemme (2) verbunden ist, und daß die Ladeschaltung eine Verstärkerschaltung (10) enthält, die mit einem hoch­ ohmigen Eingang (11), der mit dem Kollektor und mit einer einen von der Eingangsgröße unabhängigen Strom liefernden Stromquellen­ schaltung (9) verbunden ist, und mit einem Ausgang (14) versehen ist, der mit dem Ausgang (15) des Spitzendetektors und mit der mit dem ersten Kondensator (4) verbundenen Elektrode des Transistors (6) verbunden ist.

2. Spitzendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Ausgang (14) und der mit dem ersten Kondensator verbundenen Elektrode (5) einen ersten Widerstand (24) enthält, der zwischen dieser Elektrode (5) und dem Knotenpunkt (25) eines einstellbaren Spannungsteilers (16) angeordnet ist, dem eine Diode (27) parallelgeschaltet ist, die einerseits mit dem Ausgang (14) und andererseits über einen zweiten Widerstand (22, 23, 33) mit einer ersten Bezugsspannung (+E; -E ₁; +E ₁) verbunden ist und dadurch in Durch­ laßrichtung eingestellt ist, um den Einfluß der Basis-Emitterspannung auf die Messung des Spitzenwertes auszugleichen.

3. Spitzendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Emitter (3) des Transistors (6) mit der ersten Eingangsklemme (1) und die Basis mit der zweiten Eingangsklemme (2) ver­ bunden ist und die Verstärkerschaltung einen Differenzverstärker (29) enthält, dessen nichtinvertierender Eingang (11) mit dem Kollektor des Transistors (7) gekoppelt ist und dessen invertierender Eingang (12) mit dem Abgriff (21) eines Spannungsteilers (22, 23, 16) verbunden ist, der zwischen einer zweiten Bezugsspannung (+E) und dem Ausgang (14) des Ver­ stärkers angeordnet ist, der zugleich der Ausgang (15) des Spitzendetek­ tors ist (Fig. 2).

4. Spitzendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Basis (5) des Transistors (6) mit der ersten Ein­ gangsklemme und die Emitter-Elektrode (3) mit der zweiten Eingangs­ klemme verbunden ist und die Verstärkerschaltung einen Pufferver­ stärker (20) und einen Differenzverstärker (29) enthält, und daß der Eingang (11) des Pufferverstärkers (20) mit dem Kollektor des Transis­ tors (6) gekoppelt ist und sein Ausgang mittels eines dritten Wider­ standes (31) mit dem invertierenden Eingang (30) des Differenzver­ stärkers (29) verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang (12) mit einer dritten Bezugsspannung (+E ₂) verbunden ist und dessen Ausgang (14) über einen vierten Widerstand (32) mit dem invertierenden Eingang (30) verbunden ist und den Ausgang (15) des Spitzendetektors bildet (Fig. 3).

5. Spitzendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Basis-Elektrode (3) des Transistors (6) mit der ersten Eingangsklemme (1) und die Emitter-Elektrode mit der zweiten Eingangs­ klemme verbunden ist und die Verstärkerschaltung einen Differenzver­ stärker (29) enthält, dessen nichtinvertierender Eingang (12) mit einer vierten Bezugsspannung (-E ₂) verbunden ist und dessen invertierender Eingang (11) mit dem Kollektor des Transistors (6) gekoppelt ist, und daß zwischen diesem Eingang (11) und dem Ausgang (14) des Verstärkers (20), der zugleich der Ausgang (15) des Spitzendetektors ist, ein dritter Kondensator (36) angeordnet ist (Fig. 4).

6. Spitzendetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Kondensator (8) zwischen dem Kollektor (7) und dem Emitter (3) des Transistors (6) und der erste Kondensator (4) zwischen dem Emitter (3) und der zweiten Eingangsklemme (2) angeordnet ist (Fig. 4).