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Die Erfindung betrifft Kammimpuls-Generatoren.
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Ein Signal mit einem Einzelimpuls der in Fig. 1(a)
gezeigten Form kann im Frequenzbereich oder Frequenzbild
durch das in Fig. 1(b) gezeigte Spektrum repräsentiert
werden. Die Frequenz w&sub0;, bei der ein Abfall der Amplitude
in dem Spektrum einsetzt, ist durch die Anstiegszeit und
die Abfallzeit des Impulses determiniert. Ein
beispielsweise in Fig. 1(c) gezeigtes Signal mit einer
periodischen Aufeinanderfolge von Impulsen, deren jeder die in
Fig. 1(a) gezeigte Wellenform aufweist, hat in der
Frequenzdarstellung (Fig. 1(d)) die Form eines Kamms. Die
Form bzw. der Verlauf der Einhüllenden des Kamms ist
durch das Spektrum der Einzelimpulse festgelegt. Der
Abstand zwischen den Linien des in Fig. 1(g) gezeigten
Spektrums entspricht dem Kehrwert des Intervalls zwischen
aufeinanderfolgenden Impulsen. Dementsprechend kann ein
steile Übergänge aufweisendes Signal mit repetitierender
Impulsfolgenform als ein harmonischer Generator verwendet
werden, und eine ausgewählte harmonische Komponente kann
als Referenz für hochauflösende Zeitintervallmessungen
herangezogen werden. Allerdings verursacht das in der
englischen Fachsprache als interpulse jitter bezeichnete
Impulszittern (Variationen des Intervalls zwischen
aufeinanderfolgenden Impulsen) eine Linienverbreiterung in
dem Spektrum des Signals mit repetitierender Impulsfolge,
wodurch die Genauigkeit von Zeitintervallmessungen
reduziert wird, die unter Verwendung des Signals als Referenz
ausgeführt werden.
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Eine Speicherschaltdiode kann dazu herangezogen werden,
ein elektrisches Impulsformsignal mit steilen Übergängen,
z. B. 200 mV/ps, zu erzeugen. Die derzeit verfügbaren
Treiberschaltungen weisen jedoch keine ausreichende
Kurzzeitstabilität auf, um die steilen Übergänge in
vollem Umfang auszunutzen, die mittels einer
Speicherschaltdiode (englisch: step-recovery diode) erzeugt
werden können.
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Ein Hochfrequenzgenerator mit einer Speicherschaltdiode
ist beispielsweise in dem US-Patent 3 307 117
beschrieben, während in dem US-Patent 4 196 381 ein Diodentreiber
für niedrige Spannungen und Ströme beschrieben ist.
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Akustische Oberflächenwellenresonatoren (SAW-Resonatoren)
haben einen sehr großen unbelasteten Gütefaktor (Q). Es
ist nicht ungewöhnlich, daß ein SAW-Resonator einen Q-
Wert hat, der im Bereich von 10.000 bis 30.000 liegt. Aus
diesem Grunde sind Oszillatoren, die auf SAW-Resonatoren
basieren, zur Erzeugung von Signalen geeignet, die eine
gute Kurzzeit-Frequenzstabilität, d. h. nur geringes
Impulszittern, haben. SAW-Resonatoren weisen jedoch einen
sehr hohen Einfügungsverlust und eine
Einfügungsverzögerung auf, und folglich ist es schwierig, einen
konventionellen Oszillator, der mit einem SAW-Resonator als
Resonanzkreis arbeitet, in Betrieb zu setzen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird entsprechend
Anspruch 1 eine Schaltung zur Erzeugung einer
Aufeinanderfolge von schnell ansteigenden Spannungsimpulsen
angegeben.
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Die Erfindung wird nachstehend im Sinne eines Beispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, um sie
verständlicher zu machen und zu zeigen, wie sie
ausgeführt werden kann.
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Es zeigen:
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Fig. 1 Wellenformen zur Illustrierung der Betriebsweise
eines Kamm-Generators,
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Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines auf einem SAW-
Resonator basierenden Oszillators, der so
beschaltet ist, daß er eine Speicherschaltdiode
(step-recovery diode) treibt und
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Fig. 3 Wellenformen von Spannungen an zwei Punkten der
in Fig. 2 gezeigten Schaltung.
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Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung umfaßt einen
SAW-Resonator (SR), der zwischen den Emittern zweier bipolarer
Transistoren Q1 und Q2 geschaltet ist, die in einer
Basis-Kollektor-Verbindungskonfiguration miteinander
verbunden sind. Die Emitter der Transistoren Q1 und Q2 sind
über jeweilige Vorspannungswiderstände R1 und R2 mit
positiven und negativen Referenz-Potentialpegeln +E und -3E
verbunden. Der Kollektor des Transistors Q1 ist mit dem
negativen Referenz-Potential -E verbunden, während der
Kollektor des Transistors Q2 an einen
Oszillatorschwingkreis angeschlossen ist, der eine Spule oder Induktivität
L1 und einen variablen Kondensator C1 umfaßt. Der
Kondensator C1 ist derart eingestellt, daß die Resonanzfrequenz
des Oszillatorschwingkreises im wesentlichen der
Reihenresonanzfrequenz oder Serienresonanzfrequenz des
SAW-Resonators entspricht. Der Oszillatorschwingkreis ist
derart gestaltet, daß er einen relativ geringen Q-Wert, etwa
3 oder 4, aufweist.
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Der SAW-Resonator SR hat die in Fig. 2 mit gestrichelten
Linien angedeutete Ersatzschaltung. Würde der
SAW-Resonator ersetzt durch einen Kondensator zur Bereitstellung
einer Gleichstromisolation zwischen den Emittern der
Transistoren Q1 und Q2 und durch einen Reihenwiderstand
mit einem dem Widerstand in der Ersatzschaltung des SAW-
Resonators entsprechenden Wert, so würden der
Oszillatorschwingkreis L1, C1 und die Transistoren Q1 und Q2 einen
freischwingenden Oszillator bilden, wobei eine positive
Rückkopplung von dem Emitter des Transistors Q2 zu dem
Emitter des Transistors Q1 durch den Widerstand und den
Kondensator realisiert ist, die den SAW-Resonator
ersetzen. Da die Güte bzw. der Q-Wert des
Oszillatorschwingkreises klein ist, wird die Schwingfrequenz des
freischwingenden Oszillators nicht sehr stabil sein. In der
tatsächlichen in Fig. 2 gezeigten Schaltung erfolgt
jedoch die positive Rückkopplung über den SAW-Resonator,
der eine hohe unbelastete Güte Q (in der Größenordnung
von 10.000 bis 30.000) aufweist. Aus diesem Grunde hat
die Gesamtschaltung einen Q-Wert, und die Schwingfrequenz
der Schaltung ist stabil. Durch das Einfügen des
SAW-Resonators SR in die positive Rückkopplungsschleife eines
freischwingenden Oszillators wird das übliche Problem
vermieden, einen Oszillator mit einem SAW-Resonator als
dessen Resonanzelement in Gang zu setzen. Der
SAW-Resonator beschränkt den Bereich von Schwingfrequenzen des
Oszillators auf seinen eigenen Bereich von
Resonanzfrequenzen. Da der Oszillatorschwingkreis L1, C1 einen kleinen
Q-Wert aufweist, variiert die Schwingungsamplitude an dem
Emitter des Transistors Q1 nicht stark, wenn die
Resonanzfrequenz des Oszillatorschwingkreises, etwa aufgrund
von Temperaturänderungen, driftet.
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Der Emitter des Transistors Q1 ist über einen
Emitterfolgertransistor Q3 an einem Ausgangsanschluß A des
Oszillators angeschlossen. Der Ausgangsanschluß A ist an einem
Stromschalter angeschlossen, der einen NPN-Transistor Q4
und einen PNP-Transistor Q5 umfaßt. Die Kollektoren der
Transistoren Q4 und Q5 sind mit dem positiven bzw.
negativen Referenzpotential verbunden. Sie sind ferner über
Entkopplungskondensatoren C2 und C3 an Masse
angeschlossen. Die Transistoren Q4 und Q5 sind mit ihrer Basis an
dem Emitter des Transistors Q3 angeschlossen. Der
Stromschalter wirkt als komplementärer Emitterfolger und weist
ungeachtet dessen, ob die Emitter der Transistoren Q4 und
Q5 positives oder negatives Potential führen, eine
niedrige Ausgangsimpedanz auf. Wenn der Emitter des
Transistors Q3 einen hohen Pegel annimmt, dann wird der
Transistor Q4 eingeschaltet und der Transistor Q5
ausgeschaltet. Im umgekehrten Sinne wird der Transistor Q5
eingeschaltet
und der Transistor Q4 ausgeschaltet, wenn der
Emitter des Transistors Q3 einen niedrigen Pegel annimmt.
Die Emitter der Transistoren Q4 und Q5 sind über eine
Spule oder Induktivität L2 mit einer Speicherschaltdiode
(step-recovery diode) D verbunden. Die Kathode der Diode
D ist auch mit einem Ausgangsanschluß B verbunden, der an
einer durch den Widerstand R3 repräsentierten Last
angeschlossen ist.
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Der Induktivitätswert der Spule L2 ist sehr klein, z. B.
20 nH, und in einer praktischen Ausführung kann eine
ausreichende Induktivität auf einfache Weise durch einen
Verbindungsdraht oder dergleichen bereitgestellt werden.
Die Spule ist dargestellt, um klarzumachen, daß zumindest
eine geringe Induktivität zwischen den Emittern der
Transistoren Q4 und Q5 und der Kathode der Diode D
erforderlich ist.
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Eine Speicherschaltdiode speichert Ladungen, während sie
in Vorwärtsrichtung leitet. Wenn die Stromrichtung durch
die Diode plötzlich umgekehrt wird, dann leitet die Diode
während einer kurzen Zeit Strom in entgegengesetzter
Richtung, bis die gespeicherte Ladung entfernt ist. Nach
Entfernung der gespeicherten Ladung unterbricht die
Speicherschaltdiode abrupt den in umgekehrter Richtung
fließenden Strom, und die Sperrspannung über der Diode
steigt schnell an, mit einer Anstiegszeit von etwa 35 bis
50 ps.
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Angenommen, die Spannung an dem Emitter des Transistors
Q3 sei anfänglich negativ, so daß die Transistoren Q4 und
Q5 aus- bzw. eingeschaltet sind, dann leitet die
Speicherschaltdiode D Strom in Vorwärtsrichtung oder
Durchlaßrichtung,
und die Kathode der Diode D liegt an
negativem Potential. Während die Diode in Vorwärtsrichtung
leitend ist, wird in der Diode D Ladung gespeichert. Wenn
die Spannung an der Basis des Transistors Q4 und der
Basis des Transistors Q5 ansteigt, dann schaltet der
Transistor Q4 ein, und der Transistor Q5 schaltet aus.
Der Vorwärtsstrom oder Durchlaßstrom in der Diode D fällt
auf den Wert 0, wonach der von dem Transistor Q4 über die
Induktivität L2 gelieferte Strom die Diode D veranlaßt,
in umgekehrter Richtung bzw. Sperrichtung Strom zu leiten.
Die Stromleitung in Sperrichtung erfolgt während einer
kurzen Zeit, bis die in der Diode gespeicherte Ladung
entfernt ist, wonach die Diode abrupt nicht leitend wird
und das Potential an ihrer Kathode ansteigt. Die
Anstiegszeit ist sehr kurz (35 bis 50 ps). Der von dem
Transistor Q4 gelieferte Strom wird zu dem Lastwiderstand
R3 umgeleitet. Wenn der Emitter des Transistors Q3
bezüglich der Spannung wieder negativ wird, dann schaltet der
Transistor Q4 aus, und der Transistor Q5 schaltet ein.
Nach Abfall des Stromes in der Induktivität L2 zieht
der Transistor Q5 über die Induktivität L2 Strom, und die
Diode D wird wieder gezwungen, in Vorwärtsrichtung zu
leiten.
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Die in Fig. 3 gezeigte Kurve A repräsentiert die
Wellenform der Spannung an dem Ausgangsanschluß A des
Oszillators. Die Kurve B repräsentiert die Wellenform der
Spannung an dem Anschluß B. Daraus ist ersichtlich, daß die
Übergänge an dem Anschluß B sehr schnell erfolgen.
Aufgrund der Verwendung eines auf einem SAW-Resonator
basierenden Oszillators für den Betrieb des Stromschalters Q4,
Q5 weisen die an dem Anschluß D auftretenden Impulse
lediglich sehr geringes Impulszittern (interpulse jitter)
auf. In der Frequenzdarstellung hat das Signal an dem
Anschluß B daher sehr schmale Spitzen oder Spektrallinien,
welche darüber hinaus gleiche Amplituden bis hin zu sehr
hohen Frequenzen aufweisen. Die in Fig. 2 gezeigte
Schaltung ist daher für die Verwendung als Kamm-Generator gut
geeignet.
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Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht
auf die besondere, unter Bezugnahme auf Fig. 2
beschriebene Schaltung beschränkt, und es können im Rahmen der
Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist und im
Bereich von Äquivalenten Variationen vorgenommen werden.
Insbesondere ist der den Oszillatorschwingkreis L1, C1
und den SAW-Resonator umfassende Oszillator unabhängig
von der Treiberschaltung für die Speicherschaltdiode D
verwendbar, und die Treiberschaltung für die
Speicherschaltdiode ist unabhängig von der Oszillatorschaltung
verwendbar.