DE3918827A1 - Schaltungsanordnung zur begrenzung einer signalspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Be­ grenzung einer Signalspannung nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise in der DE 35 12 090 C1 beschrieben im Zusammenhang mit der Verarbeitung von Signalen von Infrarot-Detektoren. Eine bei einem solchen Anwendungsfall häufige Erscheinung ist, daß einem niederfrequenten Großsignal ein hochfrequentes Kleinsignal überlagert ist, wobei i.a. das letztere von besonderem Interesse ist. Bei der bekannten Anordnung ist hierfür vorgesehen, niederfrequente und höherfrequente Sig­ nalanteile zu trennen und separat zu verstärken, wobei die niederfrequenten Signalanteile amplitudenbegrenzt wer­ den. Über einen Koppelkondensator als AC-Kopplung gelangen höherfrequente Signalanteile auf eine Verstärkerstufe. An­ schließend werden niederfrequente, evtl. begrenzte Signal­ anteile und verstärkte höherfrequente Signalanteile wieder zusammengefaßt.

Bei hoher Verstärkung der Verstärkungsstufe für die höher­ frequenten Signalanteile besteht die Gefahr, daß die hö­ herfrequenten Signalanteile einseitig begrenzt werden, weil durch die amplitudenstarken NF-Signalanteile die Ver­ stärkerstufe eine Arbeitspunktverschiebung für die höher­ frequenten Signalanteile erfährt. Die Information aus den höherfrequenten Signalanteilen geht dadurch verloren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, wel­ che trotz Pegelbegrenzung einer Signalspannung die Auswer­ tung darin enthaltener Kleinsignalanteile ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die das Spannungsfenster bildenden Schwellenspannungen sind temperaturunabhängig und unabhängig voneinander ein­ stellbar. Dadurch sind vorteilhafterweise auch niedrige Spannungsschwellen einstellbar, die eine höhere Nachver­ stärkung der Kleinsignalanteile ermöglichen. Die gesamte Schaltungsanordnung ist auf einfache Weise monolithisch integrierbar.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge­ hend veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführung einer Begrenzer-Schaltungs­ anordnung

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführung einer Begrenzer-Schal­ tungsanordnung,

Fig. 3 eine Komparatoranordnung nach Fig. 2 im Detail.

Bei der in Fig. 1 skizzierten Schaltungsanordnung liefert eine Signalquelle UQ ein Signalgemisch, das für den ein­ gangs geschilderten Anwendungsfall der Infrarotdetektion beispielsweise sowohl niederfrequente amplitudenstarke Si­ gnalanteile als auch höherfrequente amplitudenschwache Si­ gnalanteile enthält. Die Amplituden können sich um mehrere Zehnerpotenzen unterscheiden. Mit RQ ist ein relativ nie­ derohmiger Quellenwiderstand bezeichnet. Über den Koppel­ kondensator C als Wechselspannungs(AC)-Kopplung sind die von der Signalquelle gelieferten Signale dem Verstärker V mit einem Eingangslastwiderstand RL zugeführt. Die Si­ gnalspannung am Verstärkereingang ist mit USIG bezeichnet. Mit einer Komparatoranordnung aus zwei Komparatoren K1 und K2, die aus einer Gleichspannungsversorgung mit den Anschlußspannungen +UB und -UB gespeist ist, wird die Signalspannung USIG mit zwei Spannungsschwellen -US und +US verglichen. Die Ausgänge der beiden Komparatoren sind untereinander durch zwei in Reihe geschaltete Dioden D1, D2 verbunden, wobei die Flußrichtung der beiden Dioden vom Komparator K1 zum Komparator K2 gerichtet ist. Der Verbin­ dungspunkt der beiden Dioden ist über einen Widerstand RS wieder mit dem Verstärkereingang, repräsentiert durch den Schaltungsknoten A, verbunden. Liegt die Spannung USIG am Knoten A innerhalb des Spannungsfensters, das durch die beiden Schwellen -US und +US vorgegeben ist, so liegt der Ausgang von Komparator K1 auf negativem (-UB) und der Aus­ gang von K2 auf positivem (+UB) Versorgungspotential. Da­ mit sind die beiden Dioden D1 und D2 gesperrt, so daß Ver­ schiebeströme allein von dem hochohmigen Widerstand RL be­ stimmt werden. Unterschreitet dagegen USIG die negative Schwelle -US, so schaltet der Ausgang des Komparators K1 auf die positive Versorgungsspannung, wodurch der Koppel­ kondensator C mit nahezu konstantem Verschiebestrom +IS≈ (+UB-UD-USIG)/(RQ + RS) umgeladen wird (UD = Fluß­ spannung der Diode D1, (RQ + RS) « RL), bis die Spannung USIG die negative Schwelle wieder überschreitet und der Ausgang von K1 wieder auf die negative Versorgungsspannung umschaltet. Analog dazu sorgt der Komparator K2 für einen negativen Verschiebestrom, falls USIG die positive Schwelle +US überschreitet. Der Widerstand RS begrenzt die Verschiebeströme auf vorgegebene Werte. Die Einsatzschwel­ len sind temperaturstabil einstellbar und darüber hinaus voneinander unabhängig steuerbar. Die Spannungen sind je­ weils gegen Bezugspotential M gemessen.

Um Tastverhältnisse bestimmter Signale nicht zu verändern, ist es erforderlich, daß die Verschiebeströme beider Polaritäten gleich sind und unabhängig von den Schwellen­ spannungen +/-US und Versorgungsspannungen +/-UB. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird dies annähernd gewährleistet, wenn im Schwellüberschreitungsfall USIG nicht wesentlich von der Spannungsschwelle abweicht und die Spannungswellen ±US betragsmäßig klein sind gegen die Versorgungsspannun­ gen ±UB.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 sind Kom­ paratoren mit Konstantstromausgängen definierter Polarität eingesetzt, wodurch der Widerstand RS entfällt. Liegt die Signalspannung USIG innerhalb der Schwellen (+US, -US) so sind die beiden Stromquellen (+IS, -IS) abgeschaltet. Für USIG<+US wird die Stromquelle -IS eingeschaltet, während für USIG<-US die Stromquelle +IS aktiviert wird. Damit wird erreicht, daß bei Überschreiten einer Schwelle der Kondensator C mit definiertem Verschiebestrom umgeladen wird, so daß USIG mit konstanter Anstiegrate dU/dt in das Spannungsfenster zwischen +US und -US zurückgeführt wird.

Fig. 3 zeigt im Detail eine Ausführung der Komparatoran­ ordnung der Fig. 2. Die beiden Komparatoren K1 und K2 sind komplementär zueinander aufgebaut, so daß im folgen­ den nur der Komparator K1 im einzelnen beschrieben ist.

Der Komparator K1 enthält als wesentliche Elemente einen Differenzverstärker mit der aus den beiden npn-Transisto­ ren T1, T2 gebildeten Differenzstufe und der aktiven Last aus den pnp-Transistoren T3, T4 sowie eine Stromauskoppel­ stufe aus den npn-Transistoren T5 und T6. Der Verbindungs­ punkt von T2 und T4 bildet den Ausgang des Differenzver­ stärkers. Den Betriebsstrom des Differenzverstärkers legt eine Stromquelle I1 fest. Die Basis von T1 liegt an der Spannungsschwelle -US, die Basis von T2 ist mit dem Schal­ tungsknoten A verbunden. Der Verstärkerausgang ist mit der Stromauskoppelstufe T5, T6 verbunden. Darüber hinaus ent­ hält die Komparatorschaltung K1 noch eine Sättigungs­ schutzschaltung aus einem zwischen +UB und den Verstärker­ ausgang geschalteten npn-Transistor T7, dessen Basis über den Widerstand R1 mit +UB und über die in Durchflußrich­ tung gepolte Diode D3 mit Bezugspotential M verbunden ist, sowie eine weitere Stromquelle I2 für die Stromauskoppel­ stufe T5, T6. Die weitere Stromquelle in Verbindung mit der Diode DA und die Sättigungsschutzschaltung tragen beide zur Verkürzung der Schaltzeiten des Komparators K2 bei.

Liegt USIG innerhalb der Schwelle (USIG<-US), so stellt sich am Kollektor von T2 tiefes Potential ein, entspre­ chend der hohen Leerlaufverstärkung des Differenzverstär­ kers. Um zu verhindern, daß T2 in Sättigung gelangt, hal­ ten die Bauteile R1, D3 und T7 die Kollektorspannung von T2 auf Massepotential. Die Emitter der Transistoren T5 und T6 liegen um eine Flußspannung tiefer, so daß Diode DA sperrt.

Liegt dagegen USIG außerhalb der negativen Schwelle (USIG<-US), so wird vom Differenzverstärker Strom in die End­ stufe ausgekoppelt. Bei USIG<-US-2UT (UT = Temperaturspan­ nung) fließt schließlich der gesamte Differenzstrom I1 über die Transistoren T1, T3 und T4 und wird über die Transistoren T5, T6 und die Diode DA ausgekoppelt, während die Transistoren T2 und T7 sperren. Die Transistoren T5 und T6 sind hierbei als Stromspiegel geschaltet, wobei T6 mit einem Flächenfaktor N versehen ist. Damit wird I1 mit einem definierten Faktor verstärkt ausgekoppelt:

IS = (N+1)×I1-I2 oder IS = NI1 für I2=I1.

Falls die negative Schwellenspannung -US tiefer liegen soll als eine Diodendurchflußspannung, muß der Sättigungs­ schutz so ausgebildet werden, daß er erst unterhalb des Massepotentials einsetzt.

In analoger Weise ist der Komparator K2 zur Überwachung der positiven Schwelle +US ausgebildet. Die Transistoren T1′-T7′ sind komplementär zu T1-T7, die Dioden DA′ und D3′ sind gegenüber DA und D3 umgepolt, die Stromquellen I1′ und I2′ sind gegenüber I1 und I2 umgepolt und die Ver­ sorgungen +UB und -UB vertauscht.

Da die beiden Komparatoreingänge komplementäre Eingangs­ ströme aufweisen, ist der Verschiebestrom vernachlässigbar gering, solange USIG innerhalb der Schwelle liegt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist besonders ge­ eignet für die eingangs geschilderte Anwendung in Verbin­ dung mit Infrarotdetektoren, ist jedoch nicht darauf be­ schränkt.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Signalspan­ nung, welche von einer Signalquelle über einen Koppelkon­ densator als AC-Kopplung an eine hochohmige Last, bei­ spielsweise den Eingang eines Verstärkers gelegt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Komparatoranordnung die Si­ gnalspannung mit zwei ein Spannungsfenster definierenden Spannungsschwellen vergleicht und bei außerhalb des Span­ nungsfensters liegender Signalspannung dem Kondensator über einen lastseitigen Schaltungsknoten (A) einen Ver­ schiebestrom (+/-IS) zuführt, der die Signalspannung in das Spannungsfenster zurückverschiebt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebestrom annähernd konstant und für die Über- bzw. Unterschreitung der beiden verschiedenen Spannungsschwellen entgegengesetzt gepolt, aber betrags­ gleich ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß für die Komparatoranordnung ein erster Komparator (K1), dessen invertierender Eingang an den Schaltungskno­ ten (A) angeschlossen ist und dessen nicht invertierender Eingang mit einer negativen Spannungsschwelle (-US) verse­ hen wird, und ein zweiter Komparator (K2), dessen inver­ tierender Eingang ebenfalls an den Schaltungsknoten (A) angeschlossen ist und dessen nichtinvertierender Eingang mit einer positiven Spannungsschwelle (+US) versehen wird, vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators K1 mittels zweier in Flußrich­ tung gepolter Dioden (D1) und (D2) mit dem Ausgang des Komparators K2 verbunden ist und daß der Verbindungspunkt der beiden Dioden über einen Widerstand (RS) mit dem Schaltungsknoten (A) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Komparatoren (K1 und K2) als Stromquellen ausgebildet sind, die direkt mit dem Schaltungsknoten (A) verbunden sind, wobei der erste Komparator (K1) nur posi­ tiven Strom (+IS) entsprechend positiver Komparatorauslen­ kungen liefern kann, während er bei negativer Auslenkung sperrt und der zweite Komparator (K2) nur negativen Strom (-IS) entsprechend negativer Komparatorauslenkung liefern kann, während er bei positiver Auslenkung sperrt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoren jeweils einen Differenzverstärker (T1, T2 bzw. T1′, T2′) mit aktiver Last (T3, T4 bzw. T3′, T4′) so­ wie einen Auskoppelstromspiegel mit vorgegebenem Stromver­ stärkungsfaktor enthalten und komplementär zueinander auf­ gebaut sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Komparatoren Sättigungsschutzschaltungen (R1, D3, T7 bzw. R1′, D3′, T7′) zum Schutz der mit dem Schaltungs­ knoten (A) verbundenen Transistoren (T2 bzw. T2′) vor Sät­ tigung vorgesehen sind.