DE4118647A1 - Initiatorschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte induktive Initiatorschaltungen besitzen einen Resonanzkreis, der von einem abzutastenden metallischen Gegenstand verstimmt wird und damit die angeschlossene Oszillatorschaltung bedämpft oder diese zum Aussetzen bringt. Die Oszillatorschaltung enthält eine Transistorverstärkerstufe sowie eine Mitkopplung vom Ausgangskreis auf den Eingangskreis, welche durch ein oder mehrere pn-Übergänge, vorzugsweise Stromspiegel realisiert ist. An diesen Oszillator ist ein Detektor zur Auswertung der Schwingungsamplitude angeschlossen.

Eine derartige Schaltungsanordung ist in der EP 1 72 393 beschrieben, die vorzugsweise für integrierte Schaltungstechnik geeignet ist. Sie besteht aus einer mitgekoppelten Transistorverstärkerstufe und einem im Eingangskreis der Transistorverstärkerstufe wirksamen Doppelstromspiegel. Dieser enthält Stromspiegel mit jeweils entgegengesetztem Leitungstyp, welche über die Kollektor-Emitterstrecken von je einem Transistor aus jedem Stromspiegel miteinander verbunden sind. Die Referenztransistoren der beiden Stromspiegel sind so geschaltet, daß sie als Dioden arbeiten. Außerdem enthält der zweite Stromspiegel ein größeres Emitter- Flächenverhältnis der Transistoren als der erste Stromspiegel. Die Ausgänge der ersten und zweiten Stromspiegel sind zum Schaltungsausgang der Oszillatorschaltung zusammengeschaltet. Am Ausgang fließt ein Differenzstrom der Kollektorströme der Stromspiegel. Diese Ströme hängen von den Emitterwiderständen der Transistoren ab. Je nach Größe wird ein Ansteuerschaltkreis aktiviert oder deaktiviert, da dieser Strom als Referenzstrom für den Transistorverstärker zur Verfügung steht. Nachteilig wirkt sich bei diesen Schaltungen die Tatsache aus, daß der Temperaturgang der Referenzspannung auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Widerstände in die Schwingungsamplitude der Oszillatorschaltung eingeht, was wiederum die Reproduzierbarkeit der Schaltschwelle nachteilig beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der erläuterten Art anzugeben, bei der der Ausgangsstrom des Demodulators unabhängig von der Temperatur und von technologisch bedingten Toleranzen stets bei der gleichen Oszillatoramplitude Null wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand des von in Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Fig. 1 erfindungsgemäße Initiatorschaltung

Fig. 2 und 3 Schaltbild der Anbindung des Differenzverstärkers der Begrenzerschaltung an den Oszillator

Fig. 4 Darstellung im Zeitbereich

Der bekannte Oszillator 1 besteht gemäß Fig. 1 aus zwei Stromspiegelanordnungen entgegengesetzten Leitungstyps T1, T2 und T3, T4. Bei galvanischer Mitkopplung ist der Mitkopplungsanschluß L mit dem Oszillatoranschluß LC verbunden. L1 und C1 bestimmen Güte und Frequenz des Parallelschwingkreises. Mit der Größe des Abstandswiderstandes R1 wird der Mitkoppelstrom und damit der gewünschte Schaltabstand eingestellt. Bei Annäherung einer Metallfahne an den Schwingkreis, der vorzugsweise als offener Halbschalenferrit ausgeführt ist, wird diesem Energie entzogen, was zu einer Verringerung der Schwingungsamplitude führt. Wenn die Amplitude der Oszillatorschwingung gegenüber dem unbedämpften Zustand beispielsweise 80% beträgt, soll der Schwellwertschalter 3 schalten. Mit dem Dämpfungswiderstand R2 wird eine Begrenzung des gespiegelten Stromes erreicht und somit ist es möglich, den Temperaturgang der Schwingungsgüte in gewissen Grenzen zu kompensieren. Insbesondere bei induktiver Mitkopplung kann es erforderlich sein, das Spiegelverhältnis von T3 und T4 größer 1 zu wählen. Im Oszillator 1 ist der Kollektor des Transistors T4 mit dem Außenanschluß L verbunden. Die Anode der Diode D1 und der Emitter des Transistors T15 der Begrenzerschaltung 8 werden von der Stromquelle 4 gespeist. Die Katode der Diode D1 ist mit dem Kollektor des Transistors T1 verbunden. Über den Transistor T1 erfolgt die Anregung des Schwingkreises, die Stromquelle 4 dient zum Anlaufen der Schaltung. Die Diode D1 bildet mit dem Transistor T15 einen Differenzverstärker, dessen Kollektor an die Basis des Amplitudenbegrenzungstransistors T16 führt. Erreicht die Spannung U5 den Wert von U2, so wird der Transistor T15 leitend. Der Konstantstrom 6 ist halb so groß wie der Konstantstrom 4, so daß der Transistor T16 leitend wird und ein weiteres Ansteigen von U5 verhindert. Auf diese Weise wird die Oszillatoramplitude begrenzt. Dieselbe Wirkung wird erreicht, wenn der Kollektor des Transistors T4 mit der Katode der Diode D1 und mit dem Kollektor des Transistors T1 verbunden ist (Fig. 2) bzw. die Diode D1 direkt zwischen die Kollektoren der Transistoren T1 und T4 geschaltet ist (Fig. 3).

Der Einsatz der Begrenzung wird durch die Spanung U1 an der Katode der Diode D2 des als Spannungs-Strom-Wandler arbeitenden Demodulator 2 bestimmt. Diese Spannung wird durch die Spannungsteilerwiderstände R3, R4 bestimmt. Die Anode der Diode D2 ist an die Basis des Transistors T6 angeschlossen. Die Spannungsteilerwiderstände R3, R4 erzeugen eine aus der hochkonstanten internen Referenzspannung U ref abgeleitete konstante Bezugsspannung U1. Bei Stromgleichheit durch Diode D2 und Transistor T6 gilt exakt U1=U3. Entsprechend sind auch bei Stromgleichheit durch T1 und T5 die Spannungen ULCO und U4 exakt gleich groß.

Der Widerstand R5 bewirkt einen Konstantstrom durch Transistor T6, der über den Stromspiegel aus den Transistoren T7, T8, T9 an den Demodulatorausgang 9 und an den Eingang der Integrationsstufe 7 gespiegelt wird. Auf diesen Demodulatorausgang 9 führt der Kollektor des Transistors T5, der über den Widerstand R6 einen von der Oszillatoramplitude abhängigen Strom erzeugt. Dabei sind die Emitterflächen der Stromspiegeltransistoren T8, T9 und T10 vorzugsweise gleich groß.

Der aus U3 und R5 gebildete Referenzstrom I1 arbeitet gegen den aus U4, R6 erzeugten Strom I2, der von der Oszillatoramplitude abhängig ist. Bei einer bestimmten Amplitude ULCO sind die Ströme I1 und I2 gleich groß, so daß der Differenzstrom I4 des Demodulatorausganges 9 Null wird. Die Oszillatoramplitude ULCO, bei der I1=I2 ist, wird durch den Widerstand R6 eingestellt. Unter den obengenannten Bedingungen (U1=U4, ULCO=U4) und unter der Voraussetzung, daß R5 und R6 vom gleichen Typ sind, ist der Punkt ULCO, an dem I1=I2 ist, temperaturunabhängig.

Weiterhin ist gewährleistet, daß die Ströme I1 und I4 in einem festen und konstanten Verhältnis zueinander stehen, vorzugsweise im Verhältnis I1=2·I1. Auf diese Weise ist der Entladestrom doppelt so groß wie der maximale Ladestrom für den Kondensator C2. Diese Verhältnisse sind im Zeitbereich in Fig. 4 dargestellt für 3 verschiedene Oszillatoramplituden. Die Oszillatorschwingung 11 stellt den unbedämpften Fall dar. Bei der positiven Oszillatoramplitude ULCO ist I1= I2. Es findet weder ein Auf- noch ein Entladen des Kondensators C2 statt. Steigt die Oszillatoramplitude über ULCO an, so ist I2<I1, Transistor T5 geht in die Sättigung und sperrt den Transistor T1. Der Kondensator C2 wird über die Diode D4 und Transistor T14 mit I4=2·I1 entladen. Liegt hingegen die Amplitude unterhalb von ULCO, so ist I1<I2, der Transistor T11 ist leitend und versorgt T14 mit Strom. Der Differenzstrom I3=I1-I2 lädt den Kondensator C2 auf. Der maximale Ladestrom wird bei I2=0 mit I3=I1 erreicht. Der Stromverlauf IC2 für die Kurve 11 weist aus, daß das Entladestromintegral A_E größer ist als das Ladestromintegral A_E. Bei teilweise bedämpfter Oszillatoramplitude (Kurve 12) wird das Entladestromintegral A_E kleiner als das Ladestromintegral A_L. Der Schwellwertschalter 3 schaltet. Bei sehr stark bedämpfter Amplitude (Kurve 13) erfolgt überhaupt keine Entladung des Kondensators C2.

Der Lade- und Entladestrom des Integrationskondensators C2 besitzt somit ein festes und konstantes Verhältnis. Das zeitliche Lade- und Entladestrom- Integral für den Integrationskondensator C2 ist nur noch von der Oszillatoramplitude abhängig.

Claims (8)

1. Initiatorschaltung, bestehend aus einem die Schwingung erzeugenden, aus zwei Stromspiegeln entgegengesetzten Leitungstyps zusammengesetzten Oszillator, an welchen extern ein Parallelschwingkreis und ein Abstandswiderstand angeschlossen sind, sowie intern ein Demodulator, realisiert durch einen Spannungs-Strom-Wandler, an dessen Ausgang durch den gebildeten Differenzstrom eine Integrationsstufe gesteuert wird, gekennzeichnet dadurch, daß

• - der Spannungs-Strom-Wandler (T5, R6) über den Demodulatorausgang (9), welcher an die Integrationsstufe (7) führt und über einen Stromspiegel (T7, T8) mit einer Konstantstromsenke (T6, R5) verbunden ist,
• - wobei die Konstantstromsenke (T6, R5) mit einer Referenzschaltung (R3, R4, D2, 5) verschaltet ist,
• - und diese mit einer Begrenzerschaltung (8) verknüpft ist, welche mit einer Stromquelle (4), mit der internen Referenzspannung (Uref) und der Basis des Stromspiegeltransistors (T1) verbunden ist.

2. Initiatorschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Begrenzerschaltung (8) sich bildet aus

• - einem Differenzverstärker (D1, T15), wobei der Kollektor seines Transistors (T15) mit der Basis eines Amplitudenbegrenzungstransistors (T16) und mit der Konstantstromsenke (6) verbunden ist,
• - der Kollektor des Amplitudenbegrenzungstransistors (T16) mit der Basis des Stromspiegeltransistors (T1) verschaltet ist,
• - während die Katode der Diode (D1) des Differenzverstärkers auf die Mitkopplung der Stromspiegeltransistoren (T1, T2; T3, T4) führt.

3. Initiatorschaltung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Diode (D1) des Differenzverstärkers (D1, T15) zwischen die Kollektoren der Stromspiegeltransistoren (T1, T4) des Oszillators (1) geschaltet ist, wobei die Emitter des Differenzverstärkertransistors (T15) an den Kollektor des Stromspiegeltransistors (T4) führt.

4. Initiatorschaltung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Katode der Diode (D1) an den Kollektor des Stromspiegeltransistors (T1) und die Anode mit der Stromquelle (4) und dem Emitter des Differenzverstärkertransistors (T15) verbunden ist.

5. Initiatorschaltung nach Anspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromquelle (4) entfällt.

6. Initiatorschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Katode der Diode (D2) über einen Spannungsteiler (R3, R4) mit der internen Referenzspannung (Uref), die Anode der Diode (D2) mit der Basis des Konstantstromsenkentransistors (T6), der Basis des Differenzverstärkertransistors (T15) und über eine Stromquelle (5) mit der internen Referenzspannung (Uref) verbunden ist.

7. Initiatorschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Demodulatorausgang (9)

• - einerseits über eine Diode (D3) mit dem gegen Masse geschalteten Integrationsglied (C2), der Anode einer weiteren Diode (D4) und dem Schwellwertschalter (3) verbunden ist,
• - andererseits auf die Basis eines Transistors (T11) führt, dessen Emitter mit der Katode der Diode (D4) und dem Kollektor des Stromspiegeltransistors (T14) eines Stromspiegels (T12, T13, T14) verbunden ist, welcher an den Kollektor eines Transistors (T10) angeschlossen ist, dessen Basis mit den Basen der Stromspiegeltransistoren (T8, T9) verbunden ist und sein Emitter sowie die Kollektoren der Transistoren (T11, T12) mit der internen Referenzspannung (Uref) verknüpft sind.

8. Initiatorschaltung nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Emitterflächenverhältnis der Stromspiegeltransistoren (T8, T9, T10) ungleich 1 ist.