NL192906C

NL192906C - Signaalniveaudetectieschakeling.

Info

Publication number: NL192906C
Application number: NL8105379A
Authority: NL
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-11-27
Filing date: 1981-11-27
Publication date: 1998-04-02
Also published as: NL192906B; KR830008247A; US4433254A; IT1140300B; DE3147171C2; FR2494930B1; AU7788181A; KR880001595B1; CA1171921A; IT8125303A0; DE3147171A1; FR2494930A1; NL8105379A; GB2088677B; CH655415B; ATA510481A; GB2088677A; AT381422B; AU551633B2

Description

1 192906

Signaalniveaudetectieschakeling

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een signaalniveaudetectieschakeling voor afgifte van een met het niveau van een ingangssignaal overeenkomende uitgangsspanning, omvattende: 5 - een eerste versterker voor logaritmische versterking van het ingangssignaal; - een tweede versterker, waarvan de ingangsaansluiting met de uitgangsaansluiting van de eerste versterker is verbonden voor versterking van het logaritmisch versterkte ingangssignaal; - een element met een PN-overgang, waarvan de ene aansluiting met de uitgangsaansluiting van de tweede versterker is gekoppeld; 10 - een met de andere aansluiting van het een PN-overgang omvattende element verbonden integrerende schakeling; en - een schakeling voor het uit de uitgangsaansluiting van de integrerende schakeling afleiden van de uitgangsspanning.

Een dergelijke signaalniveaudetectieschakeling is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3,971.984, 15 Deze literatuurplaats toont een logaritmische signaalniveaudetectieschakeling, die deel uitmaakt van een AD-omzetter. Hierbij wordt een logaritmische omzettingsschaal gebruikt om een zo groot mogelijk gebied in spanningsniveauvariaties te kunnen omzetten naar een digitaal signaal.

De onderhavige uitvinding betreft echter een signaalniveaudetectieschakeling die bedoeld is om als compressieschakeling te dienen voor een signaal dat op een registratiemedium, zoals een magneetband 20 dient te worden opgenomen.

Wanneer de detectieschakeling, zoals deze bekend is uit het Amerikaanse octrooischrift 3.681.618 zou worden toegepast bij een dergelijk ruisverminderingsstelsel, bedraagt de verhouding, welke maximaal tussen de stijgtijdconstante en de daaltijdconstante kan worden verkregen echter maximaal 4. In een dergelijk geval kan dan bij een snel stijgend ingangssignaal echter doorschieten (overshoot) optreden.

25 Omtrent de responsiesnelheid (tijdconstante) welke bij een audioruisverminderingsstelsel gewenst wordt, kan worden opgemerkt, dat de gewenste stijtijdconstante van enige honderd jus tot enige s kan bedragen, terwijl de daaltijdconstante een duur van 10 tot enige honderden ms dient te hebben, hetgeen er op neerkomt, dat de afval- of daaltijdconstante enige honderden malen de stijgtijdconstante bedraagt.

Van deze tijdconstanten wordt de stijgtijdconstante bij voorkeur betrekkelijk kort gekozen voor scherp 30 stijgende ingangssignalen van hoge frequentie en hoog niveau. Dit geschiedt teneinde te verhinderen, dat de geluidskwaliteit een daling ondergaat als gevolg van in de codeereenheid optredende doorschiet-verschijnselen, waarbij de in de magneetband optredende, magnetische verzadiging doorschietende signaaldelen "afsnijdt”. Anderzijds is het gewenst om voor ingangssignalen van laag niveau een lage, tussengelegen en hoge frequentie een enigszins grotere stijgtijdconstante toe te passen teneinde op dié 35 wijze te verhinderen, dat de geluidskwaliteit een daling ondergaat als gevolg van fasevervorming of andere oorzaken. Een geringe vergroting van de stijgtijdconstante is voorts wenselijk teneinde de nadelige invloed van impulsvormige ruis tegen te gaan. Uit de noodzaak om aan deze moeilijk met elkaar verenigbare eisen te voldoen resulteert de behoeft aan een signaalniveaudetectieschakeling, waarvan de stijgtijdconstante met het ingangssignaal varieert.

40 De uitvinding stelt zich ten doei, een verbeterde signaalniveaudetectieschakeling te verschaffen.

Dit doel wordt bereikt, door een terugkoppelschakeling voor terugkoppeling van een deel van het verschil tussen het aan de uitgangsaansluiting van de tweede versterker verschijnende uitgangssignaal en het uitgangssignaal van de integrerende schakeling.

Als gevolg van deze maatregelen kan een veel grotere verhouding worden verkregen tussen stijgtijd en 45 daaltijd, zodat het dynamische gedrag van deze schakeling veel beter geschikt is voor toepassing in een ruisreductiestelsel.

De uitvinding zal worden verduidelijkt in de nu volgende beschrijving aan de hand van de tekening van enige uitvoeringsvormen. In de tekening tonen: 50 figuur 1 een principeschema van een bekende uitvoeringsvorm van een signaalniveaudetectieschakeling van het type met tweefasige geiijkrichting, figuur 2 een principeschema van een bekende uitvoeringsvorm van een signaalniveaudetectieschakeling van het type met logaritmische compressie, figuur 3 een principeschema van een speciale uitvoeringsvorm van een absolute-waarde-schakeling 20, 55 figuren 4 en 5 equivalente vervangingsschema’s voor respectievelijk de stijgkarakteristiek en de afvalkarakteristiek van de schakeling volgens figuur 2, figuur 6 een schema van een eerste uitvoeringsvorm van de signaalniveaudetectieschakeling volgens de 192906 2 uitvinding, figuur 7 een schema van een tweede uitvoeringsvorm van een signaalniveaudetectieschakeling volgens de uitvinding, figuur 8 een schema van een uitvoeringsvorm van een weerstandsspanningsdeler en 5 figuur 9 een schema van een derde uitvoeringsvorm van de signaalniveaudetectieschakeling volgens de uitvinding.

Voordat tot een beschrijving van enige voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt overgegaan, zal eerst aan de hand van figuur 1 een beschrijving worden gegeven van een bekende 10 uitvoeringsvorm van een signaalniveaudetectieschakeling, en meer in het bijzonder van een dergelijke met een operationele versterker uitgevoerde schakeling van het type met tweefasige gelijkrichting. Zoals figuur 1 laat zien, ontvangt de schakeling via een ingangsaansluiting 1 een wisselstroomsignaal, waarvan de positieve component door middel van een operationele versterker 3 en twee diodes 4 en 5 aan omkering wordt onderworpen, waarna de aan omkering onderworpen, positieve component van het ingangssignaal via 15 een weerstand 6 aan een operationele versterker 7 wordt toegevoerd. Het aan de ingangsaansluiting 1 verschijnende wisselstroomsignaal wordt voorts via een weerstand 8 aan de operationele versterker 7 toegevoerd. De weerstanden 6 en 8 en de operationele versterker 7 vormen te zamen een optellende versterkerschakeling. Wanneer voor de weerstand 8 een tweemaal zo grote weerstandswaarde als voor de weerstand 6 wordt gekozen, zal uit de dubbelfasige gelijkrichting van het via de ingangsaansluiting 1 20 toegevoerde wisselstroomsignaal een aan het punt b verschijnend uitgangssignaal resulteren, dat vervolgens door een afvlaknetwerk 9 met een weerstand en een capaciteit wordt afgevlakt en aan een uitgangs-aansluiting 2 ter beschikking komt.

Door compensatie van de stijgkarakteristiek (spanningsval in voorwaartse richting) van de diodes 4 en 5 door middel van de operationele versterker 3 kan een betrekkelijk breed of ruim dynamisch gebied worden 25 verkregen. De theoretische grenswaarden van het dynamische gebied worden bepaald door de voedings-spanningswaarde en de waarde van de "off-set”-spanning van de schakeling, waaruit voor het dynamische gebied een typische waarde van 60 dB resulteert.

Wanneer voor de signaainiveaudetectieschakeling een hoger dynamisch gebied dan de genoemde waarde van 60 dB wordt gewenst, vindt toepassing plaats van een met exponentiële/logaritmische-omzetting 30 werkende schakeling plaats. Wanneer een dynamisch gebied van 40-50 dB of hoger gewenst wordt, verdient het in het algemeen aanbeveling, van een met een dergelijke exponentiële/logaritmische-omzetting of met logaritmische signaalcompressie werkende signaalniveaudetectieschakeling gebruik te maken.

Figuur 2 toont het principeschema van een bekende uitvoeringsvorm van een signaalniveaudetectie-schakeling 10 van het met logaritmische signaalcompressie werkende type. Bij de schakeling 10 is een 35 stroombron 21, welke een ingangssignaalbron vertegenwoordigt, aangesloten aan een ingangsaansluiting 11. Deze is via een als dubbelfasige gelijkrichter van hoge nauwkeurigheid werkende absolute-waarde-schakeling 20 en een aansluiting 13 gekoppeld met de omkeeringangsaansluiting van een operationele versterker 14. De niet-omkeeringangsaansluiting van de operationele versterker 14 is geaard, terwijl de uitgangsaansluiting van de operationele versterker 14 via een serieschakeling van een aantal, bijvoorbeeld 40 N, diodes 15 met de omkeeringangsaansluiting van de operationele versterker 14 is gekoppeld. De uitgangsaansluiting van de operationele versterker 14 is voorts via een diode 16 gekoppeld met een integrerende capaciteit 17, waarbij het verbindingspunt van de diode 16 en de capaciteit 17 via een serieschakeling van (N—1)-diodes 18 is gekoppeld met een referentiestroombron 19. Het aan het verbindingspunt van deze diodes 18 met de referentiestroombron 19 verschijnende uitgangssignaal komt ter 45 beschikking aan een uitgangsaansluiting 12.

Figuur 3 toont het principeschema van een bepaalde uitvoeringsvorm van de absolute-waarde-schakeling 20. Wanneer in figuur 3 een stroom in voorwaartse richting, dat wil zeggen in de richting van de met een volle lijn getekende pijl, aan de ingangsaansluiting 11 wordt toegevoerd, vindt omkering daarvan plaats door de operationele versterker 22, waardoor de basis van de transistor 24 onder een negatieve instelspanning 50 wordt gebracht, hetgeen tot gevolg heeft, dat de transistor 24 stroom in de richting van de met een volle lijn getekende pijl doet vloeien. Als gevolg daarvan zal in de richting van de met een volle lijn getekende pijl stroom door een transistor 25a door een stroomomkeerschakeling 25 van het stroomspiegeltype en vervolgens door de andere transistor 25b van de schakeling vloeien, met als gevolg, dat aan de uitgangsaansluiting 13 een stroom in de richting van een met een volle lijn getekende pijl verschijnt. Wanneer 55 daarentegen stroom in negatieve richting, dat wil zeggen in de richting van de met een gebroken lijn getekende pijl, aan de ingangsaansluiting 11 toevloeit, zal de operationele versterker 22 een positieve spanning afgeven, zodat de stroom in de richting van de met een gebroken lijn getekende pijl door de 3 192906 transistor 23a van de stroomomkeerschakeling 23 en vervolgens door de andere transistor 23b van deze schakeling zal vloeien, met als gevolg, dat stroom in de richting van de met een gebroken lijn getekende pijl, welke dezelfde is als de richting van de met een volle lijn getekende pijl, door de transistor 25a van de stroomomkeerschakeling 25 vloeit, stroom in dezelfde richting, dat wil zeggen de richting van zowel de met 5 een volle lijn als de met een gebroken lijn getekende pijl, aan de uitgangsaansluiting 13 verschijnt, zulks onafhankelijk van de polariteit van de aan de ingangsaansluiting 11 verschenen stroom, dat wil zeggen onafhankelijk van de richting van de ingangsstroom. De aan de uitgangsaansluiting 13 verschijnende stroom vertegenwoordigt derhalve de absolute waarde van de aan de ingangsaansluiting 11 toegevoerde stroom. Indien de door de ingangssignaalbron 21 in figuur 2 geleverde stroom (zowel in positieve als in negatieve 10 richting) wordt aangeduid met iin, zal de uitgangsstroom van de absolute-waarde-schakeling 20 derhalve de absolute waarde iiini hebben. Indien de verzadigingsstroomsterkte van de verschillende diodes 15,16 en 18 de waarde ls heeft, kan de uitgangsspanning v van de operationele versterker 14 worden weergegeven door 15 V = N-VT€n(J^U 1) (1) waarin N het aantal diodes 15 is, VT = kT/q, k de constante van Boltzmann is, T de absolute temperatuur is en q de elementaire lading is. Voor de overgangstoestand, waarbij de klemspanning Vc van de capaciteit 17 als vast ten opzichte van de momentane waarde wordt beschouwd, kan voor de stroom id door de diode 16 20 worden geschreven: V-Vc id = ls [exp (......c) -1] = ls [(^+1)N-exp (-^)-1] (2) 25

Indien iin stationair is, geldt in de stationaire toestand id = l0, zodat id = J JT 'ddt = Is[iexp(-^) Γ 1)N dt-1] = (3) 30 1 vt Jo 's

Dit wil zeggen, dat dié waarde van Vc, welke aan deze vergelijking voldoet, de stationaire oplossing voor Vc vormt. Meer in het bijzonder kan Vc worden weergegeven door: 35 ν0 = ντ[ίη{ΐ£(^·+1)“Λ}-<η(!5-1)] (4)

De stationaire waarde V0 van de uitgangsspanning bedraagt derhalve v0 = Vc-VT(N-1)€n(^+1) s 40 =VT[€n{ljyg+1)Ndt}-N€n(jj+1)] (5)

Aangezien zowel lij als l0 » ls, kan V„ worden benaderd als: 45 V0 = VT [ in 4 Γ< ¥- )N ^ (f) N] = VT -€n MN (6) 1 Jo 's 's 'o waarin |iin|N = ^ |iJNdt 50 De signaalniveaudetectieschakeling 10 van dit met logaritmische compressie werkende type levert derhalve de gemiddelde waarde van de N-de orde van de absolute waarde van de ingangsstroom ijn. Deze uitgangswaarde is derhalve de gemiddelde waarde van de ingangsstroom voor N = 1, doch de effectieve waarde van de ingangsstroom voor N = 2. Door toepassing van een dergelijke signaalniveaudetectie-schakeling 10 is het gemakkelijk mogelijk om signaalniveaudetectie binnen een dynamisch gebied van 80 55 dB of meer te verkrijgen.

Bij een bekend met detectie van de effectieve waarde werkend ruisverminderingsstelsel kan echter slechts een afval/stijg-verhouding van maximaal ongeveer 4 worden verkregen. In dat geval kan bij een snel 192906 4 stijgend ingangssignaal het verschijnsel ’’doorschieten” optreden.

Vervolgens zal de dynamische responsie van de met logaritmische compressie werkende niveaudetectie-schakeling 10 worden beschouwd. Bij een dergelijke schakeling met een logaritmische compressie onderworpen uitgangssignaal wordt de parameter, welke als het detectie-uitgangssignaal wordt beschouwd 5 en verwerkt, niet door het uitgangssignaal zelf gevormd, doch dit signaal wordt exponentieel omgezet tot een variabele G(t), welke evenredig met de ingangsstroom (stationaire oplossing) is. Daarbij is G(t) evenredig met (iinN)1/N, waarbij t naar oneindig gaat. Voor G(t) kan worden geschreven: G(t) = exp (7) 10 waarin V0 en Vc op ieder tijdstip t respectievelijk door V0(t) en Vc(t) worden weergegeven. Eenvoudigheids-halve wordt de ingangssprong op l0 gewaardeerd, waarbij een stationaire oplossing V0(t) = 0 of G(t) = 1 in aanwezigheid van een ingangssignaal geldt.

Voor de daal- of afvalkarakteristiek zal nu de responsie op een ingangsstroom ijn met de gedaante van 15 een stapfunctie l0 voor t<0 en de waarde 0 voor t>0 worden beschouwd. De stationaire oplossing voor t<0 is volgens de vergelijking (1), (3) en (6): ν=Ν·ντ.«,Μ=Ν·ντ·«Μ (

v0(t) = o SJ

20

Voor t>0 is id althans ten minste nagenoeg gelijk aan O, zodat door l0 een ontlading ij constante stroom van de integratiecapaciteit 17, welke de capaciteitswaarde C heeft, wordt verkregen. Derhalve geldt: V0(t) is: V0(t) =V0(t)|t=0-^t = -^t (9) 25

Uit de vergelijking (7) wordt voor G(t) verkregen: G(t) = exp ( - n . yT. q ' t) 0 0) 30 Deze vergelijking vormt een beschrijving van de equivalente vervangingsschakeling volgens figuur 4. In deze schakeling hebben de weerstand R0 en de capaciteit C0 de respectieve waarden: R0 = 1/I0 (11) en 35 C0 = N · VT · C (12)

Voor de tijdconstante x geldt: x — Rq.Cq = N · VT · C/l0 (13) 40 Vervolgens zal voor de stijgkarakteristiek de responsie worden beschouwd op een ingangsstroom met de gedaante ijn = 0 voor t<0 en iin = l0 voor t>0. Voor ieder tijdstip t>0 geldt: id(t) = ls · exp V ^C(t) (14) 45 Voor t>0 heeft v(t) de gedaante volgens de vergelijking (8). Wanneer nu V0(t) in vergelijking (14) wordt gesubstitueerd voor Vc(t), dan krijgt men: id(t) = l0 · exp [- (15)

50 De veranderingssnelheid of verandering met de tijd van V0(t) volgt uit: dV0(t) id(t) -10 dt C

= ^[exp{-^}-l} (16) 55

Wanneer vervolgens V0(t) wordt gesubstitueerd voor G(t), krijgt men: 5 192906 (17)

Herrangschikking van deze vergelijking en oplossing van de vergelijking voor de verandering met de tijd of 5 de veranderingssnelheid van G(t) leidt tot: dGft) =_!°_rGft)<1 -N) - G(t)] μ « dt N· VT · C <18)

Deze differentiaalvergelijking vertegenwoordigt de stijgkarakteristiek en vormt de beschrijving van de 10 equivalente vervangingsschakeling volgens figuur 5, waarin de weerstand R0 en de capaciteit C0 respectievelijk de volgende waarden hebben:

Ro = 1/l0 (19) C0 = VT · C (20) 15 Een niet-lineaire schakeling 29 levert een uitgangssignaal G(t) van de gedaante: G(t) = [ff (t)]1/N (21) behorende bij een ingangssignaal g(t).

Betreffende de voor een met de signaalniveaudetectieschakeling 10 uitgeruste audioruisverminderings-20 stelsel vereiste responsiesnelheid (tijdconstante) geldt, dat de stijgtijdsduur (attack time) lOQpsec. tot enige msec, dient te bedragen, terwijl de afvaltijdsduur enige tientallen tot enige honderden msec, dient te bedragen, hetgeen enige honderden malen de vereiste stijgtijdsduur vertegenwoordigt. Wanneer N gelijk 1 is, zijn de stijg- en de afvaltijdsduur onderling gelijk, terwijl de stijgtijdsduur korter wordt bij een toename van N. Teneinde "doorschieten” te verhinderen ingeval van een opgedrukt ingangssignaal met een snelle 25 stijging, is het noodzakelijk om de stijgtijdconstante sneller te maken. Wanneer voor N ter verkrijging van het hiervoor genoemde verschil van enige honderden malen een betrekkelijk grote waarde wordt gekozen, doen zich echter de volgende problemen voor.

Wanneer N een grotere waarde krijgt, neemt het aantal PN-overgangen in de serieschakeling van de diodes 15 en 18 toe, waardoor de stationaire spanningsafval toeneemt, zodat bedrijf bij lage voedings-30 spanning moeilijk wordt. Teneinde dit probleem op te lossen zou kunnen worden overwogen om bedrijf bij lage voedingsspanning mogelijk te maken door in plaats van de serieschakeling van een aantal PN-overgangen een versterker met een versterkingsfactor N toe te passen, doch daardoor wordt de schakeling meer gecompliceerd. Bovendien verandert de uitgangsspanningsomzetcoëfficiënt met de waarde van N, zoals de vergelijking (6) laat zien. Meer in het bijzonder volgt uit de vergelijking (6): 35 —ii!— V0 = N · VT en [(—^ )T* (22) *0

Teneinde een proportionele of invers proportionele regeling te verkrijgen van de logaritmisch met een lineaire spanning geregelde versterkingsfactor van de schakeling dient een verzwakker 1/N te worden 40 toegepast.

Vervolgens zullen enige voorkeursuitvoeringsvormen van de signaalnïveaudetectieschakeling volgens de uitvinding worden beschreven.

Figuur 6 toont het schema van een eerste uitvoeringsvorm 30 van een signaalniveaudetectieschakeling volgens de onderhavige uitvinding. Volgens figuur 6 levert een als ingangssignaalbron dienende stroombron 45 21 een ingangsstroom im aan een ingangsaansluiting 11, welke via een absolute-waarde-schakeling 20 en een aansluiting 13 met de omkeeringangsaansluiting van een operationele versterker 31 is gekoppeld. De niet-omkeeringangsaansluiting van de operationele versterker 31 is geaard, terwijl de uitgangsspanning v1 van de versterker naar de omkeeringangsaansluiting wordt teruggekoppeld via een logaritmische omzet-diode 32. De uitgangsspanning v, van de operationele versterker 31 wordt aan de niet-omkeeringangs-50 aansluiting van een operationele versterker 33 aangelegd, welke een uitgangsspanning v2 afgeeft.

Deze uitgangsspanning v2 van de operationele versterker 33 wordt via een diode 34 toegevoerd aan een integratiecapaciteit 35; het verbindingspunt van de diode 34 en de capaciteit 35 is verbonden met een stroombron 36, welke een referentiestroom l0 levert. De uitgangsspanning Vc van de capaciteit 35 wordt via een als spanningsvolger geschakelde, operationele versterker 40 toegevoerd aan een serieschakeling van 55 een diode 41 en een stroombron 42, welke een referentiestroom l0 levert. Het verbindingspunt van de diode 41 en de referentiestroombron 42 is verbonden met de uitgangsaansluiting 12 voor afgifte van de uitgangsspanning V0.

192906 6

Een speciaal aspect van de onderhavige uitvinding wordt gevormd door de toepassing van een spanningsdelend netwerk 46 voor deling van het spanningsverschil tussen de uitgangsspanning Vc van de integratiecapaciteit 35 en de uitgangsspanning v2 van de operationele versterker 33; de bij deze deling verkregen uitgangsspanning van het netwerk 46 wordt teruggekoppeld naar de omkeeringangsaansluiting 5 van de operationele versterker 33. Daarbij is het ongewenst om de teruggekoppelde spanning rechtstreeks aan de integratiecapaciteit 35 af te nemen; derhalve is deze laatstgenoemde via de als spanningsvolger geschakelde, operationele versterker 40 gekoppeld met de weerstand 48 van het spanningsdelende netwerk 46. De uitgangsspanning v2 van de operationele versterker 33 wordt door de diode 43 verschoven en via een als spanningsvolger geschakelde, operationele versterker 45 aan de weerstand 47 van het spannings-10 delende netwerk 46 toegevoerd. De diode 43 compenseert voor de stationaire waarde van de spanningsval over de diode 34. De weerstandswaarde van de weerstand 47 van het spanningsdelende netwerk 46 bedraagt (N-1) maal de weerstandswaarde van de weerstand 48. De aan het verbindingspunt van de beide weerstanden 47 en 48 verschijnende deelspanning v4 resulteert derhalve uit deling van de ingangsspanning in een tussen 1/N en 1/(N—1) gelegen verhouding. Het verbindingspunt van de diode 43 en de operationele 15 versterker 45 is verbonden met de stroombron 44, welke de referentiestroom l0 levert.

Bij een signaalniveaudetectieschakeling 30 van dergelijke uitvoering heeft de door de diode 32 en de operationele versterker 31 aan logaritmische omzetting onderworpen spanning v1 de gedaante: v, = VT €n ( ^ + 1) (23) s 20 waarin vT = kT/q, zoals reeds bij de vergelijking (1) is gedefinieerd. Bij beschouwing van de overgangstoestand wordt verondersteld, dat de uitgangsspanning V0 een vaste momentane waarde heeft. Aangezien de deelspanning of uitgangsspanning v4 van het spanningsdelende netwerk 46 gelijk is aan de ingangsspanning v1 aan de niet-omkeeringangsaansluiting van de operationele versterker 33, geldt voor de door de 25 spanningsvolger aan de weerstand 47 van het netwerk 46 opgedrukte spanning v3: V3 = N v, - vc(N - 1) = N · VT £n (—ηρ— + 1) - Vc (N - 1) (24)

*S

30 Voor de uitgangsspanning v2 van de operationele versterker 33 geldt derhalve: V2 = N · VT · €n ( + 1) +VT · en (p + 1) - Vc (N - 1) (25)

*s * S

Voor de momentane waarde van de stroom id door de diode 34 geldt derhalve: 35 id = ls [exp (\}VC- 11 = >s[( —+ 1)N(^+ 1)exp( ~~v~) “ 13 (28) 40 Indien de ingangsstroom iin de stationaire stroom is, geldt in de stationaire toestand: id = lo

Derhalve geldt: ζ = =f fT iddt 45 ° TJo a « ls [i( j* + 1 ) exp ( £ ( -η£— + 1) N dt - 1 ] = |0 (27)

De waarde van Vc. welke aan deze vergelijking voldoet, vormt de stationaire oplossing voor Vc met de 50 gedaante:

Vc = ^n[f£ (—17 h 1)N dt] (28)

Voor de uitgangsspanning V0 geldt derhalve: 55 V0 = Vc-VT«n(j*+1) s 7 192906 = πίη[ΐ£( + DNdt]-Vt-in(^-+1) (29)

Aangezien in de praktijk zowel li,nl als l0 » ls, kan dit worden benaderd door: 5 = Vjfn [= Γ ( —y—)N dt]1,N (30) 1 JO '0 10 Indien wordt uitgegaan van: nai)» ei, dan wordt verkregen: 15 V0 = VT en [(-^L- )N ]1/N (32) •o

Bij de signaalniveaudetectieschakeling 30 van het met logaritmische compressie werkende type volgens de onderhavige uitvinding is de omzetfactor onafhankelijk van veranderingen van N. De als G(t) te introduceren variabele wordt derhalve gedefinieerd door: 20 G(t) = exp [^1] (33)

Voor het stijggedrag zal nu de responsie worden beschouwd op een ingangsstroom iln met de gedaante iin = l0 voor t<0 en iin = 0 voor t>0. De stationaire oplossing voor t<0 is V0(t) = 0; voor t>0 wordt de integratie-capaciteit ontladen met een constante stroom ter grootte van de referentiestroom l0. Derhalve geldt voor 25 t>0: V0(t)=-^t (34) en 30 |n G(t) = exp ( - yp-Q t) (35)

Vervolgens wordt de stijgresponsie beschouwd voor een ingangsstroom iin van de gedaante iin = 0 voor t<0 en ijn = l0 voor t>0. Voor ieder willekeurig tijdstip t>0 geldt: 35 . m , v2(t) - Vc(t) •dit) ls · exp-- (36)

VT

Met behulp van de vergelijking (25) wordt nu v2(t) benaderd als: 40 V2 (t) = (N + 1) VT en φ - Vc(t) (N -1) (37)

Door substitutie van V0(t) voor Vc(t) wordt voor v2(t) - Vc(t) gevonden: V2(t) - Vc(t) = \fT(n (¾ - NV0(t) (38) 's 45

Derhalve geldt voor id(t): id (t) = l0 · exp (- N (39) 50 De verandering met de tijd van V0(t) bedraagt: dVo(t) _ id(t) - l0 ^ -^expl (40, 55

Uit substitutie van G(t) voor V0(t) volgt: 192906 8 2!Μ-ί§[6<.)-"-ΐ] (41)

Door herrangschikking wordt voor de verandering met de tijd van G(t) verkregen: 5 ΠϊΡ= V^fe [Q(t)<1 "N) “<&)] (42)

Bij vergelijking van de signaalniveaudetectieschakeling volgens de uitvinding met dié van bekend type dient de vergelijking (35) met de vergelijking (10) te worden vergeleken en dient de vergelijking (42) met de 10 vergelijking (7) te worden vergeleken. Daaruit wordt duidelijk, dat een equivalent vervangingsschema van de schakeling van bekend type wordt verkregen, door de capaciteitswaarde van de integratiecapaciteit 35 met N te vermenigvuldigen.

Figuur 7 toont het schema van een signaalniveaudetectieschakeling 60 volgens een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding. Daarbij zijn de met dié volgens figuur 6 overeenkomende componenten weer met 15 respectievelijk dezelfde verwijzingssymbolen aangeduid.

Bij de tweede uitvoeringsvorm volgens figuur 7 zijn ter vereenvoudiging van de schakeling de door de operationele versterkers 40 en 45 gevormde spanningsvolgers van de schakeling volgens figuur 6 vervangen door respectieve als emitter-volger geschakelde transistoren 50 en 55. De niet-omkeeringangs-aansluiting van de operationele versterker 31 is geaard via een niveauverschuivingsschakeling, welke wordt 20 gevormd door een diode 53 en een bron 54 van constante stroom. Voorts is een weerstand 52 tussen de diode 34 en de integratiecapaciteit 35 opgenomen om de stijgkromme dié van een eerstegraads tijds-constante te doen benaderen. De weerstand 52 dient om te verhinderen, dat de integratiecapaciteit 35 een buitensporig hoge oplaadstroom voert, welke anders zou kunnen resulteren uit een bijzonder scherpe aanvangsstijging bij een hoge waarde van N; dit is in het bijzonder van belang wanneer N een hoge waarde 25 heeft. De transistor 51 van de schakeling volgens figuur 7 vervangt de diode 41 van de schakeling volgens figuur 6.

Het spanningsdelende weerstandsnetwerk 46 kan worden vervangen door het netwerk volgens figuur 8. De omzetfactor van de door het netwerk afgegeven uitgangsspanning kan op een gewenste waarde worden ingesteld door aarding van het verbindingspunt van de beide weerstanden 47 en 48 via een extra weerstand 30 49.

Het zal duidelijk zijn, dat het bij een signaalniveaudetectieschakeling volgens de onderhavige uitvinding mogelijk is om een hoge waarde van N toe te passen, zonder dat de spanningskarakteristiek van de schakeling daalt en de schakeling zelf wordt gecompliceerd. Wanneer N>3, kunnen ten opzichte van de bekende schakeling in het oog vallende effecten worden verkregen. Aangezien de uitgangsspanningsomzet-35 factor niet door veranderingen van N wordt beïnvloed, behoeft geen verzwakking 1/N te worden toegepast, zodat het bijvoorbeeld mogelijk is koppeling met een logaritmische schakeling met lineaire spannings-regeling van de versterkingsfactor toe te passen. Aangezien de uitgangsspanningsomzetfactor onafhankelijk van N is, zoals reeds is opgemerkt, is externe variatie van N of regeling van N met het ingangssignaal-niveau mogelijk. Dit wil zeggen, dat het bijvoorbeeld mogelijk is uitvinding toe te passen bij een schakeling, 40 waarbij de responsietijdsconstante met het ingangssignaalniveau wordt geregeld.

Bij een ruisverminderingsstelsel van gebruikelijk type wordt gewoonlijk weging van de hoogfrequent-componenten toegepast teneinde de optredende ruismodulatie minder waarneembaar te maken. Weging van hoogfrequentcomponenten wordt in de signaalniveaudetectieschakeling gerealiseerd door één enkele signaalkarakteristiek, dat wil zeggen een door "sweeping” met één enkel signaal verkregen frequentie-45 karakteristiek, zodanig te kiezen, dat hij vlak verloopt of naar de hogere frequenties flauw afvalt. Derhalve is een van het ingangsniveau afhankelijke, variabele tijdconstante gewenst, zodanig, dat slechts voor ingangssignalen van hoge frequentie en hoog niveau een stijgtijdconstante van korte duur wordt toegepast en voor ingangssignalen van hoge frequentie en laag niveau of ingangssignalen van midden- of lage frequentie een stijgtijdconstante van grote duur wordt toegepast.

50 Aan de hand van figuur 9 zal nu een signaalniveaudetectieschakeling volgens een derde uitvoeringsvorm van de uitvinding worden beschreven, waarbij de stijg- en de afvaltijdconstante met het ingangssignaalniveau worden gevarieerd.

Bij deze in figuur 9 weergegeven signaalniveaudetectieschakeling 70 wordt de spanningsdeelverhouding van de weerstanden 47 en 48 in figuur 6 niet rechtstreeks gewijzigd, doch vindt toepassing plaats van een 55 spanningsdelend netwerk 76 met drie weerstanden 77, 78 en 79, waarbij de aan de respectieve uitgangspunten p en q van het netwerk 76 verschijnende signalen worden toegevoerd aan respectievelijk twee verschilversterkers 71 en 72, welke tezamen met een verschilversterker 73 voor variatie van de deel- 9 192906 verhouding N zorgen.

Meer in het bijzonder bevat de signaalniveaudetectieschakeling 70: een operationele versterker 31 en een diode 32 als middelen voor logaritmische omzetting van ingangssignalen; een eerste en een tweede verschilversterker 71, respectievelijk 72 met respectievelijk een eerste en een tweede paar in gemeenschap-5 pelijke emitterschakeling opgenomen transistoren, waarbij aan de basis van de ene transistor van beide paren het uit de hiervoor genoemde logaritmische omzetting resulterende uitgangssignaal wordt toegevoerd; een verschilschakeling 73 met een derde paar in een schakeling met gemeenschappelijke emitters opgenomen transistoren, waarvan de respectieve collectors zijn verbonden met de gemeenschappelijke emitters van de respectieve verschilversterkers 71 en 72 en waarbij tussen de bases van de transistoren 10 van de derde verschilversterker het uit de logaritmische omzetting resulterende uitgangssignaal wordt toegevoerd; middelen voor optelling van de uitgangssignalen van de eerste en de tweede verschilversterker; een als emittervolger geschakelde transistor 49 met een PN-overgang, welke aan de ene zijde met de uitgang van de optelmiddeien is verbonden en aan zijn andere zijde met de integratiecapaciteit 35 is verbonden; een spanningsdelend netwerk 76 voor weerstandsdeling van het spanningsverschil tussen de 15 uitgangsspanning van de integratiecapaciteit en de uitgangsspanning van de optelmiddeien en voor afgifte van twee uitgangsspanningen met onderling verschillende spanningsdeelverhoudingen; benevens middelen voor terugkoppeling van de beide laatstgenoemde uitgangsspanningen naar de respectieve andere bases van de transistoren van de eerste en de tweede verschilversterker 71, respectievelijk 72.

De uitvoering en de werking van de in figuur 9 weergegeven, derde uitvoeringsvorm 90 van een 20 signaalniveaudetectieschakeling volgens de uitvinding zal nu meer in details en in vergelijking met de schakeling volgens figuur 6, welke het basisprincipe van deze uitvoeringsvorm vertegenwoordigt, worden beschreven.

Bij de uitvoeringsvorm volgens figuur 9 worden in plaats van de operationele versterker 33 volgens figuur 6 twee verschilversterkers 71 en 72, een stroomomkeerschakeling 74 en een als emitter-volger geschakelde 25 transistor 75 toegepast. De niet-omkeeringangsaansluitingen van de verschilversterkers 71 en 72 zijn verbonden met de uitgangsaansluiting van de operationele versterker 31, terwijl de omkeeringangs-aansluitingen van de beide verschilversterkers zijn verbonden met de respectieve uitgangspunten p en q van het spanningsdelende weerstandsnetwerk 76. In plaats van de diodes 34, 43 en 41 volgens figuur 6 worden de als emitter-volger geschakelde transistoren 49, 61 en 51 toegepast ter verkrijging van stroomde? versterking. In plaats van de als spanningsvolgers werkende, operationele versterkers 40 en 45 volgens figuur 6 worden als emitter-volger geschakelde transistoren 55 en 50 toegepast. De gelijkstroomniveau-verschuiving, welke aan de basis-emitter-overgangen (PN-overgangen) van deze transistoren 55 en 50 optreedt, wordt gecompenseerd door een diode 64 en een bron 65 van constante stroom, welke aan de niet-omkeeringangsaansluiting van de operationele versterker 31 zijn aangesloten.

35 De basis van de ene van de beide transistoren van de verschilschakeling 73, dat wil zeggen de transistor 73b, is verbonden met een punt, waarvan de potentiaal is verschoven met een bedrag, dat overeenkomt met de spanningsval in voorwaartse richting over de diode 64, terwijl de basis van de andere transistor 73a is verbonden met een punt, waarvan de potentiaal resulteert uit de verschuiving van het bij de logaritmische signaalomzetting verkregen uitgangssignaal van de operationele versterker 31 door middel van een diode 40 67 en een bron 68 van constante stroom. De stroom door de beide transistoren 73a en 73b van de verschilschakeling 73 zal derhalve met de waarde van de ingangsstroom iin variëren.

Wanneer de ingangsstroom ijn zeer klein is, zal de basispotentiaal van de transistor 73a aanzienlijk lager liggen dan dié, van de transistor 73b, zodat bijna alle door de met de beide emitters van de transistoren 73 verbonden bron 69 van constante stroom geleverde stroom door de verschilversterker 72 vloeit. De beide 45 verschilversterkers 71 en 72 kunnen dan als één enkele operationele versterker worden beschouwd, waarvan de niet-omkeeringangsaansluiting wordt gevormd door de basis van de transistor 72b.

Wanneer de ingangsstroom ijn voldoende groot is, zal nagenoeg alle door de bron 69 geleverde stroom door de differentiaalversterker 71 vloeien, zodat de basis van de transistor 71b dan ais niet-omkeeringangsaansluiting van de operationele versterker werkzaam is.

50 De spanningsdeelverhouding N van het weerstandsnetwerk 76 heeft een hoge waarde wanneer het ingangssignaal groot is en een lage waare wanneer het ingangssignaal klein is. Aangezien de stijgtijd-constante korter (sneller) voor grotere waarden van N is, zoals reeds is beschreven, is het mogelijk tot een zodanige regeling van de stijgtijdconstante met het ingangssignaalniveau te komen, dat de stijgtijdconstante betrekkelijk groot (langzaam) is voor ingangssignalen van laag niveau en voldoende klein (snel) voor 55 ingangssignalen van hoog niveau. Daarbij zal de gemeenschappelijke emiiterstroom van de beide verschilversterkers 71 en 72 geen verandering met een schakelkarakter vertonen, doch een continue, geleidelijke verandering met het ingangssignaalniveau. Als gevolg daarvan zal voor ingangssignalen met een tussenge-

Claims

192906 10 legen niveau een stijgtijdconstante worden verkregen, welke tussen de beide hiervoor genoemde tijdconstanten ligt. De grootste verandering van de tijdconstante wordt verkregen nabij het punt, waar de gemeenschappelijke emitterstroom van de beide verschilversterkers 71 en 72 eenzelfde niveau vertonen; het niveau kan dan worden gevarieerd door de bron 68 van constante stroom. 5 Zoals in het voorgaande is beschreven, is het door toepassing van de signaalniveaudetectieschakeling volgens de onderhavige uitvinding mogeiijk een snellere (kortere) stijgtijdconstante te verkrijgen bij een schakeling volgens figuur 6 met als mogelijkheid, dat voor de spanningsdeelverhouding N een betrekkelijk grote waarde kan worden gekozen, zonder dat de spanningskarakteristiek nadelig wordt beïnvloed of de schakeling wordt gecompliceerd; voorts is het mogelijk, nog een stap verder te gaan en de stijgtijdconstante 10 met het ingangssignaalniveau te laten variëren. Daaruit resulteert de mogelijkheid van een signaalniveau-detectieschakeling, waarbij de tijdconstante met het ingangssignaalniveau kan worden geregeld, hetgeen tot nog toe voor een signaalniveaudetectie van het type met logaritmische compressie en een ruim dynamisch gebied onmogelijk is; voorts verschaft de uitvinding een voor ingangssignalen van hoge frequentie en hoog niveau een voldoende snelle stijgtijd en voor ingangssignalen van hoge frequentie en laag niveau of 15 ingangssignalen van middenfrequentie of lage frequentie een betrekkelijk langzame (lange) tijdconstante, zodat een ruisverminderingsstelsel wordt verkregen, waarbij de invloed van door impulsen gevormde ruis en de daaruit resulterende daling van de geluidskwaliteit worden verminderd. De uitvinding beperkt zich geenszins tot de in het voorgaande beschreven uitvoeringsvorm. Zo kunnen bijvoorbeeld de spanningsdeiende weerstandsnetwerken 46 en 76 worden vervangen door variabele 20 weerstanden, waarvan de weerstandswaarde met het ingangssignaalniveau varieert, terwijl de deel-verhouding N rechtstreeks kan worden beïnvloed. 25

1. Signaalniveaudetectieschakeling voor afgifte van een met het niveau van een ingangssignaal overeenkomende uitgangsspanning, omvattende: - een eerste versterker voor logaritmische versterking van het ingangssignaal; - een tweede versterker, waarvan de ingangsaansluiting met de uitgangsaansluiting van de eerste 30 versterker is verbonden voor versterking van het logaritmisch versterkte ingangssignaal; - een element met een PN-overgang, waarvan de ene aansluiting met de uitgangsaansluiting van de tweede versterker is gekoppeld; - een met de andere aansluiting van het een PN-overgang omvattende element verbonden integrerende schakeling; en 35. een schakeling voor het uit de uitgangsaansluiting van de integrerende schakeling afleiden van de uitgangsspanning, gekenmerkt door een terugkoppelschakeling (46) voor terugkoppeling van een deel van het verschil tussen het aan de uitgangsaansluiting van de tweede versterker (33) verschijnende uitgangssignaal en het uitgangssignaal van de integrerende schakeling (35, 40).

2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de terugkoppelschakeling (77, 78, 79) is ingericht 40 voor het regelen van de verhouding tussen het aan de uitgangsaansluiting van de tweede versterker (71, 72, 73, 74, 75) verschijnende signaal en het uitgangssignaal van de integrerende schakeling (50) in het teruggekoppelde signaal op basis van het niveau van het ingangssignaal.

3. Schakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de terugkoppelschakeling een spannings-delend netwerk (77, 78, 79) twee ingangsaansluitingen en een uitgangsaansluiting omvatten, waarbij de 45 ingangsaansluiting van het spanningsdeiende netwerk (77, 78, 79), respectievelijk met de uitgangsaansluiting van de tweede versterker (71, 72, 73, 74, 75) en met de uitgangsaansluiting van de integrerende schakeling (50) is verbonden, terwijl de uitgangsaansluiting van het spanningsdeiende netwerk (77, 78, 79) is gekoppeld met de ingangsaansluiting van de tweede versterker (71,72, 73, 74, 75). Hierbij 5 bladen tekening