NL8001234A - Topdetector. - Google Patents

Description

is PHN 9696 1 N.y. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven, T opdetector.

De uitvinding heeft betrekking op een topdetec-tor bevattende een eerste condensator als geheugen-element, een met deze condensator gekoppelde laadschake-ling en een spanningsvergelijkschakeling, die de ingangs-5 spanning van de topdetector vergelijkt met de spanning over de eerste condensator en de lading van deze condensator in compenserende zin regelt indien de condensator-spanning niet rechtevenredig is met de te meten topwaarde van de ingangsspanning.

10 Een dergelijke topdetector is bekend uit het artikel van J. Ha\i/ke in het tijdschrift "Electronic Engineering", vol 49, mid-october, 1977, bladzijde 23, "Low offset peak detector circuit uses transistors",

In dit artikel \i/ordt het probleem gesignaleerd 15 van de offsetspanning, die bij topdetectors optreedt, die met een diode uitgerust zijn. Door de diode in een terug-koppelcircuit van een operationele versterker op te nemen kan dit probleem grotendeels opgelost worden. Hierbij is het nadelig dat de versterker een beperkte band-20 breedte heeft, zodat hoogfrequente signalen buiten de band niet nauwkeurig gemeten kunnen worden.

In het artikel wordt een schakeling met transis-toren voorgesteld, die weinig componenten bevat en toch een hoge versterkingsfactor bezit. De bandbreedte blijkt 25 hierdoor toegenomen te zijn. De bovengenoemde operationele versterker is vervangen door een differentiaalversterker bestaande uit twee transistoren in long tailed pair schakeling met in de collectoren een stroomspiegel. Deze spanningsvergelijkschakeling vergelijkt de aangeboden 30 ingangsspanning met de spanning over een condensator, die als geheugenelement dienst doet. is deze laatste spanning niet gelijk aan de topwaarde van de ingangsspanning, dan regelt een laadschakeling de lading van de 800 1 2 34 PHN 9696 2 • *'»* condensator. De laadschakeling bevat een ontlaadweerstand en een stroombronschakeling, die met één van de collectoren van de versterkertransistoren verbonden is.

Zowel de topdetector met opamp als de 5 bovenbeschrevene topdetector voeren hoogfrequente stromen door de gehele schakeling tot aan de geheugencondensator, telkens wanneer de hoogfrequente ingangsspanning vrijwel zijn topwaarde bereikt. Elk versterkend element in de schakeling beperkt echter door zijn eigen afvallende 10 frequentiekarakteristiek de totale frequentiekarakteris-tiek.

De uitvinding gaat nu van de gedachtengang uit, dat als spanningsvergelijkschakeling ook één transistor gebruikt kan worden, die daarmede als enige het hoogfre-15 quente, versterkende element in de topdetector dient te zijn.

Een topdetector volgens het in de aanhef genoemde type is daartoe gekenmerkt doordat de spanningsvergeli jkschakeling een transistor is, die met één van de 20 basis-emitter-electroden verbonden is met een eerste ingangsklem van de topdetector, verder met de andere van de basis-emitter-electroden verbonden is met de eerste condensator, en met de collector verbonden is met een tweede condensator, waarbij beide condensatoren met de 25 tweede ingangsklem gekoppeld zijn, die tevens met massa is verbonden, en verder de laadschakeling een versterker-schakeling bevat, die voorzien is van een hoogohmige ingang verbonden met de collector en met een stroombronschakeling en van een uitgang verbonden met de uitgang 30 van de topdetector en met de andere van de basis-emitter-electroden.

Het voordeel van een dergelijke topdetector is dat een zeer grote bandbreedte verkregen wordt, waarvan de zogenaamde 3dB-punten gemakkeJijk ingesteld kunnen worden 35 op enkele Hz, bepaald door de stroombronschakeling en de tweede condensator, en op een frequentie, die in de grootte-orde van de zogenaamde transition frequency ft ligt. dit is de frequentie, waarbij de stroomversterkingsfactor 800 1 2 34 PHN 9696 3 h^-e van de transistor êên is geworden.

Dit hoogfrequente -3dB-punt wordt feitelijk bepaald door het hoogfrequente vervangingsschema van de transistor waarbij vooral de basisserieweerstand r^, van belang 5 is, en verder door de kwaliteit van de condensatoren, de rangschikking (lay-out) van de componenten en door de amplitude van het ingangssignaal.

De hoogfrequente stromen, boven reeds genoemd, lopen bij deze topdetector alleen in het ingangsciruit, 10 door de transistor en door de twee condensatoren.

De genoemde versterkerschakeling is te traag om te reageren. Wel wordt door deze en de stroombronschakeling de gelijkstroominstelling van de detector verzorgd en daarmede de gelijkspanningen op de twee condensatoren, 15 dus de maat voor de te meten topwaarde. Voor zeer lage frequenties en voor gelijkspanning vormt de gehele schakeling een zich zelf instellend teruggekoppeld systeem.

De topdetector volgens de uitvinding kan zo ingericht worden, dat in absolute zin de laagste waarde 20 van een signaal of de hoogste waarde van een signaal als gelijkspanning aangegeven wordt. De ingangssignalen kunnen sinusvormig zijn, van een gelijkspanning voorzien zijn, pulsvormig zijn met eventueel een zeer lage duty-cycle, of een willekeurige vorm hebben.

25 Voor het meten van de topwaarde van kleine signalen is het wenselijk om de invloed van de basis-emitter-spanning te elimineren. Daartoe is een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de verbinding van de genoemde uitgang met de andere van de 30 basis-emitter-electrodes een eerste weerstand bevat, die opgenomen is tussen deze electrode en het knooppunt van een instelbare spanningsdeler, die parallel aan een diode aangebracht is, die enerzijds met de uitgang en anderzijds door middel van een tweede weerstand met een eerste 35 referentiespanning verbonden is en die daardoor in door-laatrichting ingesteld is voor het compenseren van de invloed van de basis-emitterspanning op de meting van de topwaarde.

800 1 2 34 PHN 9696 4

De kenmerkende transistor van de uitvinding kan geschakeld zijn in de gemeenschappelijke basis- of in de gemeenschappelijke emitterschakeling.

In de gemeenschappelijke basisschakeling wordt 5 het meetsignaal toegevoerd aan de emitter en fungeert de versterkerschakeling als impedantietransformator. De schakeling meet negatieve topwaardes als de transistor van het npn-type is en meet positieve topwaardes als de transistor van het pnp-type is.

10 In de gemeenschappelijke emitterschakeling wordt het meetsignaal toegevoerd aan de basis. De versterkerschakeling moet het signaal op de hoogohmige ingang 180° draaien voordat het de emitter aangeboden wordt. Hiervoor is in een uitvoeringsvorm een differentiaalversterker genomen 15 in een omkerende tegenkoppelingsschakeling. De hoogohmige ingang van de versterkerschakeling wordt geleverd door een bufferversterker.

In een andere uitvoeringsvorm van de gemeenschappelijke emitterschakeling bevat de versterkerschakeling 20 een integrator, waarvan de niet-inverterende ingang aan een referentiespanning ligt en de inverterende ingang aan de collector van de transistor en aan de integratorcondensator.

Bij de gemeenschappelijke emitterschakeling kan de tweede condensator ook aangebracht worden tussen de collector 25 en de emitter van de transistor. Door juiste dimensionering van de twee condensatoren ten opzichte van de versterkings-factor van de transistor kan ook bij de hoge frequenties de spanning aan de collector van de transistor zonder rimpel zijn.

3Q De uitvinding zal toegelicht worden aan de hand van de tekening. Hierin stelt voor: fig. 1 een blokschema van de uitvinding, fig. 2 een gemeenschappelijke basis uitvoering met npn, 35 fig. 3 een emitter uitvoering met npn en fig. 4 een emitteruitvoering met pnp en integrator.

In figuur 1 is in blokschema de topdetector weer- 800 1 2 34 PHN 9696 5 gegeven. Het deel A stelt het deel voor waar bij hoogfrequente ingangssignalen de hoogfrequente stromen lopen en deel B stelt het laagfrequente en gelijkspannings-tegenkoppelende deel van de uitvinding voor.

5 Het signaal waarvan de positieve of negatieve topwaarde gemeten moet worden, wordt aan de eerste ingangs-klem 1 en de tweede ingangsklem 2, die tevens met massa van de schakeling is verbonden, toegevoerd. Klem 1 is verbonden met de ene electrode 3 en klem 2 is via de eerste conden-10 sator 4 verbonden met de andere electrode 5 van de basis-emitter-electroden van een transistor 6, die met zijn collector 7 via de tweede condensator 8 weer met klem 2 is verbonden.

Een stroombronschakeling 9 levert een stroom 15 öf aan de transistor 6 öf aan de condensator 8.

Bij gesperde transistor wordt condensator 8 geladen en neemt de spanning over de condensator in absolute zin toe. Deze spanning wordt gemeten met een als blok weergegeven versterkerschakeling 10 met hoogohmige ingang 11. De 20 referentieingang 12 is met de massaverbinding 13 verbonden. De uitgang 14 is met de uitgangsklem 13 van de topdetector verbonden en tevens door middel van een verbinding 16 met electrode 5 en condensator 4. De andere uitgangsklem 17 van de topdetector is met massa 13 verbonden.

25 De werking van de schakeling zal zo zijn, dat bij gesperde transistor 6 de basis-emitter-diode tussen de punten 3 en 5 na enige tijd stroomdoorlatend zal worden. Op dit moment kan de transistor collectorstroom voeren. Het zal duidelijk zijn, dat de transistor 6 van 30 het pnp-type is, wanneer de stroombronschakeling stroom voert volgens de pijl 18, en dat de transistor van het npn-type is wanneer de stroom loopt volgens de pijl 19.

Bijvoorbeeld is het volgende te stellen: de transistor 6 is van het pnp-type, de stroom verloopt 35 volgens pijl 18. Bij gesperde transistor laadt condensator 8 zich op in negatieve richting. Stel verder, dat de positieve top moet worden gedetekteerd. De basis-emitter-diode moet dan gaan geleiden bij positieve topwaardes van 800 1 2 34 PHN 9696 6 het ingangssignaal. Dan zal punt 3 de emitter zijn en punt 5 de basis, terwijl bij gesperde transistor de spanning over condensator 4 zal moeten dalen. De versterkerschakeling 10 dient dus een positieve ver-5 sterkingsfactor te bezitten. De andere drie mogelijke gevallen worden behandeld in de figuren 2, 3 en 4.

In figuur 2 is een detector voor negatieve top- , lijke waardes weergegeven met een npn-transistor 6 in gemeerschappe-/ basisschakeling. De stroombronschakeling 9 met stroom-10 richtingspijl 19 is gestippeld getekend omdat blijkt, dat in plaats van deze schakeling de instelstroom van de eerste trap van de versterkerschakeling genomen kan worden, dus ingang 11 levert deze stroom. De waarde van deze stroom voor het type LM 324 is bijvoorbeeld 50 nanoamp.

15 De versterkerschakeling 10 bevat de differentiaalversterker 20 met hoogohmige, niet-inverterende ingang 11 en ingang 12, die met het knooppunt 21 van een spanningsdeler 22, 23 verbonden is, die tussen uitgang 14 van versterker 20 en een tweede referentiespanning +E is aangebracht.

2Q Deze referentiespanning zorgt ervoor, dat de collector-spanning van transistor 6 steeds groter is dan de basisspanning, terwijl de deelverhouding van weerstand 23 en weerstand 22 de versterkingsfactor van de versterkerschakeling bepaalt. De verbinding 16 tussen uitgang 14 25 en basis 5 bestaat uit een eerste weerstand 24 die opgenomen is tussen de basis 5 en het knooppunt 25 van een instelbare spanningsdeler 26, die parallel aan een diode 27 is aangebracht. Deze parallelschakeling wordt gevoed door de spanningsdeler 22, 23 van uit de spanningsbron +E, die 30 positief is ten opzichte van de uitgang 14. De instelling van het punt 25 is zo, dat de basisemitterspanning bij het bereiken van de te detekteren topwaarde tussen de punten 5 en 3 vrijwel gelijk is en bij temperatuurveranderingen gelijk blijft aan de spanning tussen de punten 25 en 14.

35 De werking van de topdetector is als volgt.

Bij gesperde transistor 6 laadt condensator 8 z ich in positieve richting op door de stroom van bron 9 met richting 19. Hierdoor stijgt de spanning aan de uitgang 14 van 800 1 2 34 ΡΗΝ 9696 7 ί· '» versterkerschakeling 10 eveneens en wordt condensator 4 opgeladen tot dezelfde spanning. Zodra deze spanning vrijwel gelijk wordt aan de meest negatieve waarde van het ingangssignaal 28 op de ingang 1-2 wordt transistor 6 5 doorlatend waarbij de stroom van bron 9 en een ontlaad-stroom van condensator 8 de collectorstroom gaan vormen. Wanneer de gemiddelde waarde van de toegevoerde lading bij gesperde transistor gelijk is aan de gemiddelde waarde van de afgevoerde lading bij doorlatende transistor is een 10 evenwichtstoestand bereikt. De rimpelspanning op condensator 8 wordt bepaald door de waarde van deze wissellading en de capaciteitswaarde. Bij lager wordende frequenties van het ingangssignaal wordt deze rimpelspanning steeds groter door de lange tijd waarin de condensator 8 opge-15 laden wordt door stroombron 9 tussen twee topwaardes.

Deze rimpelspanning wordt ook aan uitgang 15 aangetroffen en bepaalt daarmede de nauwkeurigheid van de topwaardemeting bij lage frequenties. Bij hoge frequenties wordt de rimpelspanning op condensator 8 niet doorgegeven, maar is het 20 de gemiddelde waarde van de condensatorspanning, die de instelling van de versterkerschakeling 10 bepaalt. Naarmate de rimpel op condensator 8 groter wordt daalt de nauwkeurigheid van de top-detector.

In figuur 5 wordt met een npn transistor in 25 gemeenschappelijke emitterschakeling positief gerichte maximum waarden van het ingangssignaal gemeten. De versterkerschakeling 10 bevat een bufferversterker 20, waarvan de ene ingang 11 hoogohmig is en met de condensator 8 en collector 7 verbonden is. De versterker 29 is ge-30 schakeld als omkeerversterker. Daartoe is de niet-inverterende ingang 12 verbonden met het knooppunt 21 van een spanningsdeler 22-25, die tussen de massaleiding 13 en een bron +E, aangebracht is. De inverterende ingang 30 is via een weerstand 31 met de uitgang van versterker 35 20 verbonden en via een weerstand 32 met de uitgang 14 van versterker 29 verbonden. De parallelschakeling van diode 27 en spanningsdeler 26 wordt via een weerstand 33 gevoed uit een bron -E^.

800 1 2 34 PHN 9696 8

Bij deze topdetector wordt met gesperde transistor 6 de condensator 8 eveneens in positieve richting opgeladen, maar zal condensator 4 door de omkering in de versterkerschakeling 10 in negatieve 5 richting geladen worden. Hierdoor zal inderdaad een maximum waarde in positieve richting van een signaal 28 de basis-emitter-overgang 5-3 van transistor 6 geleidend kunnen maken.

In figuur 4 is de transistor 6 ook in gemeen-schappelijke emitterschakeling geplaatst. De transistor is van het pnp-type, zodat enkele polariteiten veranderd zijn ten opzichte van de topdetector uit fig. 3.

De negatief gerichte topwaarden van signaal 28 worden gemeten, en stroombron 9 levert stroom volgens de 15 pijlrichting 18, diode 27 is andersom aangesloten en bron heeft nu een negatieve polariteit t.o.v. de uitgang. In deze schakeling zijn twee veranderingen voorgesteld vergeleken met de schakeling van fig. 3. Allereerst is condensator 8 niet rechtstreeks met 2o massaleiding 13 verbonden, maar via condensator 4.

Voor de hoofdfrequente stroom betekent dezee schakeling, dat de antlaadstroom van condensator 8 rechtstreeks tussen deze en de emitter-collector-overgang vloeit, en dat condensator 4 alleen de ingangsstroom voert in de 25 keten 2-4-3-5-1. Door de verhouding tussen de condensatoren 8 en 4 gelijk te kiezen aan de stroomversterkings-factor h^e van de transistor 6 blijken de rimpelspanningen gelijk te zijn maar van tegengesteld teken. Het betekent, dat op ingang 11 geen hoogfrequente rimpelspanning aange-30 boden wordt. Dit kan van belang zijn bij de eveneens in fig. 4 weergegeven versterkerschakeling 10, die slechts uit êén integrator bestaat. Daartoe is de ingang 11 via een condensator 36 met uitgang 14 verbonden en is ingang 12 verbonden met een bron integrator 35 handhaaft een potentiaal -E2 op de collector van transistor 6 door de uitgangsspanning aan uitgang 14 zo te regelen, dat laadstromen voor condensator 4, condensator 8 en condensator 36 gecombineerd met de stroom van bron 800 1 2 34 PHN 9696 9 9 de juiste spanningsverdeling over de condensatoren 4 en 8 doen ontstaan.

De weerstand 35 aan de ingang is aangebracht om een coaxiaal kabel met zijn karakteristieke impedantie 5 te kunnen afsluiten. De weerstand 34 is laagohmig en is aangebracht om parasitaire effekten veroorzaakt door de niet-ideale transistor te dempen.

IQ

15 20 25 30 35 800 1 2 34

Claims (6)

1. Topdetector bevattende een eerste condensator als geheugenelement, een met deze condensator gekoppelde laadschakeling en een spanningsvergelijkschakeling, die de ingangsspanning van de topdetector vergelijkt met 5 de spanning over de eerste condensator en de lading van deze condensator in compenserende zin regelt indien de condensatorspanning niet rechtevenredig is met de te meten topwaarde van de ingangsspanning met het kenmerk, dat de spanningsvergelijkschakeling een transistor is, 10 die met één van de basis-emitter-electroden verbonden is met een eerste ingangsklem van de topdetector, verder met de andere van de basis-emitter-electroden verbonden is met de eerste condensator, en met de collector verbonden is met een tweede condensator, waarbij beide condensatoren 15 met de tweede ingangsklem gekoppeld zijn, die tevens met massa is verbonden, en verder de laadschakeling een versterkerschakeling bevat, die voorzien is van een hoogohmige ingang verbonden met de collector en met een stroombronschakeling en van een uitgang verbonden met de 2o uitgang van de topdetector en met de andere van de basis-emitter-electrodes.

2. Topdetector volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de verbinding van de genoemde uitgang met de andere van de basis-emitter-electrodes een eerste weerstand 25 bevat, die opgenomen is tussen deze electrode en het knooppunt van een instelbare spanningsdeler, die parallel aan een diode aangebracht is, die enerzijds met de uitgang en anderzijds door middel van een tweede weerstand met een eerste referentiespanning verbonden 30 is en die daardoor in doorlaatrichting ingesteld is voor het compenseren van de invloed van de basis-emitter-spanning op de meting van de topwaarde.

3. Topdetector volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat de ene electrode van de transistor de 35 emitter is en de andere van de basis-emitter-electrodes de basis is en de versterkerschakeling een differentiaal-versterker bevat, waarvan de niet-inverterende ingang de genoemde ingang is, de inverterende ingang verbonden is 800 1 2 34 PHN 9696 11 met het knooppunt van een spanningsdeler, aangebracht tussen de uitgang van de versterker en een tweede referentiespanning, en verder deze uitgang de uitgang van de topdetector is.

4. Topdetector volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ene electrode van de transistor de basis is en de andere van de basis-emitter-electrodes de emitter is en de versterkerschakeling een bufferversterker en een differentiaalversterker bevat, waarvan de ingang 10 van de bufferversterker de genoemde ingang is, zijn uitgang verbonden is door middel van een derde weerstand met de niet-inverterende ingang van de differentiaalversterker, waarvan de inverterende ingang met een derde referentiespanning en de uitgang door middel van een vierde 15 weerstand met de niet-inverterende ingang verbonden is en deze uitgang de uitgang van de topdetector is.

5. Topdetector volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ene electrode van de transistor de basis is en de andere van de basis-emitter-electrodes de 20 emitter is en de versterkerschakeling een differentiaalversterker bevat, waarvan de niet-inverterende ingang verbonden is met een vierde referentiespanning, de inverterende ingang de genoemde ingang is en tussen deze ingang en de uitgang van de versterker, die tevens de 25 uitgang van de topdetector is, een derde condensator aangebracht is.

6. Topdetector volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de tweede condensator aangebracht is tussen de collector en de emitter van de transistor en de 30 eerste condensator tussen emitter en de tweede ingangsklem. 35 800 1 2 34