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Amplitadendiskriminator mit einem Schmitt-Trigger Die vorliegende
Erfindung betrifft einen Amplitudendiskriminator - mit einem Schmitt-Trigger,
gebildet aus zwei Transistoren mit gemeinsamem Emitterwiderstand, wobei der Schmitt-Trigger
mit einem zum ersten Transistor komplementären Transistor gesteuert wird.
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Amplitudendiskriminatoren sind meist -Schmitt-Trigger, deren Schaltzustand
vom Wert der Steuerspannung abhängt. überschreitet die Steuerspannung einen einstellbaren
Schwellwert, so kippt der Schmitt-Trigger in einen Zustand, der im folgenden als
leitender Zustand bezeichnet wird. Dieser leitende Zustand bleibt bestehen, bis
die Steuerspannung den Schwellwert wieder unterschreitet, wodurch der Schmitt-Trigger
in den gesperrt genannten Zustand kippt. Derartige Schaltungen werden beispielsweise
zur Umwandlung einer Sinusschwingung in eine Rechteckspannung und in Synchronisiereinrichtungen
in Kathodenstrahloszillographen verwendet.
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Ein Schmitt-Trigger ist eine Schaltung aus zwei Transistoren mit gemeinsamem
Emitterwiderstand. Der Ausgang des ersten Transistors ist über einen Widerstand,
der meistens mit einem Kondensator überbrückt ist, auf den Eingang des zweiten Transistors
geführt. Wird am Eingang des ersten Transistors eine Spannung mit einem veränderlichen
Wert angelegt, so leitet dieser Transistor, sobald die Spannung einen durch den
Arbeitspunkt des Transistors gegebenen Schwellwert überschreitet. Wird dieser Schwellwert
unterschritten, so bewirkt der gemeinsame Emitterwiderstand eine Rückkopplung, die
den zweiten Transistor leitend hält. Wird der Schwenwert überschritten, so sperrt
der genannte zweite Transistor auf Grund der Rückkopplung. Bei Überschreitung und
Unterschreitung des Schwellwertes entsteht auf diese Weise am Arbeitswiderstand
der zweiten Stufe eine Rechteckspannung mit guter Flankensteilheit, die mit steigendem
Rückkopplungsfaktor größer wird.
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Wie bei allen bekannten Amplitudendiskriminatoren ist auch beim Schmitt-Trigger
ein Spannungsunterschied des Schwellwertes für das Schalten in den leitenden Zustand
und für das Schalten in den sperrenden Zustand festzustellen (Hysteresespannung).
Für sehr viele Anwendungen ist es erwünscht, die Anordnung derart zu dimensionieren,
daß mit einer möglichst kleinen Steuerleistung ein möglichst hoher Strom an einem
niederohmigen Ausgang bei kleiner Hysteresespannung geschaltet werden kann. Dafür
muß der Emitterwiderstand möglichst klein sein, darf aber andererseits einen minimalen
Wert nicht unterschreiten, da sonst kein Schalten mehr möglich ist.
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Die bekannten Schmitt-Trigger-Schaltungen weisen bei Verwendung von
Transistoren folgende Nachteile auf: Die Temperaturänderung bewirkt eine Schwankung
der Basis-Emitter-Spannungen (2 bis 3 mV/1 C), so daß der Schwellwert
für das Schalten temperaturabhängig ist.
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Wird der erste Transistor des Schmitt-Triggers durch die Steuerspannung
in Leitrichtung übersättigt, so wird die Steuerspannungsquelle durch die niederohmige
Basis-Emitter-Diode stark belastet. Damit ergeben sich Rückwirkungen auf die Steuerspannungsquelle
und somit Verzerrungen der ursprünglichen Spannungsform.
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Bei zu hoher Steuerspannung ist der Schaltvorgang nicht mehr eindeutig
und der zweite Transistor kann in seiner sperrenden Phase durch ein weiteres Ansteigen
der Steuerspannung nochmals leitend werden.
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Als letzter Nachteil sei nochmals auf die Hysteresespannung hingewiesen,
die zwischen dem Einschaltschwellwert und dem Abschaltschwellwert besteht. Diese
kann durch entsprechende Festlegung des Arbeitspunktes des ersten Transistors verringert
werden, sofern der Innenwiderstand der Steuerspannungsquelle sehr klein ist. Diese
letzte Bedingung ist aber nicht immer erfüllbar.
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Amplitudendiskriminatoren, die mit zusätzlichem Verstärkertransistor
vor dem Schmitt-Trigger versehen sind, wurden schon vorgeschlagen. Dieser Verstärkertransistor
ist
ein komplementärer Transistor zu den Transistoren des Schmitt-Triggers. Die Steuerspannung
ist dabei der Basis zugeführt. Im Emitterkreis liegt eine Zenerdiode, und der Kollektor
steuert über einen Widerstand den Schmitt-Trigger.
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Im einen Betriebszustand des Schmitt-Triggers kann der innere Widerstand
der Spannungsquelle an der Basis klein gehalten werden, indem der Verstärkertransistor
für Signale, die kleiner sind als die Zenerspannung der Diode im Emitterkreis, gesperrt
ist. Leitet der Transistor oberhalb dieser Zenerspannung, so ist er selbst niederohmig
und belastet die Spannungsquelle. In einem weiteren Vorschlag wurde der komplementäre
Transistor durch -einen Unipolartransistor ersetzt, wodurch die Spannungsquelle
bei größeren Signalen weniger stark belastet ist. Beide Schaltungen sind zur Verminderung
- der Temperaturabhängigkeit ausgelegt, indem sich durch Wahl einer Diode
mit günstiger Zenerspannung die Temperaturkoeffizienten einerseits der Zenerdiode
und andererseits des Verstärkertransistors kompensieren.
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Indem der Verstärkertransistor in Emitterschaltung geschaltet ist,
wird die Hysterese verkleinert, indem die Diode nur zwei Zustände einnehmen kann,
nämlich hoch- oder niederohmig.
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Die genannten Nachteile des Schmitt-Triggers werden durch diese genannten
Schaltungsanordnungen nur zum Teil behoben.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, bei einem eingangs beschriebenen
Amplitudendiskriminator alle genannten Nachteile zu beheben. Dies wird dadurch erreicht,
daß der komplementäre Transistor als Emitterfolger geschaltet ist, dessen Emitterwiderstand
innerhalb der 20%-Toleranzgrenze des Kollektorwiderstandes des ersten Transistors
des Schmitt-Triggers ist.
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An Hand der Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert:
Die Steuerspannungsquelle ist als ein Wechselspannungsgenerator Q mit in
Serie dazu liegendem InnenwiderstandR1 gezeichnet. An den Klemmen der Steuerspannungsquelle
liegt die Spannung V, Die eine Klemme ist über einen SpannungsteilerR7 an Masse
gelegt. Die andere Klemme ist auf die Basis eines PNP-Transistors T3 geführt,
der als Emitterfolger geschaltet ist. Vom Emitter führt der Widerstand R
3 auf die positive Batteriespannung + V, und der Widerstand
R 5 auf die Basis des NPN-Transistors T 1. Der Kollektor des
Transistors T 3 ist auf die negative Batteriespannung - V, geführt.
Die Emitter der NPN-Transistoren Tl und T2 sind zusammengeschaltet und über den
Widerstand R 4 geerdet. Der Arbeitswiderstand R 1 des Transistors Tl und
der Arbeitswiderstand R 2 des Transistors T2 sind auf die positive Batteriespannung
+ V, geführt. Der Kollektor des Transistors Tl ist über einen Widerstand
R 6 mit der Basis des Transistors T2 verbunden. Am Ausgang
A des Kollektors vom Transistor T2 kann eine Rechteckspannung abgenommen
werden.
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Die Arbeitsweise des Schmitt-Triggers mit den NPN-Transistoren Tl
und T2 ist allgemein bekannt und muß deshalb an dieser Stelle nicht besonders beschrieben
werden. Die Hysteresespannung VI, dieser Schaltung kann schätzungsweise durch die
Formel
bestimmt - werden.- Daraus folgt -für- eine kleine Hysteresespannung Vh,.
daß der Widerstand R 4 möglichst klein sein muß. Damit die Schaltwirkung bestehenbleibt,
darf aber der Wert ein Minimum nicht witerschreiten.- Dieser minimale Wert und damit
die minimale Hysteresespannung richtet sich nach der Steilheit S 1 des Transistors
T 1:
wobei VHE die Basis-Emitter-Spannung darstellt. Somit gilt für den minimalen Wert
des Widerstan-clesR4:...--
cc2' ist die Stromverstärkung des gesättigten Transistors T2. Die Einführung des
Emitterfolgers mit dem Transistor T 3 bewirkt, -daß die Steilheit der Kombination
des Transistois Tl, mit. dem Transistor T2 sehr groß wird, d. h. daß eine
kleine Spannungs# änderung von V, eine große Kollektorstromänderung im Transistor
T2 ergibt.
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Mit dieser beschriebenen Schaltungsanordnung werden alle weiter oben
aufgezählten Nachteile des bekannten Schmitt-Triggers in Halbleiterbauweise behoben.
Zusammenfassend sei hier die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung für die Behebung
jeden Nachteils gesondert aufgeführt: Die Kombination eines - PNP-Transistors
als Emitterfolger (Transistor T3) mit NPN-Transistoren im Schmitt-Trigger
(Transistoren Tl und T2) oder umgekehrt bewirkt, daß sich das gegenläufige Temperaturverhalten
der Bazis-Emitter-Spannungen des Transistors T3 und des Transistors Tl weitgehend
ausgleichen. Die Schaltung wird damit praktisch temperaturabhängig. Im weiteren
wird durch diese vorgeschlagene Kombination von PNP- und NPN-Transistoren erreicht,
daß der Schaltvorgang des Schmitt-Triggers nie übermäßig niederohmig auf die Steuerspannungsquelle
zurückwirken kann. Wenn der Transistor T 1 gesättigt ist, ist die Basis-Emitter-Diode
des Transistors T3 gesperrt und damit die Quelle unbelastet. Ist hingegen
der Transistor Tl gesperrt, so fließt ein Strom durch den Emitterwiderstand R
3,
der Basisstrom des Transistors T3 ist um den Stromverstärkungsfaktor
kleiner, wodurch die Quelle sehr schwach belastet ist.
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Der Spannungsteiler R7 gestattet die Einstellung des Schwellwertes
für das Schalten des Schmitt-Triggers.
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# Messungen an diesem Amplitudendiskriminator haben gezeigt, daß das
Verhalten der Transistoren T 1
und T3 bei Temperaturänderungen
gegenseitig genügend kompen-siert wird, indem die Temperaturdrift immer kleiner
als die Hysteresespannung ist. Der Emitterwiderstand R 4 konnte bis auf
5 Q verkleinert werden, wodurch die Hysteresespannung auf etwa
25 mV gesenkt wurde. Es ist jedoch unbedingt darauf zu achten, daß eine ausreichende
Stromverstärkung vorhanden ist, so daß das Schalten auch bei sehr tiefen Temperaturen
gewährleistet ist.