DE1512544A1 - Laufzeit-Impulsgenerator - Google Patents

Description

Laufzeit- Impulsgenerator

Die Erfindung befasst sich mit einem Laufzeit-Impulsgen-erator, bei dem die Frequenz und die Dauer der Impulse durch die Laufzeit eines oder mehrerer Laufzeitglieder bestimmt ist.

Im allgemeinen werden zur Erzeugung von· Impulsen RC-Generatoren z.B. Multivibratoren, Sperrschwinger oder dergl. verwendet, bei denen die Zeitkonstante eines oder mehrerer RC-Glieder für die Wahl der Frequenz und die Impulsdauer .verwendet wird. Es wurden auch bereits Laufzeit—Impulsgeneratoren vorgeschlagen· Bei diesen wird zur Bestimmung der Frequenz und ^ Impulsdauer die Laufzeit von Verzögerungsleitungen herangezogen. Eine Verzögerungsleitung mit relativ langer Laufzeit ist,jedoch entweder sehr lang oder sie arbeitet unter Anwendung elektroakustischer Wandler in Verbindung mit der Schalllaufzeit in einem Medium ( z.B.Glas). In beiden Fällen wird · relativ viel Platz benötigt. Ausserdem ist der wirtschaftliche Aufwand relativ hoch.: Schliesslich ist die Variation der Frequenz nicht oder nur in beschränktem Umfang möglich.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Laufzeit-Impulsgenerator zujschaffen, der besonders wenig Platz benötigt, nur geringen !wirtschaftlichen Aufwand -erfordert und ausserdem in einfacher Weise in der Frequenz variiert werden .kann· Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen" Laufzeit-Impuls

generator: zu

schaffen, der in einfaoher Weise in integrierter

Technik erstellt werden kann.

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i.c

Bei einem Laufzeit- Impulsgenerator, -"bei dem die Frequenz . ν und die Dauer der Impulse durch die Laufzeit eines oder mehrerer Laufzeitglieder bestimmt ist, schlägt die Erfindung vor, dass diese Laufzeitglieder Halbleiterelemente (z.B.Transistoren, Dioden )sind, deren Sperrverzögerung als Laufzeit' dient· Es wird als vorteilhaft angesehen, dass zur Erhöhung der Verzögerungszeit der Halbleiterelemente., ein möglichst grosses Verhältnis von Durchlass- und Ausräumstrom verwendet wird. Ferner erscheint es zweckmässig, dass der· Durchlass- und Ausräumstrom, über mindestens einen Widerstand zu-bzv· abgeführt wird und bei der Zuführung eine möglichst grosse und bei der Abführung eine-möglichst kleine Spannung dem' dem ' Halbleiterelement abgekehrten Ende dieses Widerstandes zugeführt wird, teei einem besonderen Ausführungsbeispiel besteht der Lauf zeitj-Impulsgenerat or aua drei oder_; einer höheren unge- * raden Zahl vpn Transistoren, die jeweils einen Kollektorwiderstand haben jund der Kollektor jedes Transistors jeweils über einen Koppelwideestand mit der Basis des folgenden Transistors, bzw, der.KoILektor des letzten Transistors über einpn Koppelwiderstand mk.t der Basis des ersten verbunden sind· Dabei wird ,es als besonders vorteilhaft angesehen, anstelle der Koppel-· widerstände Dioden'zu verwenden, deren Sperrverzögerungsaeit

j ; j ·

kleiner als die der Transistoren iet. "Aber auch die Verwendung· von Transistoren in Kollektorschaltung anstelle der Koppel- _; widerstände·hat sich als vorteilhaft erwiesen· Die Variation der Freq
gen, das

lenz· lässt sich besondere einfach dadurch bewerkstellijeWeils von der Basis der Transistoren, deren Sperr-

verzöger ings'zeit ausgenutzt wird* Ableitwiderstände zu einer ■ Variable:! Spannungsquelle führen· Bei der Ausführung der Laufzeitimpulsgeneratoren in integrierter Schaltung hat es sich als zweckmässig erwiesen, diese Ableitwiderstände duroh Transistoren in Emitterschaltung zu ersetzen· . . '

Die erfindungsgemässe Anordnung hat die ',Vorteile, dass ein ^: '. einfaoher Laufzeitgenerator: geschaffen wird, der geringen '

Platz erfordert und darüber hinaus sich-besonders für die .

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integrierte Schaltungstechnik eignet, weil weder Spulen noch Kondensatoren und-wenn gewünscht, auch keine Widerstände benötigt werden.

Anhand der Ausführungsbeispiele sei die Erfindung näher erläutert. Anhand der Prinzipskizzen Figur 1a - c soll*die der Erfindung· zugrunde liegende Sperrverzögerungszeit von Kalbleitern, kürz erläutert werden. In Pig. 1a ist 3 ein Transistor, 4 ein Kollektorwiderstand, der mit der Batterie-•spannung + TJ_B verbunden ist. 2 ist ein Koppelwiderstand. 6 ist ein Schalter, dessen Potential am Punkt 1 je nach Schaltstellung positiv oder negativ sein kann. 5 ist ein Abgriff, von dem die Kollektorspannung ,des Transistors 3 abgenommen werden kann· Die beiden Spannungen, die dem Schalter zugeführt werden, sollen nicht auf Hasse bezogen sein, sondern auf die Bezugsspannung, bei der der Basistromeinsatz Liegt. . Bei Silizium-Transistoren ist dies bei¹ ca. 0,5 bis 0,7 V der Fall. Zur Erreichung besonders grosser Verzögerungszeiten genügt es somit, dass die negative Spannung relativ zur Masse einen-Wert von z.B. + 0,3 V hat. Dadurch ist es möglich, dass als Schalter ebenfalls ein Transistor der gleichen Art wie der Transistor 3 angewendet wird·

ϊη Fig. 1b wird der.zeitliche Verlauf des Potent als 1 dargestellt, wenn der Schalter 6 von positivem zu negativem Potential umgeschalte; wird. Diese Umschaltung wird idealisiert als unendlich s

ihnell betrachtet»

In Fig. 1c ist die an dem Punkt 5 liegende Kollektorspannung des Transistors wiedergegeben. Der Spannungssprung in positiver Richtung erfolgt nach Ablauf der Verzögerungsze'it T'. Diese Verzögerungezeit ist um so grosser, je grosser der

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Durchlasstrom der Basisemitt.er-Diode ist,' der von -trüber den Schalter Über den Widerstand 2 in die Basis des Transistors

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fliesst. Sie ist ebenfalls um bo grosser, je kleiner die negative Spannung ist, die nach Umschaltung des Schalters an Punkt 1 liegt. Je kleiner diese Sperrspannung 1st, um so geringer ist ;der sog. Ausräumstrom, der während 4^er Zeit über d-en Widerstand 2 zurückfliesst. Zur Erzielung .einer möglichst grossen Verzögerungszeit*l 'Wird daher erfindungsgemäss vorgesehen, das Verhältnis von Durchlass- und Ausräumstrom möglichst grase zu machen. Diese Massriahme wird z.B. dadurch erreicht, dass die dem Schalter 6 zugeführte positive Spannung möglichst gross und die negative Spannung möglichst klein gemacht wird. ·

In Pig.2 wird ein erfindungsgemässer Laufzeit-Impulsgenerator dargestellt. |!Darin entsprechen die Transistoren 7, 8 und 9 dem Transistor 3 in Pig. 1a. Die Widerstände 1o, .11, 12 entsprechen dem Widerstand 4 in Pig. 1a und die Widerstände 13, H, 15 d$m Widerstand 2 in Pig. 1a. Anstelle des Schalters 6 (Pig· 1a) 4ient in Pig.2 der,Transistor ö für den Transistor ■ 9» der Transistor 7 für den Transistor 8 und der Transistor für den Transistor 7. Die Kollektorwiderstände 1o, 11, 12 liegen an der Batteriespannung + TJ₁₅ . Zur Variation der Preq'uenz

1 j °

"des Impulsgenerators wird über die Ableitwiderstände 16, 17, 18· vom Potentiometer 19 eine variable negative Spannung den Basis-'elektroden der drei Transistoren zugeführt. 'Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung Pig·2 dienen die Sp'annungsverläufe, wie sie in Pig, 3a bis c dargestellt sind. Darin ist a di
21 und c
stimmten
t₁ fällt

} Spannung des Punktes 2o, b die Spannung des Punktee diel Spannung des Punktes 22, wie sie bei einer bespannung am Potentiometer 19 auftreten. Zur Zeit die Spannung am Punkt 2o auf nahezu 0 V ab ( siehe

"¹Ig. 3a)· Die Polge. davon ist, dass nach Ablauf der Sperr-Verzögerungszeitΐ die Spannung am Punkt 21 auf einen positiven Wert ansteigt ( siehe Pig. 3"b ).. Infolge diesee Anstiegs fällt ohne'Ablauf einer Verzögerungszeit das Potential 22 auf nahezu 0 V ab, weil der IransiB-tor die Verzögerungezeit *i

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nur beim Sperren,nicht jedoch beim Öffnen-aufweist. Infolge dieses zur Zeit t_p erfolgenden SpannungsSprungs auf nahezu 0 V am Punkt 22 steigt nach Ablauf der Verzögerungszeit am Punkt 2o die Spannung wieder auf einen positiven Wert an. Infolge dieses Anstiegs zur Zeit t, fällt die Spannung am ' 'Punkt 21 zur gleichen! Zeit auf nahezu Ό V ab. Dieser Abfall hat zur Folge, dass nach weiterem Verstreichen der •Verzögerungszeit 'X .zur Zeit t. die Spannung am Punkt 22 auf positive Werte ansteigt und infolgedessen gleichzeitig die Spannung am Punkt 20 wieder auf negative Werte abfällt. Wie man aus der Pig·3 erkennt, erzeugt dieser mit drei Transistoren¹ arbeitende Laufzeit-Impulsgenerätor drei Impülsspannungen, die in ihrer Phase jeweils um -12o° verschoben sind. In ähnlicher Weise arbeitet ein Generator mit 5 Tran-

sistoren oder einer weiteren.ungeraden Zahl von Transistoren. Je höher die Zahl der Transistoren, um so niedriger ist die Frequenz bei gleicher Verzögerungszeit der Transistoren.

Pig· 4 zeigt ein Impuls- Schema entsprechend.Pig.3.» welches ' für einen Impulsgenerator mit 5 Transistoren gilt. Die gezeigten Spannungsdiagramme lassen sich in ähnlicher Weise herleiten wie die Spannungsdiagramme der Pig·3·

• Um die Frequenz bei gleicher Zahl der Transistoren noch weiter herabzusetzen, wird das Verhältnis von Durchlasszu Ausräumetrom,in vorteilhafter Weise dadurch erhöht, dass anstelle der Koppelwiderstände 13, H, 15 Dioden 13a, 14a,' 15a ( s.Pig,5 ) verwendet werden, deren Sperrverzögerungszeit kleiner, vorzugsweise wesentlich kleiner, als die der Transistoren ist. Durch diese Dioden wird erreicht, dass das Verhältnis von Durchlass- zu Ausräuma'trom wesentlich erhöht , wird, weil für den Durchlasetrom der niedrige Wert des Diodendurchlasswiderstandes .massgebend,ist, während für den Ausräumotrom die^! Parallelschaltung des aehr hohen und praktisch* vernachlässigbaren Sperrwiderstandee' der Diode mit dem jeweiligen Ableitwideratand¹ ( 16, 17, 18 ) bea.timmend ist.

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5 sind für die gleichen Seile die gleichen

In der Figj

Bezugsz^icli^n wie. in Pig. 2 verwendet. Die grundsätzliche Wirkungsweise' ist ebenfalls gleich. Durch Anwendung dieser-Koppeid:.öden ist es durch schaltungstechnische Massnahmen •möglich] die Sperrverzögerungszeit" der Transistoren weiter zu erhöhen und damit die Impulsfrequenz herabzusetzen.Besonders, stark wird die Sperrverzögerungszeit vergrössert, wenn anstelle der Koppelwiderstände 13» 14, 15 wie in" Pig. 6 Transistoren 13b, 14b, 15b verwendet werden,· die in Kollektorschaltung • arbeiten. Diese Schaltungsanordnung ist in doppelter Weise

vorteilhaft, denn die in Kollektorschaltung arbeitenden ν Transistoren für den Durchlasstrom der nachfolgenden Basis-Emitterstrecke .wirken wie ein besonders niedriger Koppel-. widerstand.Ausserdem arbeiten sie jedoch als Impedanzwandler, so dass die Kollektorwiderstände 10, 11, 12. der jeweils" vorhergehenden Transistoren wesentlich grosser als in' den Schaltungen gemäss Pig· 2 und Pig.5 gewählt werden können. Das hat zur Polge, dass" die Zahl der in der Basis-Emitter- . zone auftretenden Ladungsträger weiterhin erhöht wird, .wodurch die Sperrverzögerungszeit "eine zusätzliche Vergrösserung erfährt. Auch in den Schaltungen Pig.5 und 6 lässt sich die Frequenz mit dem Potentiometer 19 in relativ weiten Grenzen variieren. Auch in Pig. 6 sind für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Pig.2 verwendet worden· Mit den geschilderten Unterschieden ist die grundsätzliche Arbeitsweise die gleiche, wie. bei den vorhergehenden Schaltungen.

Wenn eine Schaltung gemäss Pig. 2, 4, 5 und 6 in integrierter Technik realisiert werden soll, ist es. zweckmässig, die Ab-'leitwiderstände 16', 17» 1.8 durch Transistoren in Emitterschaltung zu ersetzen, um auf einfache Weise hohe Widerstandswerte zu realisieren. Zur Erzielung extrem hoher Verzögerungs- · zeiten ist es zweckmässig,' ausser der Verzögerungszeit der Transistoren nooh zusätzlich, die Verzögerungezeit von Dioden mit zu verwenden·So ist es z.B. möglich,-'die Widerstände 13» 14, 15 der Pig.2 in jeweils zwei Widerstände aufzuspalten

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und zwischen dem Verbindungspunkt dieser zwei Widerstände jeweils eine Diode zu legen, deren anderes Ende an eine bestimmte Spannung gelegt ist. Um'die Sperrverzägerungszeit • der zusätzlichen Dioden vollständig ausnutzen zu können, ist es weiterhin vorteilhaft, die in zwei Widerstände aufgespaltenen Koppelwiderstände jeweils durch einen transistor in Kollektorschaltung-zu ersetzen. Eine solche Schaltung wird in'Fig. 7 gezeigt. Darin sind" wieder gleiche Seile mit den gleichen Bezugszeichen·versehen. 131 und 132 sind die Transistoren, die dem in zwei Teile aufgespaltenen Widerstand der Pig. 2 entsprechen.Die Transistoren 141 und 142 entsprechen analog dem Widerstand 14 und die Transistoren 151» 152 dem Widerstand 15· Die Dioden 23, 24 und 25 liegen jeweils zwischen den in Kollektorschaltung arbeitenden Transistoren und einer bestimmten Spannung Uy. Der scheinbar sehr hohe Aufwand einer solchen Schaltung ist jedoch in integrierter Technik durchaus wirtschaftlich vertretbar, da in integrierter'Technik Transistorsysteme wesentlich billiger als z.B. Widerstände

und Kondensatoren hergestellt werden können. Ausserdem erreicht man mit einer solchen Schaltung gemäss Fig.7 sehr¹ niedrige Frequenzen von z.B. einigen kHz, obwohl die Transistoren Grenzfrequenzen von vielen MHz, z.B. 200 MHz, bes:" was zur" Folge hat, dass mit der Schaltung Impulsspann¹ sehr hoher. Flankensteilheit erreicht werden können* ~A~ Kollektorwiderstände 1o, 11, 12 können iria Halt' iiteri hergestellt werden.

S Patentansprüche Bl·Z β ichnungen (

Fig.). · ."■:

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Claims (1)

1. SEI/Reg. 11 476

   Belegexemplar

   Darf nicht geändert werden

   Ansprüche. .. '

   1« Laufzeit-Impulsgenerator, bei dem die Frequenz und die Dauer der Impulse durch die Laufzeit eines oder mehrerer Lnufzeitr glieder bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese Laufzeitglieder Halbleiterelemente ( z.B. Transistoren, Dioden) · sind, deren Sperrverzögerungszeit als Laufzeit dient. « . ■ ·

   2. Laufzeit- Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, , dass zur Erhöhung der Verzögerungszeitj der Halbleiterelemente

   ein möglichst grosses Verhältnis von Durchlass- und Ausräum-■ strom verwendet 'wird. · .

   3. Laufzeit-Impulsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass- und Ausräumstrom über mindestens einen

   " Widerstand zu- bzw. abgeführt wird und bei der Zuführung eine möglichst grosse und bei der Abführung eine möglichst kleine Spannung dem dem Halbleiterelement abgekehrten Ende dieses Widerstandes zugeführt wird.

   4· Laufzeitimpulsgenerator· nach einem-der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei oder eine höhere ungerade

   Zahl von Transistoren verwendet werden, die jeweils einen • Kollektorwiderstand haben und der Kollektor jedes Transistors jeweils über -einen Koppelwiderstand mit der Basis des folgenden Transistors bzw. der Kollektor des letzten Transistors über einen Koppelwiderstand mit der Basis des ersten Transistors

   verbunden sind. . · . .

   5· Laufzeitimpulsgenerator nach Anspruch 4ι dadurch gekennzeichnet, dass' anstelle de,r koppelwiderstände .Dioden verwendet werden, deren'Sperrverzögerungezeit Meiner als die der Tranaistoren . Bind» ; . . ■ ι ·■■■.. ■■'■-..·■■ . ■ ■

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   SEL/Reg. 11 476

   6. Laufzeit-Impulsg.enerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der. Koppelwiderstände Transietoren in . · Kollektorschaltung verwendet werden, j ·

   7.. Laufzeit-Impulsgeneratör nach einem der Ansprüche 4 bis 6, . dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Variation der Frequenz jeweils von der Basis, der !Dransistoren, deren Sperrverzögerungszeit ausgenutzt wird, Ableitwiderstände zu einer variablen Spannungsqueile führen. ' ■ ·

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   8· Laufzeit- Impulsgenerator nach Anspruch 7# dadurch gekennzeichnet, daes in integrierten Schaltungen diese Ableitwider-' stände, durch Transistoren in Emitterschaltung ersetzt sind.

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