DE1954842A1 - Elektrisches Rechteckumformernetzwerk - Google Patents

Description

Kar! A. B r ο s e

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D-8023 N\ür.:'r.±:i - Pullach
Wiensrsh\2.T.Mihn.79335 70,7931782

vln/au München-Pullach, 29. Oktober Ί969

4277-A

THE BENDIX CORPORATION, Fisher Building, Detroit, Michigan, USA

Elektrisches RechteckumformernetziAierk

Die Erfindung betrifft Rechteckumformernetzwerke, in denen Festkörper-Halbleiterschaltvorrichtungen zur Anwendung gelangen und insbesondere Rechtecktunformernetaerke, die Feldeffekt-Halbleiter als Schalter verwenden.

Es gibt viele Anwendungsfälle, bei denen eine verzerrte, sich wiederholende elektrische Welle in ein Rechteck umgewandelt werden muß, bevor diese Welle weiter in geeigneter Weise verarbeitet werden kann. Ein Beispiel für eine solche verzerrte Welle stellt das Gyro-Signal dar, das in einem automatischen Pilotsystem für Flugzeuge entsteht. In vielen Betriebsphasen einer Autopilotbetriebsweise ist ein Nullen- oder Nullabgleich des Signals aus dem Gyro-Signal gefordert, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, das verzerrte Gyro-Ausgangssignal in eine reine Rechteckweifenform umzuformen. Eine Haupt - förderung der Erfindung, wie dies weiter unten gezeigt werden soll, besteht darin, daß die Signalwelle, die in ein Rechbeck umgewandelt werden soll, Spitzenwerte axifweisen muß, die mit der Impulsfolge frequenz einer Bezugsrechteckwelle auftreten.

Im Falle eines Autopiloteystems erzeugt der Kreisel einen Zug von Amplituden-modulierten Wellen und zwar in Abhängigkeit von äusseren Reizen, wie z.B. der Fluglage des Flugzeugs. Nachdem der Wellenzug geformt ist, wird er einem entsprechenden Mechanismus zugeführt, um das Flugzeug in einer bestimmten Fluglage zuhalten. Eb isb ebenso oft erwünschenswert, daß die Rückwirkung beim

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Auftreten von Inderungen in einem Steuerreiz etwas gedämpft wird oder vermindert wird, um eine übergrosse Rückwirkung zu verhindern, was z.B. im Falle eines Autopilοsystems eine heftige und gefährliche Bewegung des Flugzeugs bewirken könnte.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung richtet sich auf die Schaffung eines Rechteckumformernetzwerkes für EingangssignalweIlen, die Spitzenwerte aufweisen, wobei diese Spitzenwerte mit der Impulsfolgefrequenz einer Bezugsrechteckwelle auftreten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung richtet sich ebenso auf die Sch affin g eines Rechteckumformernetzwerkes, in dem Feldeffekt-Halbleiter als Schalterelemente verwendet sind.

Die Erfindung sucht ebenso ein Rechteckumformernetzwerk vom beschriebenen Typ zu schaffen, d=>s nach Wunsch ausgeführt werden kann, so daß es plötzlich oder langsam auf Änderungen in der Eingangs signalwelle anspricht.

Festkörpervorrichtungen, die in schaltenden Netzwerken vawendet werden, wie z.B. -Transistoren weisen Verlagerungsspannungen auf, wie z.B. die PN Übergangspotentiale und thermische Rauschpotentiale und Spannungen, die durch Gegenströme und Zwischenelektroden-Kapazitätseffekte induziert werden. All diese Erscheinungen tragen etwas zur Verschlechterung oder Verlust der ordinal en Sifjnalform bei, wenn das Signal durch diesen Schalter hindurchgelangt. Die Verwendung von Feldeffekt-Halbleitern, insbesondere Transistoren, als Schalterelemente in diesem speziellen Einheitsrechteckumwandlernetzwerk, Bduziert die Eingangssip-nalverluste, was sic?i auf den Widerstand der schaltenden Elemente bei Sättigung zurückführen lässt, so daß man hierbei ein« minimale Einbuße der Signalform erhält. Die vorliegende Erfindung hat sich daher ebenso zum Ziel gesetzt, ein Netzwerk zum Umformen eines Ein-gangssignals in Rpchtecksform zu schaffen, wobei nur eine

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minimale Einbuße der Signalstabilität auftritt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung, deren einzige Figur einen Schaltplan nach der vorliegenden Erfindung zeigt:

In der einzigen Figur weist eine Signalleitung 10 einen Eingangsanschluß oder Elektrode 12 an einem Ende auf, dem eine verzerrte Rechteckwelle aufgedrückt wird, die in eine Rechtecksform umgewandelt werden soll und diese Leitung weist am anderen Ende eine Aussigselektrode 14 auf und über eine Nebenschlußverbindung ist eine Spannungsquelle zugeführt, die zweckmässig als Erde angenommen ist, wobei diese NebenSchlußverbindung von dem Quelle-Abflußstromlauf (source-drain) des Feldeffekttransistors (FET) 16 und der Kapazität 18 und ebenso von dem Quelle-Abflußstromlauf des FET -20 und der Kapazität 22 gebildet ist. Der FET 16 und 20 sind entgegengesetzt gepolt, d.h. ein FET, nämlich der FET 16 id; vom N-Kanaltyp, während der andere FET 20 vom P-Kanaltyp ist. In Abhängigkeit von einer Bezugsrechteckwelle auf der Schaltleitung 33 werden die FET abwechselnd und zueinander entgegengesetzt gesättigt und voll geschlossen. An die Elektrode 3Ί wird eine Bezug sr echt eckwelle angelegt. Diese Bezugsrechteckwelle ist mit dem Eingangssignal mit Hilfe irgendeiner bekannten Einrichtung synchronisiert. Es sind z.B. Rechteckwellengeneratoren bekannt, die direkt durch eine Synchronisationsinformation synchronisiert werden können, wobei diese Information von einer verzerrten Welle, wie z.B. dem Eingangssignal in diesem Beispiel abgeleitet wird. Eine mtere und einfachere Möglichkeit, eine Bezugsrechteckwelle zu erhalten, die mit dem Eingangssignal synchronisiert ist, besteht, wo es die Umstände erlauben, darin, daß man das Rechteckwellenbezugssignal derjenigen Einrichtung zuführt, die das Eingangssignal in Abhängigkeit von irgendeiner äusseren Einwirkung oder Reiz erzeugt, wie dies zuvor geschildert wurde, plus der Rechteckwellenbezugsquelle. Wenn dies der Fall ist und eine

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Rechteckwellenbezugsquelle für das Rechteckumformernetzv/erk zur Verfugung steht, so wird sie natürlich an die Bezugseii^pngselektrode 31 angeschlossen oder dieser aufgedrückt, da es erforderlich ist, daß diese Bezugsquelle immer mit dem Eingangssignal an der Elektrode 12 synchron ist.

Der Widerstand 32 und die Kapazität 34- stellen ein filterndes Netzwerk oder Schaltung dar, durch die jegliche hochfrequente Geräuschspannung von den flachen ebenen Abschnitten der Bezugsreckteckwelle entfernt wird. Die Zeitkonstante dieses filtern-P den Netzwerkes ist sehr viel kl-einer als die Impulsfolgefrequenz der Bezugsrechteckwelle, so daß die Filterschaltung nur eine unbedeutende Verzögerung des Schaltens der FET 16 und 20 einführt, jedoch von diesen Transistoren Geräuschspannungen isoliert hält.

Das Tor 16a (gate) des FET 16 ist über eine parallele Schaltungsanordnung, bestehend aus der Diode 24 und der Kapazität 26 mit der Schaltleitung 33 verbunden, während die Tor-Elektrode 20a des FET 20 über eine Parallelschaltung,bestehend aus der Diode 28 und Kapazität 3O₁ mit der Schaltleitung 33 verbunden ist. Im Betrieb gelangen positiv gerichtete Wellen der Bezugs- ^ rechteckwelle durch die Diode 28 zur Tor-Elektrode 20a, wodurch der FET 20 leitend vorgespannt wird, während negativ gerichtete Wellen der Bezugsrechteckwelle durch die Diode 24 zur Tor-Elektrode 16a gelangen, so daß dadurch der FET 16 leitend vorgespannt wird. Die Kapazitäten 26 und 30 sind erforderlich, um zu gewährleisten, daß die Ladung, die sich jeweils an den Tor-Elektroden 16a und 20a aufbaut, sich schneller aufbauen kann, als dies nur bei Vorhandensein der Diode allein der Fall sein würde, wenn die Bezugsrechteckwelle ihren Wert ändert. Darüber-Jiinaus schützen die Dioden 28 im Falle einer negativ gerichteten Welle der Bezugsrechteckwelle, und die Diode 24 im Falle einer positiv gerichteten Welle der BezugBrechteckwelle jweils die FET 20 und 16 vor einer Zerstörung durch ein Signal mit voll-

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ständig entgegengesetzter Polarität an den jeweiligen Tor-Elektroden. Die Kapazitäten 26 und 30 weisen einen ziemlich gleichen Wert auf und dieser beträgt etwas weniger als der Kapazitätswert der Kapazität J4-, so daß praktisch eine Kurzschlußverbindung zwischen den Torelektroden 16a und 20a und der Schaltleitung für hochfrequente Komponenten der Rechteckbsugswelle besteht.

Wenn ein FET, wie bei der vorliegenden Erfindung, als Schalter verwendet wird, so stellt dieser in geschlossenem Zustand einen offenen Stromlauf zwischen seiner Quellelektode und seiner Abflußelektrode dar, wobei praktisch ein Leckstrom von Null auftritt. Wenn der FET ,jedoch gesättigt ist, so besteht eine Verbindung zwischen der Quellelektrode und der Abflußelektrode mit niedriger Impedanz. Wenn der zugeordnete FET gesättigt ist, so empfängt oder gibt die Speicherkapazität entweder die Kapazität 18 oder 22 einen Strom an die Signalleitung 10 ab, wobei die Stromstärke davon abhängt, ob die Sign al spannung auf cer

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tung grosser oder kleiner als die Spannung/der Kapazität ist. Der IE-Abf all über dem gesättigten FET jjat eisen geringen Verlust der Signalstärke zur Folgei dieser Verlust ist jedock-minimal aufgrund der zuvor erwähnten niedrigen Impedanz; sswiecben Quellelektrode und der Abflußelektrode,

Während der ersten Perioden des Eingangssignals mp&m die Paritäten 18 und 22 auf die Spitzenwerte des Eingangssignala auf« geladen. Diese Aufladezeit kann durch ßteaern des KapöZitätswer* tea der Kapazitäten 18 und 22 gesteuert werden und diese Zeit bestimmt, ob das Rechteckumformeraetzwerk plötzlichen Änderungen ie Eingangsaignal folgt, oder ob das BeeliteafouafQmernetzweEfe die Wirkung der Änderungen im üingangasignal verzögert. Allge-*· mein kleine Werte der Kapazität hat zur Folge, daß das Bechteek-Umformernetzwerk den Änderungen im Eingangssignal genau folgt, während grosse Kapazitätswerte bewirken, daß das Eechteckumformernetzwerk in seiner Ansprechcharakteristik verzögernd wirkt. Genauer bedeutet dies, diS> die Aufladezeit entweder der Kapazität

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18 oder 22,von der Leitung 10_y von dem Kapazitätswert, der Impedanz der Signal quelle am Punkt 12 und dem Sät timings widerst and des zugeordneten FET abhängt. Die Entladezeit der Kapa-r zitäten 18 und 22 ist, da der Entladeweg von der selben Quelle vorgesehen wird, die gleiche wie die Aufladezeit. Als Ergebnis erhält man genau definierte fiechteckwellen als Ausgang an der Ausgangselektrode 14, und die Ausgangsrechteckswelle zeigt eine Größe, die gleich dem Spitzenwert des Eingangssignals ist.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen. " dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   vll·. Elektrisches Netzwerk zum Umformen eines Eingangsspannungssignals, das sich wiederholende Spitzenspannungswerte aufweist, in eine Rechteckform, gekennzeichnet durch eine Signalleitung (1O) mit einer Eingangselektrode (12) an einem Ende, dem'das Eingengsspannungssignal aufgedrückt wird und mit einer Aiisgangselektrode (14-) an aideren Ende, von dem ein Rechteckpwellenausgangssignal abgeleitet wird, durch eine Bezugspotentialleitung (Erde), durch einen ersten (16) und einen zweiten (20) Nebenschlußzweig, von denen der erste ein erstes Ladungsspeicherelement (18) aufweist, das in Reihe mit einem ersten elektronischen Schalter (16) geschaltet ist und der zweite Zweig ein zweites Ladungsspeieherelement (22) aufweist, das in Reine mit einem zweiten elektronischen Schalter (20) geschaltet ist, wobei die freien Enden jedes der Ladungsspeicherelemente (18, 22) mit einer Bezugspotentialleitung (Erde) und das freie Ende ,jedes elektronischen Schalters (16, 20) mit der Signalleitung (1O) verbunden sind und durch erregende Mittel (24-, 26, 28, 30, 32, 33» 3^-) ^zum abwechselnden öffnen des ersten elektronischen Schalters (16), während dabei entsprechend der zweite elektronische Schalter (20) geschlossen wird und abwechselnfen Schliessen des ersten elektronischen Schalters (16), während dabei der zweite elektronische Schalter (20) entsprechend geöffnet wird und diese Schaltvorgänge mit den Spitzenspannungswerten des Eingangssignals synchronisiert sind.
2. 2. Elektrisches Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Ladungsspeicherelement aus einer ersten und zweiten Kapazität (18, 22) besteht.
3. 3. Elektrisches Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite elektronische Schalter aus einem ersten und einem zweiten Feldeffekt-Halbleiter (16, 20) .besteht.

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4. 4. Elektrisches Netzwerk nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Feldeffekt-Halbleiter aus einem ersten und einem zweiten Feldeffekt-Transistor (16, 20) besteht, die entgegengesetzt gepolt sind und jeweils einen Quelle-Abflußstromlauf und eine Tor-Elektrode (16a, 20s) aufweisen, daß weiter der Quelle-Abflußstromlauf des ersten Feldeffekt-Transistors (16) zwischen die Signalleitung (1O) und dem ersten Ladungsspeicherelement (18) geschaltet ist und der Quelle-Abflußstromlauf des zweiten Feldeffekt-Transistors (20) zwischen' die Signalleitung (10) und dem zweiten Ladungsspeicherelement (22) geschaltet ist.
5. 5. Elektrisches Netzwerk nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungseinrichtung (24, 26, 28, 30, 32, 33, 34) abwechselnd die Tor-Elektrode (16a, 20a) des ersten und des zweiten Feldeffekt-Transistors (16, 20) erregt.
6. 6. Elektrisches Netzwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erregende Einrichtung eine Bezugssignalleitung (33) enthält, die mit den Tor-Elektroden (16a, 20a) des ersten und des zweiten Feld-Effekt-Transistors (16, 20) verbunden ist und daß diese Bezugsleitung durch ein Bezugsrechteckwellensignal erregt ist, das mit dem Eingangsspannungssignal synchronisiert ist.
7. 7· Elektrisches Netzwerk nach Anspruch 6, dadurch gdennzeichnet, daß die Tor-Elektroden (16a, 20a) des ersten und des zweiten Feldeffekt-Transistors (16, 20) Jeweils mit der Bezugssignalleitung (33) über eine Parallelschaltung, bestehend aus einer Diode (24, 28) und einer Kapazität (26, 30) verbunden sind, wobei die Diode (24 oder 28) einer der Pnrallelschaltungen hinsichtlich zur Diode (28 oder 24) der anderen der Parallelschaltungen entgegengesetzt gepolt ist.

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8. 8. Elektrisches Netzwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die BezTigssignalleitung (33) eine FiIt er einrichtung (32, 34-) zum Entfernen unerwünschter Frequenzkomponenten aus dem Bezugsrechteckwellensignal aufwist.

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   Le e rs e i te