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Dokumentenidentifikation DE19626283C2 15.01.1998
Titel Diskriminatorschaltung
Anmelder Hagenuk Telecom GmbH, 24118 Kiel, DE
Erfinder Schönke, Herbert, 24589 Schülp, DE
Vertreter Patentanwälte HANSMANN-KLICKOW-HANSMANN, 22767 Hamburg
DE-Anmeldedatum 29.06.1996
DE-Aktenzeichen 19626283
Offenlegungstag 21.08.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.01.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.01.1998
IPC-Hauptklasse H03K 5/08
IPC-Nebenklasse H03K 5/22   H03K 17/30   H03F 3/45   

Beschreibung[de]

Erfindung betrifft eine Diskriminatorschaltung mit einem Differenzeingang und einem Fensterdiskriminator zur Erzeugung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer eine positive oder eine negative Bezugsspannung (Schwellenspannung) überschreitenden Eingangsspannung.

Solche Schaltungen haben die Aufgabe, ein Eingangssignal in der Weise auszuwerten, daß beim Überschreiten einer negativen oder positiven Bezugsspannung die Ausgänge aktiviert werden. Die Schaltungen dienen z. B. als Empfänger für gleichstromfreie Datensignale nach CCITT-Empfehlung I.430.

Schaltungen dieser Art sind bekannt (z. B. in Tietze, Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, Ausgabe 1983, S. 180) und sollen im folgenden beispielhaft anhand von Fig. 3 beschrieben werden. Die in dieser Figur gezeigte Schaltung weist zwei als Differenzeingang geschaltete Eingangsanschlüsse IN1 und IN2 sowie Ausgangsanschlüsse OUT1 und OUT2 auf. Ferner ist ein erster, ein zweiter und ein dritter Komparatorverstärker (Operationsverstärker) A1, A2 bzw. A3 sowie eine erste und eine zweite Bezugsspannungsquelle REF1 und REF2 vorgesehen.

Der erste Komparatorverstärker A1 ist als Differenzverstärker beschaltet und an seinem nichtinvertierenden Eingang 3 über einen Widerstand R2 mit dem ersten Eingangsanschluß IN1 und an seinem invertierenden Eingang 2 über einen Widerstand R3 mit dem zweiten Eingangsanschluß IN2 verbunden. Widerstände R1 und R4 bilden mit den Widerständen R2 bzw. R3 in bekannter Weise jeweils einen Eingangs-Spannungsteiler.

Die Komparatorverstärker A2 und A3 sind als Fensterdiskriminator geschaltet und jeweils an ihrem invertierenden Eingang 2 bzw. ihrem nichtinvertierenden Eingang 3 mit der ersten bzw. zweiten Bezugsspannungsquelle REF1, REF2 verbunden. An den beiden anderen Eingängen dieser Komparatorverstärker liegt der Ausgang 6 des ersten Komparatorverstärkers A1 an.

Wenn der Differenzverstärker durch die Differenz seiner Eingangssignale so weit ausgesteuert wird, daß seine Ausgangsspannung die Bezugsspannungen über- oder unterschreitet, liegt an den Ausgangsanschlüssen OUT1 und OUT2 eine von Null abweichende Ausgangsspannung an. Die Bezugsspannungen werden durch die Bezugsspannungsquellen REF1 und REF2 sowie die Widerstandsverhältnisse R1/R2 und R4/R3 bestimmt.

Infolge der hohen Leerlaufverstärkung durch den Differenzverstärker zusammen mit der Widerstandsbeschaltung ist eine sehr gute Gleichtaktunterdrückung bei niedrigen Frequenzen des Eingangssignals zu erzielen. Nachteilig bei diesen Schaltungen ist jedoch die Tatsache, daß diese Regelung bei höheren und hohen Frequenzen aufgrund der Signallaufzeiten versagt, so daß insoweit Gleichtaktsignale doch verstärkt werden.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Eingang des ersten Komparatorverstärkers A1 aufgrund der Beschaltung mit relativ hochohmigen Widerständen empfindlich gegenüber eingestreuten Störsignalen ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Diskriminatorschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bis in den Bereich hoher Frequenzen eine wesentlich bessere Gleichtaktunterdrückung aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer solchen Diskriminatorschaltung durch eine zwei Stromquellen und zwei Stromspiegelschaltungen aufweisende Differenzstufe zur Erzeugung eines mit einem Differenz-Eingangsstrom korrespondierenden Differenzstroms, sowie eine Einrichtung zur Umwandlung des Differenzstroms in eine Spannung, die dem Fensterdiskriminator zugeführt wird.

Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß der Eingang des Differenzverstärkers sehr niederohmig und somit unempfindlich gegenüber eingestreuten Störfeldern ist.

Ferner ist das Gesamtsystem nicht gegengekoppelt, so daß nur geringe Phasendrehungen auftreten können und die Gleichtaktunterdrückung gerade bei hochfrequenten Eingangssignalen wesentlich verbessert ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Modifikationen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Differenzeingang ist danach mit den Basisanschlüssen eines ersten und eines zweiten Transistors verbunden, die zur Erzeugung von Stromspiegel darstellenden Kollektorströmen basisseitig jeweils mit einer Diode und einer Stromquelle beschaltet sind.

Zur Erzeugung des Differenzstroms kann der Stromspiegel des ersten Transistors mit einer dritten Stromspiegelschaltung gespiegelt und von dem Kollektorstrom des zweiten Transistors subtrahiert werden.

Ferner kann die dritte Stromspiegelschaltung durch eine dritte Diode und einen dritten Transistor gebildet sein, wobei die Basis des dritten Transistors mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist.

Die Einrichtung zur Umwandlung des Differenzstroms in eine Spannung kann durch einen mit einem Widerstand gegengekoppelten Inverterverstärker gebildet sein.

Ferner kann der Fensterdiskriminator einen ersten und einen zweiten Komparator aufweisen, an deren jeweils invertierendem bzw. nichtinvertierendem Eingang jeweils eine erste bzw. zweite Bezugsspannungsquelle liegt, wobei die Differenzspannung an den jeweils anderen Eingang des ersten und zweiten Komparators geführt ist.

Die Aufgabe wird auch durch eine Diskriminatorschaltung der eingangs genannten Art gelöst, die einen ersten und einen zweiten Transistor aufweist, die in Basisschaltung geschaltet sind und mit deren Basisanschlüssen eine Bezugsspannungsquelle, und mit deren Emitteranschlüssen eine erste Stromquelle bzw. eine zweite Stromquelle verbunden ist, wobei der Differenzeingang zwischen den Emitteranschlüssen dieser Transistoren liegt und eine Einrichtung zur Umwandlung des Differenzstroms in eine Spannung, die dem Fensterdiskriminator zugeführt wird, vorgesehen ist.

Hierbei kann anstelle der Stromquellen jeweils ein Widerstand vorgesehen sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diskriminatorschaltung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diskriminatorschaltung;

Fig. 3 eine bekannte Diskriminatorschaltung der eingangs erläuterten Art;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Gleichtaktunterdrückung der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Diskriminatorschaltung im Vergleich zu der bekannten Diskriminatorschaltung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diskriminatorschaltung und

Fig. 6 eine graphische Darstellung von Eingangs- und Ausgangssignalen der in Fig. 5 gezeigten Schaltung.

Der Stand der Technik wurde eingangs bereits anhand der Fig. 3 erläutert. Die in Fig. 1 gezeigt Ausführungsform der Erfindung weist demgegenüber zwei Stromquellen I1 und I2 sowie zwei Stromspiegelschaltungen 10, 20 auf, die jeweils durch einen ersten Transistor Q1, eine erste Diode D1 bzw. einen zweiten Transistor Q2, eine zweite Diode D2 gebildet sind. Der Differenz-Eingangsstrom wird an Anschlüsse IN1 und IN2 angelegt, die jeweils mit dem Basisanschluß des ersten bzw. zweiten Transistors Q1, Q2 verbunden sind. Dieser Eingang ist sehr niederohmig und wird praktisch nur durch die erste und zweite Diode D1, D2 bestimmt.

Ferner ist eine dritte Stromspiegelschaltung 30 vorgesehen, die einen dritten Transistor Q3 und eine dritte Diode D3 aufweist und mit der der Stromspiegel der ersten Stromspiegelschaltung 10 (Kollektorstrom des ersten Transistors Q1) nochmals gespiegelt und von dem Stromspiegel der zweiten Stromspiegelschaltung 20 (Kollektorstrom des zweiten Transistors Q2) subtrahiert wird. Dazu ist die Basis des dritten Transistors Q3 mit dem Kollektor des ersten Transistors Q1 verbunden, während seine Emitter-Kollektorstrecke in den Kollektorweg des zweiten Transistors Q2 geschaltet ist.

Der auf diese Weise erzeugte Differenzstrom liegt am gemeinsamen Kollektor des zweiten und dritten Transistors Q2, Q3 an und wird mit einem Inverterverstärker A1, der mit einem Widerstand R1 gegengekoppelt ist, in eine Spannung umgewandelt. Diese Spannung wird in gleicher Weise wie in Fig. 3 von einem durch zwei Komparatoren A2, A3 mit jeweils einer Bezugsspannungsquelle REF1, REF2 gebildeten Fensterdiskriminator 50 ausgewertet.

Wenn also der Differenzstrom so groß wird, daß die mit dem Inverterverstärker A1/R1 erzeugte Spannung die Bezugsspannungen über- oder unterschreitet, liegt an den Ausgangsanschlüssen OUT1 und OUT2 eine von Null abweichende Ausgangsspannung an. Die Bezugsspannungen werden in bekannter Weise wiederum durch die erste und zweite Bezugsspannungsquelle REF1 und REF2 bestimmt.

Die Eingangsströme an den Eingängen IN1 und IN2 dürfen in positiver Richtung (D1 bzw. D2 leitend) fast beliebig ansteigen, ohne daß die beschriebene Arbeitsweise aussetzt. Anders verhält es sich jedoch, wenn der Eingangsstrom negativ wird. Wenn aus den Eingängen IN1 und IN2, z. B. durch eine auf der Eingangsleitung vorhandene Gleichtaktstörung, Strom herausfließt und dieser Strom größer wird als der Strom aus I1 oder I2, werden die Stromspiegel D1/Q1 bzw. D2/Q2 stromlos und die Schaltung erkennt differentielle Eingangssignale nicht mehr. Diesen Nachteil besitzt die weiter unten anhand von Fig. 5 beschriebene dritte Ausführungsform nicht.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Sie unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform insoweit, als anstelle der ersten und zweiten Stromspiegelschaltung hierbei ein erster und ein zweiter Transistor Q1, Q2 vorgesehen ist, die jeweils in Basisschaltung geschaltet sind und mit deren Basisanschlüssen eine Bezugsspannungsquelle REF3 verbunden ist. An dem Emitteranschluß des ersten Transistors Q1 liegt eine erste Stromquelle I1, während der Emitteranschluß des zweiten Transistors Q2 mit einer zweiten Stromquelle I2 verbunden ist. Der Differenzeingang IN1, IN2 liegt zwischen den Emitteranschlüssen dieser Transistoren Q1 und Q2.

Der Eingangswiderstand dieser Schaltung wird in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform durch den differentiellen Widerstand der Emitter der Transistoren Q1 und Q2 gebildet.

Die Stromquellen I1 und I2 können auch durch jeweils einen Widerstand ersetzt werden.

Bei beiden Ausführungsformen können die gezeigten bipolaren Transistoren natürlich auch durch entsprechende MOS-Transistoren ersetzt werden.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Gleichtaktunterdrückung über der Frequenz eines Eingangssignals, und zwar für die erfindungsgemäße Diskriminatorschaltung gemäß Fig. 1 und die bekannte Diskriminatorschaltung gemäß Fig. 3.

Aus diesem Diagramm wird die insbesondere bei höheren Frequenzen gegenüber der bekannten Schaltung wesentlich verbesserte Gleichtaktunterdrückung deutlich.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird die Schaltung von zwei Spannungsquellen V+ und V- symmetrisch versorgt. Der Arbeitspunkt wird durch die beiden Widerstände R1 und R2 sowie die beiden Diodenschaltungen Q9 und Q10 eingestellt. Bei gleicher Geometrie der Transistoren Q9, Q1, Q3 bzw. Q10, Q2, Q4 werden alle Transistoren vom gleichen Ruhestrom durchflossen. Die Emitter der genannten Transistoren befinden sich etwa auf Massepotential. Eingangssignale in Form von Wechselstrom durch die Widerstände R4 und R5 modulieren den Kollektorstrom der Transistoren Q1, Q3, Q2 und Q4. Eingangsströme durch R4 erscheinen wegen der Stromspiegel Q5, Q6 bzw. Q7, Q8 invertiert am Eingang des Strom/Spannungswandlers A1, Eingangsströme durch R5 werden nichtinvertiert durch Q3 und Q4 weitergegeben, d. h. von den Eingangsströmen aus R4 subtrahiert. Die Diodenschaltungen Q11 und Q12 erzeugen einen Spannungsabfall, damit Q3 und Q4 aussteuerbar sind. Der Strom/Spannungswandler 40 sowie die Fensterdiskriminatorschaltung mit A2/A3 und REF1/REF2 entsprechen den Ausführungsformen in Fig. 1 und Fig. 2.

Die Eingangsschaltung mit den Transistoren Q1 bis Q12 zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Die Eingänge (hinter den Widerständen R4 und R5) sind für Ströme beider Richtungen niederohmige Stromknoten. Selbst bei großen Strömen, z. B. durch energiereiche Gleichtaktstörungen, finden nur geringfügige Spannungsänderungen an den differentiellen Widerständen der Eingangstransistoren statt. Bei richtiger Auslegung der Widerstände R4 und R5 sowie der Trennkondensatoren C1 und C2 sind keine Maßnahmen gegen Überspannungen mehr erforderlich. Aus diesem Grund und wegen der guten Gleichtaktunterdrückung kann auf den üblichen Eingangsübertrager verzichtet werden.

Fig. 6 zeigt im oberen Teil das Diagramm eines Dreieck-Eingangssignals Vdiff sowie eine überlagerte Störspannung mit der 20fachen Amplitude, im unteren Teil das Signal am Ausgang des Operationsverstärkers A1, das die besonders wirkungsvolle Störunterdrückung deutlich macht.

Die Bipolartransistoren Q1 bis Q12 können auch durch MOS-Feldeffekttransistoren ersetzt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Diskriminatorschaltung mit einem Differenzeingang und einem Fensterdiskriminator zur Erzeugung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer eine positive oder negative Bezugsspannung (Schwellenspannung) überschreitenden Eingangsspannung, gekennzeichnet durch eine zwei Stromquellen (I1 und I2) und zwei Stromspiegelschaltungen (10; 20) aufweisende Differenzstufe zur Erzeugung eines mit einem Differenz-Eingangsstrom korrespondierenden Differenzstroms, sowie eine Einrichtung (40) zur Umwandlung des Differenzstroms in eine Spannung, die dem Fensterdiskriminator (50) zugeführt wird.
  2. 2. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzeingang (IN1, IN2) mit den Basisanschlüssen eines ersten und eines zweiten Transistors (Q1, Q2) verbunden ist, die zur Erzeugung von Stromspiegel darstellenden Kollektorströmen basisseitig, jeweils mit einer Diode (D1, D2) und einer Stromquelle (I1, I2) beschaltet sind.
  3. 3. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Differenzstroms der Stromspiegel des ersten Transistors (Q1) mit einer dritten Stromspiegelschaltung (30) gespiegelt und von dem Kollektorstrom des zweiten Transistors (Q2) subtrahiert wird.
  4. 4. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Stromspiegelschaltung (30) durch eine dritte Diode (D3) und einen dritten Transistor (Q3) gebildet ist, wobei die Basis des dritten Transistors mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q1) verbunden ist.
  5. 5. Diskriminatorschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40) zur Umwandlung des Differenzstroms in eine Spannung durch einen mit einem Widerstand (R1) gegengekoppelten Inverterverstärker (A1) gebildet ist.
  6. 6. Diskriminatorschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterdiskriminator (50) einen ersten und einen zweiten Komparator (A2, A3) aufweist, an deren jeweils invertierendem bzw. nichtinvertierendem Eingang jeweils eine erste bzw. zweite Bezugsspannungsquelle (REF1, REF2) liegt und daß die Differenzspannung an den jeweils anderen Eingang des ersten und zweiten Komparators geführt ist.
  7. 7. Diskriminatorschaltung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Transistor (Q1, Q2), die in Basisschaltung geschaltet sind und mit deren Basisanschlüssen eine Bezugsspannungsquelle (REF3), und mit deren Emitteranschlüssen eine erste Stromquelle (I1) bzw. eine zweite Stromquelle (I2) verbunden ist, wobei der Differenzeingang (IN1, IN2) zwischen den Emitteranschlüssen dieser Transistoren liegt und eine Einrichtung (40) zur Umwandlung des Differenzstroms in eine Spannung, die dem Fensterdiskriminator (50) zugeführt wird, vorgesehen ist.
  8. 8. Diskriminatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Stromquellen (I1, I2) jeweils ein Widerstand vorgesehen ist.
  9. 9. Diskriminatorschaltung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzeingang mit den Emitteranschlüssen eines ersten und zweiten bzw. eines dritten und vierten Transistors (Q1, Q2; Q3, Q4) verbunden ist, daß der Eingangsstrom durch den ersten und zweiten Transistor (Q1, Q2) mit Stromspiegel darstellenden fünften und sechsten bzw. siebten und achten Transistoren (Q5, Q6, Q7, Q8) invertiert und von dem Eingangsstrom durch den dritten und vierten Transistor subtrahiert wird und daß eine Einrichtung (40) zur Umwandlung des Differenzstroms in eine Spannung, die dem Fensterdiskriminator (50) zugeführt wird, vorgesehen ist.
  10. 10. Diskriminatorschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung von zwei Spannungsquellen V+ und V- symmetrisch versorgt wird.






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