CH623691A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Vorrichtung zur Erzeugung von Tonschwingungen für eine elektronische Orgel, gekennzeichnet durch eine Matrix von n • m ersten Transistoren (Tiy) mit m Spalten (i) und n Reihen (j), von welchen in jeweils einer Reihe (j) angeordneten m Transistoren (Tnj-T)mj) die Kollektorelektroden mit einem Ausgangsanschlusspunkt (Xj) verbunden sind und von welchen in jeweils einer Spalte (i) angeordneten n Transistoren (T^-T^n) die Basen mit je einem Eingangsanschlusspunkt (Yj) verbunden sind, ferner dadurch gekennzeichnet, dass jeder der m Spalten (i) ein zweiter Transistor (T2i) zugeordnet ist, derart, dass die Basiselektroden mit den genannten Eingangsanschlusspunkten (Yj) und alle Kollektorelektroden mit dem Eingangsanschluss (7) einer Stromspiegelschaltung (6) mit n Ausgängen (8j) verbunden sind, welche n Ausgänge dazu dienen, einen Strom an wenigstens einen der genannten n Ausgangsanschlusspunkte (Xj) zu führen, von dem die Richtung in bezug auf die Stromspiegelschaltung (6) dieselbe ist wie die des dem Eingangsanschluss (7) zugeführten Stromes, dass überdies die Emitter aller ersten Transistoren (Tnj-Timj) einer Reihe mit Ausnahme des ersten Transistors (Ti 11) der ersten Reihe mit wenigstens einem Transistor einer benachbarten Reihe (j+1) in einer benachbarten Spalte mit einem Leiter verbunden sind, und sowohl für jeden Leiter als auch für den genannten ersten Transistor(Tin) der ersten Reihe Mittel (Fi... Fm+n-O vorhanden sind, um die an die Ausgangsanschlüsse zugeführten und durch die Steuerspannung bestimmten Kollektorströme der ersten Transistoren auf dem jeweiligen Leiter zu zerhacken.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Tonschwingungen für eine elektronische Orgel. Solche bereits bekannten Vorrichtungen enthalten gewöhnlich einen Transistor, dem eine Steuerspannung über dem Eingangskreis angelegt werden kann; einen Ausgangsanschlusspunkt, der mit der Ausgangselektrode dieses Transistors gekoppelt ist, und Mittel, mit deren Hilfe dem Ausgangsanschlusspunkt der durch die Steuerspannung bestimmte Strom pulsierend zugeführt wird. Im folgenden sollen unter «Kollektorelektrode», «Emitterelektrode» und «Basiselektrode» auch die Elektroden verstanden werden, die bei einem Feldeffekttransistor als die Source-Elektrode, die Drain-Elektrode bzw. die Gate-Elektrode bezeichnet werden. Unter dem Eingangskreis ist der Kreis über die Basis und Emitterelektrode zu verstehen, wobei dieser Kreis Impedanzen aufweisen kann.

Bei der obengenannten Verwendung der Vorrichtung in elektronischen Orgeln wird nach dem Drücken einer bestimmten Taste die Steuerspannung angelegt, so dass die Vorrichtung ein impulsförmiges Signal mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz liefert, das mittels eines Lautsprechers hörbar gemacht werden kann. Nach dem Loslassen der Taste nimmt die Steuerspannung allmählich ab, so dass der zugehörige Ton allmählich abklingt.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art für eine andere Anwendung ist aus «Neues aus der Technik», Nr. 2, S. 1, vom 1. April 1970, Artikel Nr. 926, bekannt. Dabei wird eine Spannung an die Basis-Elektrode eines ersten Transistors angelegt, dessen Emitter-Elektrode über einen Widerstand mit einem festen Potential verbunden ist. Die Kollektor-Elektrode ist mit den gemeinsamen Emitter-Elektroden eines zweiten und eines dritten Transistors verbunden. Die Kollektor-Elektrode des zweiten Transistors bildet den Ausgang, während eine schaltende Spannung an die Basis-Elektrode des dritten Transistors angelegt wird. Infolge dieser schaltenden Spannung sind der zweite und der dritte Transistor wechselweise leitend, so dass der von dem ersten Transistor erzeugte Strom pulsierend an den Ausgang weitergeleitet wird.

Bei einer anderen aus der Literatur bekannten Vorrichtung (Fig. 1) zum Erzeugen impulsförmiger Signale mit einer durch die Steuerspannung bestimmten Amplitude enthalten die Mittel, mit deren Hilfe der durch die Steuerspannung bestimmte Strom pulsierend dem Ausgangsanschluss zugeführt wird, eine Spannungsquelle zum Erzeugen impulsförmiger Spannungen, welche Spannungsquelle in Reihe mit einer Impedanz zwischen dem Emitter eines Transistors und einem festen Potential angeordnet ist. Die Steuerspannung wird dabei der Basis zugeführt. Wenn die Spannung der Spannungsquelle hoch ist, ist der Transistor in der Sperrichtung polarisiert, und wenn die Spannung der Spannungsquelle 0 V ist, wird der Kollektorstrom des Transistors durch die Steuerspannung bestimmt. Auf diese Weise wird auch ein impulsförmiger Strom erhalten, dessen Amplitude durch die Steuerspannung bestimmt wird.

Die Vorrichtungen der genannten Art liefern alle ein unipolares Signal. Dadurch weist der impulsförmige Ausgangsstrom eine Gleichstromkomponente auf. Diese nicht sofort unterdrückte Gleichstromkomponente ruft ein hörbares Schaltknackgeräusch beim Drücken einer Taste hervor. Bei Verwendung solcher Vorrichtungen in integrierten Schaltungen und bei Verwendung in Niederfrequenzschaltungen ist es schwierig, diese Gleichstromkomponente mit Hilfe von Trennkondensatoren auszufiltern. Obendrein ergibt sich das Problem, dass bei Verwendung in unter anderem elektronischen Orgeln die Kapazität des Trennkondensators genügend gross sein soll, um niedrige Frequenzen von zum Beispiel 25 Hz noch durchzulassen. Dies hat zur Folge, dass der Kondensator von der Gleichstromkomponente einer erzeugten Impulsreihe verhältnismässig träge aufgeladen wird, wodurch die ersten Impulse einer Reihe noch nahezu die ganze Gleichstromkomponente führen, was zu einer beschleunigten Übersteuerung der Verstärker und Lautsprecher führt.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein impulsförmiges Ausgangssignal ohne Gleichstromkomponente erzeugen kann.

Bei impulsförmigen Signalen mit einer relativen Impulsbreite von 0,5 hat das Fehlen der Gleichstromkomponente ebenfalls zur Folge, dass ein symmetrisches bipolares Signal erhalten wird. Dies ist bei impulsförmigen Signalen mit einer abweichenden relativen Impulsdauer nicht der Fall. Da oft eine Umwandlung unipolarer Signale in symmetrische bipolare Signale erwünscht sein kann, bezweckt die Erfindung weiter, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein symmetrisches bipolares Ausgangssignal liefern kann.

Die Erfindung ist durch die Merkmale im Patentanspruch gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung,

Fig. 2 einige zu der Vorrichtung nach Fig. 1 gehörige Span-nungs- und Stromformen,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 4 einige zu der Anordnung nach Fig. 3 gehörige Span-nungs- und Stromformen,

Fig. 5 ein Anwendungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Verarbeitungseinheit, wie sie in der erfindungs-gemässen Vorrichtung benützt ist und

Fig. 7 einige zu Fig. 6 gehörige Spannungs- und Stromformen.

Fig. 1 zeigt einen Transistor Ti, dessen Basis mit einem Eingangsanschlusspunkt 2 für die Steuerspannung Vs, dessen Kollektor mit einem Ausgangsanschlusspunkt 3 und dessen Emitter über einen Widerstand 4 mit einem Wert R und über eine

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Spannungsquelle 1 mit einer Klemmenspannung V, mit Erde verbunden ist.

Bei Anwendung in elektronischen Orgeln hat die Steuerspannung Vs die in Fig. 2a dargestellte Spannungsform. Die Spannungsquelle 1 liefert eine impulsförmige Spannung Vt, wie in Fig. 2b dargestellt ist. Wenn die Amplitude E der impulsförmigen Spannung Vt genügend gross, zum Beispiel grösser als die Steuerspannung VS1 ist, ist der Transistor Ti in der Sperrich-tung polarisiert, wenn die Spannung Vt gleich E ist. Wenn die Spannung Vt gleich Null ist, führt der Transistor Tj einen Kollektorstrom Is gleich (Vs-Vt)/R mit Vt = Basis-Emitter-Span-nung des Transistors Ti, wenn der Transistor Ti ein Bipolartransistor ist, und mit Vt = Schwellwertspannung, wenn der Transistor Ti ein Feldeffekttransistor ist. Die Form dieses Stromes Is ist in Fig. 2c dargestellt.

Der Strom Is weist eine Gleichstromkomponente auf, deren Form in Fig. 2d dargestellt ist. Wenn der Strom Is dann einem RC-Filter zugeführt wird, um die Gleichstromkomponente aus-zufiltern, wird das Ausgangssignal dieses Filters dennoch während einiger Zeit eine Gleichstromkomponente enthalten. Fig. 2d zeigt die Form dieser Gleichstromkomponente.

In dem Beispiel nach Fig. 3 wird die Spannungsquelle 1 durch einen elektronischen Schalter Sk in Reihe mit dem Widerstand 4 mit einem Wert R gebildet, welcher Schalter von einer Vorrichtung 9 betätigt wird. Wenn der Schalter Sk geschlossen wird, ist die Spannung Vt gleich 0 V, und wenn der Schalter Sk geöffnet wird, steigt die Spannung Vt schnell an, so dass der Transistor Ti in der Sperrichtung polarisiert wird. Um dafür zu sorgen, dass der Transistor Ti schnell und gewiss in der Sperrichtung polarisiert wird, wird dem Schalter ein Strom I0 von einer Stromquelle I0 zugeführt, die aus einem als Stromquelle gesteuerten pnp-Transistor bestehen kann.

Der Steuerspannungsanschlusspunkt 2 ist mit der Basis des Transistors Ti und auch mit der Basis eines zweiten Transistors T2 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 5, gleichfalls mit einem Wert R, mit Erde verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T2 ist mit einem Eingangsanschlusspunkt 7 einer Stromspiegelschaltung 6 verbunden, deren Ausgangsanschlusspunkt 8 mit dem Ausgangsanschlusspunkt 3 verbunden ist, der auch mit dem Kollektor des Transistors Ti verbunden ist. Die Bemessung ist derart gewählt, dass der Ausgangsstrom Is der Stromspiegelschaltung 6 dabei stets gleich der Hälfte des Eingangsstroms I7 ist, wobei die Richtung dieser Ströme in Fig. 3 angegeben sind. Der Ausgangsstrom Iu, der den Ausgangsanschlusspunkt 3 durchfliesst, ist dabei gleich Is-Is.

Wenn an den Steuereingangsanschlusspunkt 2 eine Spannung Vs nach Fig. 4a angelegt und der Schalter Sk mit einer bestimmten Frequenz geöffnet und geschlossen wird, ist der Kollektorstrom Is des Transistors T1 eine unipolare Impulsreihe mit einer Amplitude gleich (Vs-Vbe)/R, wobei Vbe die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 ist. Diese Impulsreihe ist in Fig. 4b dargestellt. Wenn der Transistor T2 im wesentlichen gleich dem Transistor Ti und der Wert R des Widerstandes 5 gleich dem Wert R des Widerstandes 4 ist, ist der Kollektorstrom des Transistors T2 ein Gleichstrom (Vs-Vbe)/R. Der Ausgangsstrom Is der Stromspiegelschaltung 6 ist dann gleich Vi (Vs-Vbe)/R, wobei die Form dieses Stromes in Fig. 3c dargestellt ist.

Den Ausgangsanschlusspunkt 3 durchfliesst ein Strom Iu = Ig—Iß, welcher Strom symmetrisch bipolar ist, wobei die Form dieses Stromes in Fig. 4d dargestellt ist. Falls die relative Impulsbreite gleich 0,5 ist, weist der Ausgangsstrom Iu keine Gleichstromkomponente auf. Bei einer abweichenden relativen Impulsbreite soll zum Ausgleichen der Gleichstromkomponente die Schaltung angepasst werden, zum Beispiel dadurch, dass der Wert des Widerstandes 5 in bezug auf den Wert des Widerstandes 4 geändert oder dass der Verstärkungsfaktor der Stromspiegelschaltung 6 angepasst wird. Dies kann gegebenen-

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falls auf veränderliche Weise erfolgen, zum Beispiel dadurch, dass für die Stromspiegelschaltung 6 ein Verstärker mit regelbarem Verstärkungsfaktor gewählt wird.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer integrierten Schaltung für elektronische Orgeln. Bei dieser wird von der Vorrichtung nach Fig. 3 ausgegangen. Die Schaltung umfasst 25 Transistoren Ti, die in einer 5 x 5-Matrix angeordnet sind. Diese Transistoren sind mit Tjy numeriert, wobei i = 1 bis 5 die Rangnummer der Spalte und j = 1 bis 5 die Rangnummer der Reihe ist. Die Basen aller Transistoren Tiy sind pro Spalte mit einem Spaltenleiter Yj und die Kollektoren pro Reihe mit einem Reihenleiter Xj verbunden. Die Emitter der Transistoren T1 y sind über Emitterwiderstände R pro Diagonalenrichtung mit einem Diagonalenleiter Z«, also Tin mit Zi,Ti 12 und T121 mit Z2,Tin,T122 und Tui mit Z3,... und T155 mit Zs verbunden. Jeder Spalte i ist ein Transistor T2 zugeordnet, welche Transistoren mit T2i numeriert sind. Die Basis eines Transistors T2j ist mit einem Spaltenleiter Yj, der Emitter eines solchen Transistors über einen Widerstand R mit Erde und die Kollektoren dieser Transistoren sind alle gemeinsam mit dem Eingangs-Anschlusspunkt 7 der Stromspiegelschaltung 6 verbunden, der fünf Ausgangsanschlusspunkte 81... 8j... 85 enthält und von dem Eingangsanschlusspunkt 7 an eine Stromverstärkung 0,5 zu allen Ausgangsanschlusspunkten 8j aufweist. Bei der Stromspiegelschaltung 6 ist zwischen dem Eingangsanschlusspunkt 7 und einem Speisungsanschlusspunkt + VB ein als Diode geschalteter Transistor Ti angeordnet, der aus zwei parallel geschalteten Transistoren besteht, die mit den Transistoren T5j identisch sind. Der als Diode geschaltete Transistor Tt überbrückt die Basis-Emitter-Strecke von fünf Transistoren Tsi ... T5j... T55, wobei die Kollektoren dieser Transistoren Tsi... T5i... T55 zu den Ausgangsanschlusspunkten 81... 8j... 85 führen.

Die Diagonalenleiter ZK führen über Spannungsquellen FK zu Erde. Diese Quellen FK liefern unipolare impulsförmige Spannungen, die zum Beispiel entsprechend der Quelle 1 in Fig. 3 die mit denselben gekoppelten Transistoren schalten; wie Fig. 3 zeigt, können diese Quellen aus (elektronischen) Schaltern bestehen. Dabei ist die Frequenz fk der von der Quelle FK gelieferten Spannungsimpulse durch Zweiteilung aus der von der Quelle FK.i gelieferten Spannung, also fk.j = 2fk, erhalten.

Die Spaltenleiter Yj führen zu einer Vorrichtung 12, mit deren Hilfe eine Steuerspannung Vs einem oder mehreren der Spaltenleiter Yj zugeführt wird. Diese Vorrichtung 12 wird mit Hilfe von Tasten betätigt. Eine Steuerspannung Vs an einem der Spaltenleiter Yj verursacht einen Ausgleichstrom (Vs-Vbe)/R, der durch den Eingangsanschlusspunkt 7 der Stromspiegelschaltung 6 fliesst. Durch die Ausgangsanschlusspunkte 8j flies-sen also Ströme Vi (Vs-Vbe)/R. Die Ausgangsanschlusspunkte 8j sind dabei mit je einem Reihenleiter Xj verbunden. Diese Reihenleiter führen zu einer Verarbeitungseinheit 13 zur Verarbeitung der diese Reihenleiter durchfliessenden Ströme.

Wenn zum Beispiel an einen Spaltenleiter Yi die Steuerspannung Vs angelegt wird, führen die Transistoren Ti n, Tu 2, Tin,T114 und T115 unipolare impulsförmige Kollektorströme mit einer Amplitude (Vs-Vbe)/R und mit einer Frequenz fi, fî, f3, ft bzw. f5, welche Ströme über die Reihenleiter Xi, X2, X3, X4 bzw. Xs zu der Verarbeitungseinheit 13 fliessen. Über die Ausgangsanschlusspunkte 81,82,83,84 und 85 wird in jedem Reihenleiter ein Strom Vi (Vs-Vbe)/R ausgeglichen, so dass die Verarbeitungseinheit 13 symmetrisch bipolare Stromimpulse empfängt. Auf entsprechende Weise empfängt die Verarbeitungseinheit bei Erregung des Spaltenleiters Y2 mit einer Steuerspannung V2 symmetrische bipolare Ströme mit einer Frequenz f2, f3, fi, fs bzw. fs und zum Beispiel bei Erregung des Spaltenleiters Ys mit einer Steuerspannung Vs weisen diese Ströme die Frequenzen f5, fe, h, f8 bzw. fs auf. Erregung mehr als eines Spaltenleiters ist möglich.

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Auf die beschriebene Weise sind von 25 Einheiten nach Fig. 3 die Transistoren T2 pro Spalte kombiniert, die Spannungsquellen 1 pro Diagonale kombiniert und die Stromspiegelschaltung 6 zu einer einzigen Stromspiegelschaltung 6 pro Reihe einem Ausgang zusammengebaut. 5

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Verarbeitungseinheit 13. Die Reihenleiter Xi... Xj... Xs, die sich an die entsprechenden Reihenleiter der Vorrichtung nach Fig. 5 anschliessen, führen zu den respektiven Verbindungspunkten ki... kj... ks eines Leiternetzwerks. Jeder Verbindungspunkt Xj ist über einen 10 Widerstand Rj mit einem Punkt 15 festen Potentials und jeder Verbindungspunkt kj ist über einen Widerstand Kjj+i mit dem Verbindungspunkt kj+1. zum Beispiel der Verbindungspunkt k3 über den Widerstand R34 mit dem Verbindungspunkt k4 und über den Widerstand R3 mit dem Punkt 15, verbunden. 15

Weisen die Widerstände Ri, R12, R23, R34, R45 und Rs einen Wert Ro und die Widerstände R2, R3 und R4 einen Wert 2Ro auf, so ist der abschliessende Widerstand an jedem Verbindungspunkt gleich Ro. Von dem Verbindungspunkt k4 her gesehen,

weist die Reihenschaltung der Widerstände R45 und Rs mit dem 20 zu dieser Reihenschaltung parallel geschalteten Widerstand R7 einen Ersatzwert Ro auf. Von dem Verbindungspunkt k3 her gesehen, weist der Widerstand R34 in Reihe mit dem abschliessenden Widerstand am Verbindungspunkt k4 mit dem zu dieser Reihenschaltung parallel geschalteten Widerstand Rô einen 25 Ersatzwert Ro auf. Ähnliches gilt für jeden Verbindungspunkt kj.

Wenn durch den Reihenleiter Xi ein Strom Ii fliesst, fliesst Vüi durch den Widerstand R12 und %Ii durch den Widerstand Ri. Der Strom 'Ah teilt sich am Verbindungspunkt kî in zwei 30 gleiche Teile auf, so dass ein Strom Véli durch den Widerstand R23 fliesst. Ebenso teilt sich der Strom an den Verbindungspunkten k3 und k4 auf, so dass durch den Widerstand Rs ein Strom Î/24I1 fliesst.

Wenn durch den Reihenleiter X2 ein Strom I2 fliesst, fliesst '35 V3I2 durch den Widerstand R23. Dieser Strom teilt sich jeweils an den Verbindungspunkten k3 und k4 auf, so dass durch den

Widerstand Rs ein Strom V12I2 fliesst.

Fliessen durch die Reihenleiter Xi... Xs die Strome Ii... Is, so fliesst durch den Widerstand Rs ein Strom gleich V24I14" '/i2l2+ '/éh-t- Î/3I4+%Is. Dieser Strom kann zum Beispiel als eine Spannung über dem Widerstand Rs zwischen den Anschlusspunkten 14 und 15 detektiert werden.

Die Vorrichtung nach Fig. 5 liefert bei Erregung eines Spaltenleiters über die Reihenleiter Xi... Xs fünf symmetrische bipolare Ströme mit jeweils um einen Faktor 2 niedrigerer Frequenz. Die Vorrichtung nach Fig. 5 ist derart bemessen, dass die Ströme Ii... Is alle eine Amplitude I und jeweils eine um einen Faktor 2 niedrigere Frequenz aufweisen und dabei in einer richtigen Phasenbeziehung zueinander stehen. Die Ströme Vuh... %Is, die den Widerstand Rs durchfliessen, sind in den Fig. 7a... 7e dargestellt. Fig. 7f zeigt die Summe dieser Ströme, die nahezu sägezahnförmig ist und eine Amplitude 31/241 und eine Wiederholungsfrequenz gleich der niedrigsten Frequenz der Ströme Ii... Is, das heisst die Wiederholungsfrequenz des symmetrischen bipolaren Stromes Is, aufweist. Ausserdem enthält dieser sägezahnförmige Strom keine Gleichstromkomponente.

Durch Anwendung der Verarbeitungseinheit 13 nach Fig. 6 in Verbindung mit der Vorrichtung nach Fig. 5 werden nahezu sägezahnförmige Signale bei Erregung der Spaltenleiter Yi... Ys erzeugt. Die Wiederholungsfrequenzen dieser sägezahnför-migen Signale sind bei Erregung eines Stromleiters Yj um eine Oktave höher als bei Erregung eines Spaltenleiters Yj+j.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele. So wird es einleuchten, dass die verwendeten Bipolartransistoren, insbesondere wenn sie nur eine Schaltfunktion wie der Transistor Ti oder eine Stromsteuerfunktion wie der Transistor T2 erfüllen, ohne weiteres durch Feldeffekttransistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, ersetzt werden können. Für integrierte Schaltungen werden für den Transistor Tt nach wie vor Bipolartransistoren bevorzugt.

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3 Blatt Zeichnungen