DE10337416B3

DE10337416B3 - Kreuzschienenverteiler

Info

Publication number: DE10337416B3
Application number: DE10337416A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Oppelt; Markus Dr. Vester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2023-08-15
Also published as: US20050041496A1; US7064628B2

Abstract

Ein Kreuzschienenverteiler weist eine Anzahl von Kreuzungspunkten (3) auf, an denen steuerbare Schaltelemente (6) angeordnet sind, mittels derer ein einer Zeile (1) zugeführtes Eingangssignal (E) auf eine diese Zeile (1) an diesem Kreuzungspunkt (3) kreuzende Spalte (2) durchschaltbar ist, wenn dem jeweiligen Kreuzungspunkt (3) über einen Steuereingang (7) ein Durchschaltsignal (D) zugeführt wird. Die steuerbaren Schaltelemente (6) weisen Verstärkerelemente (10) auf, deren Verstärkereingänge (11) mit den Zeilen (1) und deren Verstärkerausgänge (12) mit den Spalten (2) verbunden sind. Die Verstärkerelemente (10) sind derart beschaltet, dass sie nur dann elektrische Energie verbrauchen, wenn dem jeweiligen Kreuzungspunkt (3) das Durchschaltsignal (D) zugeführt wird. An den Zeileneingängen (4) bzw. den Spaltenausgängen (8) gegenüberliegenden Enden der Zeilen (1) sind Zeilenwellenwiderstände (13) bzw. Spaltenwellenwiderstände (14) angeordnet, über die an die Zeilen (1) eine Zeilenspannung (U1) bzw. an die Spalten (2) eine Spaltenspannung (U2) angelegt ist. Die Verstärkerelemente (10) sind als Grundbipolartransistoren (10) mit je einem Emitter, einem Kollektor und einer Basis oder als Grundfeldeffekttransistoren (10) mit je einer Source, einem Drain und einem Gate ausgebildet. Deren Basen bzw. die Gates entsprechen den Verstärkereingängen (11), deren Kollektoren bzw. Drains sind mit den Spalten (2) verbunden. Zwischen den Kollektoren bzw. den Drains der Grundtransistoren ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kreuzschienenverteiler mit einer Anzahl von Zeilen und einer Anzahl von die Zeilen an Kreuzungspunkten kreuzenden Spalten,

– wobei jeder Zeile über einen ei Zeileneingang ein Eingangssignal zuführbar ist,
– wobei an den Kreuzungspunkten steuerbare Schaltelemente angeordnet sind, mittels derer ein einer Zeile zugeführtes Eingangssignal auf die diese Zeile an diesem Kreuzungspunkt kreuzende Spalte durchschaltbar ist, wenn dem jeweiligen Kreuzungspunkt über einen Steuereingang ein Durchschaltsignal zugeführt wird,
– wobei an jeder Spalte über einen Spaltenausgang ein durchgeschaltetes Eingangssignal als Ausgangssignal abgreifbar ist,
– wobei die steuerbaren Schaltelemente Verstärkerelemente mit einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang aufweisen,
– wobei die Verstärkereingänge mit den Zeilen und die Verstärkerausgänge mit den Spalten verbunden sind,
– wobei an den Zeileneingängen gegenüber liegenden Enden der Zeilen Zeilenwellenwiderstände angeordnet sind und an die Zeilen über die Zeilenwellenwiderstände eine Zeilenspannung angelegt ist,
– wobei die Verstärkerelemente als Grundbipolartransistoren mit je einem Emitter, einem Kollektor und einer Basis oder als Grundfeldeffekttransistoren mit je einer Source, einem Drain und einem Gate ausgebildet sind,
– wobei die Basen bzw. die Gates den Verstärkereingängen entsprechen,
– wobei die Kollektoren bzw. die Drains mit den Spalten verbunden sind,
– wobei an den Spaltenausgängen gegenüber liegenden Enden der Spalten Spaltenwellenwiderstände angeordnet sind,
– wobei an die Spalten über die Spaltenwellenwiderstände eine Spaltenspannung angelegt ist,
– wobei zwischen den Kollektoren bzw. den Drains der Grundtransistoren und den Spalten Zusatzbipolartransistoren mit je einem Emitter, einem Kollektor und einer Basis oder Zusatzfeldeffekttransistoren mit je einer Source, einem Drain und einem Gate angeordnet sind,
– wobei die Emitter der Zusatzbipolartransistoren bzw. die Sources der Zusatzfeldeffekttransistoren mit den Kollektoren der Grundbipolartransistoren bzw. den Drains der Grundfeldeffekttransistoren verbunden sind,
– wobei die Kollektoren der Zusatzbipolartransistoren bzw. die Drains der Zusatzfeldeffekttransistoren mit den Spalten verbunden sind.

Aufgabe eines Kreuzschienenverteilers (cross bar switch) ist es, eine Anzahl von Eingangssignalen nach beliebiger Vorgabe auf eine Anzahl von Ausgängen durchzuschalten. Die Anzahl von Eingangssignalen ist dabei in der Regel von der Anzahl von Ausgangssignalen verschieden. Um eine derartige Schaltbarkeit zu erreichen, sind an den Kreuzungspunkten Schaltelemente angeordnet, wobei jedes Schaltelement individuell, also unabhängig von den anderen Schaltelementen, schaltbar ist. Folglich sind zum korrekten Ansteuern des Kreuzschienenverteilers eine Anzahl von Steuerleitungen erforderlich, wobei diese Anzahl gleich dem Produkt der Anzahl von Zeilen mit der Anzahl von Spalten ist.

Kreuzschienenverteiler werden z. B. von der Firma Analog Devices als integrierte Schaltkreise mit den Typenbezeichnungen AD8108 bis AD8111 sowie AD8114 und AD8115 vertrieben.

Bei den Schaltkreisen der Firma Analog Devices werden als Schaltelemente passiv betriebene Feldeffekttransistoren verwendet. Die Kreuzschienenverteiler von Analog Devices haben daher nur begrenzte Kanalzahlen von z. B. 8 × 16, 16 × 8 oder 16 × 16 Eingangs- und Ausgangssignalen. Ferner weisen diese Bauelemente einen zu starken Anstieg der Durchgangsdämpfung bei hohen Frequenzen auf, so dass es nicht möglich ist, mehrere dieser Bausteine als Submatrizen zu einer größeren Matrix zusammenzuschalten.

Es sind auch Kreuzschienenverteiler bekannt, bei denen pin-Dioden als Hochfrequenzschalter verwendet werden. Bei sehr hohen Frequenzen (z. B. oberhalb von 100 MHz) reicht die Sperrdämpfung einer als Serienschalter geschalteten pin-Diode hingegen meist nicht mehr aus, so dass man eine Dreifachstruktur (Serien-Kurzschluss-Serienschalter) wählen muss. Bei einer derartigen Dreifachstruktur muss der Steuerstrom an den HF-Anschlüssen der Schaltelemente eingespeist werden. Daher ist der nötige Aufwand an HF-Drosseln und Abblockkondensatoren erheblich und mit Nebeneffekten verbunden. In der Praxis lassen sich daher auch mit derartigen Dreifachstrukturen keine Kreuzschienenverteiler mit hohen Kanalzahlen realisieren.

Es sind ferner Verteiler denkbar, bei denen eine größere Anzahl von Schaltelementen einen gemeinsamen Sternpunkt aufweist. Diese Konzepte weisen jedoch einen gravierenden Nachteil auf, da in den Sternpunkten die Summe der Kapazitäten aller Schaltelemente parallel geschaltet ist. Zusammen mit der Quell- bzw. Lastimpedanz der angeschlossenen Schaltungen ergibt sich daher eine Grenzfrequenz, die umgekehrt proportional zu dieser Gesamtkapazität ist.

Der Versuch, die Quell- und Lastimpedanzen niedriger zu wählen, führt im Gegenzug zu einer größeren Absorption im Serienwiderstand eines durchgeschalteten Schaltelements. Der Versuch, diesem Effekt mit einer größeren Chipfläche der Schaltelemente entgegen zu wirken, führt wiederum zu einer höheren Kapazität. Daher gibt es bei einer vorgegebenen Frequenzbandbreite und vorgegebenen Durchgangsverlusten eine nur von der Schaltertechnologie abhängige maximale Zahl von Abzweigungen, die noch realisierbar ist. Sehr hohe Knotenzahlen (z. B. 64 Knoten oder mehr) bei hohen Grenzfrequenzen von z. B. 100 MHz sind nicht realisierbar.

Ein Kreuzschienenverteiler der eingangs genannten Art ist z. B. aus der US 6,265,953 B1 bekannt.

Aus der EP 0 024 027 A1 ist ein Kreuzschienenverteiler mit einer Anzahl von Zeilen und einer Anzahl von die Zeilen an Kreuzungspunkten kreuzenden Spalten bekannt, bei dem jeder Zeile über einen Zeileneingang ein Eingangssignal zuführbar ist. An den Kreuzungspunkten sind steuerbare Schaltelemente angeordnet, mittels derer ein einer Zeile zugeführtes Eingangssignal auf die diese Zeile an diesem Kreuzungspunkt kreuzende Spalte durchschaltbar ist, wenn dem jeweiligen Kreuzungspunkt über einen Steuereingang ein Durchschaltsignal zugeführt wird. An jeder Spalte ist über einen Spaltenausgang ein durchgeschaltetes Eingangssignal als Ausgangssignal abgreifbar. Die steuerbaren Schaltelemente weisen Verstärkerelemente mit einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang auf, wobei die Verstärkereingänge mit den Zeilen und die Verstärkerausgänge mit den Spalten verbunden sind. Die Verstärkerelemente sind derart geschaltet, dass sie nur dann elektrische Energie verbrauchen, wenn dem jeweiligen Kreuzungspunkt das Durchschaltsignal zugeführt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kreuzschienenverteiler zu schaffen, bei dem die Anzahl von Zeilen und die Anzahl von Spalten sehr groß werden können, ohne dass die Bandbreite und die Dynamik des Kreuzschienenverteiler negativ beeinflusst werden. Insbesondere soll eine gut und vor allen Dingen frequenzunabhängige Entkopplung der Zeilen von den Spalten bezüglich nicht angesteuerter Schaltelemente erreicht werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst,

– dass die Verstärkerelemente derart beschaltet sind, dass sie nur dann elektrische Energie verbrauchen, wenn dem je weiligen Kreuzungspunkt das Durchschaltsignal zugeführt wird,
– dass die Basen der Zusatzbipolartransistoren bzw. die Gates der Zusatzfeldeffekttransistoren mit einer Hilfsspannung permanent verbunden sind und
– dass Knotenpunkte zwischen den Grundtransistoren und den Zusatztransistoren über Sperrkondensatoren mit Masse verbunden sind.

Vorzugsweise sind die Verstärkereingänge und die Verstärkerausgänge hochohmig und auch hochohmig voneinander getrennt. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass die Verstärkerelemente als spannungsgesteuerte Stromquellen ausgebildet sind.

Wenn die Verstärkerelemente als Hochfrequenzverstärkerelemente ausgebildet sind, sind mittels des erfindungsgemäßen Kreuzschienenverteilers auch Hochfrequenzsignale übertragbar.

Vorzugsweise sind den Zeilenwellenwiderständen zur Verhinderung von Gleichspannungsabfällen Induktivitäten parallel geschaltet.

Wenn die Zeilenspannung zwischen 1,2 und 1,5 Volt beträgt, ist im Falle eines Bipolartransistors der Kreuzschienenverteiler stabiler betreibbar.

Die Verstärkerelemente weisen (parasitäre) Eingangskapazitäten auf. Vorzugsweise sind daher die Verstärkereingänge entlang der Zeilen äquidistant angeordnet und die Zeilen derart ausgebildet, dass sie unter Berücksichtigung der Eingangskapazitäten ebenfalls den Zeilenwellenwiderstand aufweisen. Denn dann erfolgt bezüglich der Zeilen analog des Prinzips von Kettenverstärkern eine Leitungsnachbildung, so dass die Anzahl von Verstärkereingängen pro Zeile im Wesentlichen beliebig wählbar ist.

Auch den Spaltenwellenwiderständen können zur Vermeidung von Gleichspannungsabfällen Induktivitäten parallel geschaltet sein.

Bei dieser Ausgestaltung lässt sich ein Energieverbrauch im gesperrten Zustand der Schaltelemente auf einfache Weise unterdrücken, wenn die Steuereingänge über Emitterwiderstände mit den Emittern bzw. über Sourcewiderstände mit den Sources verbunden sind.

Wenn zwischen den Steuereingängen und den Emitterwiderständen bzw. den Sourcewiderständen Schalter angeordnet sind und die Schalter mittels der Durchschaltsignale betätigbar sind, so dass die Emitterwiderstände bzw. die Sourcewiderstände im ausgeschalteten Zustand der Schalter mit der Hilfsspannung und im eingeschalteten Zustand der Schalter mit Masse verbunden sind, erfolgt eine Umsetzung einer Durchschaltspannung in einen Durchschaltstrom innerhalb des Schaltelements. Insbesondere muss ein außerhalb des Kreuzschienenverteilers angeordnetes Ansteuerelement somit nicht die Funktion eines Stromtreibers erfüllen.

Die Schalter müssen die Eingangssignale nicht übertragen. Es ist daher ausreichend, wenn die Schalter als Niederfrequenzschalter ausgebildet sind. Die Hilfsspannung sollte mindestens 1 Volt höher als die Zeilenspannung sein.

Analog zu den Verstärkungselementen bzw. den Grundtransistoren sind vorzugsweise auch die Zusatztransistoren (bipolar oder Feldeffekt) als Hochfrequenztransistoren ausgebildet.

Die Hilfsspannung ist vorzugsweise kleiner als die Spaltenspannung. Insbesondere kann sie etwa halb so groß sein wie die Spaltenspannung.

Die Verstärkerelemente weisen auch (parasitäre) Ausgangskapazitäten auf. Vorzugsweise sind daher die Verstärkerausgänge entlang den Spalten äquidistant angeordnet und die Spalten derart ausgebildet, dass sie unter Berücksichtigung der Ausgangskapazitäten ebenfalls den Spaltenwellenwiderstand aufweisen. Denn dann erfolgt auch bezüglich der Spalten eine Leitungsnachbildung. Der Kreuzschienenverteiler bildet daher bezüglich seiner Spalten ein breitbandiges System, dessen Frequenzeigenschaften im Wesentlichen unabhängig von der Anzahl von an die Spalten angeschlossenen Verstärkerausgängen ist.

Wenn zwischen den Zeileneingängen und den Zeilen sowie zwischen den Spalten und den Spaltenausgängen Koppelkondensatoren angeordnet sind, sind die Zeileneingänge und die Spalten ausgänge von den Zeilen- bzw. Spaltenruhepotentialen gleichspannungsentkoppelt.

Wenn der Kreuzschienenverteiler in einem integrierten Schaltkreis angeordnet ist, ist er besonders kostengünstig und kompakt herstellbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung:
1 ein Blockschaltbild eines Kreuzschienenverteilers,
2 ein Blockschaltbild eines Kreuzungspunktes und
3 bis 6 mögliche Schaltungen zur Realisierung von steuerbaren Schaltelementen.
Gemäß 1 weist ein Kreuzschienenverteiler eine Anzahl von Zeilen 1 und eine Anzahl von Spalten 2 auf. Die Zeilen 1 und die Spalten 2 kreuzen sich an Kreuzungspunkten 3.
Jeder Zeile 1 ist ein Zeileneingang 4 zugeordnet, der mit der jeweiligen Zeile 1 über einen zwischengeordneten Koppelkondensator 5 verbunden ist. Über die Zeileneingänge 4 sind den Zeilen 1 daher Eingangssignale E zuführbar.
An den Kreuzungspunkten 3 sind steuerbare Schaltelemente 6 angeordnet. Mittels der Schaltelemente 6 ist ein Eingangssignal E, das einer Zeile 1 zugeführt ist, auf die Spalte 2 durchschaltbar, die an diesem Kreuzungspunkt 3 diese Zeile 1 kreuzt. Das Durchschalten erfolgt dabei aber nur dann, wenn – siehe 2 – dem jeweiligen Kreuzungspunkt 3 über einen Steuereingang 7 ein Durchschaltsignal D zugeführt wird. Jedem Kreuzungspunkt 3 ist dabei ein eigener Steuereingang 7 zugeordnet. Jeder Kreuzungspunkt 3 ist somit unabhängig von allen anderen Kreuzungspunkten 3 ansteuerbar.
In aller Regel wird pro Zeile 1 maximal einem einzigen Kreuzungspunkt 3 ein Durchschaltsignal D zugeführt. Ebenso wird in aller Regel pro Spalte 2 maximal einem einzigen Kreuzungspunkt 3 ein Durchschaltsignal D zugeführt.
Wenn einem Kreuzungspunkt 3 ein Durchschaltsignal D zugeführt wird, ist an der durch den angesteuerten Kreuzungspunkt 3 definierten Spalte 2 über einen Spaltenausgang 8 ein Ausgangssignal A abgreifbar, das dem durchgeschalteten Eingangssignal E entspricht. Zwischen den Spalten 2 und den Spaltenausgängen 8 sind dabei ebenfalls Koppelkondensatoren 9 angeordnet. Die Kapazität der Koppelkondensatoren 9 ist vorzugsweise gleich der Kapazität der Koppelkondensatoren 5.
Gemäß 2 weisen die steuerbaren Schaltelemente 6 Verstärkerelemente 10 mit einem Verstärkereingang 11 und einem Verstärkerausgang 12 auf. Die Verstärkereingänge 11 sind mit den Zeilen 1 verbunden, die Verstärkerausgänge 12 mit den Spalten 2. Die Verstärkereingänge 11 sind dabei entlang den Zeilen 1 äquidistant angeordnet. Ebenso sind die Verstärkerausgänge 12 entlang den Spalten 2 äquidistant angeordnet.
Wie ferner aus 2 ersichtlich ist, ist an die Zeilen 1 über Zeilenwellenwiderstände 13 eine Zeilenspannung U1 angelegt. Die Zeilenwellenwiderstände 13 sind dabei an Enden der Zeilen 1 angeordnet, die den Zeileneingängen 4 gegenüber liegen. Die Zeilenspannung U1 ist in der Regel relativ gering. Sie kann beispielsweise zwischen 1,2 und 1,5 Volt liegen, vorzugsweise bei etwa 1,3 Volt. Weiterhin ist ersichtlich, dass ebenso an die Spalten 2 über Spaltenwellenwiderstände 14 eine Spaltenspannung U2 angelegt ist. Auch die Spaltenwellenwiderstände 14 sind an Enden der Spalten 2 angeordnet, die den Spaltenausgängen 8 gegenüber liegen. Die Spaltenspannung U2 ist in der Regel erheblich größer als die Zeilenspannung U1. Sie beträgt beispielsweise etwa 5 Volt. Der Widerstandswert des Spaltenwellenwiderstandes 14 ist hingegen vorzugsweise der Gleiche wie der des Zeilenwellenwiderstandes 13.
Wie in 2 ferner eingezeichnet ist, können den Wellenwiderständen 13, 14 zum Verhindern eines Gleichspannungsabfalls Induktivitäten 15, 16 parallel geschaltet sein. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
3 zeigt nun eine bevorzugte Ausgestaltung eines steuerbaren Schaltelements 6. Gemäß 3 ist das Verstärkerelement 10 als Bipolartransistor 10 ausgebildet. Wie in 3 durch den Zusatz „HF" angedeutet, ist der Bipolartransistor 10 als Hochfrequenz-Verstärkerelement 10 ausgebildet. Der Bipolartransistor 10 weist, wie jeder Transistor, einen Emitter, einen Kollektor und eine Basis auf. Die Basis ist gemäß 3 mit der Zeile 1 verbunden, die an diesem Kreuzungspunkt 3 eine Spalte 2 kreuzt. Die Basis entspricht also dem Verstärkereingang 11. Der Kollektor ist mit der Spalte 2 verbunden, die an diesem Kreuzungspunkt 3 eine Zeile 1 kreuzt. Der Kollektor entspricht also bei der Ausgestaltung von 3 dem Verstärkerausgang 12.
Gemäß 3 ist der Steuereingang 7 des dargestellten Schaltelements 6 über einen Emitterwiderstand 17 mit dem Emitter des Transistors 10 verbunden. Zwischen dem Steuereingang 7 und dem Emitterwiderstand 17 ist gemäß 3 ein Schalter 18 angeordnet, der im vorliegenden Fall als Schalttransistor in Emitterschaltung ausgebildet ist. Dieser Transistor 18 kann, da er nicht das Eingangssignal E oder das Ausgangssignal A führen muss, als Niederfrequenzschalter 18 ausgebildet sein. Dies ist in 3 durch den Zusatz „NF" angedeutet.
Wenn dem in 3 dargestellten Kreuzungspunkt 3 über den zugeordneten Steuereingang 7 kein Durchschaltsignal D zugeführt wird, sperrt der Schalttransistor 18. Dadurch baut sich an einem parallel geschalteten Koppelkondensator 18' über einen Vorwiderstand 19 eine Hilfsspannung U3 auf. Auch die Kapazität des Koppelkondensators 18' entspricht vorzugsweise der der Koppelkondensatoren 5. Die Hilfsspannung U3 ist mindes tens 1 Volt höher als die Zeilenspannung U1. Sie kann mit der Spaltenspannung U2 identisch sein.
Der Emitter des Hochfrequenztransistors 10 ist also über den Vorwiderstand 19 und den Emitterwiderstand 17 mit der Hilfsspannung U3 verbunden. Dadurch befindet sich der Arbeitspunkt des Hochfrequenztransistors 10 im Sperrbereich. Die betreffende Spalte 2 ist daher von der kreuzenden Zeile 1 signaltechnisch getrennt. Ferner fließt in diesem Zustand kein Strom durch den Transistor 10, so dass er auch keine elektrische Energie verbraucht.
Wenn dem Kreuzungspunkt 3 über den Steuereingang 7 hingegen das Durchschaltsignal D zugeführt wird, wird der Schalttransistor 18 leitend. Die am Koppelkondensator 18' anliegende Spannung sinkt daher auf Massepotential ab. Der Emitterwiderstand 17 ist also im eingeschalteten Zustand des Schalters 18 mit Masse verbunden. Der Arbeitspunkt des Hochfrequenztransistors 10 wird dadurch in den Durchlassbereich verschoben, so dass über die Basis-Emitterstrecke des Hochfrequenztransistors 10 ein (geringer) Strom fließen kann. Auf Grund der Verstärkereigenschaften des in Emitterschaltung betriebenen Hochfrequenztransistors 10 wird dadurch der über den Kollektor des Hochfrequenztransistors 10 fließende Strom mit dem Basisstrom moduliert, was auf Grund des Spaltenwellenwiderstandes 14 wiederum eine Spannungsmodulation auf der angeschlossenen Spalte 2 bewirkt. Nur in diesem Zustand verbraucht der Transistor 10 elektrische Energie.
Der Emitterwiderstand 17 bewirkt dabei, dass sich ein hoher Eingangswiderstand und eine definierte Spannungsverstärkung ergeben. Dies ist auch der Grund für die Größe der Zeilenspannung U1 von ca. 1,3 Volt. Denn bei diesem Spannungswert ergibt sich die niedrigste thermische Verstärkungsdrift.
Das Verstärkerelement gemäß 3 wirkt also als spannungsgesteuerte Stromquelle 10. Ferner sind auf Grund der Ausgestal tung gemäß 3 der Verstärkereingang 11 und der Verstärkerausgang 12 hochohmig. Auch sind sie hochohmig voneinander getrennt. Wie bereits erwähnt, wird durch die Verschiebung des Arbeitspunktes des Hochfrequenztransistors 10 in den Sperrbereich weiterhin erreicht, dass das Verstärkerelement 10 nur dann elektrische Energie verbraucht, wenn seinem Kreuzungspunkt 3 das Durchschaltsignal D zugeführt wird.
Die Ausgestaltung des steuerbaren Schaltelements 6 gemäß 4 entspricht im Wesentlichen der Ausgestaltung von 3. Im Unterschied zur Ausgestaltung von 3 sind die Transistoren 10, 18 der 4 aber nicht als Bipolartransistoren, sondern als Feldeffekttransistoren ausgebildet. Der sonstige Aufbau und insbesondere die Funktionsweise des steuerbaren Schaltelements 6 gemäß 4 ist aber völlig analog zu der von 3.
5 zeigt eine Ergänzung der Schaltung von 3. Bei dieser Ausgestaltung ist zusätzlich zum Hochfrequenztransistor 10 und zum Schalttransistor 18 ein weiterer Transistor 20 vorhanden, nachfolgend als Zusatztransistor 20 bezeichnet. Auch dieser Transistor 20 ist, wie durch den Zusatz „HF" angedeutet ist, als Hochfrequenztransistor 20 ausgebildet. Er ist ferner als Bipolartransistor 20 ausgebildet. Er ist ersichtlich zwischen dem Kollektor des Transistors 10 und der Spalte 2 angeordnet. Er weist ferner, wie jeder Bipolartransistor, einen Emitter, einen Kollektor und eine Basis auf. Der Emitter des Zusatztransistors 20 ist mit dem Kollektor des Transistors 10 verbunden, der Kollektor des Zusatztransistors 20 mit der Spalte 2. Seine Basis ist mit der Hilfsspannung U3 verbunden.
Bei der Ausgestaltung gemäß 5 ist die Hilfsspannung U3 kleiner als die Spaltenspannung U2. In der Regel ist sie etwa halb so groß wie die Spaltenspannung U2.
Die beiden Hochfrequenztransistoren 10, 20 bilden somit eine sogenannte Kaskode-Schaltung. Bereits durch diese Kaskode-Schaltung erfolgt eine erheblich bessere Trennung der Zeilen 1 von den Spalten 2 über die ausgeschalteten Schaltelemente 6. Zusätzlich zur Ausbildung als Kaskode-Schaltung ist ein Knotenpunkt 21 zwischen den beiden Hochfrequenztransistoren 10, 20 über einen Sperrkondensator 22 mit Masse verbunden. Die HF-Transistoren 10, 20 und der Sperrkondensator 22 bilden somit einen hochwirksamen Serien-Kurzschluss-Serienschalter. Bei einer oberen Grenzfrequenz von z. B. 200 MHz, einem Kollektorruhestrom durch die Transistoren 10, 20 von z. B. 50 mA und einer Kollektor-Basis-Kapazität von 0,5 pF ergibt sich für die reine Kaskode-Schaltung eine Sperrdämpfung von ca. 36 dB. Bei Einfügen des Sperrkondensators 22 mit einer Kapazität von z. B. 50 pF ergibt sich hingegen eine Sperrdämpfung von ca. 40 + 30 = 70 dB. Es ergibt sich also im Sperrzustand eine erheblich bessere Entkopplung, die darüber hinaus – zumindest teilweise – auch bei hohen Frequenzen erhalten bleibt. Die Verstärkung im durchgeschalteten Zustand wird durch den Sperrkondensator 22 hingegen nur in vernachlässigbarem Umfang beeinträchtigt.
Die Ausgestaltung gemäß 6 entspricht im Wesentlichen der Ausgestaltung von 5. Der wesentliche Unterschied besteht, ebenso wie bei den 3 und 4, wieder darin, dass die Transistoren 10, 18, 20 bei der Ausgestaltung gemäß 6 nicht als Bipolartransistoren, sondern als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Der sonstige Aufbau und vor allem auch die Funktion der Ausführungsform gemäß 6 ist aber völlig analog zu der von 5.
Obenstehend wurden in Verbindung mit den 3 bis 6 Ausführungsformen beschrieben, bei denen entweder ausnahmslos Bipolartransistoren 10, 18, 20 oder aber ausnahmslos Feldeffekttransistoren 10, 18, 20 verwendet wurden. Derartige Ausführungsformen sind bevorzugt, da in diesem Fall die Transistoren 10, 18, 20 leichter aufeinander abstimmbar sind. Ferner ist, wie in 1 durch eine Umrahmung 23 angedeutet, auf relativ einfache Weise eine Anordnung des Kreuzschienenverteilers in einem integrierten Schaltkreis möglich. Der Kreuzschienenverteiler kann in diesem Fall also auf einem einzigen Substrat angeordnet sein. Prinzipiell sind aber auch Mischformen, also die Verwendung sowohl von Bipolar- als auch von Feldeffekttransistoren 10, 18, 20 möglich. Beispielsweise ist es möglich, den bzw. die HF-Transistoren 10, 20 als Bipolartransistoren auszubilden, den Schalttransistor 18 hingegen als Feldeffekttransistor.
Auch sind die Transistoren 10, 18, 20 – unabhängig von der Ausgestaltung als Bipolar- oder Feldeffekttransistoren 10, 18, 20 – vorzugsweise als npn-Transistoren ausgebildet. Auch dies ist aber nicht zwingend. Prinzipiell wäre auch eine Verwendung von pnp-Transistoren 10, 18, 20 möglich.
Die Verstärkereingänge 11 weisen parasitäre Eingangskapazitäten auf. Dies ist in 2 durch die Kondensatoren 24 angedeutet. Die Zeilen 1 sind daher derart ausgebildet, dass sie unter Berücksichtigung der Eingangskapazitäten 24 ebenfalls den Zeilenwellenwiderstand 13 aufweisen. Dadurch ergibt sich eine sogenannte Leitungsnachbildung, wie sie von Kettenverstärkern allgemein bekannt ist.
Ebenso weisen auch die Verstärkerausgänge 12 parasitäre Ausgangskapazitäten auf. Auch dies ist in 2 durch Kondensatoren 25 angedeutet. Die Spalten 2 sind daher derart ausgebildet, dass sie unter Berücksichtigung der Ausgangskapazitäten 25 ebenfalls den Spaltenwellenwiderstand 14 aufweisen. Auch hier ergibt sich somit eine Leitungsnachbildung.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Kreuzschienenverteilers wird daher ermöglicht, eine Verteilung von nahezu beliebig vielen Hochfrequenz-Eingangssignalen E auf nahezu beliebig viele Ausgänge 8 zu erreichen. Eine Obergrenze ergibt sich nur durch die endliche Dämpfung der Zeilen 1 und der Spalten 2 sowie durch den endlichen Realteil des Ein- und Ausgangsleitwertes der Schaltelemente 6.
Auf Grund der oben stehenden Ausführungen ist dem Fachmann klar, dass er auch andere als die in den 3 bis 6 gezeigten Realisierungen verwenden kann. Beispielsweise ist es möglich, anstelle des Schalttransistors 18 je einen Hochfrequenzschalter (bipolar oder Feldeffekt) zwischen den Zeilen 1 und den Verstärkereingängen 11 sowie zwischen den Verstärkerausgängen 12 und den Spalten 2 anzuordnen. Auch ist es möglich, nur einen zusätzlichen Hochfrequenzschalter zu verwenden, der nur zwischen der jeweiligen Zeile 1 und dem jeweiligen Verstärkereingang 11 angeordnet ist. In diesem Fall muss aber durch entsprechende Beschaltung des Verstärkerelements 10 gewährleistet sein, dass nur dann ein Strom durch das Verstärkerelement 10 fließt und damit elektrische Energie verbraucht wird, wenn dem jeweiligen Kreuzungspunkt 3 das Durchschaltsignal D zugeführt wird. Auch könnte, wenn nur ein geringer Strom zum Durchschalten des Hochfrequenztransistors 10 benötigt wird, der Schalttransistor 18 entfallen. In diesem Fall könnte beispielsweise eine direkte Ansteuerung des Verstärkerelements 10 durch ein CMOS-Gatter erfolgen.

Claims

Kreuzschienenverteiler mit einer Anzahl von Zeilen (1) und einer Anzahl von die Zeilen (1) an Kreuzungspunkten (3) kreuzenden Spalten (2), – wobei jeder Zeile (1) über einen Zeileneingang (4) ein Eingangssignal (E) zuführbar ist, – wobei an den Kreuzungspunkten (3) steuerbare Schaltelemente (6) angeordnet sind, mittels derer ein einer Zeile (1) zugeführtes Eingangssignal (E) auf die diese Zeile (1) an diesem Kreuzungspunkt (3) kreuzende Spalte (2) durchschaltbar ist, wenn dem jeweiligen Kreuzungspunkt (3) über einen Steuereingang (7) ein Durchschaltsignal (D) zugeführt wird, – wobei an jeder Spalte (2) über einen Spaltenausgang (8) ein durchgeschaltetes Eingangssignal (E) als Ausgangssignal (A) abgreifbar ist, – wobei die steuerbaren Schaltelemente (6) Verstärkerelemente (10) mit einem Verstärkereingang (11) und einem Verstärkerausgang (12) aufweisen, – wobei die Verstärkereingänge (11) mit den Zeilen (1) und die Verstärkerausgänge (12) mit den Spalten (2) verbunden sind, – wobei die Verstärkerelemente (10) derart beschaltet sind, dass sie nur dann elektrische Energie verbrauchen, wenn dem jeweiligen Kreuzungspunkt (3) das Durchschaltsignal (D) zugeführt wird, – wobei an den Zeileneingängen (4) gegenüber liegenden Enden der Zeilen (1) Zeilenwellenwiderstände (13) angeordnet sind und an die Zeilen (1) über die Zeilenwellenwiderstände (13) eine Zeilenspannung (U1) angelegt ist, – wobei die Verstärkerelemente (10) als Grundbipolartransistoren (10) mit je einem Emitter, einem Kollektor und einer Basis oder als Grundfeldeffekttransistoren (10) mit je einer Source, einem Drain und einem Gate ausgebildet sind, – wobei die Basen bzw. die Gates den Verstärkereingängen (11) entsprechen, – wobei die Kollektoren bzw. die Drains mit den Spalten (2) verbunden sind, – wobei an den Spaltenausgängen (8) gegenüber liegenden Enden der Spalten (2) Spaltenwellenwiderstände (14) angeordnet sind, – wobei an die Spalten (2) über die Spaltenwellenwiderstände (14) eine Spaltenspannung (U2) angelegt ist, – wobei zwischen den Kollektoren bzw. den Drains der Grundtransistoren (10) und den Spalten (2) Zusatzbipolartransistoren (20) mit je einem Emitter, einem Kollektor und einer Basis oder Zusatzfeldeffekttransistoren (20) mit je einer Source, einem Drain und einem Gate angeordnet sind, – wobei die Emitter der Zusatzbipolartransistoren (20) bzw. die Sources der Zusatzfeldeffekttransistoren (20) mit den Kollektoren der Grundbipolartransistoren (10) bzw. den Drains der Grundfeldeffekttransistoren (10) verbunden sind, – wobei die Kollektoren der Zusatzbipolartransistoren (20) bzw. die Drains der Zusatzfeldeffekttransistoren (20) mit den Spalten (2) verbunden sind, – wobei die Basen der Zusatzbipolartransistoren (20) bzw. die Gates der Zusatzfeldeffekttransistoren (20) mit einer Hilfsspannung (U3) permanent verbunden sind, – wobei Knotenpunkte (21) zwischen den Grundtransistoren (10) und den Zusatztransistoren (20) über Sperrkondensatoren (22) mit Masse verbunden sind.
Kreuzschienenverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereingänge (11) und die Verstärkerausgänge (12) hochohmig sind und hochohmig voneinander getrennt sind.
Kreuzschienenverteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerelemente (10) als spannungsgesteuerte Stromquellen (10) ausgebildet sind.
Kreuzschienenverteiler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerelemente (10) als Hochfrequenzverstärkerelemente (10) ausgebildet sind.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Zeilenwellenwiderständen (13) Induktivitäten (15) parallel geschaltet sind.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verstärkerelemente (10) Eingangskapazitäten (24) aufweisen, – dass die Verstärkereingänge (11) entlang den Zeilen (1) äquidistant angeordnet sind und – dass die Zeilen (1) derart ausgebildet sind, dass sie unter Berücksichtigung der Eingangskapazitäten (24) ebenfalls den Zeilenwellenwiderstand (13) aufweisen.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenspannung (U1) zwischen 1,2 und 1,5 Volt beträgt.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Spaltenwellenwiderständen (14) Induktivitäten (16) parallel geschaltet sind.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereingänge (7) über Emitterwiderstände (17) mit den Emittern bzw. über Sourcewiderstände (17) mit den Sources verbunden sind.
Kreuzschienenverteiler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Steuereingängen (7) und den Emitterwiderständen (17) bzw. den Sourcewiderständen (17) Schalter (18) angeordnet sind und dass die Schalter (18) mittels der Durchschaltsignale (D) betätigbar sind, so dass die Emitterwiderstände (17) bzw. die Sourcewiderstände (17) im ausgeschalteten Zustand der Schalter (18) mit der Hilfsspannung (U3) und im eingeschalteten Zustand der Schalter (18) mit Masse verbunden sind.
Kreuzschienenverteiler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsspannung (U3) mindestens 1 Volt höher als die Zeilenspannung (U1) ist.
Kreuzschienenverteiler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (18) als Niederfrequenzschalter (18) ausgebildet sind.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatztransistoren (20) als Hochfrequenztransistoren (20) ausgebildet sind.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsspannung (U3) kleiner als die Spaltenspannung (U2) ist.
Kreuzschienenverteiler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsspannung (U3) etwa halb so groß wie die Spaltenspannung (U2) ist.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verstärkerelemente (10) Ausgangskapazitäten (25) aufweisen, – dass die Verstärkerausgänge (12) entlang den Spalten (2) äquidistant angeordnet sind, und – dass die Spalten (2) derart ausgebildet sind, dass sie unter Berücksichtigung der Ausgangskapazitäten (25) ebenfalls den Spaltenwellenwiderstand (14) aufweisen.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Zeileneingängen (4) und den Zeilen (1) sowie zwischen den Spalten (2) und den Spaltenausgängen (8) Koppelkondensatoren (5, 9) angeordnet sind.
Kreuzschienenverteiler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem integrierten Schaltkreis angeordnet ist.