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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten
einer Nutzsignal-übertragung mit zwei steuerbaren Halbleiterbauelementen, deren
Steuerelektroden den Umschaltsignal-Eingang des Schaltkreises bilden und deren erste
gleichnamige Elektroden miteinander verbunden sind, während die eine der zweiten
gleichnamigen Elektroden als Nutzsignal-Eingang und die andere als Nutzsignal-Ausgang
dient.
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Eine solche Schaltungsanordnung unter Verwendung üblicher Flächentransistoren
ist mit der USA.-Patentschrift 2 962 603 bekanntgeworden. Als nachteilig
hat sich hierbei erwiesen, daß neben den in den Basiszuführungsleitungen erforderlichen
Widerständen die Umschaltsignal-Quelle jeweils zwischen den entsprechenden Elektroden
derTransistoren wirksam ist. Dies bedeutet aber, daß einmal eine absolute Entkopplung
zwischen Nutz- und Steuersignalen nicht gewährleistet ist und zum anderen, daß der
Ausgangswiderstand der Umschaltsignal-Ouelle die Umschaltgeschwindigkeit dieses
Schaltkreises beeinflußt, indem nämlich unvermeidliche Streukapazitäten der verwendeten
Transistoren entsprechende Zeitkonstanten bestimmen. Außerdem ist die Polarität
des angelegten Nutzsignals für die Betriebssicherheit der bekannten Schaltungsanordnung
von Bedeutung.
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Nach Bekanntwerden von Feldeffekttransistoren sind elektronische Schalter
unter Anwendung nur eines Feldeffekttransistors verwendet worden. Bei Schaltungsanordnungen
dieser Art ergeben sich aber zwei Hauptschwierigkeiten. Die erste Schwierigkeit
zeigt sich, wenn der verwendete Feldeffekttransistor im Aus-Zustand bzw. im nichtleitenden
Zustand ist, wo nämlich die Sperrspannung zwischen Quellen-und Senkenelektrode in
der einen Richtung größer als in der anderen Richtung ist. Ist so die Senkenelektrode
auf höherem Potential als die Quellenelektrode, dann ist die Sperrspannung höher
als im umgekehrten Fall, und zwar unbeachtlich der Höhe der an der Torelektrode
wirksamen Steuerspannung. Um Zahlenwerte anzugeben, können in der einen Richtung
30 Volt und in der anderen Richtung 7 Volt blockiert werden. Das bedeutet
aber, daß der brauchbare Spannungsbereich zwischen Quellen- und Senkenelektrode
auf ± 3,5 Volt begrenzt ist.
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Es ergibt sich beim Ein-Zustand des verwendeten Feldeffekttransistors,
daß dann nämlich angelegte hochfrequente Eingangssignale über den von der Quellen-
zur Torelektrode wirksamen P-N-übergang gleichgerichtet werden, so daß an der Torelektrode
eine negative Ladung aufgebaut wird, bis schließlich der Feldeffekttransistor den
Senkenstrom infolge der dann wirksamen Pineh-off-Spannung herabdrückt. Dieser Effekt
läßt sich unterdrücken, indem-,ein Widerstand zwischen der Quellen- und der Torelektrode
geschaltet wird, so daß die negative Ladung abgeführt werden kann. Dabei ergibt
sich aber insofern ein Nachteil, daß bei einem Schaltkreis mit nur einem Feldeffekttransistor
die Entkopplung zwischen dem eingegebenen Nutzsignal und dem erforderlichen Umschaltsignal
nicht mehr wirksam ist. Es werden dann nämlich beide Signale in diesem Widerstand
gemischt, so daß das Nutzsignal durch das Umschaltsignal verzerrt wird.
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Unter Vermeidung der obengenannten Nachteile besteht die Aufgabe der
Erfindung darin, einen Schaltkreis der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem
eine absolute Entkopplung zwischen Nutz-und Umschaltsignal gewährleistet ist und
bei dem der Einfluß von Streukapazitäten der verwendeten Halbleiterbauelemente auf
die Umschaltgeschwindigkeit auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist. Außerdem soll der
Einfluß der Polarität der angelegten Nutzsignale weitgehend herabgesetzt sein.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die als Steuerelektroden
wirkenden Torelektroden zweier Feldeffekttransistoren miteinander direkt verbunden
sind, daß die sich ergebenden Elektroden-Verbindungsleitungen durch eine hnpedanz
in bekannter Weise überbrückt sind, daß deren eines Ende über einen ersten Gleichrichter
an fester Vorspannung und deren anderes Ende über einen zweiten, gleichsinnig mit
dem ersten gepolten Gleichrichter mit der Umschaltsignal-Quelle derart verbunden
sind, daß bei leitenden Feldeffekttransistoren die beiden Gleichrichter in Sperrichtung
vorgespannt sind. In vorteilhafter Weise werden dabei die beiden Quellenelektroden
miteinander verbunden, während die eine Senkenelektrode als Eing gang und die andere
Senkenelektrode als Ausgang des Schaltkreises dient. Die verwendeten Feldeffekttransistoren
können dabei sowohl aus P-Halbleiterbauelementen als auch aus N-Halbleiterbauelementen
bestehen.
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Im erfindungsgemäßen Schaltkreis sind die Gleichrichter jeweils an
den Verbindungspunkt derb Impedanz mit der entsprechenden Verbindungsleitung angeschlossen.
Zweckmäßigerweise ist die Vorspannung V" relativ niedrig, damit die Spannung an
der Quellenelektrode immer niedriger als die Senkenspannung ist, wenn z. B. N-leitende
Feldeffekttransistoren Verwendung finden.
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Die Impedanz 14, die zum Abbau der Ladung an den Torelektroden dient,
kann im einfachsten Fall aus einem niederohmigen Widerstand bestehen, um eine gegenüber
bisher höhere Umschaltgeschwindigkeit sowie eine höhere Übertragungsfrequenz zu
erzielen. Zur Verbesserung dieserEigenschaften jedoch dient gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung ein nichtlinearer Widerstand, der durch einen dritten
Feldeffekttransistor dargestellt werden kann, der mit seiner Senkenelektrode an
die Quellenelektroden-Verbindungsleitung und mit seiner Quellenelektrode sowie seiner
Torelektrode an die Torelektroden-Verbindungsleitung angeschlossen ist, der einen
konstanten Senkenstrom bereitstellt, wenn die beiden ersten Feldeffekttransistoren
vom nichtleitenden in den leitenden Zustand geschaltet werden und einen niederohmigen
Strompfad bildet, wenn die beiden ersten Feldeffekttransistoren im leitenden Zustand
sind.
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Zur weiteren Verbesserung der Schalteigenschaften ist erfindungsgemäß
die Diode zur Zuführung des Umschaltsignals mit einem Kondensator überbrückt.
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Wird z. B. ein N-leitender Feldeffektransistor verwendet, dann ergibt
sich bei nichtleitenden Feldeffekttransistoren der Vorteil, daß die Spannung an
der Quellenelektroden-Verbindungsleitung so begrenzt ist, daß die Senkenelektrode
jeweils eine höhere Spannung als die Quellenelektrode besitzt.
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ie Spannung zwischen Quellenelektrode und Senkenelektrode liegt also
mit Bezug auf die obengenannte Sperrspannung in günstiger Richtung. Das bedeutet
aber, daß relativ hohe Spannungsänderungen in beiden Polaritäten am Ein- und Ausgang
des Schaltkreises anliegen können, ohne daß die nichtleitenden Feldeffekttransistoren
EIN-geschaltet werden.
Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben,
daß durch die Wirksamkeit der Impedanz zwischen den beiden Elektroden-Verbindungsleitungen
die Ladung der Streukapazitäten derFeldeffekttransistorenrelativ rasch abgebaut
wird, so daß die Übertragungsfrequenz gegenüber bisher höher wird, ohne daß die
Entkopplung zwischen Nutz- und Umschaltsignal überhaupt beeinträchtigt wird.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, die an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen die
Erfindung näher erläutert, und aus den Patentansprüchen. Es zeigt Fig.
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß der
Erfindung, F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Erfindung.
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In der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 sind die beiden Feldeffekttransistoren
10 und 12 mit ihren Quellen-Anschlüssen S miteinander verbunden. Der
Senken-Anschluß des Feldeffekttransistors 10 liegt am Eingang der Schaltungsanordnung,
während der Senken-Anschluß D des Feldeffekttransistors 12 am Ausgang der
Schaltungsanordnung liegt. Die Tor-Anschlüsse G der Feldeffekttransistoren
10 und 12 sind ebenfalls miteinander verbunden. Zwischen der Quellenverbindungsleitung
und der Torverbindungsleitung ist eine Impedanz 14 eingeschaltet. Außerdem ist an
die Quellenverbindungsleitung eine Diode 16 angeschlossen, die zur Zuführung
der Vorspannung V" dient, während an die Torverbindungsleitung eine Diode
18 angeschlossen ist, die zur Zuführung eines Umschaltsignals E
lIE 2 dient.
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Zum Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung in bezug
auf die zugeführten Spannungswerte wird auf die graphische Darstellung nach F i
g. 3 verwiesen. Hierin stellt die stark ausgezogene Wellenform das Umschaltsignal
dar, das die Schaltungsanordnung ein- und ausschaltet. Das Umschaltsignal besitzt
einen hohen Pegel EI und einen niedrigen Pegel E2. Dieses Umschaltsignal
wird, wie bereits gesagt, der Diode 18 zugeführt, indem deren Kathode mit
dem Umschalteingang verbunden ist. Die beiden Spannungspegel T und - T, die
gestrichelt eingezeichnet sind, stellen die an den Eingangs- und Ausgangsklemmen
auftretenden maximalen Spannungswerte dar. Der ebenfalls als gestrichelte Linie
dargestellte Spannungspegel V" stellt die Vorspannung dar, die der Anode der Diode
16
zugeführt wird.
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Bei Betrieb ist die Schaltungsanordnung ausgeschaltet, wenn das Umschaltsignal
den niedrigen Spannungspegel E2 einnimmt. Da der niedrige Spannungspegel
E 2 geringer ist als die Vorspannung V", sind die beiden Dioden
16 und 18 leitend. Hierdurch wird aber dann der Spannungswert auf
der Verbindungsleitung der beiden Quellen der Feldeffekttransistoren 10 und
12 auf den Vorspannungswert V" begrenzt, wohingegen der Spannungswert auf der Torverbindungsleitung
beider Feldeffekttransistoren auf den Spannungswert E 2 eingestellt wird.
Der sich ergebende Spannungsabfall über der Impedanz 14 ist dabei größer als die
Pinch-off-Spannung V, Aus diesem Grund werden die Feldeffekttransistoren
10
und 12 im Aus-Zustand bzw. im nichtleitenden Zustand gehalten, wenn das
Umschaltsignal den Pegel E2 einnimmt. Während, wie bereits gesagt, im Aus-Zustand
bzw. im nichtleitenden Zustand die Spannung auf der gemeinsamen Quellenverbindungsleitung
der beiden Feldeffekttransistoren auf den Vorspannungswert V" begrenzt ist, sind
die beiden Spannungspegel T und - T immer größer. Aus diesem Grund ist die
jeweils zwischen Senke und Quelle beider Feldeffekttransistoren wirkende Spannung
immer in der Vorwärts- oder günstigen Spannungsblockierungsrichtung wirksam. Aus
diesem Grund sind größere Spannungsänderungen an den Eingangs- oder Ausgangsklemmen
zulässig, ohne daß Gefahr besteht, daß die beiden Feldeffekttransistoren ungewünschter
Weise in den leitenden Zustand gelangen können.
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Zum Einschalten der Schaltungsanordnung wird der Spannungspegel des
- Umschaltsignals auf den Wert El gebracht. Hierdurch werden die beiden
Dioden 16 und 18 in Rückwärtsrichtung vorgespannt und werden deshalb
nichtleitend. Der Spannungsabfall am Widerstand 14 wird dann im wesentlichen Null,
so daß die Transistoren 10 und 12 leitend werden. Jede Spannungsänderung
an der Eingangsklemme tritt dann auch an der Ausgangsklemme auf, vorausgesetzt,
daß die Ausgangsbelastung einen wesentlich größeren Widerstand darstellt als der
der Feldeffekttransistoren im leitenden Zustand. Während die Schaltungsanordnung
im Ein-Zustand ist, ist die einen niedrigen Widerstandswert besitzende Impedanz
14 wirksam, jede sich in den Feldeffektransistoren bildende negative Ladung auszugleichen,
die durch Wechselstromsignale, hervorgerufen sein könnte, die über die Schaltungsanordnung
geleitet sind. Je geringer der Wert der Impedanz 14 ist, um so schneller wird diese
Ladung von den Feldeffekttransistoren 10 und 12 abgezogen und um so höher
ist die Frequenz, die durch die Umschaltvorrichtung beeinflußt wird.
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In der Anordnung nach F i g. 2 ergibt sich grundsätzlich die
gleiche Wirkungsweise, wie es oben für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben
worden ist, mit der Ausnahme, daß die Umschaltvorgänge schneller und die Durchgangsfrequenz
höher als beim ersten Ausführungsbeispiel ist. Der Grund für die erhöhte Umschaltgeschwindigkeit
und die höhere Durchgangsfrequenz liegt darin, daß die Impedanz 14 in der Schaltungsanordnung
nach F i g. 1 im zweiten Ausführungsbeispiel durch einen dritten Feldeffekttransistor
20 ersetzt ist. Im einzelnen ergibt sich, daß der dritte Feldeffekttransistor 20
eine nichtlineare Widerstandscharakteristik besitzt, die in vorteilhafter Weise
ausgenutzt werden kann, um den Einschaltvorgang durchzuführen und außerdem, um die
Ladung von den ersten Feldeffekttransistoren 10
und 12 während des Ein-Zustandes
abzuziehen.
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Beim Einschaltvorgang bestimmt sich die Schaltgeschwindigkeit durch
die Geschwindigkeit, mit der die Entladung unvermeidlicher Streukapazitäten der
Schaltungsanordnung und der Kapazitäten der ersten Feldeffekttransistoren
10 und 12 erfolgen kann. Der dritte Feldeffekttransistor 20 ist zur Entladung
der genannten Kapazitäten in hervorragender Weise wirksam, weil bei anfänglich anliegender
hoher Spannung der dritte Feldeffekttransistor 20 als Konstantstromsenke wirksam
ist. In dem Maße nämlich, wie die durch diese Kapazitäten bedingte Spannung absinkt,
nimmt der Widerstand des Feldeffekttransistors 20 ebenfalls ab, so daß der Entladestrom
auf einem
nahezu konstanten Pegel gehalten wird. Natürlich nähert
sich gegebenenfalls die Spannung über dem dritten Feldeffekttransistor 20 dem Wert
Null; gleichzeitig ist aber auch der Widerstand des dritten Feldeffekttransistors
20 auf einen sehr geringen Wert abgesunken. Im Gegensatz hierzu würde im ersten
Ausführungsbeispiel bei Verwendung eines die Impedanz 14 darstellenden Widerstandes
ein exponentieller Abfall der in den genannten Kapazitäten gespeicherten Ladung
eintreten.
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Auf Grund seiner nichtlinearen Widerstandscharakteristik ist der dritte
Feldeffekttransistor 20 in seiner Verwendung darüber hinaus von ganz besonderem
Nutzen. Befindet sich z. B. die Schaltungsanordnung im Aus-Zustand, dann besitzt
der durch den dritten Feldeffekttransistor 20 dargestellte Widerstand einen relativ
hohen Wert, der durch die hierüber angelegte Spannung bedingt ist. Dies ist erforderlich,
um sicherzustellen, daß der Senkenstrom, der ersten Feldeffekttransistoren
10 und 12 herabgedrückt werden kann. Andererseits ist iin Ein-Zustand die
über dem dritten Feldeffekttransistor 20 anliegende Spannung gering und damit auch
sein Widerstandswert. Dies bedeutet aber, daß in diesem Fall der dritte Feldeffekttransistor
20 als ein sehr kleiner Widerstand wirksam ist, so daß die in den ersten Feldeffekttransistoren
10 und 12 infolge eines angelegten Eingangssignals hoher Frequenz gespeicherte
negative Ladung in sehr kurzer Zeit abgebaut wird. Dieser sehr geringe Widerstandswert
des dritten Feldeffekttransistors 20 bedeutet, daß die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung
in besonderem Maße geeignet ist, ein Signal höherer Frequenz hindurchzulassen.
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Um im Bedarfsfall die Umschaltgeschwindigkeit weiterhin zu erhöhen,
läßt sich ein geeigneter Kondensator 22 parallel zur Diode 18 schalten. Dies
hat zur Folge, daß beim Wechsel des Umschaltsignals vom PegelE2 zum PegelE1 ein
Stromimpuls auf die ersten Feldeffekttransistoren 10 und 12 übertragen wird,
so daß deren Kapazitäten hierdurch entladen werden. Jedoch gilt hierbei zu bedenken,
daß die somit erzielte erhöhte Unischaltgeschwindigkeit mit dann möglicherweise
auftretenden Einschwingvorgängen erkauft wird.
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Als besonderer Vorteil ist oben herausgestellt worden, daß mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine absolute Unabhängigkeit des durchzuschaltenden
Signals vom Umschalt:signal erreicht wird. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß
beim Durchgang des anliegenden Analogsignals im Ein-Zustand der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung die Dioden 16 und 18 in Sperrichtung vorgespannt
sind, so daß das Unischaltsignal gänzlieh unwirksam ist. Sind andererseits die ersten
Feldeffekttransistoren 10 und 12 unter der Wirkung eines Umschaltsignals
in den Aus-Zustand gelangt, dann hat infolge der gesperrten Feldeffekttransistoren
10
und 12 dieses Umschaltsignal einen Einfluß weder auf den Eingang noch auf
den Ausgang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Zum Schluß sei noch erwähnt, daß für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
sowohl P-Halbleiterbauelemente als auch N-Halbleiterbauelemente Verwendung finden
können.