DE1290195C2 - In der UEbertragungsrichtung sperrbarer UEbertragungsvierpol - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen in der Übertragungsrichtung sperrbaren Übertragungsvierpol mit regelbarer Übertragungsdämpfung mit vorzugsweise unterschiedlichen Gleichpotentialen am Eingang und Ausgang, unter Verwendung eines stromgegengekoppelten Emitterverstärkers, einer spannungsgesteuerten, wechselstrommäßig hochohmigen Stromquelle und eines einpolig wenigstens wechselstrommäßig an Masse liegenden, durch eine variable Spannung steuerbaren elektronischen Hilfsschalters.

Bekannt ist ein Übertragungsvierpol mit regelbarer Übertragungsdämpfung, der aus zwei Schalttransistoren besteht, die über einen Übertrager geschaltet werden. Dieser Übertragungsvierpol ist insofern unzweckmäßig, als er nicht in Form einer integrierten Schaltung realisierbar ist, die aus technologischen Gründen keinen Übertrager enthalten darf.

Weiter ist ein Ubertragungsvierpol bekannt, der mit Dioden realisiert ist. Dieser muß über einen Übertrager angesteuert werden, so daß sich auch hier der ao schon genannte Nachteil ergibt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, für einen Übertragungsvierpol der einleitend beschriebenen Art eine den geschilderten Nachteil vermeidende Lösung anzugeben.

Ausgehend von einem in der Übertragungsrichtung sperrbaren Übertragungsvierpol mit regelbarer Übertragungsdämpfung mit vorzugsweise unterschiedlichen Gleichpotentialen am Eingang und Ausgang unter Verwendung eines stromgegengekoppelten Emitter-Verstärkers, einer spannungsgesteuerten, wechselstrommäßig hochohmigen Stromquelle und eines einpolig, wenigstens wechselstrommäßig an Masse liegenden, durch eine variable Spannung steuerbaren elektronischen Hilfsschalters wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine wenigstens wechselstrommäßig auf Nullpotential liegende Verbindung zwischen den transistorabgewandten Anschluß des Emitterwiderstandes und der Stromquelle einerseits und dem massefreien Anschluß des Hilfsschalters über einen Trennkondensator andererseits derart vorgesehen ist, daß während des Anliegens einer Eingangsspannung beim Umschalten des Hilfsschalters infolge der hierdurch bewirkten Änderung des Wertes der Stromgegenkopplung die Amplitude der Ausgangsspannung zwischen einem endlichen Wert und Null verändert wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß statt des Trennkondensators eine galvanische Verbindung vorgesehen ist und daß für beide Anschlüsse des Hilfsschalters gleiche Gleichpotentiale vorgesehen sind.

In Weiterbildung der Erfindung kann ein die Stromquelle überbrückender Widerstand vorgesehen sein. Dies ermöglicht, die Ausgangsspannung des Schalters zwischen zwei endlichen Werten zu verändern.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein Vorverstärker mit einer Spannungsverstärkung größer als Eins und der Emitterverstär- ker mit einer Spannungsverstärkung kleiner als Eins vorgesehen sein.

Durch die parasitären Schaltungs- und Transistorkapazitäten sowie Unzulänglichkeiten des elektroni- ■ sehen Hilfsschalters tritt eine Störspannung der Schaltfrequenz auf. Das Verhältnis der Amplitude der geschalteten Wechselamplitude zu der Amplitude dieser Störspannung wird dadurch gering gehalten,

daß die Verstärkung des Emitterverstärkers im leitenden Zustand klein gegen die Verstärkung des Vorverstärkers gewählt ist.

Bei Ubertragungsvierpolen, die einfache, einseitig an Masse liegende Transistorschalter enthalten, welche nicht über Übertrager angesteuert werden, tritt eine sehr störende Restspannung zwischen Kollektor und Emitter auf. Diese hat auf die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ubertragungsvierpols keinen Einfluß. Da seine Eingangs- und Ausgangsimpedanzen im leitenden und gesperrten Zustand gleich sind, können im Betrieb keine Störungen, beispielsweise infolge schwankender Belastung angeschlossener Filter, auftreten. Die Nichtlinearitäten des erfindungsgemäßen Übertragungsvierpols sind wegen der starken Gegenkopplung gering.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

In der F i g. 1 ist das Blockschaltbild eines Ubertragungsvierpols mit einem Signaleingang E, E', einem Steuereingang B, B' und einem Ausgang A, A' dargestellt. Dem Eingangsklemmenpaar E, E' sind eine Wechselspannungsquelle 2, gegebenenfalls eine Gleichspannungsquelle 3 und ein Generatorinnenwiderstand 4 in Reihe geschaltet. Dem Ausgangsklemmenpaar A, A' ist ein Lastwiderstand 5 und gegebenenfalls eine weitere Gleichspannungsquelle 6 in Reihe geschaltet.

Liegt am Eingang E, E' eine Wechselspannung des Generators 2 an, so fällt am •Lastwiderstand 5 dann eine Wechselspannung ab, wenn am Steuereingang B, B' eine geeignete Steuerspannung anliegt. Die Gleichspannungsgeneratoren 3 und 6 deuten an, daß der Übertragungsvierpol 1 für unterschiedliche Gleichpotentiale am Eingang E, E' und am Ausgang A, A' ausgelegt werden kann.

Die F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Übertragungsvierpols. Dieser enthält einen stromgegengekoppelten Emitterverstärker mit einem Transistor 15, einem Emitterwiderstand 7, einem Kollektorwiderstand 12 und einem Spannungsteiler 13,14. Am Punkt P ist an den Emitterverstärker eine Betriebsstromquelle 8 und über einen Kondensator 10 ein einseitig geerdeter Hilfsschalter 9 angeschlossen, der über den Eingang B, B' betätigbar ist. Der Übertragungsvierpol besitzt eine Eingangsklemme £ und eine Ausgangsklemme A, an die über einen Kondensator 16 der Lastwiderstand 5 angeschlossen werden kann. Mit N+ und N- sind jeweils die Stellen gekennzeichnet, an denen eine positive bzw. eine negative Versorgungsgleichspannung anzulegen ist.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Mit Hilfe der Widerstände 13 und 14 wird die Eingangsgleichspannung zwischen den Eingangsklemmen E, E' eingestellt. Diese Gleichspannung abzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 15 liegt auch zwischen dem Punkt D und Masse. Die Stromquelle liefert den Emittergleichstrom, der durch den Emitterwiderstand 7, den Transistor 15 und den Kollektorwiderstand 12 fließt und das Gleichpotential an den Ausgangsklemmen A, A' bestimmt. Auf Grund der gewählten Anordnung ist das Gleichpotential an den Ausgangsklemmen A, A' ungleich den Gleichpotentialen zwischen den Eingangsklemmen E, E' und zwischen dem Punkt D und Masse. Die Schaltung kann so ausgelegt werden, daß der Transistor 15 einen geeigneten Arbeitspunkt aufweist.

Liegt an den Eingangsklemmen E, E' eine Eingangswechselspannung der Signalfrequenz fs, so erscheint an den Ausgangsklemmen A, A' eine Ausgangsspannung derselben Frequenz, deren Amplitude von der Verstärkung der zwischengeschalteten stromgegengekoppelten Emitterstufe 7, 12, 13, 14, 15 abhängt. Der Betrag der Verstärkung der Emitterstufe ist durch das Verhältnis der Impedanz im Kollektorkreis zur gesamten Impedanz im Emitterkreis gegeben. Wird der Hilfsschalter 9 durch das Anlegen einer passend gewählten Steuerspannung an den Klemmen B, B' gesperrt, so liegt im Emitterkreis der Widerstand 7 in Serie mit dem sehr großen differentiellen Widerstand der Stromquelle 8. Die Verstärkung der Emitterstufe ist näherungsweise Null, weil die gesamte Impedanz im Emitterkreis sehr viel größer als 'die Impedanz im Kollektorkreis ist. Dies bewirkt, daß bei angelegtem Eingangssignal der Frequenz fs am Eingangsklemmenpaar E_y E' am Ausgangsklemmenpaar A, A' kein Ausgangssignal erscheint. Ist der Hilfsschalter 9 dagegen im leitenden Zustand, so liegt im Emitterkreis der Anordnung lediglich der Widerstand 7 in Serie mit dem komplexen Widerstand der Kapazität 10. Für hinreichend hohe Signalfrequenzen fs der Eingangswechselspannung ist der komplexe Widerstand der Kapazität 10 vernachlässigbar klein, so daß sich der Betrag der Verstärkung der Emitterstufe aus dem Verhältnis des Widerstandes 12 zum Widerstand 7 ergibt.

Die Kapazität 10 dient zur gleichstrommäßigen Entkopplung des PunktesP vom Massepotential. Es ist für das Gleichstromverhalten der Schaltung gleichgültig, welches Gleichpotential der Punkt P aufweist, da der Hilfsschalter 9 hiervon nicht beeinflußt wird. Eine besonders im Hinblick auf eine Integrierbarkeit einfache Schaltung ergibt sich bei Weglassen der Kapazität 10. Dies ist aber nur zulässig, wenn der Punkt P auch bei nichtleitendem Hilfsschalter 9 das Gleichpotential Null aufweist. Ist dies nicht der Fall, so fließt bei leitendem Hilfsschalter 9 ein zusätzlicher Gleichstrom vom Punkt P gegen Masse ab, wodurch sich die Gleichpotentiale an den Punkten D und A verändern. Dies hat die nachteilige Folge, daß bei regelmäßigem öffnen und Schließen des Hilfsschalters 9 mit der Folgefrequenz ft an den Ausgangsklemmen/!, A' eine unerwünschte Rechteckspannung derselben Folgefrequenz entsteht.

Der Übertragungsvierpol ist bei leitendem Hilfsschalter 9 imstande, ein Signal fs vom Eingangsklemmenpaar E, E' zum Ausgangsklemmenpaar A, A' zu übertragen. Die Größe der Ausgangsspannung ist dabei vom Zustand des Hilfsschalters 9 abhängig. Wird der Hilfsschalter 9 regelmäßig mit der Folgefrequenz ft geöffnet und geschlossen, so erscheint am Ausgangsklemmenpaar A, A' das Produkt aus dem Signal der Eingangswechselspannung der Frequenz fs mit der Fourierreihe der Rechteckfunktion der Folgefrequenz ft. Es erscheinen also am Ausgang die Mischprodukte der Frequenz \ η ■ ft + fs !, für η gleich 0, 1, 2 ...

Eine Signalübertragung vom Ausgangsklemmenpaar A₁A' in Richtung zum Eingangsklemmenpaar E, E' ist infolge der sehr geringen Rückwirkungskapazität zwischen Kollektor und Basis des Transistors 15 nicht möglich. Liegt am Ausgangsklemmenpaar A, A' eine Wechselspannung, so fließt der hierdurch erzeugte Wechselstrom im wesentlichen nur über den Widerstand 12 und nicht über den gro-

ßen Innenwiderstand bzw. die Rückwirkungskapazität des Transistors 15.

Wechselstrommäßig wirkt diese Anordnung für Signalübertragung vom Eingang zum Ausgang wie -5 ein Schalter, der die Klemme E mit der Klemme A verbindet, wenn die Verstärkerstufe bei leitendem Hilfsschalter die Verstärkung Eins aufweist, ohne daß eine der Klemmen mit Masse verbunden sein muß. Zur Ansteuerung der Anordnung werden keine Überträger benötigt, da die Verstärkung über den Hilfsschalter 9 gesteuert wird, welcher einseitig am Massepotential liegt und deshalb mit einer erdunsymmetrischen Steuerspannung betrieben werden kann.

Für Anwendungsfälle, bei denen der Betrag der Ausgangsspannung nicht zwischen einem endlichen Wert und Null, sondern zwischen zwei endlichen Werten geändert werden muß, wird parallel zur Stromquelle 8 ein Widerstand 11 geschaltet. Dies bewirkt, daß auch bei nichtleitendem Hilfsschalter 9 im Emitterkreis der Emitterstufe nur die Serienschaltung des Widerstandes 7 mit dem Widerstand 11 liegt. Die Verstärkung der Emitterstufe ergibt sich dann aus dem Quotienten des Widerstandes 12 und der Serienschaltung der Widerstände 7 und 11. as Die F i g. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Schaltung nach der F i g. 4, bei der die spannungsgesteuerte Stromquelle 8 durch einen Transistor 17 und Widerstände 18, 19 und 20 und der Hilfsschalter 9 durch einen Transistor 21 und einem Widerstand 22 realisiert sind.

Der Arbeitspunkt des Transistors 17 der spannungsgesteuerten Stromquelle und damit der durch den Widerstand 18 fließende Strom wird mit Hilfe des Basisspannungsteilers 19, 20 derart eingestellt, daß sich am PunktP bei nichtleitendem Schalter 21, 22 das Potential O V bzw. bei leitendem Schalter 21, 22 die Kollektor-Emitter-Restspannung des Transistors 21 einstellt. Zur Erleichterung der Einstellung kann der Widerstand 20 als Potentiometer ausgeführt sein. Im leitenden Zustand des Schalters 21, 22 werden nur zwei Punkte gleichen Potentials verbunden. Am Ausgangsklemmenpaar A, A' erscheint daher bei fortlaufendem öffnen und Schließen des Hilfsschalters 21, 22 keine Störspannung.
Der Transistor 17 stellt in Verbindung mit seinem Emitterwiderstand 18 eine spannungsgesteuerte Stromquelle dar, weil die Ausgangsimpedanz eines stromgegengekoppelten Transistors in Emitterschaltung außerordentlich hoch ist. Außerdem kann der Strom im Kollektorkreis durch die Spannung zwischen der Basis des Transistors und Masse gesteuert werden.

Der Widerstand 22 dient dazu, den Strom in die Basis des Transistors 21 einzuprägen. Dadurch wird der Eingangswiderstand des leitenden Schalters am Punkt B unabhängig von den Eigenschaften des Transistors 21. Liegt am Punkt B gegenüber Masse eine positive Spannung, so fließt ein Basisstrom in den Transistor 21, und dieser leitet Ströme in beiden Richtungen; er kann also Wechselströme leiten. In diesem Zustand weist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 21 nur einen sehr kleinen differentiel-Ien Widerstand auf. Zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 21 fällt eine kleine Gleichspannung ab, welche aber das Verhalten der Anordnung nicht beeinflußt, solange das Potential am Punkt P auf den gleichen Wert eingestellt ist. Liegt am Punkt B gegen Masse eine negative Spannung, so ist die Basis-Emitter-Diode des Transistors 21 gesperrt, und die Kol-,

Claims (5)

Iektor-Emitter-Strecke weist einen sehr großen differentiellen Widerstand auf, so daß der Gesamtwiderstand im Emitterkreis des Transistors 15 im wesentlichen durch die Serienschaltung des Widerstandes 7 mit den großen differentiellen Ausgangsimpedanzen der Transistoren 17 und 21 gegeben ist, was dazu führt, daß die Verstärkung der Emitterstufe 15 näherungsweise gleich Null ist. Die F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes, bei der einer Schaltstufe II nach Art der in F i g. 3 dargestellten eine Vorstufe I und eine Endstufe III zugeschaltet sind. Die Vorstufe I mit Eingangsklemmen e, e besteht aus einem Transistor 28 und Widerständen 23, 24, 25, 26 und 27. Die Endstufe III mit den Ausgangsklemmen a, a' besteht aus den Transistoren 29 und 31 sowie den Widerständen 30, 32, 33 und 34. Am Ausgang A der Schaltstufe II erscheint infolge parasitärer Schaltungskapazitäten, Transistorkapazitäten, Unzulänglichkeiten des elektronischen Hilfs- schalters 21, 22 sowie der Temperaturabhängigkeit der aktiven Schaltelemente eine mehr oder weniger große störende Restspannung der Schaltfrequenz fp. Um diesen »Trägerrest« in seiner Größe zu reduzieren, wird der Schaltstufe I bei leitendem Hilfsschalter «5 21, 22 eine Spannungsverstärkung kleiner als Eins gegeben. Durch Vorschalten einer Vorstufe I einer entsprechenden Spannungsverstärkung größer als Eins wird erreicht, daß die gesamte Spannungsverstärkung zwischen den Punkten e und A bei leitendem Hilfsschalter 21,22 Eins ist, während die Amplitude des Trägerrestes am Punkt A entsprechend der geringeren Spannungsverstärkung die Emitterstufe 15 reduziert ist. Im Kollektorkreis des Transistors 28 liegt der Widerstand 23 parallel zu dem sehr großen Eingangswiderstand der Schaltstufe II. Im Emitterkreis des Transistors 28 liegt wechselstrommäßig die Parallelschaltung der Widerstände 24 und 25. Der Widerstand 25 dient zur Einstellung eines geeigneten Ar- beitspunktes des Transistors 28 in Verbindung mit dem Spannungsteiler 26, 27 an der Basis dieses Transistors. Die Vorstufe I kann so ausgelegt werden, daß am Punkt e ein Gleichpotential OV auftritt. Da im allgemeinen die Klemme A ein anderes Gleichpotential aufweist als die Klemmen E und c, wird man der Schaltstufe II eine Endstufe III nachschalten, um ein gleiches Gleichpotential an den Punkten e und a zu erzielen. Die Endstufe III besteht aus einer stromgegengekoppelten Emitterstufe 31, 32, 34. Der Transistor 29 dient in Verbindung mit den Widerständen 30 und 33 dazu, an der Basis des Transistors 31 ein geeignetes Gleichpotential zu erzielen, das ungleich dem Gleichpotential am Punkt A ist. Wechselstrommäßig fällt über den Widerstand 30 keine Spannung ab. da sowohl der Eingangswiderstand des stromgegengekoppelten Transistors 31 als auch die Ausgangsimpedanz des stromgegengekoppelten Transistors 29, der als spannungsgesteuerte Stromquelle wirkt, sehr groß gegenüber dem Widerstand 30 sind. An der Basis des Transistors 31 erscheint daher die volle Amplitude der Wechselspannung am Punkt A. Die Endstufe III kann so ausgelegt werden, daß bei einer Eingangsgleichspannung von 0 V zwischen den Punkten e und e' auch am Ausgang zwischen den Punkten a und a' eine Gleichspannung 0 V steht, so daß das gleichstrommäßige Verhalten der Schaltung un- abhängig von dem an den Ausgangsklemmen a, a' angeschlossenen Lastwiderstand 5 ist. Dieser Lastwiderstand 5 beeinflußt nur die wechselstrommäßige Spannungsverstärkung der stromgegengekoppelten Emitterstufe 31, 32, 34, 5. Die Verstärkung der Endstufe III ist durch das Verhältnis der Parallelschaltung der Widerstände 5 und 32 zum Widerstand 34 gegeben. Im allgemeinen wird man eine Spannungsverstärkung Eins wählen. Die in der Fig. 4 dargestellte Anordnung wirkt wechselstrommäßig so, als ob zwischen den Klemmen e und a ein beidseitig massepocentialfreier Schalter liegt. Die Anordnung wirkt jedoch nicht wie ein einfacher Schalter, sondern wie ein zwischen zwei Trennverstärkern liegender Schalter; denn einmal kann nur eine Signalübertragung vom Eingang zum Ausgang erfolgen, und zum anderen ist die Eingangsimpedanz der Anordnung ebenso wie die Ausgangsimpedanz der Schaltstufe II und der Endstufe III vorn Zustand des Hilfsschalters 21, 22 unabhängig. Eine angeschlossene Last 5 wird also durch das Umschalten nicht beeinflußt. Die Potentialfreiheit von Eingang und Ausgang der Anordnung erlaubt es, diese mit beliebigen gleichstromfreien Abschlußwiderständen 5 zu belasten, ohne daß eine Beschädigung des Ubertragungsvierpols. den man auch als Analogschalter bezeichnen könnte, eintreten kann. Die Einfügung von Trennkondensatoren zwischen der am Eingang liegenden Signalquelle und dem Punkt e bzw. zwischen dem Lastwiderstand 5 und der Klemme a erübrigt sich daher. Die Nichtlinearitäten dieser Schaltung sind besonders gering, da unabhängig vom Zustand des Hilfsschalters 21, 22 nur sehr stark gegengekoppelte Verstärkerstufen verwendet sind. Die erfindungsgemäßen Schaltungen sind besonders für die Realisierung in einer integrierten Schaltungstechnik geeignet, die eine Verwendung von Spulen und Übertragern mit magnetischem Kreis praktisch nicht zuläßt. An Stelle der in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen verwendeten Transistoren sind auch solche anwendbar, die nach dem Feldeffektprinzip arbeiten. Diese Transistoren sind unter den Fachausdrücken FET und MOS-FET allgemein bekannt. Die Übersetzung der erfindungsgemäßen Schaltungen in solche unter Anwendung von Feldeffekttransistoren ist nach bestimmten Regeln möglich, die allgemein bekannt sind. Patentansprüche:

1. In der Übertragungsrichtung sperrbarer Übertragungsvierpol mit regelbarer Übertragungsdämpfung mit vorzugsweise unterschiedlichen Gleichpotentialen am Eingang und Ausgang, unter Verwendung eines stromgegengekoppelten Emitterverstärkers, einer spannungsgesteuerten, wechselstrommäßig hochohmigen Stromquelle und eines einpolig wenigstens wechselstrommäßig an Masse liegenden, durch eine variable Spannung steuerbaren elektronischen Hilfsschalters, dadurch gekennzeichnet, daß eine wenigstens wechselstrommäßig auf Nullpotential liegende Verbindung (P) zwischen dem transistorabgewandten Anschluß des Emitterwiderstandes (7) und der Stromquelle (8) einerseits und dem

massefreien Anschluß des Hilfsschalters (9) über einen Trennkondensator(IO) andererseits derart vorgesehen ist, daß während des Anliegens einer Eingangsspannung beim Umschalten des Hilfsschalters (9) infolge der hierdurch bewirkten An- derung des Wertes der Stromgegenkopplung die Amplitude der Ausgangsspannung zwischen einem endlichen Wert und Null verändert wird.

2. Übertragungsvierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt des Trennkon- densators (10) eine galvanische Verbindung vorgesehen ist und daß für beide Anschlüsse des

Hilfsschalters (9) gleiche Gleichpotentiale vorgesehen sind.

3. Übertragungsvierpol nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Stromquelle (8) überbrückender Widerstand (11) vorgesehen ist.

4. Übertragungsvierpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorverstärker mit einer Spannungsverstärkung größer als Eins und der Emitterverstärker mit einer Spannungsverstärkung kleiner als Eins vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen