DE1462508B2 - Umschaltanordnung für Analogsignale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umschaltanordnung zur wahlweisen Übertragung jeweils eines von mehreren Analogsignalen, mit einer Gruppe von elektronischen Torschaltungen, von denen jeweils nur eine einzige offen ist, während die anderen gesperrt sind, wobei das Öffnen und Schließen der Torschaltungen durch Taktimpulse gesteuert wird.

Umschaltanordnungen dieser Art werden beispielsweise für Fernmessungen verwendet, um der Reihe nach Abtastwerte der von verschiedenen Meßstellen kommenden, die Meßwerte darstellenden elektrischen Analogsignale einem einzigen Empfänger zuzuführen. Dabei besteht das Problem, daß die Torschaltungen die Analogsignale, die sich stufenlos ändern können, unverfälscht übertragen müssen, aber durch digitale Taktimpulse steuerbar sein müssen. Da die üblichen Torschaltungen nur für die Übertragung digitaler Signale ausgebildet sind, erfordert die Lösung dieses Problems gewöhnlich einen beträchtlichen Schaltungsaufwand, der sich mit der Anzahl der Tor-

schaltungen, d. h. der Anzahl der Ubertragungskanäle multipliziert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Umschaltanordnung der eingangs angegebenen Art, die mit geringem Schaltungsaufwand, Raumbedarf und

ίο Stromverbrauch die unverfälschte Übertragung jeweils eines von einer beliebig großen Anzahl elektrischer Analogsignale gewährleistet und auf einfache Weise durch digitale Taktimpulse steuerbar ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Torschaltung einen Feldeffekttransistor enthält, daß den Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren jeweils eines der zu übertragenden Analogsignale zugeführt ist, daß die Drain-Elektroden aller Feldeffekttransistoren mit einem gemeinsamen Ausgang verbunden sind, daß die Gate-Elektrode jedes Feldeffekttransistors mit dem Ausgang einer zugeordneten Kippschaltung verbunden ist, und daß die Kippschaltung als Ringzähler geschaltet ist, der durch die Taktimpulse fortgeschaltet wird.

Bei der Umschaltanordnung nach der Erfindung sind die die Analogsignale steuernden Schalter durch Feldeffekttransistoren gebildet, also durch Schaltelemente, die auch Analogsignale größerer Leistung unverfälscht übertragen können. Da diese „Schaltelemente nicht durch impulsweise Ansteuerung geöffnet und geschlossen werden können, wird der öffnungszustand jedes Feldeffekttransistors durch eine zugeordnete Kippschaltung gesteuert, deren Zustand durch die Taktimpulse bestimmt wird. Dadurch, daß diese Kippschaltungen als Ringzähler geschaltet sind, ergibt sich eine sehr einfache Ansteuerung, denn es brauchen nur zwei gegeneinander versetzte Folgen von Taktimpulsen vorgesehen zu werden, die den Ringzähler weiterschalten; der Ringzähler sorgt dann, bei beliebig großer Anzahl der Eingangskanäle, selbsttätig für die richtige aufeinanderfolgende Abtastung der verschiedenen Analogsignale.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigt Fig. 1 das Prinzipschema einer Umschaltanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 das Schaltbild einer Torschaltung der Umschaltanordnung von Fig. 1,

Fig. 3 die bevorzugte Ausführungsform eines Feldeffekttransistors, der in der Torschaltung enthalten ist, und

Fig. 4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Teils der Schaltung von Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Umschaltanordnung enthält im wesentlichen für jeden der zu schaltenden Kanäle einen Feldeffekttransistor 71, Tl... Tn, dessen Stromf ührungszustand von einer zugeordneten bistabilen Kippschaltung Bl, Bl... Bn gesteuert wird. Die umzuschaltenden Signale El, El... En werden den Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren zugeführt, während der einzige Ausgang der Umschaltanordnung durch einen Leiter 5 gebildet ist, an den parallel die Drain-Elektroden der Feldeffekttransistoren angeschlossen sind.

Die Kippschaltungen Bl... Bn sind über Kondensatoren Cl, Cl... Cn-I und einen Betriebsregenerator M als Ringzähler geschaltet, wobei der Betriebsregenerator M einen Ausgang der Kippschaltung Bn

mit dem Eingang der Kippschaltung Bl verbindet.

Die Gate-Elektroden gl, gl...gn der Feldeffekttransistoren sind an jeweils einen Ausgang der Kippschaltungen Bl, Bl... Bn angeschlossen.

Ein Taktgeber H liefert periodische Impulse an einem ersten Ausgang Hl und periodische Impulse, die gegen die Impulse des Ausgangs Hl um eine halbe Periode verzögert sind, an seinem Ausgang Hl.

Der Ausgang Hl ist mit den Rückstelleingängen der Kippschaltungen Bl, B3...Bn-I mit ungeradzahligem Index verbunden. Der Ausgang Hl ist mit den Rückstelleingängen der Kippschaltungen Bl, B4...Bn mit geradzahligem Index verbunden.

In Fig. 2 ist die Torschaltung dargestellt, die von dem Feldeffekttransistor 71 und der Kippschaltung ßl gebildet ist. Die Kippschaltung enthält einen pnp-Transistor Tl und einen npn-Transistor Vl. Bei jedem dieser Transistoren ist die Basis mit dem Emitter über einen Widerstand verbunden, der für den Transistor Tl mit 2 und für den Transistor T'l mit 1 bezeichnet ist. Der Stromkreis ist dadurch geschlossen, daß der Kollektor des Transistors Tl mit der Basis des Transistors T'l und der Kollektor des Transistors T'l mit der Basis des Transistors Tl verbunden sind.

Der Emitter des Transistors T'l ist über einen Widerstand 3 an eine negative Spannung gelegt (die bei dem dargestellten Beispiel den Wert — 9 V hat), während der Emitter des Transistors Tl über eine Diode 4 an eine positive Spannung von + 6 V gelegt ist.

Die von dem Ausgang Hl des Taktgebers H kommenden Rückstellimpulse werden über eine Diode 5 an die Basis des Transistors Tl angelegt, während der Ausgang (Emitter des Transistors T'l) an die Klemme Al der nächsten Stufe (die der Klemme Al der Stufe von Fig. 2 entspricht), über die Kapazität Cl angeschlossen ist.

Das Analogsignal El wird an die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 71 über einen Widerstand 6 angelegt, während die Drain-Elektrode über die Leitung S mit dem Eingang eines nicht dargestellten Verstärkers verbunden ist. Über eine Diode 7 ist eine positive Spannung von + 3 V an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 6 und der Source-Elektrode angelegt.

Die Bulk-Elektrode Gl ist an Masse gelegt, während die Gate-Elektrode gl an den Ausgang der Kippschaltung Bl, also an den Emitter des Transistors T'l angeschlossen ist.

Aus Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Kippschaltung Bn, ebenso wie die zuvor beschriebene Kippschaltung Bl, die in gleicher Weise wie die Kippschaltungen Bl... Bn-I ausgeführt ist, zwei Transistoren Tn und T'η enthält, die in der zuvor beschriebenen Weise miteinander verbunden sind, wobei aber der Emitter des Transistors T'η mit der Kippschaltung Bl über den Betriebsregenerator M verbunden ist. Dieser ist ein astabiler Multivibrator bekannter Art, der die folgende Eigenschaft hat: Wenn seinem Eingang ein Impuls zugeführt wird, erzeugt er einen Ausgangsimpuls, er kann aber während einer bestimmten Dauer, die zwischen einem ganzen und einem halben Zyklus des Ringzählers beträgt, keinen neuen Impuls übertragen. Andererseits liefert er bei längerem Fehlen eines Eingangsimpulses von sich aus einen Ausgangsimpuls.

Die Feldeffekttransistoren Tn der Anordnung sind vorzugsweise so ausgeführt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Sie enthalten ein Siliziumsubstrat des Leitungstyps p, mit welchem die Bulk-Elektrode Gl verbunden ist, und Planarzonen des Leitungstyps n + , mit denen die Source-Elektrode Kl bzw. die Drain-Elektrode Al verbunden sind. An derjenigen Fläche des Substrats, an der die beiden (pn + )-Ubergänge liegen, ist eine Siliziumdioxydschicht angebracht (die von den Elektroden .Kl und Al unterbrochen ist). Diese Schicht ist wiederum von einer metallischen Aluminiumschicht bedeckt, deren mittlerer Abschnitt die Gate-Elektrode gl trägt.

Die besonderen Eigenschaften eines solchen Feldeffekttransistors ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der Wirkungsweise der Anordnung.

Die Analogsignale werden dauernd an die in der Anordnung enthaltenen Meßkanäle angelegt. Jede Kippschaltung hat einen leitenden oder »gezündeten« Zustand (in welchem die beiden Transistoren Strom führen) und einen »gelöschten« Zustand (in welchem

ao die beiden Transistoren gesperrt sind). In dem von den Kippschaltungen gebildeten Ringzähler ist in jedem Zeitpunkt immer nur eine einzige Kippschaltung gezündet, was zur Folge hat, daß nur der entsprechende Feldeffekttransistor geöffnet ist. Demzufolge

as wird das entsprechende Analogsignal zu dem Ausgang S der Umschaltanordnung während des kurzen Zeitintervalls übertragen, in welchem die Kippschaltung gezündet ist, wodurch aufeinanderfolgende Abtastwerte gebildet werden (wie oberhalb des Leiters S

in Fig. 1 dargestellt ist). Diese Abtastwerte werden einem nicht dargestellten Verstärker zugeführt, der eine Zwischenstufe des Wertes 0 zwischen die Abtastwerte einfügt. Am Ausgang dieses Verstärkers erhält man amplitudenmodulierte Impulse, welche die Signale der Meßkanäle (oder anderer Multiplex-Eingangskanäle) getreu wiedergeben.

Im einzelnen haben die Kippschaltungen die folgende Wirkungsweise:

Wenn die Transistoren Tl und T'l der Kippschaltung ßl Strom führen, liegt die Gate-Elektrode gl des zugehörigen Feldeffekttransistors Tl auf einem positiven Potential, weil sie mit der die Spannung von + 6 V führenden Klemme verbunden ist, und der Feldeffekttransistor 71 ist stromführend. Wenn der vom Ausgang Hl des Taktgebers H stammende positive Rückstellimpuls am Transistor T'l ankommt, wird dieser gesperrt, und demzufolge auch der Transistor 7"1. Dies hat die Sperrung des Feldeffekttransistors 71 zur Folge, weil die Gate-Elektrode gl über den Widerstand 3 mit der die Spannung von — 9 V führenden Klemme verbunden wird und daher die Spannung an der Gate-Elektrode gl negativ wird. Bei einem Impuls wird das Potential am Ausgang Hl etwa so groß wie das Potential, das der Diode 4 zugeführt wird. Damit die Sperrung des Transistors 7*1 dann wirksam wird, muß der Spannungsabfall in der Diode 5 kompensiert werden; dies ist der Grund für das Vorhandensein der Diode 4.

Da das Ausgangssignal dem Eingang der nächsten Stufe über die Kapazität Cl zugeführt wird, die eine differierende Wirkung hat, ruft die negativ gerichtete Flanke dieses Signals das Zünden der nächsten Stufe hervor.

Der Betriebsregenerator M gewährleistet, daß stets eine und nur eine Kippschaltung gezündet ist. Der zuvor beschriebene Feldeffekttransistor besitzt, falls er mit einem geeigneten Kompromiß zwischen dem spezifischen Widerstand des Substrats und

den Abmessungen der Zonen realisiert ist, im gesperrten Zustand einen besonders geringen Reststrom und einen ausreichend niedrigen Widerstand im stromführenden Zustand. Der Reststrom ist zeitlich stabil.

Es ist wichtig, daß diese Bedingungen erfüllt sind, wenn eine sehr geringe Intermodulation der verschiedenen Kanäle und ein sehr kleiner Leistungsverbrauch vorgeschrieben sind.

Der beschriebene Umschalter läßt sich in Form einer integrierten Schaltung, also mit sehr kleinem Volumen ausführen.

Sein Leistungsverbrauch ist außerordentlich gering. Praktisch verbraucht immer nur eine einzige Kippschaltung einen merklichen Strom, da der Kriechstrom der Feldeffekttransistoren im gesperrten Zustand vernachlässigbar ist und auch der Taktgeber nur eine sehr kleine Leistung verbraucht, weil die Dauer der vom Taktgeber gelieferten Steuerimpulse sehr klein gegen die Zündzeit jeder Kippschaltung sein kann.

Der Betriebsregenerator kann beispielsweise in der in Fig. 4 dargestellten Weise ausgeführt sein.

Er enthält zwei Transistoren 77 und TS, die eine astabile Kippschaltung mit der gewünschten Betriebsperiode bilden. Der Steuerimpuls wird bei E zugeführt. Er geht durch eine Verstärkerstufe mit einem Transistor T6, dessen Kollektor mit dem Kollektor des Transistors 77 und der Basis des Transistors TH verbunden ist.

Der Emitterstrom des Transistors TS steuert eine Verstärkerstufe mit einem Transistor T9, dessen KoI-lektor mit dem Ausgang £5 über eine Differenzierschaltung verbunden ist, die eine Kapazität C sowie zwei als Spannungsverdoppler geschaltete Dioden Dl und DS enthält. Diese Dioden blockieren die negativen Impulse.

Ein bei E zugeführter positiver Impuls bestimmt den Augenblick des Anlaufens der Schwingungen des astabilen Multivibrators, der eine Rechteckspannung mit der gewünschten Periode liefert. Die Vorderflanke jeder Rechteckschwingung ruft einen positiven

ao Impuls bei £5 hervor. Wenn kein Impuls am Eingang vorhanden ist, liefert der astabile Multivibrator weiterhin seine Ausgangsimpulse, da er sich selbst erregt und dabei die gleiche Periode beibehält.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Umschaltanordnung zur wahlweisen Übertragung jeweils eines von mehreren Analogsignalen, mit einer Gruppe von elektronischen Torschaltungen, von denen jeweils nur eine einzige offen ist, während die anderen gesperrt sind, wobei das Öffnen und Schließen der Torschaltungen durch Taktimpulse gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Torschaltung einen Feldeffekttransistor (Tl, Tl... Tn) enthält, daß den Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren jeweils eines der zu übertragenden Analogsignale (El, El... En) zugeführt ist, daß die Drain-Elektroden aller Feldeffekttransistoren mit einem gemeinsamen Ausgang (5) verbunden sind, daß die Gate-Elektrode (gl, gl...gm) jedes Feldeffekttransistors mit dem Ausgang einer zugeordneten Kippschaltung(Bl, Bl... Bn) verbunden ist, und daß die Kippschaltung als Ringzähler geschaltet ist, der durch die Taktimpulse fortgeschaltet wird.

2. Umschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kippschaltung (Bl, Bl...Bn) einen pnp-Transistor (7*1) und einen npn-Transistor ( T"l) enthält, daß die Basis jedes Transistors (Tl, T'l) mit seinem Emitter über einen Widerstand (1, 2) verbunden ist, daß der Kollektor jedes Transistors mit der Basis des anderen Transistors verbunden ist, daß der Emitter des npn-Transistors an einem negativen Potential und der Emitter des pnp-Transistors an einem positiven Potential liegen, und daß die Basis des pnp-Transistors (7*1) mit den Eingängen (Al, Hl) verbunden ist, über welche die Taktsignale zugeführt werden, welche die Kippschaltung in den geöffneten bzw. den gesperrten Zustand bringen.

3. Umschaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Feldeffekttransistor ein Siliziumsubstrat des Leitungstyps ρ enthält, welches die Bulk-Elektrode bildet, daß zwei Planarzonen des Leitungstyps n+ die Source-Zone bzw. die Drain-Zone bilden, und daß die diese Planarzonen enthaltende Seite des Substrats mit einer Siliziumdioxydschicht bedeckt ist, die wiederum von einer die Gate-Elektrode bildenden Metallschicht bedeckt ist.