DE2059140B2 - Elektronische Schaltung mit Schaltereigenschaften - Google Patents

Description

hen ist in dessen Gegenkopplungszweig zwischen Ausgang und Eingang wenigstens ein Hilfsschalter, und rjrar ein in der Elektronik allgemein für Schaltzwecke verwendetes Bauelement, angeordnet ist, besteht eine erste Lösung gemäß der Erfindung darin, daß der Verstärker mit einem Anschluß seines Ein- und Ausgangs mit einem Bezugspotential verbunden ist und daß die beiden seinen Eingang darstellenden Anschlüsse die Schalteranschlüsse sind.

Ausgehend von einer elektronischen Schaltung mit Schaltereigenschaften, die hohe Anforderungen an das Sperr- und Ourchlaßverhalten erfüllt, bei der ein zwei gegenphasige Eingänge aufweisender Verstärker mit hoher Leerlaufverstärkung, hochohmigem Eingangs-Mnd niederohmigem Ausgangswiderstand, insbesondere ein Operationsverstärker, vorgesehen ist, in dessen Gegenkopplungszweig zwischen Ausgang und Eingang wenigstens ein Hilfsschalter, und zwar ein in der Elektronik allgemein für Schaltzwecke verwendetes Bauelement, angeordnet ist, und bei der der gleichphasige Eingang des Verstärkers den einen und der Ausgang des Verstärkers in Reihe mit dem Hilfsschalter den anderen der beiden Schalteranschlüsse abgeben, besteht eine /weite Lösung gemäß der Erfindung dann, daß im Gegenkopplungszweig in Reihe zum Hilfsschalter ein weiterer Hilfsschalter angeordnet ist und daß die beiden Hilfsschalter stets den gleichen Schaltzustand haben.

Benötigt der Verstärker, wie das bei Operationsverstärkern vielfach der Fall ist, aus Gründen der Betriebssicherheit eine feste Gleichstromgegenkopplung zwischen Ein- und Ausgang, dann wird es auch im Falle der ersten erfindungsgemäßen Losung erforderlich, im Gegenkopplungszweig des Verstärkers in Reihe zum Hilfsschalter einen weiteren Hilfsschalter anzuordnen. Dabei weisen dann, wie bei der zweiten erfindungsgemäüsn Lösung, beide Hilfsschalter stets den gleichen Schaltzustand auf. Die beiden Schalteranschlüsse sind in diesem Falle vom gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Hilfsschalter und dem auf Bezugspotential liegenden zweiten Eingangsanschluß des Verstärkers gebildet.

Soll der Verstärker, wie bereits im vorstehenden at edeutet ist, einen zweiten Gegenkopplungsweg, und zvk ar einen Gleichstromgegenkopplungsw g zwischen ein- und Ausgang aufweisen, dann ist der Widerstand dieses Gleichstromgegenkopplungsweges groß gegen den Durchlaßwiderstand der Hilfsschalter und klein gegen den Sperrwiderstand der Hilfsschalter.

Besonders günstig gestalten sich die Verhältnisse in diesem Zusammenhang, wenn der Gleichstromgegenkopplungsweg von zwei antiparallel geschalteten Dioden gebildet wird.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit für die Gestaltung des Gleichstromgegenkopplungsweges besteht darin, diesen von einem zusätzlichen Hilfsschalter zu bilden, dessen Schaltzustand dem Schaltzustand des bzw. der übrigen Hilfsschalter entgegengesetzt ist.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten

Fig.l und 2 die schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig.3 eine weitergebildete Ausführungsform nach Fig.l und 2,

Fig.4 und 5 die schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig.6 eine weitergebildete Ausführungsform nach F i g. 4 und 5.

Bei der in Fig.l dargestellten Schaltung bezeichnet V einen Verstärker mit der Verstärkung A, dessen Eingang sehr hochohmig und dessen Ausgang sehr niedorohmig ist. Der Verstärker V weist einen Gegenkopplungsweg zwischen seinem Ausgang und seinem Eingang auf, der von einem Hilfsschalter gebildet wird. Der Schalter ist schematisch dargestellt durch den Arbeitskontaki si in Reihe mit seinem Durchlaßwiderstand Rst. Die den Schalter steuernde elektrische Größe ist durch einen mit Γ bezeichneten Pfeil angedeutet In Fig.l sind die Eingangsanschlüsse mit 1,1' bezeichnet, von denen der Eingangsanschluß Γ gegen Bezugspotential liegt Den Eingangsanschlüssen 1,1' ist die Spannungsquelle £mit dem Innenwiderstand Ri parallel angeschaltet.

Wie das in F i g. 2 dargestellte Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig.l erkennen läßt, stellt diese Schaltung zwischen den Eingangsanschlüssen i, V des Verstärkers Veine in Abhängigkeit des Schahzustandes des Schalters im Gegenkopplungszweig gesteuerte Schaltsirecke dar. Bei ausreichend großer Verstärkung 1/41 des Verstärkers V wird dabei der Durchlaßwiderstand /?st des Schalters auf den Wert RsVA reduziert. Die Schaltung nach Fig.l läßt sich somit hinsichtlich der Eingangsanschlüsse 1, Y als einen einseitig auf Bezugspotential liegenden elektronischen Schalter auffassen, der bei einem durch den Eingangswiderstand des Verstärkers gegebenen hohen Sperrwiderstand einen praktisch vernachlässigbaren Durchlaßwiderstand aufweist.

Die in Fig.3 dargestellte Weiterbildung der Schaltung nach Fig.l und 2 macht von einem zwei gegenphasige Eingänge aufweisenden Operationsverstärker V Gebrauch, der zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang eine Gleichstromgegenkopplung in form zweier gegensinnig parallelgeschalteter Dioden D\ und Dl aufweist. Die Verwendung nur eines Schalters im Gegenkopplungszweig entsprechend Fig.l hätte hier zur Folge, daß der Sperrwiderstand an den Eingangsanschlüssen 1'. 1" bei geöffnetem Schalter durch den Widerstand des Gleichstromgegenkopplungszweiges mitbestimmt wäre. Um dies zu verhindern, ist ein zweiter Schalter in Reihe zum ersten Schalter vorgesehen. Die beiden Schalter sind durch Feldeffekttransistoren 771 und 772 verwirklicht, deren steuernde Elektroden zum gemeinsamen Anschluß 3 für die Zuführung der elektrischen Steuergröße einander parallel geschaltet sind. Der zweite durch den Feldeffekttransistor 772 realisierte Schalter im Gegenkopplungszweig liegt gleichzeitig in Reihe mit der Spannungsquelle E und ihrem Innenwiderstand Ri am invertierenden Eingang, während der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers V mit dem Bezugspotential verbunden ist. Die die Schaltstrecke darstellenden Anschlüsse 1", Γ sind hier durch den gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Feldeffekttransistoren 771 und 772 einerseits und durch den auf Bezugspotential liegenden nichtinvertierenden Eingang gegeben. Bei durchgeschalteten Feldeffekttransistoren 771 und 772 sind die einander gegensinnig parallelgeschalteten Dioden DX und D2 praktisch spannungsfrei und stellen daher einen hohen Widerstand dar. Bei gesperrten Feldeffekttransistoren 771 und 772 dagegen ist je nach Polarität der sich zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers ausbildenden Gleichspannung eine der Dioden durchgeschaltet, so daß in diesem Schaltzustand ebenfalls eine

Gleichstromgegenkopplung im Sinne der gewünschten Stabilisierung des Operationsverstärkers wirksam wird.

Bei der in Fig.4 und 5 dargestellten zweiten Ausführungsform nach der Erfindung wird ebenfalls von einem zwei einander gegenphasige Eingänge aufweisenden Operationsverstärker V mit der Verstärkung 1/41 Gebrauch gemacht. Die Eingangsanschlüsse 1, Γ sind hier durch den nichtinvertierenden Eingang und den Bezugspotentialanschluß gebildet, denen wiederum die Spannungsquelle E mit dem Innenwiderstand Ri parallel angeschaltet ist. Der nicht auf Bezugspotential liegende Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers V ist über einen durch seinen Durchlaßwiderstand /?s2 in Reihe mit dem Schaltkontakt s2 dargestellten Schalter mit dem ausgangsseitigen Anschluß 2 der Schaltung verbunden. Der zugehörige Bezugspotentialanschluß ist mit 2' bezeichnet.

Weiterhin ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers über den durch seinen Durchlaßwiderstand RsI in Reihe mit dem Schaltkontakt si dargestellten Schalter mit dem ausgangsseitigen Anschluß 2 verbunden. Beide Schalter werden wiederum mit einer durch einen mit T bezeichneten Pfeil angedeuteten elektrischen Größe gesteuert.

Im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach den Fig.l, 2 und 3 ergibt sich bei der Ausführungsform nach F i g. 4 eine Schaltstrecke zwischen dem Anschluß 1, der durch den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers V gebildet wird, und dem ausgangsseitigen Anschluß 2. Der gleichsam im Längszweig des von den Anschlußpaaren 1, Γ und 2,2' gebildeten Vierpols angeordnete Schalter läßt, da hier der Operationsverstärker im Schaltweg angeordnet ist, einen Signalfluß nur in einer Richtung zu. Abgesehen hiervon werden aber auch hier die Durchlaßwiderstände der beiden in Reihe im Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers liegenden Schalter um den Faktor 1: A reduziert. Das in F i g. 5 angegebene Ersatzschaltbild macht diesen Sachverhalt unter Berücksichtigung des nur in einer Richtung möglichen Signalflusses dadurch deutlich, daß der Eingangsanschluß 1 zum Ausgang nicht durchverbunden ist und die ausgangsseitigen Anschlüsse 2,2' über den Schalter bei geschlossenem Schaltkontakt si, 2 über den Durchlaßwiderstand

RsI + Rs2

ίο Α

unmittelbar an eine Spannungsquelle E angeschaltet sind, die einen praktisch vernachlässigbar kleinen Innenwiderstand aufweist.

Das in Fig.6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht der F i g. 4, mit dem Unterschied, daß ein zweiter Gegenkopplungsweg vom Ausgang des Operationsverstärkers V zum invertierenden Eingang vorgesehen ist, der wiederum durch zwei einander gegensinnig parallelgeschaltete Dioden Dl und Dl gebildet ist.

Die beiden Schalter im Gegenkopplungszweig sind entsprechend Fig.l durch zwei Feldeffekttransistoren TrI und 7/2 realisiert.

Wie bereits einleitend darauf hingewiesen wurde, können die einander gegensinnig parallelgeschalteten Dioden Dl und D2 auch durch einen dritten Schalter, der ebenfalls durch einen Feldeffekttransistor verwirklicht sein kann, ersetzt sein. In diesem Falle ist es dann wichtig, daß dieser dritte Schalter im entgegengesetzten Sinne gesteuert wird, wie die beiden übrigen Schalter. Die elektrische Steuergröße kann aus einer periodischen Impulsfolge oder aus Einzelimpulsen bestehen die gegebenenfalls manuell ausgelöst werden unc beliebige Dauer haben können.

Da die Schaltung nach der Erfindung wedei Induktivitäten noch Kondensatoren aufzuweiset braucht, eignet sie sich in vorteilhafter Weise für ihn Ausführung in integrierter Technik.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltung mit Schaltereigen schäften, die hohe Anforderungen an das Sperr- und Durchlaßverhallen erfüllt, bei der ein Verstärker mit hoher Leerlaufverstärkung, hochohmigem Eingangs- und niederohmigem Ausgangswiderstand, insbesondere ein Operationsverstärker, vorgesehen ist, in dessen Gegenkopplungszweig zwischen Ausgang und Eingang wenigstens ein Hilfsschaher, und zwar ein in der Elektronik allgemein für Schaltzwecke verwendetes Bauelement, angeordnet ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (V) mit einem Anschluß seines Ein- und Ausgangs mit einem Bezugspotential verbunden ist und daß die beiden seinen Eingang darstellenden Anschlüsse die Schalteranschlüsse (1, V) sind.

2. Elektronische Schaltung mit Schalteretgenschäften, die hohe Anforderungen an das Sperr- und Durchlaßverhalten erfüllt, bei der ein zwei gegenphasige Eingänge aufweisender Verstärker mit hoher Leerlaufverstärkung, hochohmigem Eingangs- und niederohmigem Ausgangswiderstand. insbesondere ein Operationsverstärker, vorgesehen ist. in dessen Gegenkopplungszweig zwischen Ausgang und Eingang wenigstens ein Hilfsschalter. und zwar ein in der Elektronik allgemein für Schaltzwecke verwendetes Bauelement, angeordnet ist. und bei der der gleichphasige Eingang des Verstärkers den einen und der Ausgang des Verstärkers in Reihe mn dem Hilfsschalter den anderen der beiden Schalteranschlüsse abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig in Reihe zum Hilfsschalter (771^ ein weiterer Hilfsschalter (Tft)angeordnet ist und daß die beiden H ilfsschalter stets den gleichen Schaltzustand haben.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) in Reihe zum Hilfsschal- ter (Tr\) ein weiterer Hilfsschalter (Tft)angeordnet ist. daß fernet beide Hilfssch?lter stets den gleichen Schaltzustand aufweisen und daß die beiden Schalteranschlüsse (I". V) vom gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Hilfsschalter und dem auf Bezugspotential liegenden zweiten Eingangsanschluß des Verstärkers gebildet sind.

4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (V) einen zweiten Gegenkopplungsweg, und zwar einen Gleichstromgegenkopplungsweg zwischen Ein- und Ausgang, aufweist und daß der Widerstand dieses Gleichstromgegenkopplungsweges groß gegen den Durchlaßwiderstand der Hilfsschalter (TrI, TÄ2^und ''"ein gegen den Sperrwiderstand der Hilfsschalter ist.

5. Elektronische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromgegenkopplungsweg von zwei antiparallelgeschalteten Dioden (Di, /^gebildet ist.

6. Elektronische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromgegenkopplungsweg von einem zusätzlichen Hilfsschalter gebildet ist, dessen Schaltzustand dem Schaltzustand des bzw. der übrigen Hilfsschalter entgegengesetzt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung mit Schaltereigenschaften, die hohe Anforderungen an das Sperr- und Disrchlaßverhalten erfüllt.

Elektromeehanische Schalteinrichtungen stellen in vielen Fällen praktisch ideale Schalter dar. Sie können jedoch im Hinblick auf ihre stark begrenzte Schaltgeschwindigkeit für viele Anwendungsfälle nicht zum Einsatz kommen. Dies gil: insbesondere für das Gebiet der Elektronik und der Datenverarbeitungstechnik. Als elektronische Schalter mit hoher Schaltgeschwindigkeit werden üblicherweise Halbleiterelemente, wie Transistoren und Dioden, insbesondere Feldeffekttransistoren, verwendet, deren Durchlaßwiderstände in der Größenordnung von 10 bis 100 Ohm liegen. Diese hohen Werte stellen eine erhebliche Beschränkung beim Entwurf von Schaltungskonzepien der auf solche Schalter angewiesenen elektronischen Schaltungen dar. Vielfach wird hierdurch der technische Aufwand der Gesamtschaltung erheblich erhöht.

Durch die DTPS 11 11 b68 ist bereits ein Schaltkreis zum wahlweisen Verbinden eines Eingangsklemmen paares von einer Mehrzahl von Eingangsklemmenpaa ren mit einem Paar Ausgangsklemmen bekannt, bei dem unter anderem von einem sämtlichen Emgangsklem menpaaren gemeinsamen Verstärker Gebrauch ge macht wird. Der Verstärker hat dabei die Aufgabe, das Schaltverhalten elektronischer Schaltelemente hinsieht Hch des Durchlaß- und des Sperrverhaltens des Schaltkreises zu verbessern. Dies wird bei dieser bekannten Anordnung dadurch erreicht, daß im Rückhopplungszweig des Verstärkers in Serie ein Hilfsschalter mit der an- oder abzuschaltenden Energie quel'.e angeordnet ist. Für viele Anwendungsfälle ist cm solches Schalterkonzept unbrauchbar, weil sich ein benötigter Schalter, also ein einzelnes Bauteil, im allgemeinen ohne weiteres in das Schaltungskonzept einer elektronischen Schaltung einfügen können muß. Die Verwendbarkeit eines solchen Schalters darf also nicht voraussetzen, daß bestimmte Teile der elektronischen Schaltung an bestimmten Stellen im Schaltkreis des eigentlichen Schalters angeordnet werden müssen.

Es ist auch bereits durch die DT-OS 19 55 650 ein von einem Operationsverstärker Gebrauch machender elektronischer Schaller bekannt, dessen Schaltzustand gleichfalls von einem im Rückkopplungskreis des Verstärkers angeordneten Hilfsschalter gesteuert wird. Bei dieser bekannten Anordnung wird nicht vorausgesetzt, daß die zu schaltende Energiequelle im Rückkopplungskreis vorhanden sein muß. Sie hat jedoch den erheblichen Nachteil, daß hier die beiden als Schaltklemmen des Schalters anzusprechenden Anschlüsse von einem Widerstand überbrückt sind. Das hat zur Folge, daß an das Sperrverhalten dieses Schalters nur geringe Anforderungen gestellt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen von einem Verstärker Gebrauch machenden elektronischen Schalter eine weitere Lösung anzugeben, die neben einer universellen Einsatzmöglichkeit auch sehr hohe Ansprüche sowohl an das Durchlaß- als auch an das Sperrverhalten erfüllt.

Diese spezielle, als neu anzusprechende Aufgabe läßt sich auf zweierlei Weise lösen.

Ausgehend von einer elektronischen Schaltung mit Schaltereipenschaften, die hohe Anforderungen an das Sperr- und Durchlaßverhalten erfüllt, bei der ein Verstärker mit hoher Leerlaufverstärkung, hochohmigem Eingangs- und niederohmigem Ausgangswiderstand, insbesondere ein Operationsverstärker vorgese-