DE2123395A1 - Elektronische Koppelfeldeinrichtung mit Feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

• Elektronische KonPelfeldeinrichtung mit Feldeffekttransistoren Die Hauptanmeldung OS 1 922 382 betrifft eine Koppelfeldeinrichtung für die Durchschaltung unsymmetrischer Leitungen mit Feldeffekttransistoren (FET) als Koppel elemente und mit Verstärkern in den abgehenden Leitungen; für jeden Koppelpunkt ist ein FET vorgesehen, dessen Drain-Anschluß mit der nicht geerdeten Leitung verbunden ist, dessen Bulk-Anschluß mit dem Bezugspunkt der Schaltung verbunden ist, dessem Gate-Anschluß die zum Betätigen des Koppelelementes- erforderliche Schaltspannung zugeführt ist, dessen Source-Anschluß mit dem hochohmigen Eingang eines der Ausgangsverstärker verbunden ist, die Gleichspannungsverstärker sind und daß der jeweilige Ausgangsverstärker durch einen leitend geschalteten FET in Betrieb gesetzt wird, indem mit dem Signal über den FET hinweg eine Gleichspannung an den Ausgangsverstärker gelangt.
• Fig.1 zeigt das Prinzipschaltbild einer solchen Koppelfeldeinrichtung.
• Bei der praktischen Realisierung dieser Koppelpunkte, bei denen der Drain-Source-Widerstand zum Durchschalten benutzt wird, treten insbesondere bei hohen Frequenzen Schwierigkeiten auf. Wenn beispielsweise alle m Ausgangsverstärker auf einen Eingangsverstärker geschaltet werden, wird der Ausgang dieses Verstärkers mit der Kapazität m.Cd von m durchgeschalteten Koppelpunkten direkt und mit der Kapazität m.(n-15.Cs von m.(n-1) gesperrten Koppelpunkten jeweils über den zugehörigen Kanalwiderstand RDS des FET belastet. Hierbei bedeuten Cd die Kapazität eines durchgeschalteten FET gegen Masse, Os die Kapazität eines gesperrten FET gegen Masse, n die Anzahl der ankommenden und m die Anzahl der abgehenden Leitungen. Dieser Fall ist in Fig.2 dargestellt. Nachdem die Kapazität Cd wesentlich größer ist als die Kapazität Os, die Kapazität Cd aber direkt den Eingangsverstärker E belastet und somit dessen Gegenkopplung verringert, ist es wünschenswert, die Kapazität Cd und damit auch m Cd so weit wie möglich zu verkleinern.
• Bei den Koppelpunkten gemäß der Erfindung wird dies durch eine zusätzliche Diode erreicht, die von der Gate-Gleichspannung des FET so mitgesteuert wird, daß der Bulk-Anschluß bei den gesperrten Koppelpunkten über einen Kondensator auf Masse gelegt ist, während er bei durchgeschaltetem Koppelpunkt wechselspannungsmäßig ungeerdet ist.
• Ein weiteres Problem tritt beim Zuschalten mehrerer Ausgangsverstärker auf einen Eingangsverstärker hinsichtlich der gleichmäßigen Kapazitätsbelastung dieses Eingangsverstärkers auf. Anhand der Fig.3 soll dies näher erläutert werden.
• Ist z.B. der Eingang 2 auf den Ausgang c geschaltet, so wird der Eingangsverstärker E2 über den Kanaiwiderstand RDS mit der Kapazität (n-1).Cs und direkt mit der Kapazität (m-1).Os belastet. Wird jetzt zusätzlich der Ausgang b angeschaltet, so ist der Eingangsverstärker über die Kanalwiderstände zweier FETs jeweils mit der Kapazität (n-1).Cs und direkt mit der Kapazität (m-2).Cs belastet. Diese Kapazitätsänderung ruft zusammen mit den Zuleitungsinduktivitäten zwischen den Koppelpunkten bereits störende Frequenzgangänderungen von einigen pro Mille hervor Außerdem wird die Schleifenverstärkung des Eingangsverstärkers durch die wechselnde Belastung so stark geändert, daß von einer bestirninten Zahl von Zuschaltungen ab die Phasensicherheit nicht mehr ausreicht und de Eingangsverstärker schwingt In Weiterbildung der Erfindung wird deshalb mit der Diode ein Kompensationskondensator Ck ~ (n-1).Cs auf der Eingangsverstärkerseite eines jeden Koppelpunktes nach Masse geschaltet, der die Kapazitäten der gesperrten Koppelpunkte einer Zeile so nachbildet, daß bei Zuschaltung mehrerer Ausgangswege auf einen Eingangsverstärker die kapazitive Belastung desselben annahernd konstant b3eibt Bei Schaltern in Koppelfeldeinrichtungen gilt ganz allgemein, daß sich das Übersprechen in dem Maß verringert -r;-.e das Verhältnis Rs zu X2 größer wird, wobei tv, unQ die Wechselstromwiderstände eines FET im gesperrten bzw. durchgeschalteten Zustand bedeuten. Bei den hier beschriebenen Koppelpunkten trifft dies ebenso zu, wie mit Fig.4 gezeigt wird. In dieser Fig.4 sind die durchgeschalteten Wege von Leitung 1 nach Leitung a und von Leitung 2 nach Leitung b mit den hierbei wirksamen störenden Widerständen und Kapazitäten dargestellt.
• RDS (1/a) bedeutet dabei den Kanalwiderstand im durchgeschalteten Zustand des FET im Koppelpunkt 1/a, RDS (2/b) entsprechend dem Kanalwiderstand des FET am Koppelpunkt 2/b, die den oben erwähnten Wechselstromwiderständen tcXentsprechen. Die Kapazitäten C (2/a) bzw. G (1/b) bedeuten die schädlichen Kapazitäten der gesperrten Koppelpunkte zwischen dem Ausgang des Eingangsverstärkers E2 und dem Eingang des Ausgangsverstärkers Aa bzw. zwischen dem Ausgang des Eingangsverstärkers Ei und dem Eingang des Ausgangsverstärkers Ab; diese Kapazitäten bestimmen den Wechselstromwiderstand s. . Mit Ri ist der Innenwiderstand des Eingangsverstärkers und mit Re der Eingangswiderstand der Ausgangsverstärker bezeichnet. Der Spannungsanteil, der von einem Weg auf den anderen überspricht, wird im wesentlichen durch die Kapazität C (1/b) und RDS (2/b) bestimmt.
• Der Übersprechanteil über C (2/a) wird durch den kleinen Innenwiderstand des Eingangsverstärkers fast völlig kurzgeschlossen.
• Die Kapazität C (1/b) läßt sich nicht mehr weiter verringern, als dies schon durch Erden des Bulk-Anschlusses bei gesperrten Koppelpunkten geschehen ist. Der Widerstand RDS ist praktisch durch die verfügbaren FET vorgegeben.
• Bei einem vorgegebenen Transistor läßt sich jedoch der Kanalwiderstand RDS entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung noch verkleinern, Im Prinzip sind die Strecken Drain-Bu1k und Drain-Source eines FET pn-Übergänge mit Sperr- und Durchlaßcharakteristik. Bei einem N-Kanal-FET muß der Bulk z.B. negativ gegen den Kanal der Drain-Source-Strecke vorgespannt sein, um ein sicheres Sperren zu erreichen, und damit zu verhindern, daß der Kanal über diese pn-Übergänge mit Masse verbunden wird.
• Es ist jedoch möglich, die Bulk-Kanal-pn-Übergänge im durchgeschalteten Zustand mit geringem Strom in Durchlaßrichtung zu betreiben, ohne daß die Signalübertragung beeinträchtigt wird. Durch diesen kleinen Strom werden aber im Kanal mehr Ladungsträger erzeugt, wodurch der Kanalwiderstand RDS kleiner wird. In der praktischen Ausführung wird dieser Strom von der Gatesteuerspannung über den Widerstand Rv (Fig.5) erzwungen und fließt über den gleichstromdurchlässigen Ausgangswiderstand des Eingangsverstärkers bzw. den gleichstromdurchlässigen Eingangswiderstand des Ausgangsverstärkers wieder nach Masse zurück.
• In der Hauptanmeldung ist der Drain-Anschluß als Eingang und der Source-Anschluß als Ausgang des Koppelpunktes geschaltet. Der FET ist zwar im Prinzip ein symmetrisches Bauelement. In der Praxis stellt sich jedoch heraus, daß der FET-Koppelpunkt geringere nichtlineare Verzerrungen verursacht, wenn der Source-Anschluß als Eingang und der Drain-Anschluß als Ausgang gewählt wird. Dies erklärt sich daraus, daß sich der Kanalwiderstand RDS durch das Wechselspannungssignal ändert und diese Änderung geringer ist, wenn das Eingangssignal dem Source-Anschluß zugeführt wird und der Drain-Anschluß als Ausgang dient, als umgekehrt.
• In Fig.5 sind die beschriebenen Merkmale der Erfindung und ihre Weiterbildungen für einen Koppelpunkt zwischen dem Eingangsverstärker En und dem Ausgangsverstärker Am dargestellt.
• Der Feldeffekttransistor FET mit den Elektroden So = Source, Dr = Drain, Ga = Gate und Bu = Bulk bildet das Koppelelement.
• Der Übergang Source-Drain ist die durchschaltende Strecke, die durch entsprechende Gleichspannung am Gate sperrend oder leitend gesteuert wird. Bei einem N-Kanal-Feldeffekttransistor ist für den Sperrzustand eine negative und für den leitenden Zustand eine positive Gate-Gleichspannung UG erforderlich. Der Bulk-Anschluß wird erfindungsgemäß über die Diode Dr die ebenfalls von der Gate-Gleichspannung UG durchlässig oder sperrend gesteuert wird, und über den Kondensator C wechselstrommäßig während des Sperrzustandes an Masse gelegt. Bei einem Koppelpunkt mit N-Kanal-FET liegt die Diodenkatode an Masse. Der Widerstand Rs dient zur Begrenzung des Diodenstromes; der Kondensator C ist für eine ausreichende wechselstrommäßige Erdung des Bulks zu bemessen. Zwischen Source und der Diodenanode ist der Kompensationskondensator Gk vorgesehen, der, wie oben beschrieben, die schädlichen Kapazitäten Cs nachbildet, Über den Widerstand Rv wird dem Bulk-Anschluß im durchgeschalteten Zustand des FET, also wenn die Gate-Gleichspannung UG positiv ist, eine geringe positive Vorspannung zugeführt, wodurch der Kanaiwiderstand RDS des FET vermindert wird.
• Die für einen N-Kanal-FET beschriebene Anordnung läßt sich natürlich entsprechend auch für einen P-Kanal-FET anwenden.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Koppelpunkt einer elektronischen Koppelfeldeinrichtung mit einem Feldeffekttransistor als Koppelelement, bei dem der Drain-Source-Widerstand des Feldeffekttransistors zum Durchschalten benutzt ist und der Bulk-Anschluß geerdet ist gemäß Hauptanmeldung OS 1 922 382, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zusätzliche Diode (D), die von der Gate-Gleichspannung (UG) des Feldeffekttransistors (FET) so mitgesteuert wird, daß der Bulk-Anschluß (Bu) nur bei gesperrtem Transistor (FET) über einen Kondensator (C-) wechselspannungsmäßig auf Masse gelegt ist während er beim. durchgeschalteten Transistor ungeerdet ist.

2. Koppelpunkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Diode (D) zusätzlich ein Kompensationskondensator (Ck) geschaltet wird, der die Kapazitäten (Cs) der gesperrten Koppelpunkte einer Zeile so nachbildet, daß bei Zuschaltung mehrerer Ausgangswege auf einen Eingangsverstärker (E) die kapazitive Belastung desselben annähernd konstant bleibt.

3. Koppelpunkt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den durchgeschalteten Koppelpunkten der Bulk über einen Widerstand (Rvj in Durchlaßrichtirng gegen Drain und Source vorgespannt ist.

4. Koppelpunkt nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal dem Source-Anschluß zugeführt wird und das Ausgangssignal dem Drain-Anschluß entnommen wird.

L e e r s e i t e