DE2322783B2 - Elektronischer Schalter zum Durchschalten von Hochfrequenzsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schalter zum Durchschalten von Hochfrequenzsignalen, der einen Schalttransistor mit einer Eingangselektrode, einer Ausgangselektrode und einer dritten Elektrode sowie einen Steuerkreis enthält, der mittels einer Ausgangsleitung mit der Eingangselektrode des Schalltransistors gekoppelt ist, welcher Steuerkreis mit einem Hilfsschalter versehen ist zur Kopplung der genannten Ausgangsleitung des Steuerkreises mit einer ersien Quelle mit festem Bezugspotential, mittels welchen Hilfsschalters die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors in den gesperrten oder in den leitenden Zustand gebracht wird.

Bei derartigen, z.B. aus der DE-OS 15 62 282 bekannten Schaltern zum Durchschalten von Hochfrequenzsignalen muß den Streukapazitäten zwischen den Eingangs- und der Ausgangselektrode des Transistors besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Durch diese bei Hochfrequenzsignalen auftretenden Kapazitäten werden nämlich die durchzuschaltenden Signale bei nicht leitendem Transistor ungenügend gedämpft. Diese Dämpfung wird nachstehend als Sperrdämpfung bezeichnet, dies in Gegensatz zur Dämpfung der Signale bei leitendem Transistor, welche Dämpfung als Durchlaßdämpfung bezeichnet wird.

Es ist bereits bekannt, den Einfluß dieser Streukapazitäten auf die Sperrdämpfung durch eine sogenannte Neutrodynschaltung zu verringern, d. h. durch Ausgleich der Streukapazitäten beispielsweise mit Hilfe einer Induktivität. Auf diese Weise erhaltene elektronische Schalter -nüssen jedoch infolge der Streuung in den Eigenschaften der verwendeten Transistoren einzeln abgeglichen werden.

Auch ist es bekannt, den Einfluß der genannten Streukapazitäten dadurch zu verringern, daß in Reihe mit dem Transistor in seine Stronibahn ein die Durchlaßdämpfung nicht beeinflussender Kondensator mit äußerst geringem Wert aufgenommen wird, wodurch die wirksame Größe der Strcukapa/.itätcn wesentlich verringert wird. Insbesondere wird dazu eine geschaltete Diode benutzt, deren Durchlaßrichtung der der Kollektor-Emitter-Strecke des verwendeten Transistors entspricht. Bei diesem bekannten elektronischen Schalter wird jedoch eine wesentliche Sperrdämpfiing von beispielsweise 4OdB nur bei einer geringen Belastungsimpedanz von beispielsweise IO Ohm erhalten.

Die Erfindung De/.weekt nun, eine andere Konzeption eines elektronischen Schalters zum Durchschalten von Hochfrequenzsignalen zu schaffen, mit dem über ein breites Frequenzband von beispielsveise I —12MH/ sogar bei einem wesentlich höheren Wert der Belastungsimpedanz, beispielsweise 75 Ohm, ohne Verwendung von Abgleichelementen eine wesentlich höhere Sperrdämpfung verwirklicht wird und wobei zugleich die Durchlaßdämpfung von den Eigenschaften der verwendeten Elemente weitgehend unabhängig ist.

Die Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, daß der elektronische Schalter mit einer Reihenschaltung eines Trennkondensators und einer Schaltdiode versehen ist, welche Reihenschaltung einerseits mit der Ausgangselektrode des Schalttransistors und andererseits über eine Schaltspannungsleitung mit der dritten Elektrode des Schalttransistors gekoppelt ist, von welcher Reihenschaltung der gemeinsame Verbindungspunkt des Kondensators und der Schaltdiode mit einer zweiten Spannungsquelle und welche Spannung*· leitung über einen durch einen Kondensator überbrückten Einstellwiderstand mit einer dritten Spannungsquelle mit festem Bezugspotential gekoppelt ist.

Es sei bemerkt, daß an sich elektronische Schalter

bekannt sind, die mit einem Schaltelement versehen sind, das durch eine Diode gebildet wird, wobei diese Diode im Längsweg angeordnet ist. Dieser Schalter enthält eine zweite Diode, die im Querwirg angeordnet ist. Bei einem in der DE-AS 12 69 653 vorgeschlagenen Schalter ist der Verbindungspunkt der beiden Dioden über einen Widerstand mit einer Quelle gekoppelt und ist das andere Ende der zweiten Diode an Erdpotential gelegt Bei einem anderen, aus der US-PS 31 35 873 bekannten Schalter wird dem Verbindungspunkt der beiden Dioden das Eingangssignal zugeführt und ist das andere Ende der zweiten Diode mit der Steuerspannungsquelle verbunden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen elektronischen Schalter nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild des Schalten nach F i g. 1 bei gesperrtem Transistor.

In Fig. 1 ist ein elektronischer Schalter dargestellt zum Durchschalten von Hochfrequenzsignalen, die beispielsweise im Frequenzband von 1 — 12 MHz liegen, zu einer Belastungsimpedanz 1 von beispielsweise 75 Ohm. Dieser elektronische Schalter enthält dazu einen Schalttransistor 2, der mit einer Basiselektrode 3, einer Kollektorelektrode 4 und einer Emitterelektrode 5 versehen ist. Zur Steuerung des Transistors 2 eiuhält der Schalter zugleich einen Steuerkreis 6, der mit einer mit dem Transistor verbundenen Sieuerleitung 7 und einem Hilfsschalter 8 zum Erzeugen einer Sperr- bzw. Entsperrspannung für die Kollektor-Emitier-Strecke des Transistors 2 versehen ist.

Insbesondere ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Transistor vom npn-Typ in Emitterschaltung verwendet worden. Die Emitterelektrode ist über Widerstände 38, 20 geerdet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Hochfrequenz.bignale über den Übertrager 11 den beiden Eingangsklemmen 3, 9 zugeführt und unmittelbar an die Basis des Transistors 2 ungelegt, dessen Kollektorelektrode 4 über ein Netzwerk 29 mit einem ersten Anschluß der Belaslungsimpedanz 1 verbunden ist, deren zweiter Anschluß geerdet ist.

Der Steuerkreis 6 zum Umschalten des Schalters besteht aus dem genannten Hilfsschalter 8 und einen mit diesem in Reihe geschalteten Spannungsteiler in Form einer Reihenschaltung zweier Widerstände 12 und 13. Diese Reihenschaltung aus dem Hilfsschalter 8 und den Widerständen 12 und 13 liegt zwischen den beiden Polen einer Speisespannungsquelle 14. Der Verbindungspunkt dieser Speisespannungsquelle 14 und des I lilfsschalters 8 ist dabei an Erdpotential angeschlossen. In dem auf diese Weise gebildeten Steuerkreis 6 ist die Steuerleitung 7 an den gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Widerstände 12 und 13 angeschlossen und auf diese Weise wird durch Betätigung des Ililfsschalters 8 der Steuerleitung 7 entweder die vollständige Spannung der Speisespannungsquelle 14 oder die mit Hilfe des Spannungsteilers 12, 13 geteilte Spannung zugeführt. Diese Spannungen werden zum Sperren und F.ntsperren des Transistors 2 benutzt. Die Stellerleitung 7 ist mit der F.ingangsleilung 9 verbunden, die durch Verwendung eines Kondensators 15 gegenüber der Ausgangsleitiing 10 galvanisch getrennt ist, die an einer Quelle mit einem festen Bezugspotential, nämlich in diesem Aiisführungsbcispie! mit dem F.rdpotential, angeschlossen ist.

Für ein gutes Funktionieren des elektronischen Schalters muß im nicht-leitenden Zustand des Transistors 2 der bei Hocnfrequenzsignalen auftretenden parasitären Basis-Kollektor-, Basis-Emitter- und Emitter-Kollektor-Kapazität mit großen Werten besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, weil durch sie ein besonders nachteiliger Einfluß auf die Sperrdämpfung des elektronischen Schalters ausgeübt v. ;rd.

Um bei einem elektronischen Schalter zum Durchschalten von in einem breiten Frequenzband von beispielsweise 1 — 12 MHz liegenden Signalen sogar bei Verwendung eines verhältnismäßig hohen Wertes der Belastungsimpedanz eine unter allen Umständen hohe Sperrdämpfung sowie eine universelle Verwendbarkeit zu verwirklichen, enthält der elektronische Schalter einen Schaltteil 16, der den genannten Schalttransistor 2 und einen Schahspannungskreis 17 enthält, der mit einer an den Emitter 5 des Transistors 2 gekoppelten Schallspannungsleitung 18 und einem einerseits an diese Schahspannungsleitung 18 und andererseits an eine Quelle mit einem festen Bezugspotential angeschlossenen, durch einen Kondensator 19 überbrückten Einstellwiderstand 20 versehen ist. Dieser Schaltspannungsleitung 18 wird durch den Schaltteil 16 infolge der dem genannten Schalttransistor 2 zugeführten Sp'irr- bzw. Entsperrspannung eine Schaltspannung zum Entsperren bzw. Sperren einer den Transistor 2 überbrückenden, einerseits an den Kollektor 4 des Transistors 2 und andererseits an die Schallspannungsleitung 18 angeschlossenen Reihenschaltung eines Trennkondensators 21 und einer vorgespannten Schaltdiode 22 zugeführt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für das Potential der genannten Quelle mit festem Bezugspotential das Erdpotential gewählt und ist der Einstellwiderstand 20 mit der an Erdpotential angeschlossenen Leitung 10 verbunden, während die Schaltspannungsleitung 18 über einen in der Figur gestrichelt dargestellten Widerstand 38, dessen Funktion noch näher erläutert wird, mit der Emitterelektrode 5 des Transistors 2 verbunden ist.

Zum Sperren und Entsperren der Reihenschaltung des Trennkondensators 21 und der Schaltdiode 22 ist die Schaltspannungsleitung 18 mit dem vom gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 21 und der Diode 22 abgewandten Diodenpol verbunden, während zur Begrenzung der Vorspannung für diese Schaltdiode 22 der genannte gemeinsame Verbindungspunkt über einen hochohmigen Widerstand 23 mit einer Quelle festen Potentials gekoppelt ist, wofür in diesem Ausführungsbeispiel die Speisespannungsquelle 14 gewählt worden ist. Der Widerstand 23 ist dazu insbesondere mit dem gemeinsamen Verhindungspunkt eines durch die Reihenschaltung aus Widerständen 24 und 25 gebildeten Spannungsteilers verbunden, welche Reihenschaltung zwischen den beiden Polen der Speisespannungsquelle 14 liegt. Der Widerstandswert des Widerstandes 23 ist dabei um ein Vielfaches größer gewählt worden als der der Belastungsimpedanz von beispielsweise 75 Ohm, wodurcii eine wirksame Hochfrequenzssignalentkopplung zwischen dem Ausgang 4, IO und der Speisespannungsquelle 14 erhalten wird. Um eine Ableitung von Hochfrequenzsignalen über diesen Widerstand 23 zu ermöglichen, ist der Widerstand 25 des Spannungsteilers 24, 25 zusätzlich durch einen Kondensator 26 überbrückt.

Im elektronischen Schalter nach der Erfindung wird der Schalttransistor 2 nicht nur zum Fin. und

Ausschalten des elektronischen Schalters benutzt, sondern auch zum Ein- und Ausschalten der Schaltdiode 22 und damit eines die Belastungsimpedanz 1 überbrükkenden hochfrequenten Filterkreises, der durch den Trennkondensator 21, den Entkopplungskondensator 19 und die Schaltdiode 22 gebildet wird. Es wird nämlich bei leitender Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2 durch den Emitterstrom ein derartiger Spannungsabfall am Widerstand 20 im Schaltspannungskreis 17 erhalten, daß über die Schaltspannungsleitung 18 der Schaltdiode 22 eine Sperrspannung zugeführt wird, wodurch die obengenannte hochfrequente Ableitstrekke 21, 22 unterbrochen ist und die über den Eingangstransformator 11 dem Schalter zugeführten Hochfrequenzsignale ungeschwächt der Belastungsimpedanz 1 zugeführt werden. Auch für Eingangssignale mit hohem Pegel tritt keine Beeinflussung der Durchlaßdämpfung durch die obengenannte hochfrequente Ableitstrecke auf; die Sperrspannung der Diode wird nämlich ausschließlich durch die Größe des Einstellwiderstandes 20 bestimmt, der ja für Hochfrequenzsignale durch den Entkopplungskondensator 19 überbrückt ist.

Bei nicht leitender Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2 entsteht am Einstellwiderstand 20 kein Spannungsabfall durch den Emitterstrom so daß über die Schaltspannungsleitung 18 der Diode 22 eine Entsperrspannung zugeführt wird, wodurch der obengenannte hochfrequente Ableitkreis eingesghaltet wird und der an der Leitung 4 noch auftretenden Hochfrequenzleckstrom im wesentlichen über die besonders niedrige Impedanz des leitenden Ableitkreises nach Erde fließen.

Bei nicht leitender Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2 werden die über den Eingangstransformator 51 dem elektrischen Schalter zugeführten Hochfrequenzsignale nur sehr stark bedämpft zur Belastungsimpedanz 1 übertragen und zwar über ein Netzwerk, das in F i g. 2 auf schematische Weise dargestellt ist und in dem der Fig. 1 entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Wie in F i g. 2 angegeben ist. wird dieses Netzwerk durch die bei Hochfrequenzsignalen auftretende und als Kapazität 27 dargestellte Basis-Emitter-, Kollektor-Emitter- und Basis-Kollektor-Kapazität des Schalttransistors 2, den im wesentlichen einen Kurzschluß bildenden Trennkondensator 21, den Entkoppelkondensator 19 und den Durchlaßwiderstand 28 der leitenden Diode 22 gebildet, und die am Eingangstransformator 11 auftretenden Hochfrequenzsignale werden auf diese Weise einem durch den Kondensator 27 und die Reihenschaltung aus den Kondensatoren 21, 19 und dem Widerstand 28 gebildeten Spannungsteiler zugeführt, von welchem der gemeinsame Verbindungspunkt der Kondensatoren 27 und 21 an die Belastungsimpedanz 1 angeschlossen ist. Auf diese Weise ist ein elektronischer Schalter mit einer im wesentlichen durch den geringen Widerstand der leitenden Schaltdiode 22 bestimmten hohen Sperrdämpfung verwirklicht worden.

Da die Größe der Sperrdämpfung durch Spannungsteilung bestimmt wird, kann sie auf besonders einfache Weise wesentlich erhöht werden, und zwar dadurch, daß nach einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters die Reihenschaltung des Trennkondensators 21 und der Schaltdiode 22 einen Teil eines als Leiternetzwerk ausgebildeten geschalteten Spannungsteilers 29 bildet, der eine Anzahl Querzweige enthält, je in Form der genannten Reihenschaltung eines Trennkondensators 30, 31 und in Reihe damit geschalteter Schaltdioden 32, 33, von welchen Querzweigen die gemeinsamen Verbindungspunkte der jeweiligen Kondensatoren 30,31 und Dioden 32,33 über -. Widerstände 34 bzw. 35 an den gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände 24 und 25 angeschlossen sind, von welchem Leiternetzwerk die Längszweige mit Schaltdioden 36, 37 versehen sind, deren Durchlaßrichtung der der Kollektor-Emitter-

Hi Strecke des Schalttransistors 2 entspricht.

Bei diesem als Leiternetzwerk ausgebildeten Spannungsteiler 29 wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist, die Spannungsteilung dadurch erhalten, daß bei gesperrter Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2 einerseits

ii die Dioden 32 und 33 ebenso wie die Diode 22 sich als Widerstände 40 und 41 verhalten und andererseits die Längsdioden 36 und 37 sich als Kondensatoren 42, 43 verhalten; bei gesperrter Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2 ist natürlich auch der Kollektorstrom und

2» damit der Strom durch die Dioden 36 und 37 unterbrochen, so daß die Übertragung der Hochfrequenzsignale ausschließlich über die Streukapazität dieser Dioden 36 und 37 erfolgt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Leiler-

r> netzwerk mit drei Querzweigen angegeben: diese Zahl kann jedoch beliebig gewählt werden, so daß jeder gewünschte Wert der Sperrdämpfung verwirklichbar ist, welche Sperrdämpfung außerdem von der Größe der Belastungsimpedanz unabhängig ist. Nicht nur kann

u) durch Verwendung des Leiternetzwerkes jede gewünschte Sperrdämpfung verwirklicht werden, sondern es ist auch ein elektronischer Schalter erhalten worden, bei dem die Durchlaßdämpfung nicht durch die Anzahl Dioden in den Längszweigen beeinflußt wird. Der

π Schalter hat nämlich an der Belastungsseite durch Verwendung des Transistors 2 in Emitterschaltung einen Stromquellencharakter, wodurch ein von den Diodenwiderständen in den Längszweigen unabhängiger Strom durch die Belastungsimpedanz erhalten wird.

■in welcher Stromquellencharakter noch dadurch vergrößert werden kann, daß die Schaltspannungsleilung 18 des Schaitgenerators 16 über einen großen Stromgegenkopplungswiderstand 38 an die Emitterelektrode 5 des Transistors 2 angeschlossen wird.

· Durch Verwendung des Transistors 2 in Emitterschaltung und durch Verwendung des Stromgegenkopplungswiderstandes 38 wird nicht nur eine von den Diodenwiderständen der Längsdioden 36, 37 unabhängige Ausgangsspannung erhalten sondern auch eine

in hohe Eingangsimpedanz des elektronischen Schalters.

wodurch der Einfluß des Ein- und Ausschaltens des Schalters auf den dem Schalter vorhergehenden Eingangskreis vernachläßigbar ist.

Zur Verwirklichung einer störsicheren Steuerung für

« die Dioden 22, 32, 33 in den Querzweigen des Leiternetzwerkes 29 ist die Schaltspannungsleitung 18 an die Mittelanzapfung eines aus Widerständen 20 und 39 aufgebauten Spannungsteilers angeschlossen, der zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle 14 liegt.

ti» Es sei bemerkt, daß statt des dargestellten Transistors vom npn-Typ ein Transistor vom pnp-Typ verwendet werden kann, aber dann muß die Polarität der unterschiedlichen Spannungen umgekehrt werden, ebenso wie die Durchlaßrichtungen der verwendeten

hi Dioden. Auch kann der Transistor 2 statt in Emitterschaltung in Basisschaltung verwendet werden, aber dann fällt der günstige Stromquellencharakter des Schalters fort.

In bezug auf die Steuerleitung 7 läßt sich bemerken, daß sie statt an die Eingangsleitung 9 auch unmittelbar an die Eingangsleitung 3 des Transistors 2 angeschlossen werden kann.

Zwar wird im dargestellten Ausführungsbeispiel die Vorspannung der Dioden 22, 32, 33 über ein Widerstandsnetzwerk 23, 24, 25, 34, 35 von der Speisespannungsquelle 14 hergeleitet, aber dazu kann auch eine gesonderte Spannungsquelle benutzt werden; es empfiehlt sich jedoch dabei die Verwendung einer einzigen Speisespannuiigsquelle, weil damit der Einfluß möglicher Speisespannungsschwankungen auf die

Durchlaß- sowie die Sperrdämpfung weitgehend verringert wird.

Es sei bemerkt, daß mit diesem praktisch bewährten elektronischen Schalter bei einer Belastungsimpedanz von 75 Ohm und einer Frequenz von 2MHz bei Verwendung eines Leiternetzwerkes 29 aus nur einem Querzweig und der Diode 36 eine Sperrdämpfung von etwa 10OdB und bei Verwendung eines Leiternetzwerkes mit zwei Querzweigen und den Dioden 36 und 37 eine Sperrdämpfung von etwa 13OdB verwirklicht worden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schalter zum Durchschalten von Hochfrequenzsignalen, der einen Schalttransistor mit einer Eingangselektrode, einer Ausgangselek- ~> trode und einer dritten Elektrode sowie einen Steuerkreis enthält, der mittels einer Ausgangsleitung mit der Eingangselektrode des Schalttransistors gekoppelt ist, welcher Steuerkreis mit einem Kilfsschalter versehen ist zur Kopplung der in genannten Ausgangsleitung des Steuerkreises mit einer ersten Quelle mit festem Bezugspotential, mittels welchen Hilfsschalters die Koiiektor-Ernitter-Strecke des Schalttransistors in den gesperrten oder in den leitenden Zustand gebracht wird, i, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter mit einer Reihenschaltung eines Trennkondensators (21) und oiner Schaltdiode (22) versehen ist, welche Reihenschaltung einerseits mit der Ausgangselektrode (4) des Schalttransistors (2) >n und andererseits über eine Schaltspannungsleitung (18) mit der dritten Elektrode (15) des Schalttransistors (2) gekoppelt ist, von welcher Reihenschaltung der gemeinsame Verbindungspunkt des Kondensators (21) und der Schaltdiode (22) mit einer zweiten >■-, Spannungsquelle und welche Schaltspannungsleitung (18) über einen durch einen Kondensator (19) überbrückten Einstellwiderstand (20) mit einer dritten Spannuiigsquellc mit festem Bezugspotential gekoppelt ist. jo

2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung des Trennkondensators (21) und der Schaltdiode (22) einen Teil eines Spannungsteilernetzwerkcs (29) bildet, welches eine Anzahl mit Hilfe von Längszwei- π gen miteinander verbundener Querzweige enthält, welche L.ängszweige mit je einer Schaltdiode (36,37) versehen sind, deren Durchlaßrichiung jener der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors (2) entspricht, und welche Querzweige entsprechend κι der Reihenschaltung des Trennkondensators (21) und der Schaltdiode (22) durch analog aufgebaute Reihenschaltungen aus je einem Trennkondensator (30, 31) und je einer Schaltdiode (32, 33) gebildet sind, von welchen Querzweigen die gemeinsamen r> Verbindungspunkte der jeweiligen Kondensatoren (30, 31) und Dioden (32, 33) mit der genannten zweiten Spannungsquelle verbunden sind.

3. Elektronischer Schalter nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltspannungs- ^r>n leitung (18) über einen zweiten Widerstand (39) an eine vierte Quelle (14) mit festem Bezugspotential angeschlossen ist, wobei dieser zweite Widerstand (39) und der genannte Einstellwiderstand (20) zusammen einen Spannungsteiler bilden. >-.

4. Elektronischer Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltspannungsleitung (18) über einen Stromgegenkopplungswiderstand (38) an die dritte Elektrode (5) des Schalttransistors (2) angeschlossen wi ist.