DE2329579C3

DE2329579C3 - Quadrier- oder Effektivwertgleichrichter-Schaltung

Info

Publication number: DE2329579C3
Application number: DE2329579A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 8018 Grafing Blankenburg
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1973-06-09
Filing date: 1973-06-09
Publication date: 1980-06-26
Also published as: DE2329579B2; DE2329579A1

Description

U₁₁, = i 0,4 (0.9 V -It/,, I)

bemessen ist, mit U_p = der Abschnür^rpannung des Feldeffekttransistors und positivem Vorzeichen für p-Kanal-Feldeffekttransistoren und negativem Vorzeichen für n-Kanal-Feldeffekttransistoren.

Die Erfindung geht aus von einer Quadrier- oder Effektivwertgleichrichter-Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches. «

Bei Quadrier- oder Effektivwertgleichrichter-Schaltungen ist es bekannt, die Gleichrichterelemente jeweils durch den als Zweipolelement mit quadratischer Strom-Spannungs-Kennlinie geschalteten Kanal eines Feldeffekttransistors zu bilden (DE-AS 18 01 705). Die _w) Quadrierschaltungen können hierbei in den verschiedensten bekannten Brücken- oder Gegentaktschaltungen aufgebaut sein, ebenso die Effektivwertgleichrichter-Schaltungen entweder mit nur einem Gleichrichterelement als Einweg-Effektivwertgleichter-Schaltung μ oder aber ebenfalls in bekannten Brücken- oder Gegentaktschaltungen. Erreicht wird die quadratische Strom-Spannungs-Kennlinie des Feldeffekttransistor-Kanals dadurch, daß sein Gate-Anschluß entweder mit seinem Drain- oder mit seinem Source-Anschluß verbunden wird. Hierdurch wird im Bereich der Eingangsspannung von etwa — Oft bis +0,6 V theoretisch eine exakt quadratische Strom-Spannungs-Kennlinie erreicht, also eine Kennlinie, die nur aus einem linearen und einem quadratischen Anteil zusammengesetzt ist und keine Anteile höherer Ordnung besitzt. Dieser theoretische Zusammenhang gilt zwar auch zwischen Eingangsspannung und Ausgangs-Kurzschlußstrom, nicht jedoch zwischen Eingangsspannung und Ausgangs-Leerlaufspannung. Bei den bekannten Schaltungen mußte deshalb am Ausgang immer ein relativ niederohmiger Lastwiderstand vorgesehen werden oder es mußte im Leerlaufbetrieb ein Verlust an Genauigkeit und/oder ein Verlust des Aussteuerbereiches in Kauf genommen werden, da an den bei den bekannten Schaltunger, vorgesehenen ausgangsseitigen Lastwiderständen eine Gleichspannung abfällt, die dem Kanal (Drain-Source-Strecke) des Feldeffekttransistors zurückgeführt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Quadrier- oder Effektivwertgleichrichter-Schaltungen der eingangs erwähnten bekannten Art so weiterzubilden und zu verbessern, daß der angestrebte quadratische Zusammenhang auch zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung unabhängig vor der jeweiligen ausgangsseitigen Belastung der Schaltung besteht, also insbesondere auch zwischen Eingangsspannung und Ausgangs-Leerlauf-Spannung.

Gelöst wird diese Aufgabe ausgehend von einer Quadrier- oder Effektivwertgleichrichter-Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere bezüglich der Anwendung bei Brückenbzw. Gegentakt-Quadrier- oder Effektivwertgleichrichter-Schaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, ebenso eine Möglichkeit zur Vergrößerung des symmetrischen Aussteuerbereiches eines solchen als Gleichrichterelemenl geschalteten Feldeffekttransistor-Kanals.

Nach der Erfindung ist also der Ga^.e-Anschluß des mit seinem Kanal als Gleichrichterelement mit quadratischer Kennlinie geschalteten Feldeffekttransistors nicht wie bekannt unmittelbar mit dem Drain- oder Source-Anschluß verbunden, sondern dem Gate-Anschluß wird ein Teil, vorzugsweise die Hälfte, der gleichgerichteten Ausgangsspannung zurückgeführt, wodurch der überraschende Vorteil erzielt wird, daß der Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung jeweils unabhängig von der Größe des ausgangsseitigen Lastwiderstandes rein quadratisch ist, die gewünschte quadratische Beziehung also auch für ausgangsseitigen Leerlauf bis zu den allein durch die Eigenschaften des Feldeffekttransistors gegebenen Aussteuerungsgrenzen gilt Durch die Rückführung eines Teils der ausgangsseitigen Gleichspannung auf den Gate-Anschluß wird nämlich eine Kompensation der auf die Drain-Source-Stecke des Feldeffekttransistors zurückgeführten gleichgerichteten Ausgangsspannung erzielt und somit die auf letztere Rückführung zurückzuführende Änderung der quadratischen Kennlinie wieder ausgeglichen. Die erfindungsgemäße Kompensationsmaßnahme für einen solchen als Gleichrichterelement geschalteten Feldeffekttransistor kann hierbei bei allen Feldeffekttransistoren angewendet werden, die in der eingangs erwähnten bekannten Art bei den ebenfalls eingangs erwähnten verschiedenartig-

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sten bekannten Effektivwertgleichrichter- bzw. Quadrier-Schaltungen als Gleichrichterelemente verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung dieser Kompensatiensmaßnahme bei Effektivwertgleichrichter-Schaltungen, bei denen der Zusammenhang zwischen Ausgangsgleichspannun^ und Effektivwert der Eingangsspannung unabhängig von der übrigen Beschallung bis zu den gegebenen Aussteuerungsgrenzen des Feldeffekttransistors rein quadratiscn sein solL

Bei einem als gesteuerter Widerstand verwendeten Feldeffekttransistor ist es an sich bekannt, den Gate-Anschluß an die Mittelanzapfung eines zwischen Ein- und Ausgang liegenden angeschlossenen Spannungsteilers anzuschließen (EEE, Januar 1970, S. 59). Durch diese Rückführung der Eingangsspannung zum Gate-Anschluß soll der bei dieser Schaltung sonst auftretende quadratische Kennlinien-Anteil kompensiert und damit eine Linearisierung der Kennlinie des gesteuerten Widerstandes erreicht werden, also gerade das Gegenteil wie nach der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an verschiedenen Ausführungsbeispielen solcher erfindungsgemäßer Quadrier- oder Effektivwertgleichrichter-Schaltungen näher erläutert

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Gegentaktschaltung, die aus zwei n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren aufgebaut ist Die Schaltung wird an den Eingangsklemmen 1—0—1 von einer Gegentaktspannung t/i angesteuert Den Ausgangsklemmen 2—2 ist ein aus zwei Widerständen R bestehender Spannung!, teiler parallel geschaltet, an dessen Mittelabgriff 3 die Gate-Anschlüsse G der beiden Feldeffekttransistoren angeschlossen sind. Unter der Voraussetzung, daß die beiden Feldeffekttransistoren als Paar mit gleichen Werten des Nullpunkt-Kanalwiderstandes R₀ und der Abschnürspannung U_p ausgesucht sind, erhält man die folgende Näherungsbeziehung zwischen Ausgangsspannung U₂ und Eingangsspannung U, der Quadrierscbaltung:

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30

35

40

2 R₁

R
+ 4K

Wenn die Spannungsteilerwiderstände R sehr viel größer als die Nullpunkt-Kanalwiderstände der Feldeffekttransistoren sind (R> > R₀), erhält man aus Gleichung (1) die einfache Näherung:

ΙΛ

(2)

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Die optimale Dimensionierung ergibt sich, wenn man die Abschnürspannung in dem Bereich

\U„\

I V.

(3)

wählt, der eingangsseitige Aussteuerbereich ist dann näherungsweise durch den maximalen Spitzenwert der Eingangsspannung

U₁.

1.5 V

(4)

gegeben.

In der Schaltung nach Fig. 1 können an Stelle der n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren auch

p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren oder auch η-Kanal- und p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren

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60

b5

vom Verarmungstyp verwendet werden. Für MOS-Feldeffekttransistoren kann man höhere Werte der Abschnürspannung wählen, man erhält dann einen höheren eingangsseitigen Aussteuerbereich.

Fig.2 zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1, bei der zusätzlich zwischen den Gate-Anschlüssen G und dem Abgriff 3 des Spannungsteilers eine Gleichspannungsquelle Up, geschaltet ist Diese zusätzliche Gleichspannungsquelle ist von Vorteil, wenn die Abschnürspannung der Feldeffekttransistoren größer als nach Beziehung (3) ist und bewirkt dann bei richtiger Bemessung eine Vergrößerung des quadratischen Aussteuerbereiches gegenüber der Gleichung (4). Der optimale Wert der zusätzlichen Gleichspannung wird vorzugsweise nach der Beziehung Up, = ±0,4(0,9 V- \U_P\) bemessen, mit U_p = der Abschnürspannung des Feldeffekttransistors und positivem Vorzeichen für den p-Kanal-Typ und negativem Vorzeichen für den n-Kanal-Typ.

F i g. 3 zeigt eine aus zwei Gegentakt-Quadrierschaltungen nach F i g. 1 aufgebaute Brücken-Quadrierschaltung, bei welcher der eine Brückenzweig aus zwei n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren und der andere Brückenzweig aus zwei p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren besteht Die beiden ausgangsseitig angeschalteten Spannungsteiler jeweils wieder gebildet aus den beiden Widerständen R sind in Reihe zueinander zwischen den Ausgangsklemmen 2—2 angeschlossen. Die Gate-Anschlüsse G der Feldeffekttransistorpaare sind dabei jeweils wieder an die Mittelanzapfungen 3 dieser Spannungsteiler angeschaltet.

Die beiden η-Kanal- und die beiden p-Kanal-Feldefiekttransistoren müssen dabei jeweils als Paar mit gleichen Werten des Nullpunkt-Kanalwiderstandes R₀ und der Abschnürspannung U_p ausgesucht werden. Auch für diese Schaltung wird die optimale Dimensionierung nach den Beziehungen (3) und die Aussteuerungsgrenze nach Beziehung (4) bestimmt. Wenn die vier Feldeffekttransistoren im Betrag der Abschnürspannung übereinstimmen und die Teilerwiderstände sehr viel größer als die Nullpunkt-Kanalwiderstände der Feldeffekttransistoren sind, erhält man für die Ausgangsspannung U₂ das Doppelte des Wertes nach Beziehung (2), also die doppelte Richtspannung. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist, daß der Eingang 1 — 1 nicht mit einer Gegentaktspannung angesteuert werden muß.

Auch bei dieser Brücken-Quadrierschaltung nach F i g. 3 können selbstverständlich wieder im Sinne der F i g. 2 zwischen den Gate-Anschlüssen und der Mittelanzapfungen zusätzliche Gleichspannungsquellen L^₁ geschaltet werden, die wieder nach der obengenannten Beziehung bemessen sein können.

Mit den Schaltungen nach Fig. 1, 2 und 3 lassen sich Effektivwertgleichrichterschaltungen dadurch aufbauen, daß entweder den Ausgangsklemmen 2—2 ein Kondensator mit ausreichender Kapazität parallel geschaltet und/oder ein Tiefpaß npchgeschaltet wird. Ein besonderer Vorteil dieser Schaltungen ist dabei, daß auch ein Gleichspannungsanteil der Eingangsspannung effektivwertrichtig bewertet wird, wobei allerdings durch ein zusätzliches Trimmpotentiometer ein exakter Symmetrieabgleich durchgeführt werden muß.

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich, daß die quadratischen Gesetze unabhängig vom Wert der Spannungsteilerwiderstände sind. Um die größtmögliche Ausgangspannung zu erhalten, sollten jedoch die

iipannungsteilerwiderstände möglichst wesentlich größer als die Nullpunkt-Kanalwiderstände Ro der Feldeffekttransistoren gewählt werden, beispielsweise hundertmal so groß. Der Wert der Spannungsteilerwiderstände hat jedoch wegen der Gate-Kanal-Kapazität der Feldeffekttransistoren noch einen gewissen Einfluß auf den Frequenzgang der Schaltung. Deshalb dürfen für Schaltungen, die bis zu hohen Grenzfrequenzen betrieben werden sollen, diese Spannungsteilerwiderstände nicht zu groß sein. Auch auf die exakte

Einhaltung der Spannungsteilerverhältnisse kommt es nicht an.

Die angegebenen Beziehungen sind an sich nicht mathematisch exakt, sondern nur als Näherungsformeln zu betrachten. Experimentelle Untersuchungen haben jedoch die Gültigkeit der Näherungsformeln bestätigt.

Wegen der Symmetrie der Feldeffekttransistoren können in den angegebenen Schaltungsbeispielen auch die Drain- und Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren vertauscht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brücken- oder Gegentakt-Quadrierschaltung oder Einweg-, Brücken- oder Gegentakt-Effektivwertgleichrichterschaltung, deren Gleichrichterelemente jeweils durch den als Gleichrichter geschalteten Kanal eines Feldeffekttransistors gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gate-Anschluß (G) jedes Feldeffekttransistors jeweils ein Teil der gleichgerichteten Ausgangsspannung (U₂) zurückgeführt ist

2. Schaltung nach Anspruch 1 mit einem am Ausgang angeschalteten Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand als Spannungsteiler (R, R) ausgebildet und der Gate-Anschluß (G) der Feldeffekttransistoren jeweils mit dem Mittelabgriff (3) dieses Spannungsteilers verbunden ist.

3. Brücken-Quadrier- oder -Effektivwertgleichrichter-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in gegenüberliegenden Brükkenzweigen jeweils Feldeffekttransistoren von komplementärem Typ (n bzw. p-Typ) verwendet werden.

4. Schaltung nach Anspruch 3 mit einem Widerstand in der Brückendiagonalen, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus zwei in Reihe geschalteten Spannungsteilern (R, R) besteht und die Gate-Anschlüsse (G) der Feldeffekttransistoren des einen Brückenzweiges mit dem Mittelabgriff (3) des einen Spannungsteilers und die jo Gate-Anschlüsse (G) der Feldeffekttransistoren des anderen Brückenzweiges mit dem Mittelabgriff (3) des anderen Spannungsteilers verbunden sind.

5. Schaltung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung js zwischen den Gate-Anschlüssen (G) und dem Mittelabgriff (3) des Spannungsteilers jeweils eine Gleichspannungsquelle (U_gv) geschaltet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Gleichspannungsquelle w nach der Beziehung