DE2337072C3 - Dreitorzirkulator - Google Patents

Description

proportional zur Differenz zwischen den Spannungen an den zwei anderen Toren 1.3 und 1.4 ist. Der duale Zirkulator ergibt sich durch Auswechseln der Wörter »Strom« und »Spannung« in dieser Beschreibung. Die erfindungsgemäßen Zirkulatoren schließen beide Typen von Zirkulatoren ein.

Die Erfindung umfaßt viele neue Realisierungen von Zirkulatoren. Anstatt diese alle getrennt aufzuführen, wird ein systematisches Verfahren beschrieben, mit dem diese alle realisiert werden können. Anhand der F i g. 17 wird zuletzt ein Beispiel gegeben.

Die erfindungsgemäßen Zirkulatoren sind Modifikationen (oder Transformationen) der grundlegenden Zirkulatoranordnung nach Proceedings of the IEEE, Juli 1970, Seiten 1143—1145, die in Fig. 3 nochmals dargestellt ist. Diese grundlegende Realisierung macht von Zusammenschaltungen von Zweitorschaltungen (differentielle Spannungs-Strom-Verstärker bzw. differentielle Transkonduktanzen) nach F i g. 2 Gebrauch, in welchen der Strom 2.1 an einem Tor ideal nur von der Spannung 2.2 am anderen Tor abhängt. Realisierungen dieser differentiellen Spannungs-Strom-Versiärker enthalten üblicherweise eine Impedanz (Widerstand) 2.3, welche die Proportionalitätskonstante zwischen dem Ausgangsstrom 2.1 und der Eingangsspannung 2.2 gibt. Ein Beispiel einer derartigen Realisierung ist in F i g. 6 gezeigt, welches im folgenden diskutiert wird.

Die grundlegende Realisierung eines Dreitorzirkulators nach Fig.3 macht von einem derartigen differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker D.Tr pro Tor Gebrauch. Die Zirkulatortore korrespondieren zu den Toren 1.2, 1.3 und 1.4 nach Fig. 1. Die Tore der differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker haben alle den gemeinsamen Anschluß 3.1. Die verbleibenden Anschlüsse 3.2, 2.3 und 3.4 der Zirkulatortore sind die Ausgangsanschlüsse der drei differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker D.Tr. Diese sind, wie Fig. 3 zeigt, verdrahtet.

Der Erleichterung halber werden in der folgenden Beschreibung zwei hypothetische Eintorschaltungen, der »Nullator« und der »Norator«, eingeführt. Der Nullator nach F i g. 4 ist durch das Erfordernis definiert, daß sowohl die Torspannung 4.1 als auch der Torstrom 4.2 mit Null identisch sind. Der Norator nach F i g. 5 kann willkürliche Torspannungen 5.1 und Torströme 5.2 haben. Die aktuellen Werte dieser Größen hängen von der äußeren Schaltung, in welcher der Nullator oder Norator eingebettet ist, ab.

Die Realisierung eines Spannungs-Strom-Verstärkers ist in Fig.6 gezeigt. Der Ausgangsstrom / am Plus-Stromschluß ist proportional zur Eingangsspannung V (6.2). Ihr Verhältnis ist durch die interne

Impedanz Z (6.3) gem. der Beziehung y = ^z

bestimmt.

Die differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker in der Fig.3 können jeder durch die Schaltung nach Fig.6 realisiert werden. Die resultierende Zirkulatoranordnung mit den Toren 7.1, 7.2 und 7.3 zeigt F i g. 7. Für einen vollkommenen Zirkulator, der zwischen gleichen Lastimpedanzen an seinen Toren arbeitet, ist es notwendig, daß die drei Impedanzen 7.4, 7.5 und 7.6 gleich sind. In diesem Fail wird kein Strom in die Leitung 7.7 fließen, die das Zentrum des zentralen Nullatorsterns mit dem gemeinsamen Anschluß 7.8 der Zirkulatortore verbindet, so daß diese Verbindung ohne irgendeine Beeinflussung des Betriebs der Schaltung unterbrochen werden kann.

Dennoch ist die Zirkulatoranordnung nach F i g. 7

nicnt die einzige Möglichkeit, Impedanzen, Nullatoren und Noratoren zu gebrauchen, da gewisse Nullatoren und Noratoren enthaltende Äquivalente benützt werden können, um sie in andere Anordnungen umzusetzen.

So sind die Dreiknoten-Nullatorschaltungen 8.1 bis 8.8 in F i g. 8 äquivalent In gleicher Weise sind die Dreiknoten-Noratorschaltungen 9.1 bis 9.5 in F i g. 9 äquivalent, wie es auch die Vierknoten-Schaltungen

ίο nach Fig. 10 sind.(In Fig. 10 sind nur nichtredundante Schaltungen gezeigt Es sind jedoch viel mehr redundante Schaltungen möglich. Auch ist nur ein Beispiel von jedem Typ in Fig. 10 gezeigt. In Wirklichkeit gibt es drei andere von jeder Type, die sich nur in ihren Orientierungen unterscheiden.)

Die Anwendung der Nullatoräquivalente nach F i g. 8 auf die Zirkulatoranordnung nach F i g. 7 resultiert in einer Summe von fünfunddreißig wesentlich unterschiedlichen Nullatorkonfigurationen, wobei triviale unterschiedliche Realisierungen nicht gezählt sind, die aus diesen nur durch Umbezeichnen der Tore erzielt werden können. Von diesen fünfunddreißig Möglichkeiten gebrauchen zehn die Minimalanzahl von sechs Noratoren. Drei von diesen sind vollständig bymmetrisch und verbleiben unverändert, wenn die Tore zurückumbezeichnet werden.

In gleicher Weise ergibt die Anwendung der Noratoräquivalente nach Fig.9 auf die Zirkulatoranordnung nach F i g. 7 bei Weglassen des Leiters 7.7 drei wesentlich unterschiedliche Noratorkonfigurationen, von denen zwei vollständig symmetrisch sind. Schließlich können die Noratoräquivalente nach F i g. 10 auf die Zirkulatoranordnung nach Fig. 7 mit verbleibendem Leiter 7.7 angewendet werden, was vier wesentlich unterschiedliche Koratorkonfigurationen ergibt, von denen eine vollständig symmetrisch ist.

In jedem Fall können, ob die Leitung 7.7 vorhanden oder nicht vorhanden ist, diese Noratorkonfigurationen mit den fünfunddreißig Nullatorkonfigurationen in vielfacher Weise kombiniert werden, um eine große Anzahl von Zirkulatoranordnungen zu erzeugen. Bei weggelassenem Leiter 7.7 ergeben sich sechs solche Realisierungen, welche vollständig symmetrisch sind (eine von diesen ist in F i g. 16 gezeigt). In gleicher Weise 4s gibt es mit anwesendem Leiter 7.7 drei derartige Realisierungen, welche vollständig symmetrisch sind (eine von diesen ist in F i g. 7 gezeigt). Diese symmetrischen Anordnungen haben alle die Eigenschaft, daß die Anzahl der Noratoren (sechs) der Anzahl so der Nullatoren (sechs) gleicht. Diese Eigenschaft ist wesentlich, wenn diese durch körperliche Schaltungen anzunähern sind (beispielsweise wie in F i g. 17).

Es wurde jetzt ein systematisches Verfahren zui Erlangung einer endlichen Anzahl neuer Nullator-Norator-Impedanz-Realisierungen aufgestellt und beschrieben. Die Methode, diese körperlichen Annäherunger ^Verkörperungen) umzusetzen, ist Gegenstand der jetz zu beschreibenden Erfindung. Obwohl es unmöglich ist körperliche Schaltungen zu entwickeln, die isoliert« Nullatoren oder Noratoren annähern, ist es möglich Schaltungen zu entwickeln, die Nullator-Norator-Paan annähern. Beispielsweise korrespondiert ein ideale Kurzschluß mit einer Parallelschaltung eines Nullator mit einem Norator (Fig. 11) und korrespondiert eim (15 ideale Leerlaufschaltung mit einer Serienschaltung eine Nullators mit einem Norator (Fig. 12). Ein Äquivalen zwischen einem idealen (nicht polarisierten) Transisto 13.1 und einer besonderen Verbindung eines Nullator

and eines Norators 13.2 ist in Fig. 13 gezeigt. Ein ähnliches Äquivalent einer Nullator- und Noratorverbindung 14.1 zu dem idealen Operationsverstärker 14.2 ist in Fig. 14 gezeigt. Schließlich ist ein Äquivalent zwischen einem Dreitor 15.1 (dessen Tore einen Anschluß gemeinsam haben) und einer Nullator-Norator-Verbindung 15.2 in Fig. 15 gezeigt. (In gleicher Weise sind auch Nullator-Norator-Äquivalenzschaltungen für andere Anordnungen wie mit Feldeffekttransistoren in allgemeineren Dreitoren möglich.)

Diese Äquivalenzen in den Fig. 11 bis 15 können jetzt verwendet werden, um die verschiedenen Nullator-Norator-Paare an Nullator- und Norator-lmpedanz-Anordnungen von Zirkulatoren anzunähern, was durch das obenbeschriebene Verfahren erreicht wurde. In vielen Fällen ist es möglich, die Nullatoren und Noratoren auf verschiedenartige Weise zu paaren, was mehrere verschiedene körperliche Annäherungen zu vielen der Nullator- und Norator-Impedanz-Realisierungen der Zirkulatoren ergibt.

Als Beispiel einer symmetrischen Nullator- und Norator-Impedanz-Realisierung nach Fig. 7 mit vorhandenem Leiter 7.7 ist in F i g. 16 gezeigt. Eine von ihr abgeleitete Schaltung mit Transistoren zeigt Fig. 17. In dieser Figur wurden die Polaritäten (pnp oder npn) dieser Transistoren gewechselt, so daß keine Spannungsverschiebeschaltung absolut notwendig ist (obwohl die Tore auf verschiedenem Gleichstrompotential liegen). Auf diese Weise spannt sich die Schaltung selbst vor.

Die Impedanzen 17.1, 17.2 und 17.3 können abgestimmt werden, um die Vorwärts-Rückwärts-Übertragungsverhältnisse der Zirkulatorschaltung im Betrieb zu verbessern. Diese Abstimmoperationen sind praktisch nicht wechselwirkend.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. ο ,„ . „,„„„ι,
   Patentanspruch:

   Dreitorzirkulator mit drei Außenansc ,ssen und einem Erdeanschluß, bei dem je ein differentieller Spannungs-Strom-Verstärker mit seinem Plus-Spannungsanschluß an einem Außenanschluß, mit seinem Minus-Spannungsanschluß an einem weiteren Außenanschluß mit seinem Plus-Stromanschluß an einem letzten Außenanschluß und mit seinem _l Minus-Stromanschluß an dem Erdeanschluß derart angeschlossen ist, daß jeweils ein Plus- und ein Minus-Spannungsanschluß zusammentrifft und daß Jeweils nur ein Plus-Stromanschluß mit einem AußenanschluB verbunden ist, und bei dem im , differentieUen Spannungs-Strom-Verstärker der Plus-Spannungsanschluß mit dem Plus-Stromanschluß sowie der Minus-Spannungsanschluß mit dem Minus-Stromanschluß jeweils über eine Reihenschaltung aus einem Nullator und einem Norator und die Verbindungsstellen zwischen diesen über eine Impedanz verbunden sind, oder ein zu diesem Dreitorzirkulator dualer Dreitorzirkulator, dadurch gekennzeichnet, daß in allen äquivalernen Gesamtnetzwerken aus Nullatoren und/oder Noratoren bestehende Unternetzwerke gebildet sind, bei denen für eine Parallelschaltung eines Nullators mit einem Norator (Fig. 11) ein Kurzschluß, für eine zweipolige Serienschaltung eines Nullators mit einem Norator (Fig. 12) ein Leerlauf, für eine dreipolige Serienschaltung (13.2) eines Nullators mit einem Norator ein hinreichend idealer Transistor (13.1) mit dem Emitter für den Nullator-Norator-Verbindungspunkt, mit dem Kollektor für den Norator-Außenanschluß und mit der Basis für den Nullator-Außenanschluß, ferner für einen Vierpol (14.1), bestehend aus einem Nullator zwischen den Eingangsklemmen und einem Norator zwischen den Ausgangsklemmen, ein hinreichend idealer Operationsverstärker (14.2) und für eine dreipolige Serienschaltung (15.2) eines Nullators mit einem Norator zusammen mit einem Erdeanschluß (Fig. 15) ein hinreichend ideales Dreitor (15.1) vorgesehen sind.

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   Die Erfindung betrifft einen Dreitorzirkulator mit drei Außenanschlüssen und einem Erdeanschluß, bei dem je ein differentieller Spannungs-Strom-Verstärker mit seinem Plus-Spannungsanschluß an einem Außenanschluß, mit seinem Minus-Spannungsanschluß an einem weiteren Außenanschluß, mit seinem Plus-Stromanschluß an einem letzten Außenanschluß und mit seinem Minus-Stromanschluß an dem Erdeanschluß derart angeschlossen ist, daß jeweils ein Plus- und ein Minus-Spannungsanschluß zusammentrifft und daß jeweils nur ein Plus-Stromanschluß mit einem Außenanschluß verbunden ist, und bei dem im differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker der Plus-Spannungsanschluß mit dem Plus-Stromanschluß sowie der Minus-Spannungsanschluß mit dem Minus-Stromanschiuß jeweils über eine Reihenschaltung aus einem Nullator und einem Norator und die Verbindungsstellen zwischen diesen über eine Impedanz verbunden sind, oder ein zu diesem Dreitorzirkulator dualer Dreitorzirkulator.

   Aus den Literaturstellen »Prodeedings of the IEEE«, März 1965, Seiten 260 bis 267, »A dc-coupled, active Sator«, Ingemarsson, Stanford Electronics Labs., Stanford, Calif Technical Report 6558-19 SU-SEl^T-018, Februar 1967, »Electronics Utters«. Sept 968, Seiten 389-391, und »Electronic^ Letters« Dez. 968, Seiten 579-580, sind Dreitorarkulatoren bekannt, die wenigstens zwei Impedanzen pro Tor erfordern und m denen die Abstimme.nstellungen nicht unabhang_lg

   voneinander sind.

   Aus der Zeitschrift »Prodeedings of the IEEE« JuI. 1970, Seiten 1143-1145 ist weiterem Dreitorzirkulator bekannt, der nur einen Widerstand pro Tor erfordert.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, praktische Realisierungsmöglichkeiten fur e.n derart.gen Dre.tor-

   zirkulator anzugeben.

   Ausgehend von einem Dreitorzirkulator der einleitend geschilderten Art wird diese Au gäbe erfmdungsgemäß dadurch gelöst, daß in allen äquivalenten Cesamtnetzwerken aus Nullatoren und/oder Noratoren bestehende Unternetzwerke ausgewählt sind, bei denen für eine Parallelschaltung eines Nullators mit einem Norator ein Kurzschluß, für eine zweipolige Senenschakung eines Nullators mit einem Norator ein Leerlauf, für eine dreipolige Senenschaltung eines Nullators mit einem Norator ein hinreichend idealer Transistor mit dem Emitter für den Nullator-Norator-Verbindungspunkt, mit dem Kollektor für den NoratorAußenanschluß und mit der Basis für den Nullator-Außenanschluß, ferner für einen Vierpol, bestehend aus einem Nullator zwischen den Eingangsklemmen und einem Norator zwischen den Ausgangsklemmen, ein hinreichend idealer Operationsverstärker und für eine dreipolige Serienschaltung eines Nullators mit einem Norator zusammen mit einem Erdeanschluß ein hinreichend ideales Dreitor vorgesehen sind.

   Die Erfindung befaßt sich demnach mit der Realisierung eines Dreitorzirkulators mittels elektronischer Schaltungen, die Transistoren enthalten. Diese neue Gruppe von Realisierungen unterscheidet sich von den meisten früheren dadurch, daß nur ein interner Widerstand pro Tor benötigt wird. Dies bedeutet, daß mit idealen Transistoren und Widerständen ein vollkommener Zirkulatorbetrieb durch alleiniges Abstimmen einer Impedanz (Widerstand) pro Tor erreicht werden kann.

   Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

   F i g. 1 zeigt den Typ eines idealen verlustloser Dreitorzirkulators;

   F i g. 2 zeigt die Darstellung einer Zweitorschaltung; Fig. 3 zeigt eine grundlegende Zirkulatorrealisie

   rung;
   F i g. 4 und 5 zeigen zwei hypothetische Eintorschal

   tungen;
   Fig.6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Realisie rung nach F i g. 3;

   F i g. 7 zeigt eine aus F i g. 6 resultierende Zirkulator realisierung;

   F i g. 8 und 9 zeigen Dreiknoten-Nullatorschaltungen Fig. 10 zeigt Norator-Vierknoten-Schaltungen, und Fig. 11 bis 17 zeigen Methoden der Umsetzun vorstehend genannter Zirkulatoren in körperlich Annäherungen.

   Es gibt zwei grundlegende Typen idealer verlustlose Dreitorzirkulatoren. Der erste Typ ist ein Dreitor nac Fig. 1, in welchem der Strom 1.1 an jedem einzelne Tor unabhängig von der Spannung an diesem Tor un

   ₄₅

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