DE2433965B2 - Anordnung zum schalten von hochfrequenzsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schal ten Min Hochfrequenzsignalen, speziell des VHF-Bandes. unter Verwendung von Feldeffekttransistoien mit isolierter Gateelektrode. Derartige TraiisiMore.i werden im folgenden gemäß der üblichen Abkiir-7ung mit ICiFET bezeichnet.

VHF-Rundfunkempl'änger können heutzutage so kompakt und leicht gebaut werden, daß sie von jedem Menschen bequem getragen werden können. Diese Empfänger sind so ausgelegt, daß sie einen Bereich des VHF-Bandes empfangen können, der über mehr als eine Oktave reicht. Eine mittels Kapazitätsdiode abstimmbare Hochfrequenzschaltung läßt sich jedoch mit den heute verfügbaren Varactoren nicht über einen derart weiten Frequenzbereich abstimmen, insbesondere weil in den normalen Überlagerungsempfängern ein enger Gleichlauf mit einem varactorgesteuerten lokalen Oszillator erforderlich ist. Zur Lösung dieses Problems ist es erwünscht, in der Eingangsstufe des Empfängers mehrere durch Varac-

4; toren abstimmbare HF-Verstärker vorzusehen, deren jeder auf ein anderes Band abgestimmt ist, und für die Anfangsverstärkung des HF-Signals vor der Überlagerung oder Mischung mit dem Signal des lokalen Oszillators jeweils einen dieser Verstärker auszuwählen.

In bekannten Fällen geschieht diese Wahl entweder mittels PIN-Diodenschaltern oder mittels mechanischer Relais. PIN-Dioden erfordern eine Steuerleistung, die für einen batteriebetriebenen Kleinstempfänger zu hoch ist. Da PIN-Dioden zweipolige Elemente sind, benötigt man zu ihrer Steuerung relativ komplizierte Schaltungen. PIN-Dioden sind in ihrer Herstellung nicht kompatibel mit der Herstellung integrierter Schaltungen für HF-Verstärker, d. h., der Verstärker und die Anordnung zur Bandumschaltung lassen sich nicht ohne weiteres in ein und derselben integrierten Schaltung unterbringen. Andererseits sind Relais für HF-Signale verhältnismäßig unzuverlässig und teuer.

Die Verwendung von IGFETs in elektronischen Schalteinrichtungen ist in der USA-Patentschrift 33 27 133 beschrieben. Besonders interessant ist eine Anordnung, die mit »transmission gate« bezeichnet

L·

ist und bei welcher eine Signalquelle wahlweise über einen Weg steuerbarer Leitfähigkeit, der durch einen IGFET-Kanal gebildet wird, mit einem Verbraucher verbindbar ist. IGFETs lassen sich leicht und wirtschaftlich in ganzen Feldern herstellen, wobei das am meisten angewandte Verfahren die sogenannte MOS-Technik (Metall-Oxid-Halble.ter-Technik) ist. Diese Technik ist heutzutage genügend ausgereift, um mit ihr zuverlässige IGFETs herstellen zu können. Da IGFETs keine strumgesteuerten sondern spannung>gesteuerte Schaltelemente sind, wird '.n ihrem Steuerkreis praktisch keine Leistung verbraucht. Da IGFFTs auch gewöhnlich in HF-Verstärkern verwendet werden, lassen sich die HF-Verstärker und die zur Bandumschaltung verwendeten IGFETs auf ein und derselben integrierten Schaltung unterbringen.

Die Verwendung eines »transmission gate , welches im folgenden als »Signaltor« bezeichnet wird, zum Schalten von HF-Signalen bringt jedoch gewisse Probleme mit sich. Eines dieser Probleme besteht darin, Reflexionen bei di rchlässigem Signaltor zu vermeiden. Ein anderes Problem besteht darin, eine »kapazitive« Kopplung d^s HF-Signals durch das Signaltor zu verhindern, venii es an sich undurchlässig sein soll. d. h. in den >perrzustand geschaltet isi.

Diese Probleme weiden eründungsgcmäß dadurch gelösr. daß man an die Caleelektroden der in den Signaltoren verwendeten IGFETs Steuerpotentiale mit vorgeschriebenen Impt danzwerten legt. Ein zum Spannen des Kanals in c:n Leitzustand dienendes Steuerpotential wird bei e nem relativ hohen Impedanzwert geliefert, und eir zum Spannen des Kanals in den Sperrzustand dient ndes Steuerpotential wird bei einem relativ niedrige ι Impedanzwert geliefert.

Die Erfindung wird ι achstehend anhand von Zeichnungen erläutert:

F i μ. 1 zeigt eine Anordi.ungzur Bandumschaltung, worin die erfindungsgemä:- ausgebildeten HF-Schalter verwendet werden können;

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung für einen IGFET zum erfindungsgenäßen Schalten eines HF-Signals;

F i g. 3 und 4 sind Ersat Schaltbilder des in F i g. 2 dargestellten IGFETs für den Fall, daß sein Kanal leitend ist und für den Fa ., daß sein Kanal gesperrt ist;

Fig. 5 zeigt teilweise ir Blockform und teilweise im Detail eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargcstel te Einrichtung zur Bandumschaltung erlaubt eine Auswahl zwischen zwei HF-Verstärkern 11 und 12. Diese Einrichtung zeigt ein vereinfachtes Beispiel, riit ähnlichen Anordnungen kann auch eine Auswahl ;as mehr als zwei HF-Verstärkern möglich gemacht werden. Eiine Frequenzwahlschaltung 13 steuert Kapazitätsdioden zur Abstimmung der HF-Verstä ker Il und 12 und zur Abstimmung des lokalen Oszillators (nicht dargestellt) des Rundfunkemp·ängers, vorausgesetzt, es handelt sich um einen Übe lagerungsempfänger.

Die Frequenzwahlschaltung 13 steuert außerdem die Bandumschaltung zwischen zwei alternativen Zuständen, was wie folgt geschieht. Im einen Zustand bewirkt die Frequenzwahlschaltung 13 ein Einschalten der HF-Schalter 14 und IS und ein Sperren der HF-Schalter 16 und 1.7. Der eingeschaltete Schalter 14 verbindet die Antenne 18 mit dem Eingangskreis des HF-Verstärkers 11, und der eingeschaltete Schalter 15 verbindet den Ausgangskreis des HF-Verstärkers mit dem (nicht dargestellten) Mischer des Rundfunkempfängers, vorausgesetzt, es handelt sich um einen Überlagerungsempfänger. Somit wird das vom HF-Verstärker 11 verstärkte Frequenzband ausgewählt. Der HF-Verstärker 12 ist von der Schaltungsanordnung, die aktiv Signale empfängt, abgetrennt und kann außerdem von einer Betriebsspannungsquelle abgetrennt sein.

Im anderen Zustand bewirkt die Frequenzauswahlschaltung 13 ein Sperren der HF-Schalter 14 und 15 und ein Einschalten der HF-Schalter 16 und 17. In diesem Fall ist der HF-Verstärker 12 in die aktiv signalempfangende Schaltungsanordnung eingefügt, während der HF-Verstärker 11 davon abgetrennt ist.

Die F i g. 2 veranschaulicht das erfindungsgemäße

Grundprinzip zur erfolgreichen Verwendung eines IGFETs 20 als HF-Schalter, mit d^m die Klemmen »HF-Eingang« und »HF-Ausgange wahlweise miteinander verbunden werden können. Das Substrat 19 des [GFETs 20 (der im dargestellten Fall ein Element mit N-Kanal ist) sei so vorgespannt, daß er gegenüber den anderen IGFETs, die sich dasselbe Substrat teilen, entkoppelt ist. Der Kanal des IGFETs 20 verläuft zwischen dessen Drain- und Sourceelektrode. Die Elektroden sind vertauschbar, und eine dieser Elektroden ist mit der HF-Eingangsklemme und die andere mit der HF-Ausgangsklemme verbunden. Es sei angenommen, daß der Mittelwert des an die HF-Eingangsklemme angelegten HF-Signals auf dem Niveau des Bezugspotentials (Masse) liegt.

Die Gateelektrode 38 des IGFETs 20 ist mit einem

Anschluß 21 eines einpoligen Umschalters 22 verbunden. In der einen Stellung des Schalters 22 (mit durchgehender Linie gezeichnet) ist die Gateelektrode des IGFETs 20 mit dem Anschluß 23 verbunden, der über einen Widerstand 24 an einem positiven Potential von z.B. -^-12 Volt liegt. Dieses Potential hat gegenüber einem an dem HF-Eingang gelegten HF-Signal eine solche Höhe und Polarität, daß der Kanal des IGFETs 20 leitend ist und daher den HF-Ausgang mit dem HF-Eingang verbindet.

Die Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des IGFETs 20 für den Fall, daß sein Kanal im voll leitenden Zustand ist. Das Ersatzschaltbild gilt für den Betrieb im VHF-Band. In der Ersatzschaltung nach F i g. 3 bedeutet

C_ss die Kapazität zwischen der Source-Übergangszone und dem Substrat des IGFETs 20,

C_sa die Source-Gate-KapazUät des IGFETs 20, Csi) die Source-Drain-Kapazität des IGFETs 20, C_CCl die Kanal-Gate-Kapazität des IGFETs 20, Ci)Q die Drain-Gate-Kapazität des IGFETs 20,

C_t)s d'^e Kapazität zwischen der Drain-Ubergangszone und dem Substrat des IGFETs 20,

R( den Kanalwiderstand des IGFETs 20 bei voller Leitfähigkeit des Kanals.

Der Kanalwiderstand ist in Form zweier konzentrierter Widerstände gezeigt, deren jeder einen Wert von ','2 R_(: hat.

Typische Werte der Elemente des Ersatzschalt-

bildes eines IGFETs zur Realisierung des erfindungsgemäßen Pnnz.ps s.nd folgende:

·" ^Ds ' ^p'
C_5n = 0,3 pF,

Qg = C_ÜG = 1 pF,
C_CG = 12,5pF,
R_c = 4 Ohm. ίο

Es sei angenommen daß die Kapazitäten in den

™^aUn^ "^{ach de} _Ä ^{n F}'S" ^{3 und 4} "«*' -Τ"

"J Mni ,ri_T7 ^An"^ahme '^st .^zul.^afB .fur einen MOS-IGFET der auf einer Epitaxialschicht ,₅ über einen sehr niederohmigen « 1 Ohmzentimeter) Substrat ausgebildet ist. Die Annahme, daß R_r und C_co konzentrierte bzw. punktförmig verteilte Schal-2*? ^{it fÜ} ^™ ^HF-Band gesperrt ist. Der Anschluß 25 hat außerdem über einen Kondensator 26 einen Nebenschluß nach Masse, so daß von der Gateelektrode des IGFETs 20 aus ^e|n sehr niedriger Wechselstromwiderstand gemessen ^wird- wenn der Kanal des IGFETs in den Sperrzustand gespannt ist.

Die F i g. 4 zeigt das für einen Betrieb im VHF-^Band gebende Ersatzschaltbild des IGFETs 20 für den Fall, daß sein Kanal im nichtleitenden Zustand ist. Der sehr niedrige Wechselstromwidcrstand, der infolge des Kondensators 26 an der Gateelektrode liegt, verhindert eine HF-Kopplung zwischen Source- und Drainelek.rode, die andemfalfc durch die Serenschaltung der Kapazitäten C_Sf! und C_w herbeigeführt würde. Mit dem Nebenschluß von der Gatcclcktrode des IGFETs 20 n-.rh Mp,,,. _h;w! ^^dlLL'^CMTO^^e Kapazitäten C md C 1 außerdem die

iä cTZ f&S

^ ^_n nach Fig.₂ der Schalter

22 in einer solchen Stellung ist, dali er die Gateelektrode des IGFETs 20 über den Widerstand 24 mit einem den Kanal des IGFETS 20 leitend machenden Potential verbindet, dann ist die HF-Ausgangsklemme über den niedrigen Wert des Kanalwiderstands R_c mit der HF-Eingangsklemme gekoppelt. Da zwischen diesen beiden Klemmen nur der Widerstand *_c liegt, ist die Dämpfung gering, vorausgesetzt, daß die Zuleitungen zu den Klemmen den no'rmalen Wellenwiderstand von 50 oder 75 Ohm haben. Es wurde jedoch herausgefunden, daß die Kapazitäten C_SG, C_CG und C_DG des Ersatzschaltbildes nach F i g. 3 gemeinsam mit dem Widerstand R_c eine verteilte ßC-Hochfrequenzleitung bilden. Es wurde ferner herausgefunden, daß wenn die Gateelektrode des IGF-ETs 20 über einen niedrigen Wechselstromwiderstand mit Masse verbunden 1st, diese verteiie Hochfrequenzleitung eine Reflexion in die das Signal an die HF-Eingangsklemme liefernde Hochfrequenzleitung bewirkt. Bei 80 MHz führt dieser unerwünschte Effekt zu einem Stehwellenverhältnis von etwa3db.

Erfindungsgemäß wird dieser Effekt dadurch vermieden, daß für den Wirkwiderstand 24 ein Wert gewählt wird, der viel höher ist als der kombinierte Blindwiderstand der Kapazitäten C,_c, Q₀ und C_DC für die interessierenden Frequenzen⁰ In einer typ° sehen Ausführungsform wählt man für den Wirkwiderstand 24 beispielsweise einen Widerstand^ert von 100 Kiloohm. Mit einem so hohen Wirkwiderstand ist die durch C₅₀, C_CG und C_nr gebildete Nebenschlußkapazität praktisch nicht mSrrnt Masse verbunden, sondern ist eher scEune^d oder massefrei, so daß die GateeleteodeTdes IGFETs 20 dem HF-Signal folgen kann Dfc Kaof zitäteiiC_S0, C_ca und C_DG bewirken daher keine Reflexionen auf den an die HF-Emgangsklemme und

die HF-Ausgangsklemme angeschlossenen Hochfrequenzleitungen.

Wenn der Schalter22 in der anderen Stellung ist (gestrichelt gezeichnet), dann ist die Gateelehrode des IGFETs 20 mit dem Anschluß KvSunTen Dieser Anschluß liegt über einen Wirkwiderstand 27 an einem Potential (im dargestellten FaH -12 Vnlrt welches bezüglich eines art den HF-Eingang amS legten HF-Signals eine solche Höhe und Polarrtät hat, daß der Ktaal des IGFETs 20 nichtleitendIod» wird.

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SSZ^*™?"^ ?P ^{UDd F}° ^{UeferL Wenn dei}

⁸^^{1 soU}' ^{dann ist das} , Γ^{σ Steuer}S^e^ts 31 »niedrig«

VoIt) und das Ausgangssignal F₀ ist

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»hoch« (z.B. +12 Volt). Diese Werte von V₀ und V_n spannen den Kanal des IGFET 32 in den leitenden Zustand, wodurch eine ntederohmige Verbindung zwischen der Gateelektrode 38 des IGFETs 20 und einem Ableitkondensator 34 geschaffen wird. Dies versieht die Gateelcktrode des IGFETs 20 mit. der gewünschten niedrigen Quellenimpedanz. Zur gleichen Zeit wird das negative Potential V₀ zur Vorspannung des Kanals des IGFETs 20 in den 'Sperrzustand über den leitenden Kanal des IGFETs 32 auf die Gateelektrode 38 gegeben. Wenn der Kanal des IGFETs 20 leitend gemacht werden soll, dann macht das Steuergerät 31 sein Ausgangssignal V₀ »hoch« (z.B. -12 Volt). Diese Werte von V₀ und V₀ spannen den IGFET 32 so vor, daß sein Kanal nichtleitend wird. Die Gateelektrode des IGFETs 20 ist in erster Linie über den Wirkwiderstand 33 mit der positiven Spannung V₀ verbunden. Der Widerstandswert des Elements 33 ist ausreichend groß gewählt (z. B. 100 Kiloohm), damit die Gateelcktrode 38 praktisch »massefrei« ist und somit verhindert wird, daß die ÄC-Hochfrequenzleitung im IGFET 20 zu Reflexionen in dem an die HF-Eingangsklcmme gelegten Hochfrequenzsignal führt.

Diese zuletzt beschriebene Schalteinrichtung ist auch deswegen vorteilhaft, weil die Drain-Source-Spannung des IGFETs 32 niedrig gehalten wird. Wenn die IGFETs 20 und 32 innerhalb einer integrierten MOS-Schaltung mittels der gleichen Technik hergestellt werden, dann sind die Einschränkungen hinsichtlich ihrer maximalen Drdn-Source-Spannungen strenger als die Einschränkungen hinsichtlich der Spannungen zwischen irgendwelchen anderen ihrer Elektroden. Im Falle einer solchen Konstruktioi wird der IGFET 32 normalerweise eine einfacher und kleinere Geometrie als der IGFET 20 haben, d; die Impedanz des Kanals des IGFETs 32 in dessei voll leitendem Zustand nicht so niedrig zu seil braucht wie diejenige des Kanals im IGFET 20 de HF-Schalters. In einer solchen integrierten Schaltunj können Widerstände in der wohl bekannten Weisi durch Verwendung von IGFETs mit automatische

ίο oder Selbstvorspannung realisiert werden.

Es ist eine einfache Spielart der in Fig.5 gezeigtei Schaltung möglich, worin der IGFET 32 mit eine festen Gate-Vorspannung versehen wird, deren Wer zwischen dem positiven und negativen Werten de:

Spannung V₀ liegt. Bei dieser Ausführungsform ent fällt die Notwendigkeit komplementär-logische: Steuersignale.

Zur Realisierung der Erfindung bieten sich aucl· andere Schaltungsanordnungen an. Beispielsweise kann der Gateelektrode des IGFETs 20 mittels eine; ohmschen Elements mit geeignet hohem Widerstandswert ständig eine positive Spannung angelegt werden wobei dann ein Transistor dazu verwendet wird, die Gateelektrode des IGFETs 20 wahlweise an eine niederohmige Quelle negativer Spannung zu klemmen. Bei geeigneter Änderung der Vorspannungen können auch statt der gezeigten N-Kanal-IGFETs P-Kanal-IGFETs verwendet werden. Es sind auch HF-Schalter möglich, in denen parallele P-Kanal- und N-Kanal-IGFETs gleichzeitig in den Leitzustand oder den Sperrzustand geschaltet werden. Solche alternativen Anordnungen sollen ebenfalls mit den Patentansprüchen umfaßt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609531/447

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Schalten von Hochfrequenzsignalen, mit einer Eingangsklemme zum Empfang von HF-Eingangssignalen, einer Ausgangsklemme und einem Feldeffekttransistor, dessen Sourceelektrode an der einen und dessen Drainelektrode an der anderen dieser Klemmen liegt und über dessen Gateelektrode die Leitfähigkeit des Kanals zwischen Source und Drain steuerbar ist und der zwischen Gate- und Kanal eine Kapazität aufweist, die als Komponenten eine Gane-Source-Kapazität und eine Gate-Drain-Kapazilät hat, und mit einer Steueranordnung zum wahlweisen Anlegen einer ersten oder einer zweiten Spannung an die Gateelektrode, um den Kanal wahlweise leitend oder nichtleitend zu machen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Steueranordnung (22, 24, - 12 V. 26, 27, - !2 V oder 32. 31, 33. 34) an die GateelektroJe enlegbare erste Spannung mit einer Impedanz zugeführt wird, die hoher ist als die Impedanz der Gate-Kanal-Kapazität bei der Frequenz des Eingangssignals, und daß die von der Steueranordnung an die Gateelektrode anlegbare zweite Spannimg mit einer Impedanz zugeführt wird, die niedriger als diejenige Impedanz ist, welche durch jeweils die Gate-Source-Kapaziiät und iJram-Suurce-Kapazität bei der Frequenz des flingang^signals dargestellt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung folgendes «•nthält:

einen Hilfstransistor (32), der zwischen einer ersten liiiJ i^innr '» ji'!en Elektrode einen Hauptstroni-VLg ciHiiaii und eine Steuerelektrode aufweist. T/'M"·?! die Leitfähigkeit dieses Hauptstromwegs Von ti?r 7wischen der Steuerelektrode und der trsten Elektrode liegenden Spannung abhängt Und wobei ui·¹ 7weite Elektrode mit der Gatetlektrode desFeiu.'ffck:traii-iistors(20) verbunden ist; ein ohmscher WMeibiand (33), welcher zwischen die erste und die /weite Elektrode des Hilfs-Iransistors geschaltet ist und eine" Widerstnndsivert hat. der höher i^: als die Impedanz der Gate-Kanal-Kapazität bii der Frequenz des Eingangssignal*; eine Anordnung (31, 34) zum wahlweisen Anlegen der ersten oder zweiten Spannung an <iie erste Elektrode des Hilfstransistors (32) mit •iner Impedanz, die niedriger als die durch jeweils die Gate-Source-Kapazität und die Gate-Drain-Kapazität bei der Frequenz des Eingangs-•ignals gebildete Impedanz ist; eine Einrichtung (31) zum Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode des Hilfstransistors. um diesen Traniistor relativ wenig leitend werden zu lassen, »enn die erste Spannung an dessen erste Elektrode gelegt wird und um den Hilfstransistor verlältnismäßig gut leitend zu machen, Λ·εηη die «weite Spannung an dessen erste Elektrode gelegt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstransistor (32) und der Feldeffekttransistor (20) beide Feldeffekttransistoren mit isoliertür Γ.-upelektrode und desselben Leitfähigkeitstyps sinrl und daß die der Gateelektrode und der ersten Elektrode des Hilfstransistors anceleeten Spannungen aus einem digitaler Steuergerät (31) kommen, welches zwei zueinander komplementäre logische Ausgangssignalt liefert, deren eines an die erste Elektrode uiil deren anderes an die Steuerelektrode gelegt wird

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die ersk Elektrode des Hilfstransistors (32) und den HF-Signal-Massepunkt ein Kondensator (34) geschaltet ist.

5. Verwendung mehrerer Einrichtungen /um Schalten von Hochfrcquenzsignalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Anordnung, die mehrere HF-Verstärker (11, 12) enthält, deren jeder auf einen anderen Teil des Frequenzspektrums abgestimmt ist, wobei jede dieser Einrichtungen zum Schalten von I lochfrequenzsiena'en zwischen einen gemeinsamen Signaleingang (18) und den Eingangskreis je\u-i!s eines gesonderten der HF-Verstärker ges. haltet ist.