DE2608117C2 - Diodenschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Diodenschalter zur wahlweisen Durchschaltung eines eingangsseitigen Signals auf einen Ausgang, bei dem zwei einander entgegengepolte Dioden im Längszweig und eine dritte Diode im Querzweig eines Vierpols liegen und die unterschiedlichen Schaltzustände durch den leitenden Zustand der entgegengepolten Dioden bzw. der dritten Diode bei gleichzeitiger Sperrung der jeweils anderen Dioden bestimmt sind.

Ein derartiger Diodenschalter ist aus der Zeitschrift »Elektor«, SepL 1975-9-38, Bild 3, bekannt. Die Schaltzustände der Dioden werden hierbei über angelegte Potentiale gesteuert, die ihrerseits durch das wahlweise Schließen eines über einen Schalttransistor im Querableitungszweig geführten Stromkreises veränderbar sind. Nachteilig ist jedoch, daß wegen der Krümmung der Diodenkennlinien nur sehr kleine eingangsseitige Signale von beispielsweise einigen mV mit hinreichend kleinem Klirrgrad übertragbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diodenschalter anzugeben, bei dem der vorstehend genannte Nachteil nicht auftritt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß dem Vierpol ein Impedanzwandler mit sehr niedrigem Ausgangswiderstand vor- und ein solcher mit sehr hohem Eingangswiderstand nachgeschaltet sind, daß eine erste Konstantstromquelle der Stromstärke 1/2 · /1 hinter der ausgangsseitigen Längszweig-Diode angeschaltet ist, daß eine zweite Konstantstromquelle der Stromstärke /, an den Knotenpunkt der Dioden mit einer solchen Polarität anschaltbar ist, daß die entgegengepolten Dioden jeweils von einem Strom der Stärke /i/2 durchflossen werden, daß bei Abschaltung der zweiten eine dritte Konstantstromquelle ar den Knotenpunkt mit einer solchen Polarität anschaltbar ist, daß die Querzweig-Diode von ihrem Strom durchflossen wird und daß hinter der ausgangsseitigen Längszweig-Diode während der Anschaltung der dritten Konstantstromquelle eine Sperrspannung angeschaltet ist, die einer am Ausgang des eingangsseitigen Impedanzwandlers auftretenden Vorspannung möglichst weitgehend angeglichen ist.

Der mit der Erfindung erzielte wesentliche Vorteil liegt insbesondere darin, daß Signale mit wesentlich größerer Amplitude klirrarm übertragen werden können als bei dem bekannten Diodenschalter. Weiterhin ist der Grenzwert der unverzerrt übertragbaren Signalamplitude in einfacher Weise einstellbar. Durch Parallelschaltung zweier oder mehrerer Diodenvierpoie können auch speziellere Schaltaufgaben gelöst werden, wie z. B. die wahlweise Durchschaltung eines von zwei oder mehreren an den einzelnen Vierpoleingängen anliegenden Signalen auf einen allen Vierpolen gemeinsamen Ausgang.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
F i g. 1 die Prinzipschaltung eines Diodenschalters

nach der Erfindung, der zur wahlweisen Durchschaltung eines eingangsseitigen Signals an den Vierpolausgang ciient,

F i g. 2 eine detaillierte Darstellung eines als Wechselschalter ausgebildeten Diodenschalters und

Fig.3 eine Erweiterung der Schaiiung nach Fig.2 zur wahlweisen Durchschaltung eines von mehreren eingangsseitigen Signalen.

In Fig. 1 ist der einpolig auf Masse gelegte Eingang des Diodenschalters mit t bezeichnet. Über diesen gelangt man zu einem ersten Impedanzwandler 2, dessen Eingangswiderstand dem bei 1 angeschalteten Stromkreis angepaßt ist, während sein Ausgangswiderstand sehr niederohmig ist. An den Ausgang von 2 schließt sich ein Vierpolnetzwerk an, dessen Längszweig 3 zwei einander entgegengepolte Dioden D1, D 2 enthält, während eine Diode D3 im Querzweig 4 angeordnet ist. Dem Vierpolnetzwerk 3,4 ist ein zweiter Impedanzwandler 5 nachgeschaltet, dessen Eingangswiderstand sehr hochohmig bemessen ist, während sein Ausgangswiderstand so gewählt ist, daß eine Anpassung an einen an den Schalterausgang 6 anzuschaltenden, ausgangsseitigen Stromkreis erzielt wird.

Zwischen der ausgangsseitigen Längszweig-Diode D 2 und dem Eingang von 5 ist eine einpolig auf die positive Betriebsspannung + U_B gelegte Konstantstromquelle 7 angeschlossen, die einen konstanten Strom der Größe 1/2 - J₁ erzeugt. Andererseits ist der Knotenpunkt 8 der Dioden Di bis D 3 mit einer zweiten einpolig an die negative Betriebsspannung - Ub gelegten Konstantstromquelle 9 verbunden, die über einen Steuereingang 10 einschaltbar ist und im eingeschalteten Zustand einen Strom der Größe J₁ erzeugt Zum Einschalten von 9 dient eine Schaltspannung Us, die über eine Klemme 11 an den Steuereingang 10 geführt wird Der Knotenpunkt 8 ist außerdem mit einer dritten einpolig an der positiven Betriebsspannung + Ub liegenden, wahlweise einschaltbaren Konstantstromquelle 12 beschaltet, die ebenfalls in Abhängigkeit von Us über den Steuereingang 13 einschaltbar ist und im eingeschalteten Zustand den Strom J₂ erzeugt. Der Längszweig 3 ist schließlich zwischen der ausgangsseitigen Diode D 2 und dem Eingang von 5 mit einer Sperrspannung — U1 beschaltbar, die über einen Feldeffekt-Transistor FET zuführbar ist. Zur Aussteuerung des FET in den leitenden Zustand dient ebenfalls die Schaltspannung Us, die von 11 aus über einen Inverter 14 an den Steuereingang G des FETgeführt ist.

Soll nun ein bei 1 anliegendes Signal Ue an den Ausgang 6 durchgeschaltet werden, so wird die so Konstantstromquelle 9 eingeschaltet, während die Konstantstromquelle 12 ausgeschaltet bleibt. Zu diesem Zweck ist der im einzelnen nicht dargestellte Steuerungsteil von 9 zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß der eingeschaltete Zustand so lange anhält, wie der hohe Pegel +Ub von Us am Steuereingang 10 liegt. Der Steuerungsteil von 12 ist andererseits so ausgebildet, daß der hohe Pegel + U_B am Siteuereingang 13 die Konstantstromquelle 12 im ausgeschalteten Zustand hält Da die Konstantstromquelle 7 stets eingeschaltet 6g ist, ergibt sich einerseits ein Strom von der Stärke I/2/1 über 7, D 2, 9 nach -Ub und andererseits zwangsweise ein Strom der Stärke 1/2 · J\ vom Ausgang von 2 über D1,8 und 9 nach - Ub, so daß sich gleiche Aussteuerungen von D 1! und D 2 ergeben. Dadurch stellt sich am Knotenpunkt 8 ein Potential ein, das um den Spannungsabfall t/dan der in Durchlaßrichtiir.e betriebenen Diode Di negativer ist als die am Ausgang von 2 vorhandene Vorspannung — Ui, während sich am Eingang des Impedanzwandlers 5 ein Potential einstellt, das -Ul entspricht. Die Diode D3 ist entsprechend dem Potential an 8 gesperrt Das Signal Ue bewirkt unter der Annahme von Verstärkungsfaktoren der Größe 1 für die Impedanzwandler 2 und 5 eine ihm entsprechende Spannungsänderung am Ausgang von 2, die eine gleich große Spannungsänderung am Eingang von 5 und damit am Ausgang 6 zur Folge hat. Dabei ändern sich jedoch die Arbeitspunkte der Dioden Di und D 2 wegen der Stromeinprägung von 7 und 9 nicht, vielmehr »schwimmen« Di und D 2 mit ihrer Vorwärtsspannung Ud auf dem von 2 niederohmig eingeprägten Eingangssignal Ue. Da 5 hochohmig ist, fließt kein durch Ue hervorgerufener Strom durch D1 und D 2, und somit wird Ue verzerrungsfrei vom Eingang 1 auf den Ausgang 6 übertragen. Voraussetzung hierfür ist lediglich, daß die positive Halbwelle von Ue unterhalb eines Grenzwertes bleibt, der dem Wert von 2 Ud+ U1 entspricht, da D 3 sonst in dem leitenden Zustand ausgesteuert würde. Durch eine entsprechende Einstellung von U1 iäßt sich dieser Grenzwert aber in einfacher Weise auf einige Volt festlegen. Schaltet man weiterhin eine oder mehrere Dioden D4 zu D3 in Serie, wie in F: g. 1 gestrichelt angedeutet ist, so erhöht sich dieser Grenzwert jeweils um die Größe von Ud. Der Feldeffekt-Transistor FET ist in diesem Zustand des Diodenschalters gesperrt, was durch die Umwandlung des hohen Pegels + Ub von Us in 14 in einen niedrigen Pegel erreicht wird.

Der gesperrte Schaltzustand, in dem der Ausgang 6 nicht mit Ue verbunden ist, wird dann erreicht, wenn die Konstantstromquelle 9 ausgeschaltet wird und gleichzeitig die Konstantstromquelle 12 eingeschaltet und die Sperrspannung -Ui über den FET an den Längszweig 3 angelegt werden. Dies gelingt bei entsprechender Ausbildung der Steuerungsteile von 9 und 12 durch eine Umschaltung des Pegels von Us auf den Wert — Ub, wobei der über 14 invertierte Pegel den FET in den leitenden Zustand aussteuert. Es ergibt sich hierbei ein Strom J₂ von 12 über 8, D 3 und ggf. D 4 nach Masse, der D 3 in den Durchlaßbereich aussteuert Am Knotenpunkt 8 entsteht ein Potential, das um Udpositiver ist als das Massepotential, während die Anoden von D1 und D2 jeweils mit —Ui + Ue bzw. -Ui beaufschlagt werden, so daß D1 und D 2 gesperrt sind.

Während also im leitenden Zustand von D1 und D 2 eine hochpegelige, rausch- und verzerrungsarme Übertragung von Ue an den Ausgang 6 erfolgt, ergibt sich im leitenden Zustand von D 3 eine hohe Sperrdämpfung des Schalters. Ue kann für den Fall, daß die über den FET angelegte Sperrspannung -Ui der am Ausgang von 2 vorhandenen Vorspannung größenmäßig entspricht, auch ein Gleichstromsignal darstellen. Sollen Wechselstromsignale Ue geschaltet werden, so brauchen die beiden genannten Spannungen nicht exakt übereinzustimmen, sofern im Impedanzwandler 5 die Gleichstromkomponenten unterdrückt werden.

F i g. 2 zeigt im oberen Teil eine vorteilhafte schaltungstechnische Durchbildung der Prinzipschaltung nach Fig. 1. Wie ersichtlich, ist der Impedanzwandler 2 als eine Transistorstufe in Kollektorschaltung ausgebildet (Emitterfolger). Hierbei ist ein npn-Transistor Ts 1 mit seinem Kollektoranschluß an die Betriebsspannung + Ub und mit seinem Emitteranschluß über einen EmiUerwiderstand R1 an - Ub geschaltet. Seine Basis ist über einen ohmschen Widerstand R 2 an Masse gelegt. Die Konstantstrom-

quellen 7, 9 und 12 bestehen aus jeweils gleichartig aufgebauten Transistorstufen. So enthält beispielsweise die Konstantstromquelle 7 einen Transistor Ts 2, dessen Basis über eine in Sperrichtung gepolte Zenerdiode Z1 an die positive Betriebsspannung + Ub geführt ist, an die s auch der Emitter über einen Emitterwiderstand R 3 geschaltet ist

Andererseits ist die Basis von Ts 2 über einen Widerstand R 8 an - Ub geführt Die konstante, an Z1 abfallende Spannung bewirkt einen festen Arbeitspunkt to von Ts 2, so daß dessen Kollektorstrom belastungsunabhängig und konstant ist. Zur wechselweisen Ein- und Ausschaltung der Konstantstromquellen 9 und 12 mit Hilfe der über die Klemme 11 und den Steuereingang SE zugeführten Schaltspannung Us ist der Transistor Ts 3 als pnp-Typ ausgebildet und über seinen Emitterwiderstand A4 an +Ub geführt, während Ts4 als npn-Typ ausgebildet ist und über seinen Emitterwiderstand RS an - Ub gelegt ist Führt man nun den Pegel + Ub von Us über die Klemme 11 den Konstantstromquellen 9 und 12 zu, wobei ohmsche Widerstände Λ 6 und R 7 in den Weg der Schaltspannung eingefügt sind, so wird Ts 4 geöffnet, während Ts 3 sperrt Bei Zuführung des negativen Pegels - Ub von Us ergeben sich die umgekehrten Schaltzustände. Der Impedanzwandler 5 besteht schließlich aus einer Transistorstufe mit dem pnp-Transistor Ts 5 in Kollektorschaltung, dessen Emitter über einen Emitterwiderstand R 9 an + U_B geführt ist, während sein Kollektor an - Ub liegt Die Basis von Ts 5 ist mit dem Vierpollängszweig 3 verbunden. Der Emitter von Ts 5 ist andererseits an den Ausgang 6 des Diodenschalters gelegt.

In Abweichung von der dargestellten Ausbildung der Konstantstromquellen 7, 9 und 12 können diese bei entsprechend angehobenen Werten der Betriebsspannung + Ub und — Ub auch durch hochohmige Widerstände realisiert werden.

Fig.2 zeigt weiterhin in der unteren Hälfte einen Schaltungsteil, der dem oberen Schaltungsteil und damit auch der Schaltung nach F i g. 1 bis zum Ausgang des Vierpolnetzwerkes im Aufbau vollständig entspricht. Während jeder dieser Schaltungsteile einen eigenen Eingang 1, Γ aufweist, an dem jeweils eine durchzuschaltende Spannung Ue bzw. Ue' anliegt, sind ihre Vierpolausgänge zueinander parallel geschaltet, wobei sie an einen gemeinsamen, ausgangsseitigen Impedanzwandler 5 und über diesen an den gemeinsamen Ausgang 6 geführt sind. Führt man die Schaltspannung Us dem unteren Schaltungsteil über einen Inverter 14a zu, so ergeben sich folgende Schaltzustände: Liegt der Pegel + Ub von Us an, so sind D1 und D 2 in der bereits beschriebenen Weise in den Durchlaßbereich geschaltet, während D 3 gesperrt ist. Gleichzeitig ist jedoch D3' stromdurchlässig, während DY und D2' gesperrt sind. Damit wird Ue von 1 an den Ausgang 6 unverzerrt und praktisch dämpfungsfrei übertragen, während Ue' nicht übertragen wird. Liegt der niedrige Pegel - Ub von Us bei 11 an, so wird Ue' auf den Ausgang 6 durchgeschaltet, während Ue gesperrt ist Damit entsteht ein Wechselschalter, der wahlweise jeweils eines von zwei eingangsseitigen Signalen Ue, Ue'an den gemeinsamen Ausgang 6 durchschaltet Die Obersprechdämpfung von dem jeweils gesperrten Eingang auf den gemeinsamen Ausgang ist hierbei sehr groß. Vorteilhaft ist ferner, daß die Sperrspannung -Ui, die in F i g. 1 über den FET eigens an den Längszweig 3 des Vierpols angelegt werden mußte, in Fig.2 jeweils automatisch durch die Potentialverhältnisse in dem gerade leitenden Kanal des Wechselschalters erzeugt und an den Eingang des Impedanzwandlers 5 gelegt wird

Fig.3 zeigt die Erweiterung der Schaltung nach Fig.2 auf die Durchschaltung jeweils eines von mehreren Eingangssignalen an einen gemeinsamen Ausgang 6. Dabei ist der Schaltungsteil A von F i g. 2 in Fig. 3 /i-mal vorhanden und jeweils mit A, Λ'bis A(") bezeichnet. Während die Eingänge 1, Γ bis IN mit den einzelnen durchzuschaltenden Signalen Ue, t/e'bis Utt") belegt sind, sind die Ausgänge der Schaltungsteile A, A' bis A(">, die jeweils den einzelnen Vierpolausgängen entsprechen, zueinander parallel geschaltet und an den Eingang eines allen gemeinsamen ausgangsseitigen Impedanzwandlers 5 geführt. An einem allen gemeinsamen Ausgang 6 wird dann das jeweils durchzuschaltende Signal abgegriffen. Die dem Steuereingang SE von A entsprechenden Steuereingänge der übrigen Teilschaltungen sind mit SE' bis SB") bezeichnet. Eine logische Schaltung 15 führt über ihre Ausgänge 15a. 15a' bis 15aW jeweils einer Teilschaltung (im dargestellten Fall A<") den Pegel + Ub, allen übrigen jedoch den Pegel -Ub zu. Damit ist das Signal Ue(") der mit +U_B beaufschlagten Teilschaltung an den Ausgang 6 durchgeschaltet, während alle übrigen Eingangssignale gesperrt sind. Die logische Schaltung 15 kann beispielsweise als Speicher ausgebildet sein, der über einen Signalgeber 16 mit einem digitalen Signal ansteuerbar ist, das jeweils einen der π Ausgänge anwählt und das Signal dieses Ausgangs, z. B. 15aW, von dem normalerweise anliegenden Pegel - U_B auf + Ub umschaltet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Diodenschalter zur wahlweisen Durchschaltung eines eingangsseitigen Signals auf einen Ausgang, bei dem zwei einander entgegeiigepolte Dioden im Längszweig und eine dritte Diode im Querzweig eines Vierpols liegen und die unterschiedlichen Schaltzustände durch den leitenden Zustand der entgegengepolten Dioden bzw. der dritten Diode bei gleichzeitiger Sperrung der jeweils anderen Dioden bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vierpol (3,4) ein Impedanzwandler (2) mit sehr niedrigem Ausgangswiderstand vor- und ein solcher mit sehr hohem Eingangswidersiand nachgeschaltet sind, daß eine erste Koi.stantstromq-jelle (7) der Stromstärke 1/2 · J\ hinter der ausgangsseitigen Längszweig-Diode (D 2) angeschaltet ist, daß eine zweite Konstantstromquelle (9) der Stromstärke Ji an den Knotenpunkt (8) der Dioden (Di, D2, D3) mit einer solchen Polarität anschaltbar ist, daß die entgegengepolten Dioden (Di, D 2) jeweils von einem Strom der Stärke /i/2 durchflossen werden, daß bei Abschaltung der zweiten (9) eine dritte Konstantstromquelle (12) an den Knotenpunkt (8) mit einer solchen Polarität anschaltbar ist, daß die Querzweig-Diode (D3) von ihrem Strom (h) durchflossen wird und daß hinter der ausgangsseitigen Längszweig-Diode (D 2) während der Anschaltung der dritten Konstantstromquelle (12) eine Sperrspannung(-Ui) angeschaltet ist, die einer am Ausgang des eingangsseitigen Impedanzwandlers (2) auftretenden Vorspannung möglichst weitgehend angeglichen ist.

2. Diodenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge zweier jeweils über eigene Impedanzwandler mit eingangsseitigen Signalen (Ue, Ue') belegter Vierpole einander parallel und an den Eingang eines gemeinsamen ausgangsseitigen Impedanzwandlers (5) geschaltet sind und daß die den beiden Vierpolen zugeordneten zweiten und dritten Konstantstromquellen jeweils wechselweise einschaltbar sind (F i g. 2).

3. Diodenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge mehrerer, jeweils über eigene Impedanzwandler mit eingangsseitigen Signalen (Ue, U' bis Uetty belegter Vierpole einander parallel und an den Eingang eines gemeinsamen ausgangsseitigen Impedanzwandlers (5) geschaltet sind und daß die zweite Konstantstromquelle jeweils eines wählbaren Vierpols einschaltbar ist, während seine dritte Konstantstromquelle ausgeschaltet ist und die zweiten Konstantstromquellen der übrigen Vierpole aus- und ihre dritten Konstantstromquellen jeweils eingeschaltet sind (F i g. 3).

4. Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquellen (7, 9, 12) als Transistorstufen ausgebildet sind, deren Emitter über zugeordnete Emitterwiderstände und deren Basisanschlüsse über in Sperrichtung gepolte Zenerdioden an die Betriebsspannung geschaltet sind.

5. Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Vierpolquerzweig angeordnete Diode (D 3) durch die Serienschaltung einer oder mehrerer Dioden (D 4) ergänzt ist.

6. Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eingangsseitige Impedanzwandler (2) als npn-Transistorstufe (TsI) in Kollektorschaltung und der ausgangsseitige Impedanzwandler als pnp-Transistorstufe in Kollektorschaltung ausgebildet ist.