DE2657589C2 - Dämpfungsfreier elektronischer Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen dämpfungsfreien elektronischen Schalter, insbesondere zur Verwendung als Halbleiterkoppelpunkt in RaUrnvielfächkoppelanordnungen der Fernsprechvermitllungstechnik, dei* ätiS in Längsrichtung der zu schaltenden Leitung angeordnete Halbleiter als Durchschaltelemente besteht, welche als

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65 leerlaufstabiler Negativwiderstand geschaltet sind, so daß sie im eingeschalteten Zustand die Signale in beiden Übertragungsrichtungen durchlassen und entdämpfen, wobei der leerlaufstabile Negativwiderstand aus der Kombination eines ersten NPN-Transistors Ts 1 und eines PNP-Transistors Ts2 besteht, dessen Basis mit dem Kollektor des NPN-Transistors Ts 1 direkt und dessen Emitter und Basis über einen ersten Widerstand Rc 1 verbunden sind und die Basis des NPN-Transistors TsI mit dem Emitter des PNP-Transistors Ts 2 über einen zweiten Widerstand /?3 und der Verbindungspunkt des ersten Widerstandes Rc 1 mit dem zweiten Widerstand R 3 der eine Anschluß des Schalters ist.

Dämpfungsfreie elektronische Schalter sind bereits durch die DE-AS 21 56 166, die DE-OS 24 34 263 und die DE-OS 24 36 255 bekannt. Die Kompensation der Durchlaßdämpfung erfolgt hier durch eine vorwiegend aus Transistoren bestehende steuerbare und damit als Schalter wirkende Halbleiter-Kombination, die im eingeschalteten Zustand des Schalters durch einen eingeprägten Gleichstrom einen vorgebbaren negativen Widerstandswert aufweist und damit einen leerlaufstabilen Negativwiderstand bildet.

Bei der Anwendung dieser Schalter als Koppelpunkt in einer Koppelanordnung von Fernmeldevermittlungsstelllen ergeben sich aber bezüglich Durchlaß- und Sperrdämpfung Schwierigkeiten, weil .mehrere Koppelpunkte dieser Art an einer Spalte einer Koppelstufe der Koppelanordnung angeschlossen sind. Wird nämlich durch Sperren des den Koppelpunkt schaltenden, im Querzweig liegenden Steuertransistor der zugehörige Koppelpunkt eingeschaltet, während die anderen, an der gleichen Spalte liegenden Koppelpunkte durch ihren leitenden und übersteuerten Steuertransistor gesperrt sind, so tritt eine zusätzliche Bedämpfung des eingeschalteten Koppelpunktes durch die an der gleichen Spaltenleitung angeschlossenen, gesperrten Koppelpunkte auf.

Die in der DE-AS 21 56 166 vorgeschlagene Lösung ist nur in Hybridtechnik zuverlässig realisierbar. Bei monolithischer Integration ist mit erheblichen Fertigungsstreuungen zu rechnen. Insbesondere tritt hier die zusätzliche Bedämpfung beim Koppelbaustein voll in Erscheinung.

Die in der DE-OS 24 34 263 angegebene Lösung ist eine Weiterbildung der aus der DE-OS 2156166 bekannten. Bei durchgeschaltetem Steuertransistor und damit gesperrtem Schalter wird hier der die Bedämpfung bewirkende Widerstand unter Verwendung eines zusätzlich gesteuerten Transistors abgeschaltet. Jedoch haftet dieser Lösung der Nachteil an. daß nun beim eingeschalteten Koppelpunkt eine, wenn auch geringe, zusätzliche Bedämpfung des gleichen Koppelpunktes durch die bekannte Schaltungsanordnung des Koppelpunkts auftritt. Auch ergeben sich bei seiner Realisierung wiederum erhebliche Fertigungstoleranzen.

Die durch die DF.-OS 24 36 255 gegebene Lösung für monolithische Integration weist in ihrer einfachsten Ausbildung entweder den genannten Nachteil der zusätzlichen Bedämpfung auf oder in der Weiterbildung den Nachteil der aufwendigen Steuerung des Schalters, wobei der Nachteil der zusätzlichen Bedämpfung auch hictiit Vollauf befriedigend gelöst wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beseitigen. Insbesondere soll ein dämp^ fungsfreier elektronischer Schalfef der eingangs ge^ nannten Art derart realisiert werden, daß er ohne große

Fertigungstoleranzen monolithisch integrierbar ist und daß bei seiner Anwendung als Koppelpunkt in Koppelanordnungen von Fernmeldevermittlungsstellen im ausgeschalteten Zustand weder an der gleichen Spalte noch an der gleichen Zeile angeschlossene Koppelpunkte in unerwünschter Weise bedampft werden.

Die Erfindung geht aus von einem dämpfungsfreien elektronischen Schalter der eingangs genannten Art, insbesondere wie er aus der DE-OS 24 36 255 bekannt ist.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst. Der Schalter besteht danach aus der Reihenschaltung eines steuerbaren NPN-Transistors und dem leerlaufstabilen Negativwiderstand. Im gesperrten Zustand des Schalters sperrt der steuerbare NPN-Transistor und bewirkt die erforderliche Sperrdämpfung. Im leitenden Zustand des steuerbaren NPN-Transistors ist der Schalter eingeschaltet und der leerlaufstabile Negativwiderstand bewirkt eine Kompensation eines wesentlichen Teils der eine Einfügungsdämpfung verursachenden Übertragerverluste. Durch die Schaltung einer Diode in der EmitterzufOhrung des ersten NPN-Transistors im leerlaufstabilen Negativwiderstand und durch die Verwendung tines rein ohmschen Spannungsteilers für seine Basisvorspannung lassen sich im Gegensatz zur bekannten Lösung relativ große Signale praktisch verzerrungsfrei schalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße Schalter läßt sich problemlos und flächensparend integrieren und als Koppelpunkt in Koppelanordnungen in Femmeldevermittlungsstellen verwenden. Wird in Reihe mit dem Negativwiderstand ein abgleichbarer Widerstand geschaltet, so kann der Wert des Widerstandes des leerlaufstabilen Negativwiderstandes dem jeweiligen Bedürfnis angepaßt werden.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 Schaltbild des dämpfungsfreien elektronischen Schalters gemäß der Erfindun g.

F i g. 2 Kennlinie des Negat ivwiderstandes,

F i g. 3 Schaltbild einer einstufigen Koppelanordnung mit den erfindungsgemäßen Schaltern.

In Fig. 1 ist der dämpfungsfreie elektronische Schalter f*emäß der Erfindung dargestellt. Die zu übertragenden Signale (Nutzsignale und/oder Steuersignale) werden über einen Übertrager 1 zum einen Anschluß A 1 des Schalters und vom anderen Anschluß A 2 über einen zweiter Übertrager 2 weitergegeben. Der Schalter wird mittels des steuerbaren Transistors Ts 5 ein· oder ausgeschaltet. Störende Übertragerverluste durch die Wicklungswiderstände der Übertrager 1 und/oder 2 werden durch die Schaltungsanordnung 4, die einen leerlauf?'.abilen Negativwiderstand darstellt, in gewünschtem Maße kompensiert.

Zur Betriebsspannungsversorgung des Schalters ist das nicht an den Schalter angeschlossene Ende der Sekundärwicklung W22 des Übertragers 2 über einen Widerstand R₀ mi! dem positiven Pol einer Spannungsquelle Uo verbunden. Wechselspannungen werden durch einen Kondensator direkt an Masse abgeleitet. Der negative Pol der Spannungsquelle U₀ liegt an dem nicht an den Schalter angeschlossenen Ende der Sekundärwicklung w₂\ des Übertragers 1. Im Aüsführüngsbeispiel wird diese Verbindung durch die Masselei' tung hergestellt.

Der Widerstand R₀ bewirkt in Verbindung mit der Spannungsquelle U₀ bei eingeschaltetem Schalter einen gewünschten, konstanten Strom (Stromeinspeisung).

Der leerlaufstabile Negativwiderstand 4 enthält die aus der DE-OS 24 36 255 bekannte Kombination eines ersten NPN-Transistors Ts 1 und eines PNP-Transistors Ts2, dessen Basis mit dem Kollektor des NPN-Transistors TsI direkt und dessen Emitter und Basis über einen ersten Widerstand Rc 1 verbunden sind. Die Basis des NPN-Transistors TsI ist mit dem Emitter des PNP-Transistors Ts2 über einen zweiten Widerstand R 3 verbunden. Der Verbindungspunkt des ersten Widerstandes Rc 1 mit dem zweiten Widerstand R 3 bilden den einen Anschluß A 2 des Schalters.

Erfindungsgemäß ist nun an den Kollektor des PNP-Transistors Ts2 die Basis eines zweiten NPN-Transistors Ts3 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors Ts 3 ist mit dem Emitter des PNP-Transistors Ts 2 und damit auch mit einem Ende der Widerstände Rc 1 und R 3 und mit dem einen Anschluß A 2 des Schalters verbunden.

Der Emitter des zweiten NPN-T .nsistors Ts 3 ist an dem Verbindungspunkt zweier dntu 7 und vierter Widerstände R2 und Rc2 geschaltet. Der Widerstand R 2 ist mit seinem freien Ende an der Basis des NPN-Transistors TsI und damit auch an einem Ende des V iderstandes R 3 angeschlossen. Der vierte Widerstand Rc 2 ist mit seinem freien Ende zum einen über eine Diode, die im Ausführungsbeispiel ein als Diode geschalteter Transistor Ts4 ist, mit dem Emitter des ersten NPN-Transistors TsI verbunden. Der Verbindungspunkt des vierten Widerstandes Rc2 mit der Diode bildet den einen Anschluß und der Anschluß A 2 des Schalters den anderen Anschluß des leerlaufstabilen Negativwiderstandes. Der eine Anschluß des Negativwiderstandes ist ferner an die Emitter-Kollektor-Strecke eines dritten steuerbaren NPN-Transistors. dem bereits erwähnten Transistor Ts 5, angeschlossen, an dessen Basis die Steuerleitung einer Steuerung 57

«to liegt und dessen Emitter den anderen Anschluß A 1 des Schalters bildet.

im Ausführungsbeispiel ist ein strichliert dargestellter Widerstand R1 in Reihe mit dem leerlaufstabilen Negativwiderstand geschaltet. Für die Wirkung dieses Widerstandes ist es gleichgültig, ob er vor oder hinter dem leerlaufstabilen Negativwidersiand oder in die Emitterleitung des steuerbaren Transistors Ts 5 eingeschaltet wird. In vorteilhafter Weise ist jedoch der Widerstand R 1 vor oder hin'er dem leerlaufstabilen Negativwiderstand angeordnet, da er an dieser Stelle keinen Einfluß auf die erforderliche Steuerspannung für den Transistor Ts¹J hat. Der Widerstand R\ hat die Aufgabe, den leerlaufstabilen Negativwiderstand auf den gewünschten Wer: zu korngieren. Er kann daher

55 ?bgl. ic.ibar ausgebildet sein. Für stets den gleichen Anwendungszweck des Schalters wird der leerlaufttabi-Ie Negativwiderstand durch die Dimensionierung seiner Bauelemente /weckmäßigerweise so ausgelegt, daß der Widerstand R 1 entfallen kann.

Die Polung ter Diode in d?:r Emitterzuleitung des Transistors Ts 1 ist so zu wählen, daß bei leitender Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors die Diode in Flußrichtung betrieben ist.

Der leerlaufstabile Negativwiderstand einschließlich des steuerbaren Transistors TiS läßt sich leicht monolithisch integrieren, wobei zweckmäßigerweise der Transistor Ts2 lateral realisiert Wird, wie es beispielsweise aus der DE-OS 25 55 047 bekannt ist. Bei

monolithischer integration ist es vorteilhaft, die Diode, wie in Fig. 1 gezeigt, als NPN-Transistor Ts4 mit kurzgeschlossenen Basis-Kollöktor-Anschlüssen auszubilden.

Der leerlaufstabile Negativwiderstand 4 ohne den > Widerstand R 1 besitzt eine Strom-Spannungskennlinie, wie sie Fig.2 zeigt. In Fig.2 ist als Abszisse der Betriebsstrom / und als Ordinate die Spannung U am Negativwidefstärid aufgetragen. Wie ersichtlich, steigt mit steigendem Betriebsstrom die Spannung am in Negativwiderstand an und erreicht beim Strom Ip ein Maximum mil dem Spannungswert Up. Bei weiterem Anstieg des Betriebsstromes sinkt die Spannung am Negativwidersland ab und erreicht beim Betriebsstrom Iq einen Minimalwert Uq. Bei weiterem Anstieg des r> Betriebsstromes nimmt die Spannung am Negativwiderstand wieder zu. Es gibt somit drei Slrombereiche. nämlich den Bereich I zwischen 0 und //·. den Bereich Il zwischen /pund Io und den Bereich III für Ströme, die größer als Iq sind Der negative Widerstandsbereich liegt im Bereich II. Der Negativwiderstand wird auf einen Gleichstrom-Arbeitspunkt im Bereich II eingestellt und in diesem Arbeitspunkt mit Wechselspannung ausgesteuert. Die Kennlinie zeigt, daß es sich um einen stromgesteuerten, also leerlaufstabilen Negativwider- 2> stand handelt. Durch geeignete Wahl der äußeren Widerstände ist der negative Widerstand in weiten Grenzen einstellbar. Durch die Zusammenschaltung des leerlaufstabilen Negativwiderstandes 4 mit dem dritten steuerbaren NPN-Transistor Ts5 und gegebenenfalls jo mit dem Widerstand und R 1 entsteht der dämpfungsfreie Schalter gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt auch vereinfacht die Verwendung des dämpfungsfreien Schalters als Koppelpunkt einer Fernmeldevermittlungsstelle. Die zu übertragenden Signale eines ersten Teilnehmers werden über den Übertrager 1 eingespeist und vom Übertrager 2 zum zweiten Teilnehmer gekoppelt. Da der erfindungsgemäße dämpfungsfreie Schalter im eingeschalteten Zustand in beiden Richtungen mit gleichen Übertragungseigenschäften durchlässig ist, können die Signale auch in der umgekehrten Richtung vom Teilnehmer 2 zum Teilnehmer 1 übertragen werden.

Wird der steuerbare Transistor Ts 5 von der Steuerung St leitend gesteuert, was zur Erhöhung der Querdämpfung des dämpfungsfreien Schalters in an sich bekannter Weise möglichst hochohmig erfolgen soll, dann stellen sich die Transistoren Ts 1 bis Ts 3 auf einen durch den Widerstand A₀ und die Versorgungsspannung U_n bestimmten Strom ein. Die Schaltungsanordnung 4 arbeitet infolge des durch den Widerstand R_n eingeprägten Stromes in einem Gebiet negativen Widerstandes, dem der Durchschaltwiderstand des Transistors Ts 5, die Wicklungswiderstände der Wicklungen wn und W22 der Übertrager 1 bzw. 2, sowie gegebenenfalls der Widerstand R 1 entgegenwirkt

Wird der Transistor Ts 5 durch die Steuerschaltung St gesperrt, dann ist der Schalter geöffnet und seine Speirdämpfung ist allein durch die Sperrdämpfung des Transistors Ts 5 bestimmt Um eine möglichst hohe bo Sperrdämpfung zu erzielen, ist der Transistor Ts 5 in an sich bekannter Weise niederohmig zu sperren.

Aus Stabilitätsgründen kann die Entdämpfung durch den Negativwiderstand 4 nur so groß gewählt werden, daß der Wicklungswiderstand der Übertragerwicklun-«" gen W21 und W22, der Widerstand R1 und der Durchschaltwiderstand des Transistors Ts 5 kompensiert werden. Wählt man

Rl + R_w2l + R_n22- R4=*0

wobei R 4 der Betrag des Negativwiderstandes ist, so verbleibt der Durehsiihaltwiderstand des Transistors 7s5 als zweckmäßige Stäbililätssichcrung.

Fig.3 zeigt ein Beispiel für die vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Schalters als Koppelpunkt in einem Koppclbaustein einer einstufigen Koppelanordnung. Ein derartiger Koppelbaustein enthält beispielsweise 5 · 2 als Koppelpunkte eingesetzte monolithisch integrierte Schalter 911 bis 952, die jeweils aus der Zusammenschaltung des leerlaufstabilen Negativwiderstandes 4 und des steuerbaren Transistors Ts 5

bestehen. Die Teilnehmer TIn 1(1 = 1 5) sind jeweils

über Übertrager mit den Anschlüssen A 1 der erfindungsgemäßen Schalter verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen an einem Teilnehmerübertrager jeweils 2 in der gleichen Zeile angeordnete als Koppelpunkte verwendete Schaller. Die Anschlüsse A 2 der Schalter sind, wie F i g. 3 zeigt, an zwei Spaltenleitungen 5p 1 und 5p 2 angeschlossen. Die Verbindung zweier Teilnehmer erfolgt in an sich bekannter Weise über zwei Schalter und eine Spaltenleitung.

In vorteilhafter Weise wird der negative Widerstand eines Schalters 9ik (i = 1. 2. 3. 4, 5: k = I, 2) jeweils so bemessen, daß er den Sekundär-Wicklungswiderstand lediglich eines Teilnehmerübertragers kompensiert. Da bei einer durchgeschalteten Verbindung zwei Schalter und zwei Übertrager beteiligt sind, verringert sich dadurch die Einfügungsdämpfung zwischen zwei Teilnehmerleitungen in der Koppelanordnung bis auf den verbleibenden, jedoch geringen Durchlaßwiderstand der in den Schaltern verwendeten steuerbaren Transistoren 7s 5 und auf die ohmschen Widerstände der Primär-Wicklungen der Übertrager.

Bei vorgegebener Grunddämpfung für die Übertrager kann beim Einsatz des erfindungsgemäßen dämpfungsfreien Schalters das Übertragervolumen auf etwa die Hälfte verkleinert werden. Dadurch werden die Kosten und der Raumbedarf der Koppelanordnung wesentlich verringert.

Zur Arbeitspunkteinstellung der dämpfungsfreien Schalter sind an die beiden Spaltenleitungen Sp 1 und 5p 2 Stromquellen /1 und /2 geschaltet. Die nicht an den Anschlüssen A 1 der Schalter liegenden Wicklungsenden der Teilnehmerübertrager liegen im Ausführungsbeispiel auf Bezugspotential. Die Stromeinspeisung kann selbstverständlich auch in anderer Weise ausgeführt werden. Es kommt lediglich darauf an, daß ein Gleichstrom vorgegebener Größe bei eingesch-ltetem Koppelpunkt in der in F i g. 3 angegebenen Richtung durch den Schalter fließt

Bei einem als Halbleiter-Koppelpunkt verwendeten Schalter werden beispiels%veise für eine monolithische Integration folgende Widerstandswerte für den Negativwiderstand als zweckmäßig erkannt:

Ein mit diesen Widerstandswerten monolithisch integrierter Halbleiter-Koppel punkt zeigt folgende Eigenschaften:

Bei gesperrtem Transistor Ts 5 ist die Sperrdämpfung > 120 dB (bezogen auf 600 Ω bei einer Frequenz / = 4kHz). Bei eingeschaltetem Transistor Ts 5 und einem diesen aussteuernden Basisstrom h = 1 mA wurde bei einem durch den Schalter eingeprägten

Gleichstrom von 5 niA ein negativer Durchlaßwiden stand von 12 Ω ermittelt, dem eine negative Durchlaßdänipfungi also eine Verstärkung von 0,09 dB entspricht. Die Klirrdämpfung des Schalters für die einzelnen Harmonischen liegt über 5OdB (bei einer Wechselstromaussleuerung von <2dBm und einer Meßfrequenz /■< 10 kHz).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Dämpfungsfreier elektronischer Schalter, insbesondere zur Verwendung als Halbleiterkoppelpunkt in Raumvielfachkoppelanordnungen der Fernsprechvermitt!ungstechnik,deraus in Längsrichtung der zu schaltenden Leitung angeordnete Halbleiter als Durchschaltelemente besteht, weiche als leerlaufstabiler Negativwiderstand (4) geschaltet sind, so daß sie im eingeschalteten Zustand die Signale in beiden Übertragungsrichtungen durchlassen und entdämpfen, wobei der leerlaufstabile Negativwiderstand aus der Kombination eines ersten NPN-Transistors (TsI) und eines PNP-Transistors (Ts 2) besteht, dessen Basis mit dem Kollektor des _u NPN-Transistors (Ts\) direkt und dessen Emitter und Basis über einen ersten Widerstand (Rc \) verbunden sind und die Basis des NPN-Transistors (TiI) mit dem Emitter des PNP-Transistors (Ts2) über einen zweiten Widerstand (R 3) und der Verbindunjjspunkt des ersten Widerstandes (Rd) mit dem zwe-ten Widerstand (R 3) der eine Anschluß des Schalters ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kollektor des PNP-Transistors (Ti 2) die Basis eines zweiten NPN-Transistors (Ts3) angeschlossen ist. dessen Kollektor mit dem Emitter des PNP-Transistors (Ts 2) verbunden ist,
daß der Emitter des zweiten NPN-Transistors (Ts3) an den Verbindungspunkt zweier dritter und vierter Widerstände (R 2, Rc 2) geschaltet ist, deren dritter Widerstand (R2) mit der Basis des ersten NPN-Transistors (TsI) und deren vierter Widerstand (Rc2) zum einen über eine ^iode mit dem Emitter des ersten NPN-Transistors (Ts 1) verbunden ist und zum anderen an der Emii':r-Kollektor-Strecke eines dritten steuerbaren NPN-Transistors (Ts 5) angeschlossen ist, an dessen Basis die Steuerleitung einer Steuerung (St) liegt und dessen Emitter den anderen Anschluß des Schalters bildet und
daß die Diode so gepolt ist. daß sie bei leitender Emitter-Kollektor-Strecke des ersten NPN-Transistors (Ts 1) in Flußrichtung betrieben ist.

2. Schalter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein fünfter abgleichbarer Widerstand (Ri) in Reihe mit dem Negativwiderstand (4) geschaltet ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er monolithisch integriert ist und dabei der PNP-Transistor (Ts 2) lateral realisiert ist.

4. Schalter nach Anspruch 1 bis 3. dadu h gekennzeichnet, daß die Diode als NPN-Transistor (Ts4) mit kurzgeschlossener Basis-Kollektor-Strekke realisiert ist.

5. Schalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Koppelpunkt in einer Koppelanordnung einer Fernmeldevermittlungsstelle.