DE2747282C3

DE2747282C3 - Stufenweise schaltbarer elektrischer Dämpfer

Info

Publication number: DE2747282C3
Application number: DE2747282A
Authority: DE
Inventors: Desmond Lewis Portland Oreg. Murphy (V.St.A.)
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1976-10-29
Filing date: 1977-10-21
Publication date: 1979-11-08
Also published as: GB1568105A; DE2747282A1; FR2369741A1; NL171762B; JPS5754016B2; NL171762C; NL7711022A; CA1100201A; JPS5360139A; FR2369741B1; DE2747282B2; JPS6028449B2; JPS56168419A; US4121183A

Description

Die Erfindung betrifft einen stufenweise schaltbaren elektrischen Dämpfer, mit einer zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß angeordneten Serienschaltung von durch einen Verstärker voneinander isolierten Dämpfungsabschnitten, die mittels Halbleiterschalter schaltbare Dämpfungselemcnte aufweisen.

Aus der DD-PS 1 22 305 ist bereits ein stufenweise schaltbarer elektrischer Dämpfer mit einer zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß angeordneten Serienschaltung von durch einen Verstärker (2) voneinander isolierten Dämpfungsabschnitten (z. B. 2° χ Aa und 2' χ Aa), die mittels Halbleiterschalter (3) schaltbare Dämpfungselemente (1) aufweisen, bekannt

Nachteilig bei der bekannten Schaltung ist die Tatsache, daß der mit dem Eingangsarischluß verbundene Dämpfungsabschnitt eine sehr niedrige Impedanz aufweist, tatsächlich ist es die niedrigste Impedanz von allen in Serie angeschlossenen Impedanzabschnitten, so daß, um die Signalquelle nicht zu stark zu belasten, zwischen Eingangsanschluß und erstem Dämpfungsabschnitt auf jeden Fall ein weiterer Pufferverstärker vorgesehen werden muß. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Dämpfungselemente der einzelnen Dämpfungsabschnitte nicht wahlweise parallel oder in Serie geschaltet werden können, vielmehr ist nur der Kurzschluß von jeweils einem signalmäßig hochliegenden Dämpfungselement möglich, so daß nicht nur die Wahl der Dämpfungsverhältnisse, sondern auch die Bandbreite des übertragbaren Frequenzbandes wegen des Störeinflusses der Schaltvorrichtung eingeschränkt ist

Nachteilig ist weiterhin, daß zwar in der Druckschrift die Möglichkeit angesprochen wird, die dargestellten konventionellen Schalter durch Halbleiterschalter zu ersetzen, jedoch übersieht die Druckschrift, daß durch den endlichen Innenwiderstand dieser Halbleiterschalter die gewünschten Dämpfungsverhältnisse bei Ersatz der mechanischen Schalter durch Halbleiterschalter nicht mehr vorhanden sind. Es ist auch nicht erkennbar, wie der Einfluß des endlichen Widerstandes von Halbleiterschaltern in einfacher Weise bei der dargestellten Schaltung kompensiert werden kann.

Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, den bekannten Dämpfer dahingehend zu verbessern, daß nicht nur der am Eingang liegende Pufferverstärker entfallen kann, sondern daß auch die Dämpferelemente und die Halbleiterschalter so angeordnet sind, daß der Eigenwiderstand der Halbleiterschalter in einfacher Weise in das Dämpfungsnetzwerk derart eingezogen werden kann, daß sich genaue Dämpfungsverhältnisse auch dann ergeben, wenn der Eigenwiderstand der Halbleiterschalter bezüglich der ι brigen Dämpfungselemente nicht vernachlässigbar ist, wobei diese Verhältnisse in einem möglichst großen

Frequenzbereich Gültigkeit haben sollen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs, nämlich dadurch, daß zwei Dämpfungsabschnitte vorgesehen werden, von denen der erste eine hohe Impedanz und der zweite eine niedrige Impedanz aufweist und bei denen die Dämpfungselemente wahlweise in Serie oder im Nebenschluß durch die Halbleiterschalter geschaltet werden können, um die gewünschten Dämpfungswerte zu schaffen, wobei die Halbleiterschalter, die durch Feldeffekttransistoren gebildet werden, einen Teil der Serien- bzw. Nebenschlußimpedanz ausmachen.

Diese Berücksichtigung der Eigenimpedanz der Feldeffekttransistoren ist nur dadurch möglich, daß nicht nur ein Schalter für jede Dämpferstufe vorgesehen wird, sondern jeweils mehrere Schalter, nämlich zumindest drei (Hochimpedanzabschnitt) bzw. vier (Niedrigimpedanzabschnitt).

(!m den Frequenzbereich des Dämpfers noch mehr zu erweitern, kann gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung im Hochimpedanzabschnitt ein weiterer Feldeffekttransistor in Verbindung mit einem Kondensator vorgesehen werden, iun so den Einfluß von Streukapazitäten weiter zu verringern, siehe Anspruch 7.

Für bestimmte Anwendungen sind die Andorderungen an die Dämpfungsgenauigkeit so hoch, daß sogar eine Temperaturkompensation des Einflusses der Halbleiterschalter notwendig ist, was durch die Anordnung eines weiteren Feldeffekttransistors bei der erfindungsgemäßen Schaltung gelingt, siehe Anspruch 6.

Der erfindungsgemäße Dämpfer ist programmierbar, kann hinsichtlich seines Hochimpedanz- und Niedrigimpedanzabschnitts auf einer einzigen Platte montiert werden, vermeidet unzuverlässige mechanische Kontakteinrichtungen und bewirkt dadurch höhere Zuverlässigkeit und erhöhte Lebensdauer, gleichzeitig aber auch eine einfachere, kompaktere und billigere Konstruktion, die bei Verwendung von zusätzlichen Feldeffekttransistoren zudem noch die Kompensation von parasitären Kapazitäten ermöglicht und dadurch einen außerordentlich breiten Frequenzgang aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der einzigen, ein schematisches Diagramm der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung zeigenden Figur näher erläutert wird, welche einen programmierbaren Hochimpedanzdärnpfer zeigt, der Feldeffekttransistorschahungen sowohl in dem Abschnitt hoher Impedanz als auch in dem Abschnitt niedriger Impedanz verwendet Im Abschnitt hoher Impedanz werden zur Dämpfung der elektrischen Signale passive Hybriddämpferelemente verwendet, und zwar sowohl in Serienschaltung als auch in Reihenschaltung. Im Abschnitt niedriger Impedanz findet sich ein von Feldeffekttransistoren geschaltetes Widerstandsnetzwerk.

Der dargestellte Dämpfer liefert Dämpfungswerte in einer 1-2-5-Slufenfolge zwischen einem Eingangsanschluß 1 und einem Ausgangsanschluß 3, so daß Eingangssignale auf verschiedene Ausgangssignale herabgeteilt und einem nachfolgenden Verarbeitungsschaltkreis zugeführt werden können. Der Abschnitt hoher Impedanz macht die Belastung der mit dem Eingangsanschluß t verbundenen Signalquelle möglichst klein, während der Abschnitt niedriger Impedanz über den Ausgangsanschluß 3 mit der erwähnten nachfolgenden Verarbeitungsschaltiing verbunden ist, beispielsweise mit dem Vertikalverstärkerkanal eines Oszillographen. Der Dämpfer besteht aus auf einer Schaltplatte montierten Bauteilen, so daß sich eine kompakte, leichtgewichtige Einheit ergibt Die Eingangsimpedanz liegt typischerweise bei 1 oder bei 10 Megohm, während die Ausgangsimpedanz in der Größenordnung von wenigen 100 Ohm liegt
Im gesamten Dämpfer werden Feldeffekttransistoren

ίο (FET) zur Schaltung der Teilungsverhältnisse verwendet Der Abschnitt hoher Impedanz umfaßt die FET-Schalter 5, 7 und 9 und der Abschnitt niedriger Impedanz die FET-Schalter 11, 13, 15 und 17. Ein zusätzlicher FET-Schalter 19 kann in dem Abschnitt hoher Impedanz vorgesehen sein, um die Einflüsse von parasitären Kapazität zu vermindern, wie noch erläutert wird. Die verwendeten Feldeffekttransistoren besitzen einen Kanalwiderstand in der Größenordnung von wenigen Ohm, welcher Wert bei der Wahl der

Dämpferbauteilwerte berücksichtigt wird.

Mit den FET-Schaltern 5 bis 19 ist Ober Steuerungsleitungen 23,25,27 und 29 und über Widerstände 31 bis 38 eine Steuerungseinrichtung 21 verbunden, um schaltende Steuerspannungen an die Gates der FETs zu legen.

Eine derartige Steuerung 21 kann jede Einrichtung sein, die in der Lage ist, die gewünschten Steuerungen der Dämpferschaltung zu ermöglichen, beispielsweise ein Mikroprozessor o. dgl. Alternativ kann auch ein nockenbetätigter Schalter verwendet werden, wie er beispielsweise in der US-Patentschrift 35 62 464 dargestellt ist um auf den Leitungen 23 bis 29 Steuerspannungen zu erzeugen.

Bei der dargestellten Ausführungsform liefert der Abschnitt hoher Impedanz Dämpfungsverhältnisse von 1:10 und 10 :1, und es ist zu erkennen, daß zur Auswahl des Dämpfungsverhältnisses die Spannung an den Steuerleitungen 23 und 25 komplementär ist so daß dann, wenn FET 5 eingeschaltet wird, die FETs 7 und 9 abgeschaltet werden, und umgekehrt Wenn FET 5 aktiviert ist, liefert er eine direkte Verkopplung des Eingangssignals mit einem Pufferverstärker 40. Das Dämpfungsverhältnis von 10:1 wird von einer Hybriddämpfereinrichtung 43 geliefert die in den Schaltkreisweg durch Aktivierung der FETs 7 und 9 eingeschaltet wird. Die Hybriddämpfereinrichtung ist von einer Bauart wie sie von der US-PS 37 53 170 gelehrt wird, und umfaßt passive Widerstands- und Kapazitätselemente, um so eine geeignete Teilung des Eingangssignals zu erreichen. Derartige Hybriddämpfer können so konstruiert werden, daß sie jeden gewünschten

Dämpfungswert liefern, so daß sie nicht auf das bei

diesem Schaltkreis angewendete Verhältnis von 10:1 begrenzt sind.

Wenn der FET 7 abgeschaltet ist kann die über

diesem Transistor liegende eingegebene Kapazität zu leichten Abweichungen bezüglich der an der Quelle des FET 5 liegenden Signalen führen. Dieser Effekt kann durch einen zusätzlichen FET-Schalter 19 verringert werden, der eine Kapazität 45 in den Schaltkreis einschaltet, wenn FET 5 eingeschaltet und FET 7 abgeschaltet ist. Der Eingangsabschnitt hoher Impedanz kann auch Eingangsschalteinrichtungen 47 umfassen, die typischerweise aus passiven Bauteilen bestehen und eine genaue Einstellung der Eingangsimpedanz auf einen vorbestimmten Wert ermöglichen und eine Auswahl der Eingangsverkopplung liefern. Diese Eingangsnetzwerke sind von herkömmlicher Bauart und dem Durchschnittsfachmann bekannt. Ein derartiger

Eingangsschaltkreis 47 kann weiterhin zusätzliche Dämpfungselemente oder Vorkonditionierungsschaltkreise enthalten, um die Halbleitereinrichtungen des erfindungsgemäßen Dämpfers vor Beschädigungen zu bewahren. Wenn beispielsweise Hochspannungsamplituden erwartet werden, können Reedschalter o. dgl. am Eingang der ersten Dämpferstufe verwendet werden.

Der Abschnitt hoher Impedanz und der Abschnitt niedriger Impedanz sind durch einen dazwischen angeordneten Pufferverstärker 40 voneinander isoliert. Der Pufferverstärker 40 kann einen herkömmlichen FET-Quellenfolger oder einen bipolaren Transistoremitterfolger umfassen.

Der Abschnitt niedriger Impedanz weist ein geschaltetes Widersiandsspannungsteilernetzwerk auf, das die Widerstände 50, 52 und 54 umfaßt, die in Verbindung mit den Kanalwiderständen der FET benutzt werden. Wenn die FETs 11 und 17 aktiviert werden, werden die FETs 13 und 15 abgeschaltet, wobei dieser Serienwiderstandsweg den Kanalwiderstand von FET 11 und den Widerstand 50 umfaßt, während der Nebenschluß zur Masse hin die parallele Kombination der Widerstände 52 und 54 und die Kanal widerstände der FETs 17 und 56 umfaßt Wenn andererseits die FETs 13 und 15 aktiviert sind, sind die FETs 11 und 17 abgeschaltet, so daß der Serienwiderstandsweg von dem Kanalwiderstand des FET 15 und dem Widerstand 52 gebildet wird, während der Nebenschlußwiderstandsweg von der Parallelkom bination der Widerstände 50 und 54 und der FETs 1; und 56 gebildet wird. Der FET 56 liefert eine thermisch« Kompensation für die FETs 13 und 17. Wenn mal annimmt, daß der Kanalwiderstand der FET-Einrich tung extrem niedrig ist, können den Widerständen 50,5i und 54 Widerstandswerte von etwa 200 Ohm, 500 Ohrr bzw. 333 Ohm zugewiesen werden, um Dämpfungsver hältnisse von 2 :1 bzw. 5 :1 zu erhalten. Wenn daher die FETs 11 und 17 aktiviert werden, wird das Signal von Pufferverstärker 40 in einem Verhältnis von 2: 1 herabgeteilt. Wenn die FETs 13 und 15 aktivier werden, wird das Signal mit einem Verhältnis von 5 :1 herabgeteilt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen daß die wiedergegebene Ausführungsform Dämpfungs Verhältnisse von 2 :1, 5 :1, 20 :1 und 50 :1 liefert. Un Dämpfungsverhältnisse von 1 :1 und 10:1 zu erhalten werden die Signale, die durch die Faktoren 2 bzw. 2( geteilt werden, mit einem Faktor von 2 verstärkt. Die: wird durch einen verstärkungsgeschalteten Verstärke: 60 erreicht, der ein herkömmlicher Operationsverstär ker o. dgl. sein kann. Verstärkungsfaktoren von 1 und ί können durch Einschaltung geeigneter Widerstand« unter der Steuerung von Signalen auf Leitungen 62 unc 64 von der Steuerung 21 ausgewählt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stufenweise schaltbarer elektrischer Dämpfer, mit einer zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausganganschluß angeordneten Serienschaltung von durch einen Verstärker voneinander isolierten Dämpfungsabschnitten, die mittels Halbleiterschalter schaltbare Dämpfungselemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung aus einem mit einem Eingangsan-Schluß (1; 47) verbundenen Abschnitt hoher impedanz (5—9, 43) und einem mit dem Ausgangsanschluß (3; 60) verbundenen Abschnitt niedriger Impedanz (11 — 17, 50, 52, 54) besteht und daß die Dämpfungsabschnitte jeweils mehrere Feldeffekt- '5 transistoren (5, 7, 9; 11, 13, 15, 17) aufweisen, um die Dämpfungselemente (z. B. 43, 50, 52, 54) wahlweise in Serie und im Nebenschluß zu schalten, um Netzwerke mit vorbestimmten Dämpfungswerten zu schaffen, in denen die Feldeffekttransistoren einen Teil der Serien- und Nebenschlußimpedanz ausmachen.

2. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochimpedanzdämpfungsabschnitt eine Hybriddämpfungseinrichtung (43) um- ^2S faßt, die einen vorbestimmten Dämpfungswert aufweist und zwischen einem Paar von Feldeffekttransistoren (7, 9) in Serie angeordnet ist, sowie einen Nebenschlußfeldeffekttransistor (5), der parallel zu der Serienkombination aus Hybriddämpfungs- ^Μ einrichtung (43) und dem Paar von Feldeffekttransistoren (7, 9) liegt, wobei die Feldeffekttransistoren (5,7,9) so angeordnet sind, daß sie selektiv ein- und ausgeschaltet werden können.

3. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der niedrige Impedanzdämpfungsabschnitt einen ersten Widerstand (50) und einen zweiten Widerstand (52) umfaßt, von denen jeweils ein Ende mit dem Ausgangsanschluß (3) verbunden ist, während ihre entgegengesetzten Enden selektiv über die Schalteinrichtung (11 — 17) mit dem Ausgang des Verstärkers (40) und mit Masse verbindbar sind, so daß ein Spannungsteiler gebildet wird, bei dem einer der Widerstände (50 bzw. 52) bezüglich des Signalweges zwischen dem Verstärker (40) und Ausgangsanschluß (3) in Serie liegt und der andere Widerstand (52 bzw. 50) einen Nebenschluß bildet.

4. Dämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Widerstand (50,52) ^Μ unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, so daß zwei Dämpfungsverhältnisse entstehen.

5. Dämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedrigimpedanzdämpfungsabschnitt noch einen dritten Widerstand (54) aufweist, der zwischen dem Ausgangsanschluß (3) und Masse angeschlossen ist, um vorbestimmte Spannungsteilerverhältnisse zu liefern.

6. Dämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der NieJrigimpedanzdämpfungsabschnitt noch einen Feldeffekttransistor (56) in Serie mit dem dritten Widerstand (54) umfaßt, um für die Schalteinrichtung eine Temperaturkompensation zu liefern.

7. Dämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochimpedanzdämpfungsabschnitt zwischen dem Eingang der Hybriddämpfungseinrichtung (42) und einem Massepotential einen vierten Feldeffekttransistor (19) in Serie mit einer Kapazität (45) aufweist, um eine Steuerkapazitätskompensation zu ermöglichen.

8. Dämpfer nach einem der Ansprüche 1—7, gekennzeichnet durch Programmiereinrichtungen (21) zur Lieferung von Schaltsteuersignalen an die Feldeffekttransistoren gemäß vorbestimmten Dämpfungsverhältnissen.