DE3018556C2 - Analogschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft e;n:n Ant'jgschalter, insbesondere zum Umschalten eine·» Sifnals durch Öffnen und Schließen eines Vorspannkreises fü' einen zugeordneten Verstärker.

Bisherige Analogschalter dieser Art umfassen einen rückgekoppelten Verstärker mit einem positiven bzw. Plus-Eingang, an den ein umzuschaltendes Signal und eine Vorspannung anlegbar sind. Bei der Anlegung eines Steuersignals in Form eines Rechteckimpulses gelangt der rückgekoppelte Verstärker in seinen Schließ- oder Sperrzustand, um das der Vorspannung überlagerte Signal zu seinem Ausgang zu leiten. Beim Fehlen des Steuersignals befindet sich dieser Verstärker dagegen in seinem Offen- bzw. Durchschaltzustand, um die Erzeugung des Signals an seinem Ausgang zu verhindern. Bisherige Analogschalter der beschriebenen Art sind insofern vorteilhaft als ihre Eingangsimpedanz im Betrieb sehr hoch und ihr Klirrfaktor sehr klein ist doch können sie beim Umschalten ein Schaltgeräusch erzeugen, weil die Arbeitsspannung im Offenzustand erheblich von der Vorspannung abweicht. Ein solcher Übergangston ist speziell bei Einsatz in Audiogeräten für das Ohr störend, weshalb für solche Zwecke der Übergangston verringert werden sollte.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines verbesserten Analogschalters zum Umschalten eines Signals mit kleinem Klirrfaktor und ohne den bisher beim Umschalten entstehenden Übergangston.

Diese Aufgabe wird bei einem Anatogschalter der angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß er einen ersten Verstärker, an dessen Eingang ein einer Vorspannung überlagerbares Eingangssignal anlegbar ist und der auf ein erstes Steuersignal unter Durchführung eines Umschaltvorgangs anspricht, und einen zweiten Verstärker aufweist an dessen Eingang nur die Vorspannung anliegt und der auf ein zweites Steuersignal mit gegenüber dem ersten Steuersignal entgegengesetzter Phase hin eine Umschaltung bewirkt und daß die beiden Verstärker mit ihren Ausgängen zusammengeschaltet sind.

In bevorzugter Ausiührungsform kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß jeder rückgekoppelte Verstärker zwei einen Differentialverstärker bildende

ίο Transistoren, einen dritten Transistor für die Impedanz-Umwandlung eines Ausgangssignals des Differentialverstärkers und einen vierten Transistor aufweist der eine Konstantstromquelle zum Vorspannen des Differentialverstärkers bildet

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform aer Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein teilweise in Blockschaltbildform gehaltenes Schaltbild eines bisherigen Verstärker-Analogschaiters, F i g. 2 eine graphische Darstellung der an verschiedenen Punkten der Anordnung nach F i g. 1 erzeugten Wellenformen,

F i g. 3 ein teilweise in Blockschaltbildform gehaltenes Schaltbild eines Analogschalters gemäß der Erfindung, F i g. 4 eine graphische Darstellung von an verschiedenen Punkten der Anordnung nach F i g. 3 entstehenden Wellenformen und

Fig.5 ein detailliertes Schaltbild der Anordnung nach F i g. 3.

Der in F i g. 1 dargestellte bisherige Verstärker-Analogschalter umfaßt einen rückgekoppelten Verstärker Ao mit einem an eine Eingangsklemme A angeschlossenen positiven bzw. Plus-Eingang und eine Signalquelle \t ti»»· I ιαΓαπιπο ^iTjac /atvfinfollc mit ι/ Wo"7f»ir»hi*t^f»f»\

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Signals über die Eingangsklemme A an den Plus-Eingang des rückgekoppelten Verstärkers Ao. Eine Vorspannung Vr wird über einen Vorspanriwiderstand R-,ο an den Plus-Eingang des Verstärkers Ao angelegt, um diesen Eingang vorzuspannen, während auch ein

<Ό Steuersignal V_c zur Umschaltung der Vorspannung des Verstärkers V₀ an diesen angelegt wird. Der Ausgang des Verstärkers Ao ist mit einer Ausgangsklemme B verbunden.

Gemäß Fi g. 2 liegt das Steuersignal Vc in Form eines Rechteckimpulses vor. Wenn das Steuersignal V_c nicht anliegt, bewirkt der Verstärker Ao keine Verstärkung, so daß eine Abgabe des Signals v_a, d. h. eines Analogsignals (v_a in F i g. 2) von der Signalquelle v_a, zur Ausgangsklemme B verhindert wird. Wenn das Steuersignal Vc anliegt

so verstärkt der Verstärker Ao das Signal Vj mit einer Verstärkung von 1. Das Signal v_ä wird somit der Vorspannung Vr überlagert und durch den Verstärker Au geleitet bis es an der Ausgangsklemme B als Ausgangssignal Vb erscheint (vgl. Wellenform Vb in Fig.2). Der Verstärker Ao bewirkt somit das Umschalten in Abhängigkeit vom Steuersignal Vc.

Bisherige Analogschalter der in F i g. 1 gezeigten Art sind insofern sehr vorteilhaft, als im Betrieb die Eingangsimpedanz sehr hoch ist und der Klirrfaktor sehr klein ist, weil der Verstärker vom Gegenkopplungstyp ist. Bei nicht anliegenden! Steuersignal Vc wird jedoch nicht nur, wie erwähnt die Abgabe des Signals v„ an die Ausgangsklemme B verhindert, vielmehr weicht auch die Ausgangsspannung an der Klemme B beträchtlich von der Vorspannung Vr ab, woraus sich eine große Änderung des Gleichspannungspotentials des Ausgangs ergibt Beim Ein- und Ausschalten des Verstärkers können daher Schaltgeräusche auftreten,

die insbesondere bei akustischen bzw. Audiogeräten für das Ohr störend sind und daher unterdrückt werden sollten.

In Fig.3 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Analogschalters dargestellt der zwei rückgekoppelte Verstärker A \ und A₂ aufweist Der erste rückgekoppelte Verstärker Ai ist auf die vorher in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Weise an die Signalquelle v₂, die Vorspannung V_R und das Steuersignal Vc angeschlossen, während der zweite rückgekoppelte Verstärker A2 einen positiven bzw. Plus-Eingang, an dem die Vorspannung Vr unmittelbar anliegt, und einen mit der Ausgangsklemme B verbundenen Ausgang aufweist Die Ausgänge der beiden Verstärker A ι und A2 sind mithin an der Ausgangski ■ ;e B zusammengeschaltet Weiterhin wird a.i de*, /.weiten Verstärker Ai ein anderes Steuersignal Vc, eoenfalls in Form eines Rechteckimpulses, jedorh mit gegenüber dem Steuersigna! Vcentgegengese'-'er Phase angelegt wie dies aus einem Vergleich ~_Λ r Wcllenformen Vc und Vcgemäß F i g. 4 hervorgeht

Der erste rückgekoppelte Verstärker A\ wird auf dieselbe Weise betrieben wie der erste Verstärker Ao gemäß Fig. 1. Auf ähnliche Weise wird der zweite Verstärker Ai entsprechend dem Anliegen oder Fehlen des Steuersignals Vc in seinen Schließ- bzw. seinen Offenzustand gebracht Wie aus den Wellenformen V_c und Vc gemäß Fig.4 hervorgeht befindet sich der Verstärker A\ im Offenzustand, wenn sich der Verstärker A₂ im Schließzustand befindet, und umgekehrt Daher erscheint im Schließzustand des Verstärkers A₂ nur die Vorspannung Vr an der Ausgangsklemme fir.und im Schließzustand des Verstärkers A] erscheint das der Vorspannung Vr überlagerte Signa! v_d (vgl. F i g. 4} an der Ausgangsklemme B. Folglich ändert sich das Potential an der Ausgangsklemme B gleichstrommäßig nicht, wie dies durch die Wellenform Vb in Fig.4 dargestellt ist Beim Umschalten vom einen Verstärker A) und A2 auf den anderen wird mithin kein Geräusch erzeugt, vielmehr tritt dabei nur ein geringer Potentialunterschied im Ausgangssignal Vg an der Ausgangsklemme B aufgrund eines Spannungsabfalls über den Vorspannwiderstand R\o und der Abweichung zwischen den Verstärkern A\ und Ai auf. Dieser PotentiJunterschied ist jedoch, speziell bei integrierten Schaltkreisen, sehr gering und daher nicht groß genug, um das sog. Schaltgeräusch zu erzeugen.

Die Anordnung nach F i g. 3 besitzt bevorzugt den Schaltungsaufbau gemäß F i g. 5. Dabei besteht der erste rückgekoppelte Verstärker A\ aus einem Differentialverstärker aus zwei npn-Transistoren Q_]o und Q_n, die symmetrisch mit ihren Emittern zusammengeschaitet sind, und einer Last in Form eines pnp-Transistors Qu. dessen Basis und Kollektor mit den Kollektoren der Transistoren Qw bzw. Q_n verbunden sind, sov/ie einer über Basis und Emitte·· des Transistors Qu geschalteten Diode Dio. Der Emitter des Transistors Qu und mithin die Anode der Diode Dta ist mit einer Gleichspannungsquelie V«- verbunden. Der Differentialverstärker (?i₀, <ji2 bildet einen Verstärker mit der aktiven Last Qu. D,o, der am Ausgang bzw. Kollektor des Transistors Qu mit der Basis eines dritten npn-Trar.s:stors Qie verbunden ist, dessen Kollektor an die Gleichspannungsquelle Vcc angeschlossen ist, während sein Emitter mit der Basis des Transistors Q12 und auch mit der Ausgangsklemme b5 B verbunden ist, die anschließend über einen Ausgangswiderstand Ä|2 an Masse Hegt Der Transistor Qte bewirkt eine Impeda^izumsetzung eines Ausgangssignats vom genannten Verstärker unter Lieferung des Ausgangssignals zur Ausgangsklemme B, während dieses Ausgangssignal gleichzeitig an die Basis de"; Transistors Q\2 rückgekoppelt wird.

Die Basis des ersten npn-Transistors £>io ist über die Eingangsklemme A mit der Signalquelle v., und außerdem über den Vorspannwiderstand Rm mit einer Vorspannungsquelle Vr verbunden.

Der Differentialverstärker Q₁O, Qu wird durci ine Konstantstromquelle vorgespannt die einen vierten npn-Transistor Qis, dessen Kollektor mit den zusammengeschalteten Emittern der Transistoren Qw und Qn verbunden ist und dessen Emitter an Masse liegt und eine weitere Diode A2 umfaßt "'eiche über die Basis des Transistors Q_is und Masse geschaltet und so gepolt ist, daß sie einen Strom nach Masse ableitet

Die Schaltungsanordnung des zweiten rückgekoppelten Verstärkers A₂ ist mit derjenigen des ersten Verstärkers A\ identisch. Aus diesem Grund sind die Bauteile des zweiten Verstärkers A₂, welche denen des ersten rückgekoppelten Verstärken, entsprechen, mit denselben Buchstaben, jedoch mit u-v 10 erhöhten angehängten Ziffern bezeichnet Beispielsweise ist der mit Q₂Q bezeichnete npn-Transistor von derselben Art wie der Transistor Qo- Unterschiedlich ist hierbei jedoch 'ediglich, daß die Basis des npn-Transistors Qm nur mit 1er Vorspannungsquelle Vr unmittelbar verbunden ist

Gemäß F i g. 5 wird das Steuersignal V_c- an die Basis eines fünften npn-Transistors Qk mit an Masse liegendem Emitter angelegt, dessen Kollektor über einen Widerstand Ru an einen sechsten npn-Transistor Qy₂ mit an Masse liegendem Emitter angeschlossen ist dessen Kollektor wiederum mit der Basis des vierten npn-Transistors <?■« verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren Qw und Q₁₂ sind außerdem über zugeordnete Widerstände /?i„ und R₁₆ mit der Gleichspannungsquelle Vcc verbunden. Weiterhin ist der Kollektor des fünften npn-Transistors Qm über einen Widerstand Rio mi; der Basis des vierten npn-Transistors Q>g im zweien rückgekoppelten Verstärker A₂ verbunden.

Gemäß F i g. 5 wird die Steuerspannung Tc, wie durch den Pfeil angedeutet, an die Verzweigung zwischen dem Koilektor des Transistors φο und dem Widerstand /?i₆ und mithin an den zweiten rückgekoppelten Vorstärker Ai angelegt

Im Betrieb schaltet die einen hoher. Pegel bzw. die Wellenform Vc gemäß F i g. 4 besitzende Steuerspannung Vf den Transistor Qm durch, so daß der Transistor Q₂₆ im zweiten Verstärker A₂ in den Sperrzustand gebracht wird. Aufgrund des Sperrens des Transistors Qm wird ein durch den zweiten rückgekoppeken Verstärker A₂ fließender Vorspannstrom zu Null, so d.· U d^r Verstärker Aj in seinen Offenzustand versetzt wirj. in welchen keine Verstärkung erfolgt. Dies bedcuu·!. daß keine Steuerspannung V₁ hohen Pegels an d^n zweiten rückgekoppelten Versiärker A₂ angeiegi wird und infolgedessen die Vorspannung Vr nicht an der Ausgangsklemme ßerscheim

Wenn andererseits die Sreuerspannung V, einen niedrigen Fege! besitzt {Fühlen der Wellenform V₁ gemäß Fig.4), befindet sich der Transistor Q_i0 im Sperrzustand, so daß der Transistor Qzb an der normalen Vorspannung gehalten und damit der zweite Verstärker Ai in seinen Schl'eßzustand versetzt wird_ Dieser Zustand ist der Anlegung der Steuerspannung Vcan den zweiten rückgekoppelten Verstärker A₂ äquivalent. Infolgedessen wird die Vorspannung Vr an der

Ausgangsklemme ^geliefert.

Der npn-Transistor Qn arbeitet als Umsetzer, so daß die Steuerspannung Vc invertiert wird. Der erste rückgekoppelte Verstärker Ai arbeitet daher in der gegenüber dem zweiten Verstärker A2 umgekehrten Betriebsart. Dies bedeutet, daß die Steüerspannung Vc mit hohem Pegel den ersten Verstärker At in den Schließzustand versetzt, während eine solche Steuerspannung mit niedrigem Pegel den Verstärker A\ in den Offenzustand bringt. IrTr Schließzustand läßt der erste Verstärker A\ das der Vorspannung V« überlagerte Signal Vjzur Ausgangsklemme B durch.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß mit der Erfindung ein Anaiogschalter geschaffen wird, bei dem kein Schaltgeräusch auftritt und der einen kleinen Klirrfaktor besitzt Bei Anwendung auf integrierte Schaltkreise gewährleistet die Erfindung Analogschalter mit kleiner Abweichung (offset) und guter

Leistung, weil der Abgleich zwischen den jeweiligen Schaltern sowie zwischen den Transistoren Qw und Qt₂ bzw. zwischen den Transistoren Q20 und Q22 gut erhalten bleibt. Ein anderes vorteilhaftes Anwendungsgebiet für die Erfindung liegt bei Geräuschsperr- bzw. Stumm(abslimm)schaliungen, bei denen nur die Signalspannung durch Anlegung der Steuerspannung Vc ausgetastet wird, während die Vorspannung unverändert bleibt. Derartige Schaltungen sind ebenfalls frei von Schaltgeräuschen, während sie eine hohe Leistung besitzen.

Obgleich die Erfindung vorstehend lediglich in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform beschrieben ist, ist sie selbstverständlich verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich. Beispielsweise ist die Erfindung nicht nur auf Analogsignale, sondern gleichermaßen auch auf eine Vielfalt anderer Signalarien anwendbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Analogschalter, dadurch gekenn.eichn e t. daß er einen ersten Verstärker (Ai), an dessen Eingang ein einer Vorspannung überlagerbares Eingangssignal anlegbar ist und der auf ein erstes Steuersignal unter Durchführung eines Umschaltvorgangs anspricht und einen zweiten Verstärker (Aj) aufweist, an dessen Eingang nur die Vorspannung anliegt und der auf ein zweites Steuersignal mit gegenüber dem ersten Steuersignal entgegengesetzter Phase hin eine Umschaltung bewirkt, und daß die beiden Verstärker (Au At) mit ihren Ausgängen zusamrnengeschaltet sind.

2. Analogschalter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß die beiden Verstärker rückgekoppelte Verstärker sind.

3. Analogschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß jeder rückgekoppelte Verstärker zwei einen Differentialverstärker bildend«* Transistoren, einen dritten Transistor für d._ Impedanzumwandlung eines Ausgangssignals des Differentialverstärkers und einen vierten Transistor aufweist der eine Konstantstromquelle zum Vorspannen des Differentialverstärkers bildet

4. Analogschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Steuersignale an die Basis des vierten Transistors anlegbar sind.