DE3145771C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft negative Widerstandsschaltungen, insbes. spannungsgesteuerte negative Widerstandsschaltungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine spannungsgesteuerte negative Widerstandsschaltung ist hierbei als elektrische Schaltung definiert, die die Eigen­ schaft hat, daß eine Erhöhung der an sie angelegten Spannung eine Verringerung des Stromes bewirkt, der die Schaltung in Richtung der angelegten Spannung durchfließt, oder aber eine Erhöhung des Stromes, der die Schaltung in der Richtung entgegengesetzt zu der der angelegten Spannung durchfließt. Daneben gibt es stromgesteuerte negative Widerstandsschaltun­ gen, die die Eigenschaft haben, daß eine Erhöhung des die Schaltung durchfließenden Stromes eine Verringerung des Spannungsabfalls an der Schaltung in Richtung des Stromdurch­ flusses ergibt.

Aus der Literaturstelle "Schaltungen und Bausteine der Elektronik" von Horst Pelka, Franzis-Verlag, Seite 42 sind Stromspiegelschaltungen an sich bekannt. Es ist hieraus ferner bekannt, daß der Strom entweder an der Plus-Speise­ spannung oder an der Minus-Massespannung gespiegelt werden kann, wobei im ersteren Fall PNP- und im zweiten Fall NPN-Transistoren verwendet werden. Durch unterschiedliche Strukturen der Transistoren läßt sich sowohl eine Vergröße­ rung als auch eine Verkleinerung des gespiegelten Stromes erreichen.

Des weiteren ist aus der Literaturstelle "IBM Technical Disclosure Bulletin", Februar 1978, Nr. 9, Band 20, Seiten 3511 und 3512 bekannt, daß eine Stromspiegelschaltung eine Konstantstromquelle darstellen kann und daß die Anordnung mindestens zwei Stromkreise aufweisen kann, deren erster einen ersten Transistor enthält, dessen Kollektor sowohl mit einer Speisequelle, die auf einem ersten Potentialpegel über einen Kollektor-Lastwiderstand gehalten wird, als auch mit der Basis des Transistors verbunden ist, und bei dem der Emitter an eine auf einem zweiten Potentialpegel gehaltene Stelle angeschlossen ist. Der oder jeder zweite Stromkreis weist einen zweiten Transistor auf, dessen Kollektor mit einer Speisequelle über eine Last und dessen Emitter mit der auf dem zweiten Pegel gehaltenen Stelle verbunden ist. Die Basis des ersten und des zweiten Transistors sind miteinander verbunden. Im Betrieb wird die Größe des im ersten Stromkreis fließenden Stromes durch den Kollektor-Lastwiderstand bestimmt. Die Größe des in jedem zweiten Stromkreis fließen­ den Stromes wird durch den im zweiten Stromkreis fließenden Strom gesteuert. Im Betrieb ist das Verhältnis der Flächen­ inhalte der Kontaktflächen der Transistoremitter in den ersten und zweiten Stromkreisen. Eine derartige Schaltanord­ nung ergibt einen stromgesteuerten negativen Widerstand, nicht aber einen spannungsgesteuerten negativen Widerstand.

Schließlich ist aus der Literaturstelle "Proceeding of the IEEE", Januar 1978, Nr. 1, Band 66, Seiten 88 und 89 bekannt, eine vorstehender Anordnung ähnliche Schaltanordnung bei negativen Impedanzumwandlern unter Bedingungen zu verwenden, bei denen die Betriebseigenschaften der Transistoren in den Umwandlerschaltungen exakt angepaßt sind, um die gewünschten Resultate, nämlich gleichgroße und konstante Ströme, über die verschiedenen Stromkreispfade zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine spannungsgesteuerte negative Widerstandsschaltung zu schaffen, die so aufgebaut ist, daß Transistoren nur eines Typs (PNP- oder NPN-Transisto­ ren) verwendet werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das Prinzip der Erfindung besteht darin, zwei getrennte Strompfade zwischen den Signaleingangsanschlüssen vorzusehen. Der Strom im ersten Strompfad wird direkt durch die zwischen die Eingangsanschlüsse angelegte Spannung gesteuert, während der Strom im zweiten Strompfad mit Hilfe mindestens einer Stromspiegelschaltung so gesteuert wird, daß Stromänderungen im ersten Strompfad entgegengesetzte und größere Änderungen in dem im zweiten Strompfad fließenden Strom bewirken. Wird somit eine Spannung an die Eingangsanschlüsse gelegt, wird ein nutzbarer Stromfluß zwischen den Anschlüssen in entgegen­ gesetzter Richtung zur angelegten Spannung erzeugt, was einen negativen Widerstandswert ergibt. Es ist eine bestimmte Form von Inversion erforderlich, um sicherzustellen, daß die Stromveränderungen im zweiten Strompfad in entgegengesetzter Richtung zu den Stromänderungen im ersten Strompfad verlau­ fen.

Bei einer Ausführungsform wird die Inversion dadurch er­ reicht, daß zwei Transistoren so geschaltet sind, daß sie sich in einen konstanten Strom teilen. Jede Erhöhung des durch einen der Transistoren fließenden Stromes ergibt somit eine Abnahme des Stromes, der durch den anderen Transistor fließt. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Inversion mit Hilfe eines Transformators erreicht, der so geschaltet ist, daß jede Änderung des durch den Transistor fließenden Stromes eine Änderung in entgegengesetzter Richtung in dem durch den zweiten Strompfad fließenden Stromes ergibt.

Die negative Widerstandsschaltung vereinfacht u. a. die Herstellung von T-Verbindungen in Nachrichtensystemen mit Koaxialkabeln entscheidend dadurch, daß die Einschaltung einer derartigen negativen Widerstandes keine Fehlanpassung an den Verbindungsstellen ergibt, was zu einer Dämpfung der über die Verbindungsstellen übertragenen Signale führen würde. Die negative Widerstandsschaltung, die parallel an eine T-Verbindung angeschaltet wird, ergibt somit eine angepaßte Übertragung ohne Dämpfung der zu übertragenden Signale.

Des weiteren bewirkt die spannungsgesteuerte negative Widerstandsschaltung nach der Erfindung, daß eine elektrische Stabilität aufrecht erhalten wird, indem die Stromspiegelan­ ordnung spannungsgesteuert wird und die Ströme innerhalb der Schaltkreise variieren. Durch Einführen der Differenz in den Basisflächeninhalten ist es möglich, jeden gewünschten Verstärkungsgrad in der Schaltung dadurch zu erzielen, daß die Basisflächeninhalte der Transistoren, die in die Strom­ spiegelschaltung einbezogen sind, verändert werden.

Mit der Erfindung ist es möglich, eine spannungsgesteuerte negative Widerstandsschaltung mit Transistoren nur eines Typs, z. B. von NPN-Transistoren, aufzubauen. Im Gegensatz hierzu sind z. B. bei der Schaltanordnung nach der Literatur­ stelle "Proceeding of the IEEE", Januar 1978, sowohl NPN- als auch PNP-Transistoren erforderlich. Dies stellt einen entscheidenden technischen Fortschritt dar, wenn die Schal­ tungsanordnung aus integrierten Schaltungen aufgebaut werden soll. Des weiteren hat eine Schaltanordnung mit einer negativen Widerstandsschaltung, die als Abschluß einer T-Verbindung verwendet wird, den Vorteil, daß alle drei Zweige der T-Verbindung auf einfache Weise angepaßt werden können.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich­ nung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform einer spannungsgesteuerten negativen Widerstandsschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform der Widerstands­ schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Widerstandsschaltung nach der Erfindung, und

Fig. 4 eine negative Widerstandsschaltung zur Anpassung einer T-Verbindung in einem Koaxialkabel.

Das negative Widerstandselement nach Fig. 1 weist vier NPN-Transistoren T 5-T 8 auf. Die Transistoren T 5 und T 6 haben beide gleiche Basisflächen, während die Basisfläche des Transistors T 8 den zwölffachen Wert der Fläche T 7 hat. Ein erster Anschluß 15 ist über Widerstände R 2, R 3 an den Kollektor von T 5 über die Widerstände R 4, R 5 an die Kollekto­ ren von T 6 und T 7, und ferner direkt an den Kollektor von T 8 gelegt. Ein zweiter Anschluß 16 ist mit den Emittern aller vier Transistoren verbunden.

Die Werte für die Widerstände R 2-R 5 bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel sind wie folgt:

• R 2 750 Ohm
  R 3 1,25 kOhm
  R 4 750 Ohm
  R 5 500 Ohm

Die Transistoren T 5 und T 6 bilden einen Stromspiegel, so daß der durch T 6 fließende Strom gleich dem Strom durch T 5 ist. In ähnlicher Weise bilden die Transistoren T 7 und T 8 einen Stromspiegel, bei dem der Strom durch T 8 das zwölffache des Stromes durch T 7 beträgt.

Die Transistoren T 6 und T 7 teilen sich den durch die Wider­ stände R 4 und R 5 fließenden Strom. Deshalb ergibt eine Erhöhung des Stromes durch T 6 eine entsprechende Verringerung des Stromes durch T 7, und umgekehrt.

Es sei angenommen, daß im Betrieb der Anschluß 15 an eine entsprechende Speisequelle (nicht dargestellt) gelegt ist, die den Anschluß auf einem mittleren Spannungswert von +5,7 V gegenüber dem Anschluß 16 hält, und daß der Schaltung Eingangssignale in Form von hochfrequenten Änderungen in bezug auf die mittlere Spannung aufgegeben werden.

Wenn kein Eingangssignal vorhanden ist, fließt ein stetiger Strom von 2 mA durch R 2, R 3 und T 5, der Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Verbindung von T 5 beträgt 0,7 V. Es fließt deshalb durch T 6 ein gleichhoher Strom von 1 mA. Bei diesem eingabefreien Zustand fließt ein stetiger Strom von 4 mA durch die Widerstände R 4 und R 5. Da dieser Strom sich auf T 6 und T 7 aufteilt, muß der Strom durch T 7 ebenfalls 2 mA sein. Somit hat der Strom durch T 8 den Wert 12 × 2 mA = 24 mA.

Der Widerstand R 3 ist durch einen Kondensator C 1, der Widerstand R 5 und die Transistoren T 6, T 7 sind durch einen Kondensator C 2 geshunted. Diese beiden Kondensatoren haben einen ausreichend hohen kapazitiven Wert, daß sie für die hochfrequenten Eingangssignale eine vernachlässigbare Impedanz darstellen. Soweit es die Eingangssignale betrifft, sind deshalb sowohl R 3 als auch R 5 effektiv kurzgeschlossen, und Eingangssignale haben keinen wahrnehmbaren Einfluß auf die Höhe des Stromes durch die Kombination von T 6 und T 7.

Wenn somit ein Eingangssignal an die Schaltung gelegt wird, durch das die Spannung am Anschluß 15 um V Volt ansteigt, nimmt der durch T 5 fließende Strom um V/R Ampere zu, wobei R der Wert des Widerstandes R 2 ist. Dies gibt eine gleichgroße Zunahme des Stromes durch T 6, und damit nimmt der Strom durch T 7 um den gleichen Wert ab. Somit nimmt der durch T 8 fließen­ de Strom um 12 V/R Ampere ab.

T 8 wirkt somit als negativer Widerstand mit einem Wert von -R/12 Ohm, d. h. -62,5 Ohm im speziellen Ausführungsbeispiel. Die gesamte Schaltung ist deshalb äquivalent der Parallel­ kombination von zwei Widerständen R 2 und R 4 von je 750 Ohm und einem Widerstand T 8 von -62,5 Ohm. Diese Kombination hat einen Gesamtwiderstandswert von -75 Ohm.

Die vorbeschriebene Anordnung hat einen Stromverbrauch von 30 mA bei einer mittleren Spannung von 5,7 V, und arbeitet linear für Spannungsschwankungen bis zu +1,5 V gegenüber dem mittleren Wert.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung ist eine abgeänderte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 1; entsprechende Bestandteile sind durch die gleichen Bezugszeichen in beiden Figuren gekennzeichnet. Der Hauptunterschied in Fig. 2 besteht darin, daß ein Spartransformator 17 eingeschaltet ist, dessen eines Ende mit dem Kollektor von T 8 verbunden ist. Das entgegengesezte Ende des Spartransformators ist über den Kondensator C 3 an den Anschluß 16 gelegt, während die Mittenanzapfung mit dem Anschluß 15 verbunden ist. In dieser Schaltung sind R 3 und C 1 weggelassen, und die übrigen Widerstände R 2, R 4 und R 5 haben folgende Werte:

• R 2 = 1,5 kOhm
  R 4 = 500 Ohm
  R 5 = 437,5 Ohm

Bei dieser Schaltung nimmt, wie im Falle der Fig. 1 beim Anlegen eines Eingangssignales an die Schaltung, das eine Erhöhung der Spannung um V Volt zwischen den Anschlüssen 15 und 16 ergibt, der Strom durch T 8 um 12 V/R Ampere ab. Dies hat zur Folge, daß der Strom, der vom Anschluß 15 durch den Transformator 17 fließt, um 24 V/R Ampere abnimmt. Somit ergibt sich, daß die Kombination des Spartransformators 17 und des Transistors T 8 als negativer Widerstandswert -R/24 Ohm wirkt (d. h. 62,5 Ohm in dem speziellen Ausführungsbei­ spiel).

Die gesamte Schaltung ist deshalb äquivalent der Parallel­ schaltung dieses Widerstandes von 62,5 Ohm mit einem Wider­ stand R 2 von 1,5 kOhm und einem Widerstand R 4 von 500 Ohm. Diese Kombination hat einen Gesamtwiderstand von -75 Ohm.

Die Schaltung nach Fig. 2 hat somit den gleichen negativen Widerstandswert wie die nach Fig. 1. Der Vorteil der Schal­ tung nach Fig. 2 besteht jedoch darin, daß aufgrund der Einführung des Spartransformators die Schaltung Spannungs­ schwankungen von bis zu +3 Volt im Vergleich zu +1,5 Volt im Falle der Fig. 1 verarbeiten kann.

Das negative Widerstandselement nach Fig. 3 weist zwei NPN-Transistoren T 9 und T 10 sowie einen Spartransformator 18 mit einem Windungsverhältnis von 2 : 1 auf. Ein erster Anschluß 1 ist über Widerstände R 6 und R 7 an den Kollektor von T 9 gelegt und ferner über den Spartransformator 18 mit dem Kollektor von T 10 verbunden. Ein zweiter Anschluß 20 ist mit den Emittern beider Transistoren verbunden sowie über einen Kondensator C 4 an die Anzapfstelle des Spartransforma­ tors gelegt. Der Widerstand R 7 ist bei hohen Frequenzen durch einen Kondensator C 5 effektiv kurzgeschlossen. Die Transisto­ ren T 9 und T 10 bilden einen Stromspiegel, wobei die Fläche von T 10 das achtfache der Fläche von T 9 beträgt.

Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel haben die Wider­ stände folgende Werte:

• R 6 = 1125 Ohm
  R 7 = 541,7 Ohm

Wie im Falle der Fig. 1 und 2 wird davon ausgegangen, daß im Betrieb der Anschluß 19 und auf einem mittleren Spannungswert von 5,7 V gegenüber dem Anschluß 20 gehalten wird, und daß Eingangssignale als hochfrequente Spannungsänderungen gegenüber diesem mittleren Spannungswert aufgegeben werden.

In dem eingabefreien Zustand nimmt der Transistor T 9 einen stetigen Strom von 3 mA auf, und damit führt der Transistor T 10 einen stetigen Strom in Höhe von 24 mA. Wird ein Signal an die Schaltung gelegt, die gewirkt, daß die Spannung am Anschluß 19 um V Volt ansteigt, steigt der Strom durch T 9 um V/R Ampere an, wobei R der Wert des Widerstandes R 6 ist. Der Strom durch T 10 steigt deshalb um 8 Ampere an, und damit fällt der Strom, der von dem Spartransformator 18 aus dem Anschluß 19 entnommen wird, um 16 Ampere. Es ergibt sich somit, daß die Kombination aus dem Spartransformator 18 und dem Transistor T 10 effektiv als negativer Widerstand mit einem Wert von -R/16 Ohm wirkt.

Die gesamte Schaltung ist deshalb äquivalent der Parallelkom­ bination dieses negativen Widerstandes mit dem Widerstand R 6. Diese Kombination hat einen Gesamtwiderstand von -R/15 Ohm (d. h. -75 Ohm bei den speziellen vorstehend angegebenen Werten).

Die Schaltung nach Fig. 3 hat somit den gleichen negativen Widerstandswert wie im Falle der Fig. 1 und 2. Wie im Falle der Fig. 2 ist jedoch die Schaltung nach Fig. 3 in der Lage, Spannungsschwankungen von +3 V zu verarbeiten, und zwar wegen der Wirkung des Spartransformators. Im Falle der Fig. 3 wird die Umkehr der Richtung des Stromflusses, die zur Erzielung des negativen Widerstandes erforderlich ist, dadurch erhal­ ten, daß der Spartransformator 18 so geschaltet ist, daß er eine Inversion ergibt, während in den Fig. 1 und 2 die Umkehr mit Hilfe der Stromteilungsanordnung der Transistoren T 6 und T 7 erhalten wurde.

Dies ergibt eine mögliche Anwendung für ein negatives Widerstandselement nach der Erfindung. Fig. 4 zeigt drei koaxiale Kabel 21, 22 und 23, von denen jedes eine charakte­ ristische Impedanz von 75 Ohm hat. Die Kabel sind an einer Stelle 24 miteinander verbunden, an der eine T-Verbindung gebildet wird. Ein negatives Widerstandelement 25 mit einem Wert von -75 Ohm ist gemäß der Erfindung zwischen den Punkt 24 und Erde geschaltet.

Daraus ergibt sich, daß die Impedanz der Verbindung, gesehen von einem der drei Zweige, gleich der Parallelkombination von zwei Widerständen von 75 Ohm und einem Widerstand von -75 Ohm ist, was einen Gesamtwiderstand von 75 Ohm ergibt. Die Verbindung ist damit vollständig angepaßt.

Claims (4)

1. Spannungsgesteuerte negative Widerstandsschaltung mit einer Transistor-Stromspiegelschaltung und einem zugeord­ neten Lastwiderstand, der zwischen Eingangs- und Aus­ gangsklemmen so eingeschaltet ist, daß ein negativer Widerstand in bezug auf die Eingangsklemme definiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Signal-Eingangsanschlüsse (15, 16) an einen ersten und an einen zweiten, vom ersten getrennten Strompfad (R 2, C 1, T 5, T 8) angeschlossen sind, und
• b) die ersten und zweiten Strompfade miteinander über mindestens eine Stromspiegelschaltung (T 5, T 6; T 7, T 8) so geschaltet sind, daß eine Änderung des den ersten Pfad durchfließenden Stromes eine größere, jedoch entgegengesetzte Änderung im den zweiten Pfad durch­ fließenden Strom bewirkt, wobei eine Änderung in der zwischen die Signaleingangsanschlüsse angelegten Spannung eine auswertbare Änderung des Stromes zwischen den Signaleingangsanschlüssen in entgegenge­ setzter Richtung zur Spannungsänderung ergibt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Stromspiegelschaltung (T 5-T 6) mit zwei Transisto­ ren (T 5, T 6), deren einer (T 5) mit seiner Emitter-Kollek­ tor-Strecke in den ersten Strompfad eingeschaltet ist, eine zweite Stromspiegelschaltung (T 7-T 8) mit zwei Transistoren, deren einer (T 8) in den zweiten Strompfad eingeschaltet ist, und eine Zusammenschaltung der anderen beiden Transistoren (T 6, T 7) in der Weise, daß sie einen etwa konstanten Strom unter sich aufteilen, wobei jede Zunahme des durch einen der Transistoren fließenden Stromes eine Abnahme des durch den anderen Transistor fließenden Stromes ergibt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren (T 5-T 8) die gleiche Transistortype (NPN) sind.

4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß

• a) die negative Widerstandsschaltung (25) Teil einer T-Verzweigung in einer Übertragungsleitung ist, die aus drei Zweigen (21, 22, 23) besteht, welche mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind,
• b) die negative Widerstandsschaltung (25) zwischen dem gemeinsamen Punkt (24) und Erde geschaltet ist,
• c) die negative Widerstandsschaltung denselben negativen Widerstandswert wie jeder der Zweige (21, 22, 23) hat.