DE3151080C2 - Koppelfeldeinrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einer Koppelfeldeinrichtung mit Feldeffekttransistoren als Koppelelemente soll die Nebensprechdämpfung im Falle hoher Frequenzen verbessert werden. Hierfür ist in jedem Koppelfeld ein zweiter MOS-Feldeffekttransistor so geschaltet, daß die Source-Gatestreukapazitäten im gesperrten Zustand des Koppelelements als Blindwiderstände wirksam bleiben und mit einer Drain-Source-Teilkapazität einen kapazitiven Spannungsteiler bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Koppelfeldeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Koppelfeldeinrichtung ist in der DE-PS 19 22 382 beschrieben. Dort ist die durchschaltbare Ubertragungsstrecke von der Drain-Source-Strecke eines einzigen Feldeffekttransistors gebildet. Die bei diesem zwangsläufig vorhandenen Teilkapazitäten zwischen den Elektroden werden durch so eine zusätzliche Kapazität unwirksam geschaltet, so daß auch bei hohen Frequenzen eine gute Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang des Koppelelements erreicht wird. Um das kapazitive Nebensprechen zwischen durchgeschalteten Verbindungen möglichst kleinzuhalten, sind Verstärker in den Eingangsleitungen vorgesehen, die an ihrem Ausgang einen möglichst niedrigen Innenwiderstand haben.

Das Nebensprechen ist von der Teilkapazität der Drain-Source-Strecke abhängig, die den Widerstand des abgeschalteten Koppelelements bestimmt, obwohl diese Teilkapazität sehr klein ist. Durch besondere Abschirmmaßnahmen kann sie bis zu einem Wert von etwa 0,03 pF gesenkt werden. Trotzdem ergibt sich bei hohen Frequenzen, beispielsweise 20 MHz eine Nebensprechdämpfung, die so niedrig ist, daß sich das Koppelelement bei breitbandigen Trägerfrequenzsystemen nicht einsetzen läßt.

Aus der DE-OS 2654 269 ist eine Schaltungsanordnung mit drei Feldeffekttransistoren bekannt, wobei die Drain-Source-Strecken zweier Transistoren in Reihe geschaltet sind und der dritte Transistor als Quertransistor nach Masse schaltet. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch den dritten Feldeffekttransistor aufwendig und derzeit wegen der räumlichen Ausdehnung für hohe Frequenzen und ausreichender Nebensprechdämpfung nicht realisierbar.

Eine ähnliche Schaltung ist in F i g. 2 der DE-AS 12 83891 dargestellt. In Fig. 1 dieser Auslegeschrift verbindet ein (niederohmiger) Widerstand die Source- und die Gateanschlüsse zweier Feldeffekttransistoren. Der Einfluß der Teilkapazitäten soll damit im durchgeschalteten Zustand herabgesetzt werden, um eine höhere Umschaltgeschwindigkeit sowie eine höhere Übeitragungsfrequenz zu erzielen. Dies bewirkt allerdings eine beträchtliche Dämpfung des Signals im durchgeschalteten Koppelelement.

Aus der DE-OS 28 42 523 ist ein elektronischer, in IG-FET-Technik hergestellter Schalter bekannt, der unter anderem auch als Koppelpunkt oder SpeisestromschaUer in Fernsprech-Vermittlungssystemen einsetzbar ist. Das Besondere an diesem aus zwei komplementären IG-FETs bestehenden Schalter ist, daß damit das Kennlinienverhalten eines Thyristors oder einer Vierschichtdiode nachgebildet wird. Hier wird durch eine aus der Signalspannung abgeleitete Steuerspannung über einen sich selbst ausbildenden Kennlinienabschnitt mit negativem differentiellen Widerstand vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand und umgekehrt durchgeschaltet. Die Widerstände in dieser bekannten Schaltungsanordnung dienen zur Einstellung des Schaltverhaltens der Transistoren, also des Übergangs vom Ein- in den Aus-Zustand und umgekehrt. Auch diese Schaltungsanordnung läßt sich als Koppelelement bei breitbandigen Trägerfrequenzsystemen wegen zu niedriger Nebensprechdämpfung nicht einzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß die Nebensprechdämpfung bei hohen Frequenzen deutlich verbessert ist.

Gelöst wird obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Überraschend an der erfindungsgemäßen Schaltung ist, daß mit nur zwei MOS-Feldeffekttransistoren sich eine wesentliche Verbesserung der Nebensprechdämpfung im Bereich hoher Frequenzen ergibt, Dies wird durch Ausnutzung von Teilkapazitäten zwischen den Elektroden erreicht, welche beim Stand der Technik unterdrückt werden.

Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Koppelfeld,

Fig. 2 ein Koppelelement des Koppelfelds,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des durchgeschalteten Koppelelements nach Figur 2,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der Serienschaltung eines gesperrten und eines durchgeschalteten Koppelelements nach Figur 2,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild für den Fall nur eines Feldeffekttransistors als Koppelelement und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Koppelelements.

Im unsymmetrischen Koppelfeld nach F i g. 1 sind

zur Verbindung der vier Schienen 1 bis 4 vier erdt: asymmetrische Koppelelemente 5 bis 8 vorgesehen. An einem Eingang E1 der Schiene 1 liegt eine Spannungsquelle Ql. An einem Eingang E 2 der Schiene 2 liegt eine Spannungsquelle Q 2. Beide Spannungsquellen Q 1 und Q 2 haben einen Innenwiderstand Ri von etwa 0 Ω. Am Ausgang A 1 der Schiene 3 liegt ein Verstärker V1. Am Ausgang A 2 der Schiene 4 liegt ein Verstärker V 2. Der Eingangswiderstand Re iier Verstärker Vl und V 2 ist wesentlieh größer als der Durchschaltwiderstand Rd der Koppelelemente S bis 8.

Jedes Koppelelement 5 bis 8 weist zwei MOS-FeIdeffekttransistoren F1 und F 2 auf (Fig. 2). Der Drain-Anschluß D des Feidefekttransistors Fl liegt bei den Koppelelementen 5 und 6 an der Schiene 1 und bei den Koppelelementen 7 und 8 an der Schiene 2. Der Drainanschluß D des Feldeffekttransistors F 2 ist bei den Koppelelementen S und 7 mit der Schiene 4 und bei den Koppelelementen 6 und 8 mit der Schiene 3 verbunden. Die Source-Anschlüsse S der Feldeffekttransistoren Fl und F 2 sind miteinander verbunden, so daß die Drain-Source-Strecken der beiden Feldeffekttransistoren F 1 und F 2 zwischen den Schienen in Reihe liegen. Die Gate-An-Schlüsse G der Feldeffekttransistoren Fl und F 2 sind mit einem Steuereingang St und über eine Kapazität (d.h. wechselstrommäßig) mit dem Bezugspotential verbunden. Die Bulk-Anschiüsse B der Feldeffekttransistoren Fl und F 2 liegen an deren Gate-Anschlüssen G. Die die Koppelelemente 5 bis 8 jeweils am Eingang St ein- und auschaltende Schaltung ist nicht näher dargestellt.

Zur Beschreibung der Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist angenommen, daß die Koppelelemente 6 und 7 durchgeschaltet und die Koppelelemente 5 bis 8 gesperrt sind. Es ist damit der Eingang E1 mit dem Ausgang A 1 und der Eingang E 2 mit dem Ausgang A 2 verbunden. Damit ist ein Weg I und ein Weg II geschaltet.

Es tritt dabei Nebensprechen insbesondere über das Koppelelement 8 vom Weg II auf den Weg I auf. Strichliert ist in F i g. 1 dieser Nebensprechweg II/I angedeutet.

F i g. 4 zeigt das Ersatzschaltbild des Nebensprechwegs II/I mit den bei höheren Signalfrequenzen wirksamen Teilkapazitäten der Feldeffekttransistoren Fl und F 2. An den Drainanschlüssen D sind Teilkapazitäten C₁, und an den Source-Anschlüssen sind Teilkapazitäten C_x wirksam. Zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen treten Teilkapazitäten C₁. Diese Teilkapazitäten sind in F i g. 4 lediglich bei den Feldeffekttransistoren F1 und F 2 des gesperrten Koppelelements 8 dargestellt, das durch die Teilkapazitäten und die hochohmigen Sperrwiderstände R_ms insgesamt den komplexen Sperrwiderstand bildet. Beim durchgeschalteten Koppelelement 6 sind die entsprechenden Teilkapazitäten in Fig. 4 nicht dargestellt, da sie sich praktisch nicht auswirken. Es sind lediglich die niederohmigen Durchschaltwiderstände R,,_m {Rd = 2R_ri„) der beiden Feldeffekttransistoren Fl und F 2 gezeigt. Fi g. 3 zeigt die Teilkapazitäten eines durchgeschalteten Koppelelements.

Für die Nebensprechdämpfung «_Y gilt am Spannungsteiler, wie er in F i g. 5 mit komplexen Widerständen Z_n ,„ und Z_ri„ dargestellt ist:

in dB.

Wie Fig. 4 zu entnehmen, ergeben sich bei der Ersatzschaltung zwei Spannungsteiler, nämlich zwischen den Spannungen U₁ und U₃' einerseits und den Spannungen U₂' und U_t andererseits. Dementsprechend addieren sich die logariihmischen Dämpfungswerte dieser beiden Spannungsteiler, so daß sich für die Nebensprechdämpfung a_N4 im Faller der F i g. 4 ergibt:

:201g

2 es 1

C₁

+ 20Ig

in dB,

wobei es sich bei letztgenannter Beziehung um eine Formulierung für hohe Frequenzen, beispielsweise 20 MHz, handelt, in der zu vernachlässigende Schaltelementefunktionen eliminiert sind.

Ein MOS-Feldeffekttransistor Typ BSV 81 weist nach Datenblatt bei 1 MHz folgende Werte auf:

C_SG < 0,5 pF
C_DG<UpF
C_CB < 5 pF

R_ein= 40 Ω S_-1=IOOMn

In einer praktisch aufgebauten Schaltung ergeben sich unter Verwendung von MOS-Feldeffekttransistoren des genannten Typs bei 20 MHz Kapazitätswerte:

C₁* 0,03 pF.
C_s*3pF,

welche — durch den Schaltungsaufbau bedingt — größer als die Kapazität C_SG ist.

Aus diesen Kapazitätswerten ergibt sich unter Berücksichtigung obiger Formel bei 20 MHz eine Nebensprechdämpfung «γ.» ^von etwa 112 dB.

Vergleicht man diesen Wert mit der Nebensprechdämpfung, die dann aufträte, wenn das Koppelelement nur einen MOS-Feldeffekttransistor aufwiese, dann ergibt sich, daß dann nur mit einer Nebensprechdämpfung fly/ von etwa 76 dB zu rechnen ware. Dies ist darauf zurückzuführen, daß im letztgenannten Fall die Teilkapazität Cp praktisch ohne Einfluß auf die Nebensprechdämpfung bleibt. Die Nebensprechdämpfung a_xi würde in diesem Fall, in dem das Koppelelement nur einen Feldeffekttransistor aufweist, sich ergeben aus:

■ 20 Ig -

in dB.

wobei offensichtlich der erste Summenteil von a_X4, in den die Teilkapazitäten C₁ und 2 C_s eingehen, nicht auftritt.

Damit ist mit nur zwei MOS-Feldeffekttransistoren je Koppelelement ein Koppelfeld geschaffen, daß sich zur Durchschaltung von breitbandigen Signalen mit hoher Nebensprechdämpfung eignet. Selbst bei Frequezen von 36 MHz und darüber wird durch die erfindungsgemäße Schaltung noch eine wesentliche Verbesserung der Nebensprechdämpfung gegenüber nur einem Feldeffekttransistor je Koppelelement erreicht.

Folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse zusammengefaßt

I FET 2 FET Verbesserung

«ν bei 20 MHz 76 dB 112 dB 36 dB

a_s bei 36MHz

73 dB

109 dB 36 dB

In Weiterbildung der Erfindung kann es — zur Verbesserung des Sperrverhaltens bei niedrigeren Frequenzen — zweckmäßig sein, parallel zu der Parallelschaltung der Teilkapazitäten C_s einen zusätzlichen Kondensator C 2, oder eine Kondensator-Widerstandskombination C2, Rl vorzusehen. Allerdings ergibt sich hierbei eine Beeinflussung des Frequenzganges des durchgeschalteten Koppelelements (vgl. Fig. 3), die beachtet werden muß.

In obigem Ausführungsbeispiel sind die Source-Anschlüsse S zusammengeschaltet. In anderer Ausführung der Erfindung können statt dessen die Drain-Anschlüsse aneinander liegen, wobei dann die für die Verbesserung der Nebensprechdämpfung entscheidenden Kapazitäten die Kapazitäten C₇, sind.

Es ist auch möglich, den Drain-Anschluß D des einen Feldefekttransistors mit dem Source-Anschluß des anderen Feldeffekttransistors zu verbinden. Für die Verbesserung der Nebensprechdämpfung ist dann die Kapazität C_n des einen Feldeffekttransistors sowie die Kapazität C_s des anderen wirksam. Die Polung der Feldeffekttransistoren F1 und F2 kann also den Bedürfnissen des jeweiligen Einsatzfalles entsprechend gewählt werden. Es ist jedoch zu beachten, daß sich die gewählte Schaltung der Teilkapazitäten C_s bzw. C₁₁ auf den Frequenzgang im Einschaltzustand auswirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Koppelfeldeinrichtung mit Feldeffekttransistoren als Koppelelemente, wobei die Gate- und die Bulkanschlüsse der Feldeffekttransistoren wechselstrommäßig an Bezugspotential liegen und die Drain-Source-Strecken die durchschaltbaren Signalstrecken sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Koppelelement (5 bis 8) außer einem ersten Feldeffekttransistor (Fl) einen zweiten Feldeffekttransistor (Fl) aufweist, daß beide Feldeffekttransistoren MOS-Feldeffekttransistoren (Fl, Fl) sind, daß die Drain-Source-Strecke des zweiten Feldeffekttransistors (Fl), dessen Gate- und Bulkanschlüsse wechselstrommäßig an Bezugspotential (±) liegen, in Reihe zur Drain-Source-Strecke des ersten Feldeffekttransistors (Fl) gefaltet ist, so daß die Drain- und/oder Source-Gate-Teilkapazitäten (C_D bzw. C_s) parallel liegen, und daß diese Teilkapazitäten im gesperrten Zustand des Koppelelements (5 bis 8) zwischen dem Source- bzw. Drain-Verbindungspunkt der beiden Feldeffekttransistoren (Fl, Fl) und dem Bezugspotential (1) als Blindwiderstand wirksam gehalten sind und mit einer Drain-Source-Teilkapazität (C₁) des zweiten Feldeffekttransistors (Fl). einen kapazitiven Spannungsteiler bilden.

2. Koppelfeldeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Feldeffekttransistoren (Fl, Fl) an ihren Source-Anschlüssen (S) miteinander verbunden sind.

3. Koppelfeldeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Feldeffekttransistoren und Bezugspotential (X) ein Kondensator (Cl) geschaltet ist.

4. Koppelfeldeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (Cl) ein Widerstand (Kl) in Reihe geschaltet ist.

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