DE69026344T2

DE69026344T2 - Schaltgerät mit in Serie verbundenen Schaltabschnitten

Info

Publication number: DE69026344T2
Application number: DE69026344T
Authority: DE
Inventors: Gene Karl Sendelweck
Original assignee: Thomson Consumer Electronics Inc
Current assignee: Technicolor USA Inc
Priority date: 1989-11-28
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2010-11-23
Also published as: CN1052232A; FI100284B; KR0165542B1; EP0430063B1; DE69026344D1; KR910010861A; FI905747A; CN1027118C; US5045733A; JP2724912B2; CA2027979A1; FI905747A0; EP0430063A2; CA2027979C; EP0430063A3; JPH03178216A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Signalschaitgerät, und insbesondere auf ein Gerät, das in Serie verbundene Schaltabschnitte verwendet, um die Dämpfung der geschalteten Hochfrequenz-Signalkomponenten im Aus-Zustand zu verbessern.
Die von einem Schalter erzeugte Dämpfung, wenn der Schalter ausgeschaltet ist ("Aus-Zustands-Dämpfung") ist ein wesentlicher Gesichtspunkt für einen Schaltkreis und insbesondere bei Anwendungen, bei denen das zu schaltende Signal wesentliche Mengen an Hochfrequenzenergie enthält. Wenn beispielsweise ein Schalter zwischen einer Anzahl von Video-Eingangssignalen für ein Fernsehgeräty z.B. Aufzeichnungsgeräte, Empfänger, Monitore, Effektgeneratoren usw. erfolgt, ist es wichtig, daß das Video-Eingangssignal, das nicht ausgewählt wird, unter einen minimalen Pegel gedämpft wird, um eine Störung mit dem ausgewählten Video- Eingangssignal zu vermeiden. Im allgemeinen wäre es daher erwünscht, das nicht ausgewählte Videosignal um wenigstens 60 dB und vorzugsweise um mehr zu dämpfen. Solche Dämpfungspegel können bei Videofreguenzen mit jiblichen integrierten Schaltkreisen beispielsweise aufgrund des Vorhandenseins von parasitären Kapazitäten nicht ohne weiteres erreicht werden. Aus diesem Grunde sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um die Aus-Zustands-Dämpfung von integrierten Schaltkreisen zu verbessern. Eine solche Technik, die in den beiden nachfolgenden Beispielen beschrieben ist, besteht in der Reihenschaltung von Schaltern, so daß ihre Aus-Zustands-Dämpfungen sich addieren.
Ein erstes Beispiel einer Schalter-Reihenschaltung für eine verbesserte Aus-Zustands-Dämpfung ist von Nigborowicz et al. in der US-PS 4,521,810 mit dem Titel VIDEO SOURCE SELECTOR beschrieben, die am 4. Juni 1985 ausgegeben wurde. Bei einer besonderen Ausführungsform dieses Schaltkreises ist ein Emitter- Folger in Reihe mit einem in integrierter Schaltung ausgeführten Schalter vom CMOS-Typ geschaltet, und ein Klemm-Transistor ist mit der Basis des Emitter-Folgetransistors verbunden und wird gesteuert, um den Emitterfolger wirksam zu machen, wenn der CMOS-Schalter geöffnet wird. Durch diese Mittel wird das geschaltete Videosignal sowohl durch die unwirksame Emitter-Folger-Schaltung als auch durch den CMOS-Schalter gedämpft, wenn der Schalter abgeschaltet ist.
Ein zweites Beispiel von in Reihe geschalteten Schaltkreisen wird von Deiss in der US-PS 4,638,181 mit dem Titel SIGNAL SOURCE SELECTOR beschrieben, die am 20. Januar 1987 ausgegeben wurde. Bei einem besonderen in dem Deiss-Patent beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Diodenschalter in Reihe mit einem in integrierter Schaltung ausgeführten CMOS-Schalter verbunden. Die Schaltung enthält eine Vorspannungsschaltung, die Einschaitstrom durch den CMOS-Schalter zu dem Diodenschalter sendet, wenn der CMOS-Schalter geschlossen ist. Eine andere Vorspannungsschaltung führt dem Diodenschalter eine Sperr-Vorspannung zu, wenn der CMOS-Schalter geöffnet ist. Für die maximale Aus-Zustands-Dämpfung empfiehlt Deiss die Verwendung einer Diode des p-i-n-Typs, da solche Dioden eine sehr niedrige Sperrschicht-Kapazität aufweisen und damit die parasitäre Kopplung minimieren, wenn die Diode nicht leitend ist.
Die beiden vorangehenden Beispiele von in Reihe geschalteten Videoschaltern liefern eine ausgezeichnete Dämpfungsfunktion. Keines der Beispiele befaßt sich jedoch speziell mit Problemen des Überspannungsschutzes. Bei bestimmten Anwendungen, z.B. beim Schalten in Videoanlagen kann man erwarten, daß Übergänge auftreten, wenn Videokabel mit Eingangssignalquellen verbunden werden, und wenn die Quellen ein- und ausgeschaltet werden. Obwohl es für Hersteller von analogen Schaltern in Form von integrierten Schaltungen übliche Praxis ist, eine gewisse Art von Eingangsschutz unmittelbar für die integrierte Schaltung vorzusehen, kann der vorgesehene Schutz nicht immer ausreichend sein.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich teilweise mit der Erkennung der Erfordernisse für einen Schaltkreis, nämlich daß er:
(1) eine hohe Aus-Zustands-Dämpfung vorsieht;
(2) Maßnahmen zum Überspannungsschutz für Signalübergänge bei beiden Polaritäten enthält; und
(3) die zusätzlich die Fähigkeit hat, eine vorbestimmte Gleichstromkomponente der Ausgangsspannung zu liefern, wenn der Schalter geschlossen ist.
Bei dem Schaltgerät gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein erster und ein zweiter Schalter zwischen einem Signal-Eingangsanschluß und einem Signal-Ausgangsanschluß in Reihe geschaltet. Der erste Schalter umfaßt ein Dämpfungsglied vom L-Typ mit einem Serienzweig, der eine Impedanz und einen eine Durchbruchsvorrichtung enthaltenden Nebenschlußzweig enthält. Ein Vorspannungs-Netzwerk, das mit dem Dämpfungsglied verbunden ist, steuert die Vorspannung der Durchbruchsvorrichtung für den Betrieb bei einem vorgegebenen Pegel der Stromleitung, wenn der zweite Schalter offen ist, und es steuert die Vorspannung für die Durchbruchsvorrichtung für den Betrieb mit einem vorgegebenen Vorspannungspegel, wenn der zweite Schalter geschlossen ist.
Bei der beanspruchten Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Schalter in der angegebenen Reihenfolge zwischen dem Signal-Eingangs- und dem Signal-Ausgangsanschluß angeordnet.
Die erwähnten Merkmale und weitere Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine Schaltung des die Erfindung verkörpernden Schaltgerätes teilweise in Blockform;
Fig. 2 ein Strom-Spannungsdiagramm, das bestimmte Vorspannungs-Zustände veranschaulicht, die beim Betrieb des Gerätes von Fig. 1 auftreten;
Fig. 3 und 4 Wechselstrom-Ersatzschaltungen, die bestimmte Aspekte der Funktion der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung veranschaulichen;
Fig. 5 eine ausführliche Schaltung, die bestimmte Abwandlungen des Gerätes in Fig. 1 teilweise in Blockform veranschaulicht; und
Fig. 6 ein nicht-beanspruchtes Ausführungsbeispiel eines Schaltgerätes, bei dem u.a. die Schalterpositionen in der Reihenschaltung umgekehrt sind.
Das Schaltgerät von Fig. 1 ist als Reihenschaltung ausgebildet, d.h. es umfaßt zwei Schalter, die zwischen einem Signal- Eingangsanschluß 10 und einem Signal-Ausgangsanschluß 12 in Reihe geschaltet sind. Wie zuvor erläutert wurde, liefern in Reihe geschaltete Schalter eine verbesserte Dämpfung im Aus-Zustand, da die Dämpfungen der Schalter sich addieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt der erste Schalter 14 der Reihenschaltung ein Dämpfungsglied vom "L-Typ", das einen Reihenzweig und einen Nebenschlußzweig hat. Der Reihenzweig besteht aus einem Widerstand 16 und einem in Reihe geschalteten Kondensator 18 zwischen dem Signal-Eingangsanschluß 10 und dem Ausgangs-Knotenpunkt 20 des Dämpfungsgliedes. Der Nebenschluß zweig besteht aus einer Durchbruchs-Halbleitervorrichtung, die hier als ZENER-Diode 22 dargestellt ist, deren Anode mit einem Bezugspotential (Masse) verbunden ist, und deren Kathode mit dem Ausgangs-Knotenpunkt 20 des Dämpfungsgliedes verbunden ist. Der Einschalt-Vorspannungsstrom für die ZENER-Diode 22 wird von einer Stromquelle 24 geliefert, die einen Versorgungs-Spannungs- Eingangsanschluß 26 und einen Widerstand 28 umfaßt, der Zwischen dem Anschluß 26 und dem Ausgangs-Knotenpunkt 20 des Dämpfungsgliedes 14 liegt. Der zweite Schalter 30 der Reihenverbindung liegt zwischen dem Ausgangs-Knotenpunkt 20 des Dämpfungsgliedes und dem Signal-Ausgangsanschluß 12 des Schaltgerätes. Die Abschalt-Vorspannung für die ZENER-Diode 22 wird von einem Lastwiderstand 32 geliefert, der zwischen dem Signal-Ausgangsanschluß 12 und der Bezugspotential-Quelle (Masse) liegt. Ein wahlweiser Eingangs-Abschluß-Lastwiderstand 8 kann zwischen den Eingangsanschluß 10 und Masse geschaltet werden.
Als kurze Übersicht von bestimmten Merkmalen des Schaltgerätes von Fig. 1 hat das Dämpfungsglied 14 eine doppelte Funktion, nämlich (1) die Verbesserung der Gesamt-Aus-Zustands-Dämpfung und (2) das Vorsehen eines Überspannungs- und Überstromschutzes für Eingangssignal-Übergänge beider Polarität. Wie nachfolgend in Einzelheiten erläutert wird, sorgt der Widerstand 16 in dem Reihenzweig des Dämpfungsgliedes 14 für den Überspannungsschutz oder das den Strom begrenzende Merkmal. Der Widerstand begrenzt den Eingangssignal-Strom für beide Polaritäten des Eingangssignal-Übergangs. Der Überspannungsschutz wird durch die ZENER-Diode 22 in dem Nebenschlußzweig erzeugt. Diese Durchbruchsvorrichtung begrenzt die maximale positive Dämpfungs-Ausgangsspannung auf dem ZENER-Durchbruchswert und begrenzt die maximale negative Dämpfungs-Ausgangsspannung auf den Spannungsabfall der in Vorwärtsrichtung betriebenen ZENER-Diode. Es sei bemerkt, daß die ZENER-Diode 22 auch für eine strombegrenzende Funktion dadurch sorgt, daß sie übermäßige Eingangsströme zur Masse ableitet und die Spannung zu nachfolgenden Schaltungen begrenzt, wodurch auch wirksam der Strom zu solchen Schaltungen begrenzt wird.
Kurz gesagt erfolgt die Steuerung des Dämpfungsgliedes 14 durch den Schalter 30 wie folgt. Wenn der Schalter 30 offen ist, fließt der gesamte Strom von der Quelle 24 durch die Diode 22, wodurch die Diode eingeschaltet und das Eingangssignal gedämpft wird. Die auf diese Weise erzeugte genaue Dämpfung wird nachfolgend in Einzelheiten erläutert. Wenn der Schalter 30 geschlossen ist, wird der gesamte Strom von der Quelle 24 durch den Schalter 30 und den Lastwiderstand 32 zur Masse abgeleitet, wodurch die Diode 22 abgeschaltet wird. Hierdurch wird die Dämpfung auf einen minimalen Wert vermindert und ein vorgegebener Einfügungsverlust erzeugt, und es wird ferner eine vorgegebene Ausgangs- Gleichspannung am Anschluß 12 erzeugt, um eine Ruhe-Gleichstrom- Vorspannung für eine nachfolgende Lastschaltung zu errichten (z.B. ein nicht dargestellter Verstärker), die mit dem Ausgangsanschluß 12 verbunden sein kann.
Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist der Schalter 30 der Reihenverbindung als einpoliger Schalter dargestellt, der einen offenen und einen geschlossenen Zustand hat. Dieser Schalter kann ein mechanischer Schalter sein, wobei die Überspannungs-Schutzmerkmale der Erfindung dem Nutzgerät (nicht dargestellt) gleich welcher Art zugute kommen, das an den Signal-Ausgangsanschluß 12 des Schaltgerätes angeschlossen werden kann. Bei einer bevorzugten Anwendung der Prinzipien der Erfindung würde der Schalter 30 ein elektronischer Schalter sein, der mehrere Pole hat, und der in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut ist. Die später beschriebene Fig. 5 gibt ein Beispiel für die Verwendung eines Schalters 30 mit vier Positionen, der in integrierter Schaltungstechnik hergestellt ist. Bei diesem Beispiel vermehren oder verbessern die Vorteile des durch die Erfindung vorgesehenen Überspannungsschutzes den internen Überspannungsschutz, der gewöhnlich vom Hersteller der integrierten Schaltung eingebaut wird ("on-Chip").
Die genaue Arbeitsweise des Schaltgerätes von Fig. 1 wird nachfolgend erläutert. Wenn sich der Schalter 30 im offenen Zustand (wie dargestlellt) befindet, liefert die Stromquelle 14 einen Vorspannungsstrom I1 zur ZENER-Diode 22, die die Diode in einen leitenden Zustand mit niedriger Impedanz versetzt. Der Kondensator 18 hat die Funktion, den Strom I1 in dem Reihenzweig des Dämpfungsgliedes 14 zu blockieren. Dieses Merkmal der Erfindung stellt sicher, daß der gesamte ZENER-Dioden-Einschaltstrom durch die ZENER-Diode 22 fließt und nichts davon zum Signal-Eingangsanschluß abgeleitet wird. Vorteilhafterweise erlaubt dieses Merkmal die genaue Bestlinmung des Arbeits-Vorspannungspunktes für die ZENER-Diode 22 ohne Rücksicht auf die Impedanz der mit dem Eingangsanschluß 10 verbundenen Signalguelle.
Es ist ein Merkmal der Anordnung, daß die von dem Dämpfungsglied 14 erzeugte Dämpfung bei leitender Diode 22 durch Wahl des Vorspannungsstroms I1 gesteuert werden kann und mit großer Genauigkeit durch die Verwendung der Wechselstrom-Ersatzschaltung von Fig. 3 in Verbindung mit der ZENER-Dioden-Kennlinie (Leitfähigkeit) von Fig. 2 bestimmt werden kann.
Genauer gesagt ist nach den Prinzipien der Spannungsteilung die Dämpfung gleich der Impedanz des Nebenschlußzweiges geteilt durch die Summe der Impedanzen von Nebenschluß und Reihenzweig. Aus der Wechselstrom-Ersatzschaltung von Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Wechselstrom-Impedanz des Reihenzweiges einfach der Wert des Reihenwiderstandes 16 ist, und daß die Impedanz des Nebenschlußzweiges gleich der parallelen Kombination aus Vorspannungs-Widerstand 28 und Ein-Widerstand der ZENER-Diode 22 ist (veranschaulicht durch einen Widerstand 40). Man kann somit leicht den erforderlichen Dioden-Widerstand für einen gegebenen gewünschten Dämpfungswert und spezifische Werte der Widerstände 16 und 18 berechnen. Eine genaue Gleichung für den Dioden-Widerstand ist wie folgt:
R40 = K(R16)(R28) / (R28) - K(R16) - K(R28)) (1)
Hierin ist:
R40 der zu bestimmende Dioden-Widerstand,
K der als Bruch ausgedrückte Dämpfungsfaktor Eo/Ei,
R16 der Widerstand des Reihenzweiges, und
R28 der Ausgangs-Widerstand der Stromquelle 14, der in diesem Beispiel durch den Wert des Widerstandes 28 gegeben ist.
In praktischer Ausgestaltung kann die Ausgangs-Impedanz der Stromquelle 14 (Widerstand 28) typischerweise ziemlich groß im Vergleich mit dem erforderlichen Ein-Widerstand der Diode 40 sein. In diesem Fall vereinfacht sich die obige Gleichung (1) für den Dioden-Widerstand wie folgt:
R40 = K(R16)/(1-K) (2).
Nachdem der gewünschte Dioden-Widerstand bestimmt worden ist, kann der Wert des Vorspannungs-Stroms I1 dann aus der ZE- NER-Dioden-Kennlinie von Fig. 2 bestimmt werden. Diese Kennlinie (nicht maßstabsgerecht) stellt die typische Leitfähigkeits-Kennlinie für eine ZENER-Diode mit niedriger Leistung (z.B. ein halbes Watt) dar, die einen Schwellenwert von etwa 6,2 Volt hat. Drei Arbeitspunkte sind dargestellt. Der Punkt A stellt die Dioden-Leitfähigkeit unterhalb der Abschaltung dar. Dieser Arbeitszustand wird später erläutert. Die Punkte B und C stellen die Dioden-Arbeitspunkte dar, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung bei Strömen von etwa 1,0 bzw. 2,5 mA betrieben wird. Die Neigung der Dioden-Kennlinie bei einem gegebenen Arbeitspunkt stellt die Leitfähigkeit der Diode dar. Wie man sieht, führt eine Erhöhung des Diodenstroms 11 zu einer erhöhten Dioden-Leitfähigkeit und somit zu einer Verminderung des Dioden-Widerstandes.
Die Wahl eines bestimmten Arbeitspunktes (B oder C) hängt von zwei Faktoren ab, nämlich der gewünschten Dämpfung und den erwarteten maximalen negativen Auslenkamplituden des Eingangssignals. Genauer gesagt sollte der Dioden-Arbeitspunkt (in Form des Einschaltstroms) hoch genug sein, damit der Dioden-Ein-Widerstand die gewünschte Dämpfung erfüllt (Gleichdung (1) oder (2)) und daß die negativen Spitzen-Auslenkungen des Eingangssignals die Diode nicht abschalten. Aus diesen Gründen wird beim Schalten von verhältnismäßig großen Signalen (z.B. Basisband-Videosignalen) vorgezogen, die Diode an einem Punkt "C" vorzuspannen, der verhältnismäßig weit entfernt vom Knie der Dioden-Kennlinie ist, anstatt am Punkt "B", der sich verhältnismäßig nahe am Knie der Kennlinie befindet. Wenn das zu schaltende Eingangssignal ein kleines Signal ist (Z.B. ein Hochfrequenzsignal von wenigen hundert Milli-Volt) kann der Betrieb erheblich näher am Knie der Kennlinie ohne die Gefahr erfolgen, daß das Eingangssignal die Diode in die Abschaltung treibt.
Eine andere Betrachtung für die Wahl eines bestimmten Di- oden-Arbeitspunktes ist die Gesamtverlustleistung. Es sei bemerkt, daß Leistung im Widerstand 28 und der Diode 22 vernichtet wird, wenn der Schalter 30 offen ist, und daß auch Leistung im Widerstand 28 und im Widerstand 32 vernichtet wird, wenn der Schalter 30 geschlossen ist. Für einen minimalen Leistungsverlust würde man den niedrigsten Arbeitspunkt für die ZENER-Diode 22 wählen, der die beiden Ziele erfüllt, nämlich (1) Erzeugung einer angemessenen Dämpfung und (2) Vorsehen eines Sicherheits- Spielraums, um sicherzustellen, daß der maximale negative Wert des erwarteten Eingangssignals die ZENER-Diode während des normalen Betriebes des Schaltgerätes nicht abschaltet. Eine weitere Betrachtung betrifft die Schaltgeschwindigkeit. Sie ist im allgemeinen schneller, um Strom von der ZENER-Diode und deren zugehörigen parasitäten Kapazitäten abzuleiten, um die Abschaltung zu erreichen, wenn der Strom einen niedrigeren Wert hat. Zusammenfassend hängt der Arbeitspunkt für den Zustand, wenn die ZE- NER-Diode 22 eingeschaltet ist, von einer Anzahl von Faktoren ab, nämlich: der erforderlichen Dämpfung, dem maximalen negativen Wert des zu schaltenden Eingangssignals, der gesamten Verlustleistung und der Schaltgeschwindigkeit. Zum Schalten eines manuellen Basisband-Videosignals mit einer Spannung von 1V P-P (1 Volt von Spitze zu Spitze) wurde ein Arbeitspunkt von etwa 2,7 Milli-Ampère (Punkt C in Fig. 2) als zufriedenstellend für eine typische 400 Milli-Watt 5,6 Volt ZENER-Diode gefunden.
Wenn unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 der Schalter 30 geschlossen ist, leitet der Lastwiderstand 32 den Strom I1 von der ZENER-Diode 22 ab und schaltet dadurch die Diode 22 aus, und ein Eingangssignal S1, das dem Anschluß 10 zugeführt wird, wird zu einem Ausgangsanschluß 12 geleitet. Um sicherzustellen, daß die Diode 22 voll abgeschaltet ist, kann man I1 und den Wert des Lastwiderstandes 32 so wählen, daß das Produkt des Stromes I1 und dem Wert des Lastwiderstandes 32 kleiner ist als die Durchbruchs-Spannung der Diode 22. Dies kann mathematisch ausgedrückt werden als:
(I1)(R32) < Vz (3).
Hierin ist:
I1 der von der Stromquelle 14 gelieferte Strom,
R32 der Wert des Lastwiderstandes 32; und
Vz die Schwellwertspannung der ZENER-Diode 22.
Wenn die Gleichung (3) für den Schalter in Fig. 1 erfüllt ist, wird sichergestellt, daß der gesamte Strom I1 zum Lastwiderstand 32 geleitet wird. Dies geschieht, weil der Kondensator 18 den Gleichstromfluß im Reihenzweig blockiert und die Diode 22 im abgeschalteten Zustand eine im wesentlichen offene Schaltung ist. Demzufolge ist die Gleichstrom-Ruhe-Komponente der am Ausgangsanschluß 12 für diesen Zustand erzeugten Spannung voll unabhängig von der Impedanz des Serienzweiges und auch unabhängig davon, ob eine Gleichstrom-Komponente in dem dem Eingangsanschluß 10 zugeführten Eingangssignal vorhanden ist.
Genauer gesagt werden bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Versorgungsspannung Vs und die Werte der Widerstände 28 und 32 so ausgewählt, daß die ZENER-Diode mit einem Potential von etwa 4 Volt vorgespannt wird, wenn der Schalter 30 geschlossen ist (Punkt A in Fig. 2). Bei dieser Spannung ist die ZENER-Diode 22 vollständig abgeschaltet, jedoch ist die Ausgangsspannung in bezug auf Masse positiv und liefert einen Gleichstrom-Ruhe-Pegel, der für die Vorspannung der Eingangsstufe eines gleichstromgekoppelten Verstärkers geeignet ist, der mit dem Ausgangsanschluß 12 verbunden sein kann. Dies ist in Fig. 5 dargestellt und wird später in Einzelheiten erläutert, und dies führt zu dem Vorteil der Möglichkeit einer vollständigen Beseitigung der Notwendigkeit für Gleichstrom-Vorspannungs- Schaltungen für den nachfolgenden gleichstromgekoppelten Verstärker. In anderen Worten hat die Vorspannungsschaltung für die Diode die doppelte Funktion, daß sie auch eine geeignete Gleichstrom-Vorspannung für einen folgenden Verstärker liefert und dadurch für eine Wirtschaftlichkeit der Teile und eine dadurch verbesserte gesamte Zuverlässigkeit der Schalt- und Verstärkungs schaltung sorgt.
Es wird nun dem Einfügungsverlust des Schaltgerätes von Fig. 1 Beachtung geschenkt. Fig. 4 ist eine Wechselstrom-Ersatzschaltung des Schaltgerätes für den Zustand, bei dem der Schalter 30 geschlossen ist. Um die Analyse der Ersatzschaltung zu vereinfachen, ist angenommen, daß der Ein-Widerstand des Schalters 30 gegenüber dem Wert des Lastwiderstandes 32 vernachlässigbar ist. Bei dieser Annahme ist die Dämpfung des gesamten Schaltkreises gleich dem Widerstand des Nebenschlußzweiges (parallele Widerstände 28 und 32) geteilt durch die Summe der Widerstände des Reihenzweiges (Widerstand 16) und des Nebenschlußzweiges. Dies kann ausgedrückt werden als:
A = (R28)(R32) / [(R16)(R28)+(R16)(R32)+(R28)(R32)] (3)
Hierin ist:
A die Dämpfung Eo/Ei,
R16 der Wert des Widerstandes des Reihenzweiges,
R28 der Wert der Ausgangsimpedanz der Stromquelle 14 (d.h. Widerstend 28) und
R32 der Wert des Lastwiderstandes 32.
Wenn man die Werte für den Lastwiderstand 32 und die Impedanz der Stromquelle 14 groß in bezug auf die Impedanz des Reihenzweiges (Widerstand 16) wählt, kann der Gesamt-Einfügungsverlust des Schaltgerätes ziemlich klein gemacht werden. Als erstes Beispiel wird ein Einfügungsverlust von nur etwa 1,2 dB bei Verwendung der folgenden Widerstandswerte erreicht:
R16 = 270 Ohm,
R28 = 5600 Ohm,
R32 = 2700 Ohm.
Als weiteres Beispiel wird ein Einfügungsverlust von weniger als 3 dB erzielt, wenn folgende Widerstandswerte verwendet werden:
R16 = 270 Ohm,
R28 = 2200 Ohm und
R32 = 1000 Ohm.
Die letztere Gruppe von Widerstandswerten wurde bei der Ausführung eines gegenwärtig bevorzugten, in Fig. 5 dargestellten Beispiels der Erfindung verwendet.
Fig. 5 zeigt weitere Merkmale der Erfindung, um ein Schalten zwischen einer Vielzahl von Quellen und eine Verstärkung der geschalteten Signale vorzusehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Schaltung dadurch vereinfacht, daß nur ein einziger Lastwiderstand für alle Quellen benötigt wird, und daß das Merkmal verwendet wird, eine vorgegebene Ausgangsspannung zu erzeugen, um die Erzeugung der Gleichstrom-Vorspannung für einen am Ausgang direkt gekoppelten Verstärker zu verbessern. Der Verstärker überwindet vollständig den Einfügungsverlust des Schalters und liefert sogar zusätzlichen Gewinn. Die Vorteile der Grundkonfiguration von Fig. 1 werden somit durch verbesserte Zuverlässigkeit für das Schalten von zahlreichen Eingangssignalen aufgrund einer Verminderung in der Zahl der benötigten Lastwiderstände und einer Verminderung in der Zahl der Teile, die sonst benötigt würden, um die Gleichstrom-Vorspannung für den Verstärker zu erzeugen, verbessert.
Im einzelnen ist das Beispiel von Fig. 5 für die Auswahl eines von vier Eingangssignalen zur Verarbeitung durch ein Fernsehgerät, z.B. einen Recorder, einen Empfänger, einen Monitor, eine Vorrichtung für bestimmte Effekte oder dergl. ausgelegt. Die vier Eingangsanschlüsse 500 bis 506 sind jeweils durch Abschlußwiderstände 508 bis 514 abgeschlossen. Für diese besondere Anwendung der Videoschaltung sind die Abschlußwiderstände so gewählt, daß sie etwas höher sind als der Wellenwiderstand der Signalquellen, wobei ein beispielhafter Wert 82 Ohm für eine Quellenimpedanz von 75 Ohm beträgt. Der Grund zur Wahl eines etwas höheren Abschlußwiderstandes gegenüber der Quellenimpedanz liegt darin, daß bei Einschaltung des Schalters dem Eingangssignal-Anschluß eine zusätzliche Last präsentiert wird. Diese zusätzliche Last liegt effektiv parallel zum Eingangs-Widerstand und vermindert somit die wirksame Abschlußimpedanz auf den Wellenwiderstand der mit der Anschlüssen 500 bis 506 verbundenen Signalquelle.
Dämpfungsglieder 516 bis 522 sind mit Eingängen 500 bis 506 verbunden und haben den gleichen Aufbau wie das Dämpfungsglied 14 in Fig. 1. Beispielsweise Werte der Elemente der Dämpfungsglieder sind wie folgt:
Serienwiderstand: 270 Ohm
Serienkondensator: 47 Mikro-Farad
Nebenschluß-ZENER-Diode: 5,6 Volt, 1/2 Watt.
Die Einschalt-Vorspannung für jedes der Dämpfungsglieder wird von einem Versorgungsspannungs-Anschluß 530 geliefert, der mit den Ausgangsknotenpunkten 532 bis 538 der Dämpfungsglieder 516 bis 522 durch entsprechende Widerstände 540 bis 546 verbunden ist. Ein beispielsweiser Wert für jeden dieser Widerstände ist 2200 Ohm.
Die Ausgänge 532 bis 538 der Dämpfungsglieder 516 bis 522 sind mit entsprechenden Eingängen 552 bis 558 eines einzelnen Umschalters 550 mit vier Eingängen verbunden. Dieser Schalter (durch gestrichelte Linien umrissen) enthält vier individuelle Schalter (A, B, C und D), die von einem Decoder 560 so gesteuert werden, daß einer der vier Schalter in Abhängigkeit von einem 2- Bit-Binär-Steuersignal geschlossen wird, das den Schalter-Decoder-Eingängen 562 und 564 zugeführt wird. Die Ausgänge der vier Schalter A bis D sind zusammengeschaltet und mit einem Ausgangsanschluß 566 verbunden. Ein in integrierter Schaltungstechnik ausgeführter analoger Multiplex-Schalter mit diesen Merkmalen ist der Typ CD-4052, der bei verschiedenen Herstellern erhältlich ist. Siehe beispielsweise das DATA BOOK mit dem Titel "RCA COS/MOS Integrated Circuits", das 1980 von der RCA Corporation veröffentlicht wurde und hier als Bezug einbezogen wird. Das Daten-Buch enthält andere Schalterkonfigurationen (z.B. SPSP, DPDT und TPDT), die zur Ausübung der Erfindung geeignet sind. Andere geeignete Schalter sind von anderen Herstellern in CMOS-Technologie und in anderen integrierten Schaltungs-Technologien (z.B. NMOS, PMOS und bipolar) erhältlich.
Vorteilhafterweise braucht nur ein einzelner Lastwiderstand 568 mit dem Ausgangsanschluß 566 des Schalters 550 verbunden zu werden. Da die Werte aller Komponenten für den Abschluß, die Dämpfung und die Stromquellen gleich sind, ist die Gleichstrom- Ausgangsspannung am Anschluß 566 für jedes der vier ausgewählten Eingangssignale gleich, nämlich 4 Volt für die oben genannten spezifischen Werte.
Der Ausgang 566 des Schalters 550 wird unmittelbar dem Eingang 572 eines Gleichstrom-Verstärkers 570 zugeführt, dessen Versorgungsspannungs-Eingangsanschluß 574 mit dem Versorgungsanschluß 530 verbunden ist, und der einen Ausgangsanschluß 576 hat, um ein verstärktes Ausgangssignal zu liefern. Der Verstärker 570 enthält einen NPN-Eingangs-Transistor 578, der durch einen Spannungsteiler vorgespannt wird, der aus den Widerständen 580 und 582 besteht, die in der genannten Reihenfolge zwischen einem Versorgungsanschluß 572 und Masse in Reihe geschaltet sind. Der Kollektor des Transistors 578 ist mit der Basis eines Ausgangs-Transistors 586 und mit dem Versorgungsanschluß 574 über einen Lastwiderstand 584 verbunden. Der Emitter des Ausgangs-Transistors 586 ist mit dem Versorgungsanschluß 574 über einen Emitter-Lastwiderstand 590 verbunden, und der Kollektor ist mit einem Ausgangsanschluß 576 und über einen Lastwiderstand 592 mit Masse verbunden.
Beispielsweise Werte für die Elemente des Verstärkers 570 zur Erzielung eines Gewinns von etwa 6 dB sind wie folgt:
Widerstand 580: 10 KOhm Widerstand 582: 1 KOhm
Widerstand 584: 1,5 KOhm Widerstand 590: 1 KOhm
Widerstand 592: 2 KOhm Versorgung: 12 Volt
Es sei bemerkt, daß vorteilhafterweise keine internen Gleichstrom-Vorspannungsvorkehrungen für den Verstärker 570 benötigt werden. Dieses Merkmal der Erfindung rührt daher, daß die geeignete Gleichstrom-Vorspannung für diesen Verstärker von den Stromquellen-Widerständen 540 bis 546 und dem Lastwiderstand 568 des Schaltkreises geliefert wird. Wie zuvor erläutert wurde, liefern diese Elemente eine Ausgangs-Gleichspannung von etwa 4 Volt für die beispielsweiseerwähnten Werte der Elemente. Da der Decoder 560 zu einer Zeit nur jeweils einen Schalter einschaltet, ist der Ausgang des Schalters 550 unabhängig davon, welches der Eingangssignale ausgewählt wird, gleich. Die Eliminierung einer getrennten Gleichstrom-Vorspannungsschaltung für den Verstärker 570 vermindert einerseits die Kosten des Verstärkers und verbessert seine Zuverlässigkeit, da weniger Teile benötigt werden, um den Verstärker auszuführen und somit weniger Teile einem Ausfall unterworfen sind, als es sonst der Fall wäre.
Es sei ferner bemerkt, daß bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 der Verstärker-Versorgungsanschluß 574 und die Stromquellen 540 bis 546 für die Dämpfungsglieder 516 bis 522 an einen gemeinsamen Spannungs-Versorgungsanschluß 530 angeschlossen sind. Durch dieses Merkmal der Erfindung wird dafür gesorgt, daß die Gleichstrom-Vorspannung für den Verstärker 570, die von den Dämpfungsgliedern und dem Lastwiderstand geliefert wird, sozusagen Anderungen in der Versorgungsspannung, die dem Anschluß 530 zugeführt wird, "folgt". Anders ausgedrückt werden Änderungen der Gesamt-Versorgungsspannung kompensiert, da eine Verminderung der Versorgungsspannung sowohl die Ausgangs-Gleichspannung über der Last 568 und das Gleichstrom-Arbeitspotential für den Verstärker 570 und umgekehrt vermindert. Dies führt dazu, daß der Verstärker 570 unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung Vs in einem linearen Arbeitsbereich verbleibt.
In dem nicht-beanspruchten Beispiel von Fig. 6 sind die Positionen der Schalter umgekehrt, d.h. das Dämpfungsglied 14 liegt hinter dem Schalter 30 in der Reihenverbindung statt vor dern Schalter 30. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Widerstand 16 fortgelassen worden. Wie noch erläutert wird, wird die zuvor von dem Widerstand 16 vorgesehene Funktion zur Bildung einer Serien-Impedanz für den Serienzweig des Dämpfungsgliedes 14 statt dessen durch einen Schalter 30 vorgesehen, der im offenen Zustand eine sehr hohe Irnpedanz darstellt, die hauptsächlich aufgrund der den Schalterelementen zugeordneten parasitären Kopplungskapazitäten eine kapazitive Reaktanz umfaßt. Da die Impedanz des Schalters 30 im offenen Zustand sehr hoch im Vergleich zu dem "Ein"-Widerstand der Diode 22 ist, ist auch die Dämpfung sehr hoch.
In größeren Einzelheiten ist der Signal-Eingangsanschluß 10 in Fig. 6 über einen Ausgangs-Abschlußwiderstand 8 (der wie zuvor erwähnt wahlweise ist) mit Masse und über einen Gleichstrom- Blockkondensator 18 mit dem Eingang des Schalters 30 verbunden. Der Lastwiderstand 32, der zuvor mit dem Ausgang des Schalters 30 verbunden war, liegt nun zwischen dem Eingang des Schalters 30 und Masse. Der Ausgangsknotenpunkt 20 des Dämpfungsgliedes 14 ist über einen Widerstand 28 mit einem Versorgungsanschluß 26 zum Empfang der Versorgungsspannung VS und mit der Kathode der ZENER-Diode 22 verbunden, deren Anode an Masse liegt. Der Eingang eines gleichstromgekoppelten Verstärkers, z.B. des Verstärkers 570 in Fig. 5, ist mit dem Ausgangsknotenpunkt 20 des Dämpfungsgliedes verbunden und sein Ausgang liegt am Ausgangsanschluß 576.
Die allgemeine Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie bei dem vorhergehenden Beispiel von Fig. 1 und wird daher hier nur kurz erläutert. Wenn der Schalter 30 offen ist, schaltet der durch den Widerstand 28 fließende Strom 12 die ZENER-Diode 22 ein, wodurch eine niedrige Impedanz zwischen dem Ausgang des Dämpfungsgliedes 14 und Masse hergestellt wird. Dies entspricht den an den Punkten "A" oder "B" in Fig. 2 dargestellten Vorspannungs-Zuständen. Da der Schalter 30 offen ist und die Eingangsimpedanz des Verstärkers 570 sehr groß im Vergleich mit der Impedanz der Diode 22 ist, fließt nahezu der gesamte Strom Ii durch die Diode 22 zur Masse. Die Dämpfung für diesen Zustand ist etwa gegeben durch die Gleichung:
A = Zs / (Zd + ZS) (4)
Hierin ist:
A die Dämpfung EO/Ei;
Zs die Irnpedanz des Serienzweiges bei offenem Schalter 30; und
Zd die Impedanz der ZENER-Diode für den ausgewählten Wert des Vorspannungs-Stroms I1.
Wenn der Schalter 30 geschlossen ist, wird der Strom I1 durch den Schalter 30 und den Lastwiderstand 32 zur Masse abgeleitet, wodurch die ZENER-Diode 22 abgeschaltet wird. Der Kondensator 18 verhindert eine Ableitung des Stromes I1 zum Eingangsanschluß 10 oder zum Ausgangs-Abschluß-Widerstand 8. Wie zuvor erläutert wurde, werden die Werte der Versorgungsspannung Vs und der Widerstände 28 und 32 so gewählt, daß die ZENER-Diode 22 mit einer vorgegebenen Spannung vorgespannt wird, wenn der Schalter geschlossen ist, um hierdurch eine Gleichstrorn-Vorspannung für den Eingang des Verstärkers 570 zu liefern. Der Widerstand 16 wird bei diesem Beispiel nicht benötigt, da die Impedanz des Schalters 30 im offenen Zustand ziemlich hoch ist.
Die Vorteile des Überspannungsschutzes werden bei diesem Beispiel in dem Maße aufrechterhalten, wie die ZENER-Diode 22 positive und negative Übergänge begrenzt, die am Ausgang des Schalters 30 erscheinen, wodurch eine nachfolgende Schaltung (z.B. der Verstärker 570) von solchen übergängen geschützt wird.
Das Beispiel von Fig. 6 führt nicht ohne weiteres zu Anwendungen, die eine mehrpolige.Schaltung erfordern. Für solche Anwendungen wird das Beispiel von Fig. 1 bevorzugt, da mehrere Schalter durch Verbindung ihrer Ausgänge, wie in Fig. 5 dargestellt ist, kombiniert werden können.
Es wurden vorangehend Schaltgeräte dargestellt und beschrieben, bei denen Schalter zur Verbesserung der Aus-Zustands-Dämpfung in Reihe geschaltet werden. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen umfaßt ein Schalter der Reihenverbindung ein Dämpfungsglied vorn L-Typ mit einem Serienzweig, der eine Impedanz enthält und einem Nebenschlußzweig, der eine ZENER-Diode enthält. Bei den beanspruchten Beispielen von Fig. 1 und 5 wird die Impedanz des Serienzweiges durch einen Widerstand vorgesehen, während bei dem nicht-beanspruchten Beispiel von Fig. 6 die Irnpedanz des Serienzweiges von dem anderen Schalter der Reihenverbindung vorgesehen wird. Ein mit dem Dämpfungsglied und mit dern anderen Schalter der Reihenverbindung verbundenes Netzwerk steuert die Dioden-Vorspannung für den Betrieb bei einem spezifischen Stromleitungspegel, wenn der andere Schalter der Reihenverbindung offen ist, und bei einem spezifischen Zustand mit Vorspannung in Sperrichtung, wenn der zweite Schalter geschlossen ist, wodurch die Vorrichtung mehrere Funktionen ausübt, z.B.: (1) Verbesserung der Dämpfung im Abschaltzustand, (2) Vorsehen eines Überspannungs- und Überstromschutzes für Eingangsübergänge beider Polaritäten und (3) Vorsehen eines vorgegebenen Ausgangs-Gleichstrompegels, wenn der zweite Schalter geschlossen ist, um die Gleichstrom-Vorspannung einer nachfolgenden Schaltung zu errichten, z.B. eines Verstärkers, wobei die Gleichvorspannung in einer nachziehenden Beziehung mit dem der nachfolgenden Schaltung zugeführten Gleichstromleistung zugeführt wird.

Claims

1.) Schaltgerät umfassend:

erste (14) und zweite (30) in der angegebenen Reihenfolge in Reihe zwischen einem Signal-Eingangsanschluß (10) und einem Signal-Ausgangsanschluß (21) geschaltete Schalter; ein mit den Schaltern verbundenes Vorspannungs-Netzwerk zur Steuerung des ersten Schalters entsprechend dem leitenden Zustand des zweiten Schalters; und bei dem:

der erste Schalter (14) ein Dämpfungsglied umfaßt, das aus einem Serienzweig mit einem ersten zwischen dem Signal-Eingangsanschluß (10) und einem Eingang des zweiten Schalters (30) liegenden Zweig und einem eine ZENER-Diode (22) zwischen dem Eingang des zweiten Schalters und einer Bezugs-Spannungsquelle liegenden Nebenschlußzweig besteht; und

wobei das Vorspannungs-Netzwerk eine Stromquelle (24) umfaßt, die mit der ZENER-Diode verbunden ist, um ihr einen vorgegebenen Einschaltstrom zuzuführen, wenn der zweite Schalter sich in einem offenen Zustand befindet, wobei das Vorspannungs-Netzwerk einen Lastwiderstand (32) enthält, der mit einem Ausgang des zweiten Schalters verbunden ist, um den vorgegebenen Strom von der ZENER-Diode abzuleiten, wenn der zweite Schalter sich in einem geschlossenen Zustand befindet.

2.) Schaltgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend:

eine gleichstromsperrende Vorrichtung (18), die in Reihe mit dem Serienzweig geschaltet ist, um zu verhindern, daß der vorgegebene Einschaltstrom durch den ersten Widerstand (16) fließt.

3.) Schaltgerät nach Anspruch λ, ferner umfassend:

einen Verstärker (570), der mit dem Signal-Ausgangsanschluß gleichstrommäßig gekoppelt ist; und bei dem

die Stromquelle (24) und der Lastwiderstand (32) so gewählt sind, daß eine vorgegebene Gleichstromkomponente der Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluß erzeugt wird, wenn der zweite Schalter sich im geschlossenen Zustand befindet, um einen gegebenen Ruhe-Gleichstrom-Arbeitspunkt für den Verstärker zu errichten.

4.) Schaltgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend:

einen Verstärker (570), der mit dem Signal-Ausgangsanschluß gleichstrommäßig gekoppelt ist;

eine Versorgungs-Spannungsquelle (530), die mit einem Versorgungs-Eingangsanschluß des Verstärkers und mit einem Versorgungs-Eingangsanschluß (574) der Stromquelle verbunden ist, so daß die Stromquelle und der Lastwiderstand eine Gleichstromkomponente der Ausgangsspannung erzeugen, wenn der zweite Schalter geschlossen ist, um die Vorspannung für den Verstärker zu erzeugen.

5.) Schaltgerät nach Anspruch 1, bei dem der von der Stromquelle gelieferte vorgegebene Einschaltstrom so gewählt wird, daß er eine vorgegebene Impedanz für die Durchbruchsvorrichtung vorsieht, wenn der zweite Schalter sich im offenen Zustand befindet, wobei die vorgegebene Impedanz im wesentlichen kleiner als die Impedanz der ersten Impedanz des Nebenschlußzweiges ist.