NL8403012A - Elektronische schakelaar. - Google Patents

Description

N.0. 32712 1

Elektronische schakelaar.

De uitvinding heeft betrekking op een elektronische schakelaar omvattende een ingangstrap met een eerste transistor, waarvan de basis via een aanpassingsnetwerk is aangesloten op de ingang van de schakelaar, een uitgangstrap met een tweede transistor en een schakeltrap met 5 een derde transistor waarvan het emitter-collector-traject is aangesloten tussen een voedingsspanningsklem en de emitter van de eerste transistor, en waarvan de basis verbonden is met de stuuringang van de schakelaar.

Een dergelijke elektronische schakelaar is bekend uit het Meri-10 kaanse octrooischrift 4.000.428. Bij deze bekende elektronische schakelaar zijn zowel de eerste als de tweede transistor geschakeld als emit-tervolger. Het emitter-collector-traject van de schakeltransistor is aangesloten op de emitter van de eerste transistor, welke emitter verder via een weerstand verbonden is met de basis van de tweede transis-15 tor. Wordt aan de basis van de schakeltransistor een relatief hoge spanning aangeboden dan wordt de schakeltransistor geheel in geleiding gebracht waardoor de emitterspanning van de eerste transistor daalt onder de basisspanning van deze eerste transistor, welke basisspanning wordt bepaald door het aanpassingsnetwerk dat zich bevindt tussen de 20 ingang van de schakelaar en de basis van deze eerste transistor. Het resultaat daarvan is dat de eerste transistor spert. Bovendien wordt door het volledig in geleiding brengen van de schakeltransistor ook de potentiaal op de basis van de tweede transistor verlaagd.

Deze elektronische schakelaar bestemd is om te worden toegepast in 25 een array van schakelaars waarbij de uitgangselektroden van alle tweede transistoren aangesloten zijn op een gemeenschappelijke belastingsweer-stand, en daarbij wordt er vanuit gegaan dat telkens een van de elektronische schakelaars "gesloten” is, d.w.z. dat de tweede transistor van de betreffende schakelaar geleidend is. In dat geval zal de stroom 30 door het emitter-collector-traject van de tweede transistor van de gesloten schakelaar ervoor zorgen dat er een spanningsval optreedt over de belastingsweerstand zodat de emitter van alle transistoren op een bepaalde potentiaal gehouden worden. Door het volledig in geleiding brengen van de schakeltransistoren van alle andere "geopende" schake-35 laars zal bij juiste dimensionering de potentiaal op de basis van deze tweede transistoren lager worden dan de potentiaal op de emitter ervan en zullen dus ook de tweede transistoren van de "geopende" schakelaars gesperd kunnen worden.

8403 0 12 i' -¾ t 2

Een eerste nadeel van deze bekende elektronische schakelaar is, dat in de "open" ofwel geen signaal doorlatende toestand van de schakelaar een aanzienlijke stroom door de schakelaar loopt als gevolg van het geheel in geleiding zijn van de schakeltransistor. Bij een array 5 van n transistoren waarvan er telkens £ên in geleiding is zullen derhalve telkens n-1 schakelaars tezamen een niet te verwaarlozen stroom trekken uit de daartoe aanwezige voedingseenheid.

Een verder nadeel van deze bekende schakelaar is dat ze in wezen niet geschikt is voor erg hoge frequenties. In het genoemde Amerikaanse 10 octrooischrift wordt al aangegeven dat extra weerstanden aangebracht zijn in serie met de basis van elk van de eerste en tweede transistoren om te voorkomen dat bij hogere frequenties in de orde van 100 MHz oscillaties gaan optreden.

Een ander nadeel is dat de blokkeerwerking gezien vanaf de uitgang 15 van de schakelaar naar de ingang ervan onvoldoende is om in het bijzonder bij zeer hoogfrequente signalen te voorkomen dat er signalen vanaf de uitgang, welke signalen daar verschijnen via een andere op dat moment "gesloten" schakelaar, de ingang van de schakelaar bereiken. Een dergelijke terugwerking is zeer ongewenst omdat deze terugwerking 20 ertoe kan leiden dat signalen uit het breedbandige spectrum aan de uitgang de ingang kunnen bereiken , hetgeen in de beoogde toepassing zeer ongewenst, is.

De uitvinding heeft nu ten doel de bovengenoemde nadelen althans zo goed mogelijk te elimineren. Aan deze doelstelling wordt bij een 25 elektronische schakelaar van in de aanhef genoemde soort voldaan, doordat de eerste transistor in gemeenschappelijke emitterschakeling wordt bedreven, waarbij de collector via een aanpassingstransformator en via een in doorlaatrichting geschakelde diode verbonden is met de ingangs-elektrode van de in gemeenschappelijke basisschakeling bedreven tweede 30 transistor, waarvan de uitgangselektrode verbonden is met de uitgang van de schakelaar, terwijl het emitter-collector-traject van de scha-keltransistor enerzijds in serie geschakeld is met het collector-emit-ter-traject van de eerste transistor en anderzijds verbonden is met het knooppunt tussen de genoemde aanpassings-transformator en de diode.

35 Wordt aan de ingang van de schakeltransistor een dusdanig signaal aangeboden dat de schakeltransistor spert, dan zal vanwege de relatief hoge spanning over het emitter-collector-traject van de schakeltransistor de diode tussen de aanpassingstransformator en de ingangselektrode van de tweede transistor worden gesperd zodat er geen stroom (en daar-40 mee geen signaal) kan lopen door de tweede transistor. Tevens zal de 8403012 £ i 3 potentiaal op de emitter van de eerste transistor hoger worden dan de potentiaal op de basis ervan waardoor ook de eerste transistor wordt gesperd. Tezamen vormt dit een effectieve signaalblokkering. In deze “open" of geen signaal doorlatende toestand van de schakelaar trekt de 5 schakelaar als geheel weinig of geen stroom uit de daartoe aanwezige voedingseenheid.

Wordt aan de ingang van de schakeltransistor een dusdanig signaal aangeboden dat de schakeltransistor in geleiding komt dan daalt de spanningsval over het emitter-collector-traject van de schakeltransis-10 tor zodanig dat enerzijds de eerste transistor in geleiding komt en anderzijds ook de diode en samen daarmee de tweede transistor in geleiding komen waarmee de schakelaar effectief signaal doorlatend ofwel "gesloten” is.

De aanpassingstransformator tussen de eerste en tweede transistor 15 zorgt voor een impedantie-aanpassing tussen beide 'transistoren. Ta het bijzonder wanneer de transformatieverhouding van deze transformator gelijk is aan nil waarbij n groter dan 1 is, dan levert deze transformator een sterke bijdrage aan de retourdemping vanaf de uitgang van de schakelaar naar de ingang.

20 Bij voorkeur is de schakelaar zodanig uitgevoerd dat in de verbin ding tussen het emitter-collector-traject van de schakeltransistor en het collector-emitter-traject van de eerste transistor tenminste een verdere in doorlaatrichting geschakelde diode is opgenomen. Indien de schakeltransistor spert, dan zal ook deze diode sperren zodat er zeker 25 geen stroom door de eerste transistor kan lopen.

De uitvinding zal nu in meer detail worden beschreven aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden weergegeven in de bijgaande figuren 1, 2 en 3.

De in de figuur geïllustreerde uitvoeringsvorm van de elektron!- i sche schakelaar volgens de uitvinding is voorzien van drie transistoren 30 Tl, T2 en T3. De ingangstrap met de eerste transistor Tl omvat verder de instelweerstanden R2 en R3 en het ingangsnetwerk bestaande uit R1 en Cl. De collector van Tl is via een aanpassingstransformator L1-L2 verbonden met de voedingsspanning +V. Parallel aan deze aanpassingstransformator staat de weerstand R4 die geen functie heeft bij de gelijk-35 stroominstelling van transistor Tl. Deze weerstand vervult een aantal functies. In de eerste plaats voorkomt ze dat er eventuele zeer hoogfrequente parasitaire oscillaties optreden in de schakeling. Verder wordt met behulp van R4 parallel aan de transformator een combinatie met R5 de versterking van de eerste trap bepaald nagenoeg onafhankelijk 40 van spreiding in de transformatoreigenschappen. Tevens is de weerstand 8403012 t η 4 R4 van belang voor de ingangs- en doorgangskarakteristiek van Tl. In de "open" toestand van de schakelaar voorkomt de weerstand R4 een te hoge impedantie aan de collector van Tl en is daarmee dus van belang voor de I terugvloeidemping. De weerstand R4 vermindert de terugwerking in de ! 5 schakelaar, zowel in de "open" als in de "gesloten" toestand.

De emitter van Tl is via een diode Dl en een weerstand R5 verbonden met de collector van de transistor T3. De diode Dl is overigens niet noodzakelijk. Wordt ze weggelaten, dan moet er wel voor gezorgd worden dat er geen te hoge spanning terecht komt bij Tl en dat deze 10 transistor onder alle omstandigheden juist ingesteld blijft. De basis van transistor T3 is via een weerstand R8 geaard en via een weerstand R7 verbonden met de stuuringang ST. De collector van de transistor T3 is enerzijds via een weerstand R6 verbonden met de voedingsspanning +V en anderzijds via een inductief element (spoel) L3 en een weerstand R9 15 aangesloten op het knooppunt tussen een koppel-condensator C4 en een diode D2. De condensator C4 is op de getoonde wijze verbonden met de aanpassingstransformator L1/L2. Ook de spoel L3 kan in veel gevallen zonder bezwaar worden weggelaten.

De diode D2, bij voorkeur een pin-type diode, is op zijn beurt ge-20 koppeld met de .emitter van de in geaarde basisschakeling functionerende uitgangstransistor T2. De basis van deze transistor is via een condensator C5 ontkoppeld naar aarde en verder via een weerstand R10 verbonden met de collector. Vanaf de collector loopt een weerstand Ril naar de uitgang UIT van de elektronische schakelaar. De waarde van R10 wordt 25 zodanig gekozen dat een goede stabiliteit voor temperatuur en variabele stroomversterking van T2 worden verkregen.

De weerstad R12 parallel aan de spoel L4 dient men name als af-sluitweerstand van de gemeenschappelijke uitgangslijn UIT. Indien een array van schakelaars als geïllustreerd in figuur 3 wordt gebruikt, 30 waarbij de uitgangslijn UIT een gemeenschappelijke uitgangslijn voor elk van de schakelaars vormt dan behoeft deze combinatie L4/R12 slechts eenmaal aanwezig te zijn.

Wordt een relatief hoge ingangsspanning, bijvoorbeeld bij benadering de voedingsspanning +V aangeboden aan de stuuringang ST van de 35 schakelaar, dan zal de schakeltransistor T3 volledig in geleiding komen zodat de potentiaal van de collector van T3 nagenoeg gelijk wordt aan de aardpotentiaal. In dat geval zal er een stroom kunnen lopen vanaf de voedingsspanning +V via L4, de weerstand Ril, de transistor T2, de diode D2, de weerstand R9 en de spoel L3 door de transistor T3 naar aarde.

40 Omdat de basis van transistor T2 via de weerstand R10 verbonden is met 84 0 3 0 1 2 4? £ 5 de collector zal transistor T2 in dat geval evenals de diode D2 geleiden. Ook de transistor Tl zal geleiden waarbij de stroomweg loopt vanaf de voedingsspanning +V via de transformator L1/L2, het collector-emit-ter-traject van Tl, de doorlatende diode Dl, de weerstand R5 en de 5 transistor T3 naar aarde. De weerstanden R2 en R3 zorgen voor een dusdanige voorspanning op de basis van transistor Tl dat deze transistor in dit geval evenals de diode Dl geleidend is.

In deze situatie kan dus een hoogfrequent ingangssignaal aangeboden op de· ingang IN van de schakelaar via de weerstand Cl worden aange-10 boden op de basis van Tl. Het signaal zal vervolgens via de transformator L1/L2 en de condensator C4 worden overgedragen naar de uitgangstrap met transistor T2. Vanaf de collector van transistor T2 komt het signaal dan via de weerstand Ril terecht op de uitgang DIT.

Als de stuuringang ST van de schakeltransistor T3 op een relatief 15 lage potentiaal, bijvoorbeeld de aardpotentiaal, wordt gebracht dan zal transistor T3 sperren. Daardoor stijgt de potentiaal op de collector van T3 tot nabij de voedingsspanningspotentiaal +V waardoor de diode D2 zal sperren en er geen stroom meer door T2 loopt. Alleen daardoor al wordt een effectieve signaalblokkering tussen de ingang en de uitgang 20 van de schakelaar bereikt. Daarnaast echter zal ook de diode Dl gaan sperren waardoor geen stroom meer kan lopen door Tl en afhankelijk van de instelling kan ook de transistor Tl (ook als Dl afwezig is) zelf in de niet geleidende toestand komen.

Voor hoogfrequente signalen is de collector van T3 ontkoppeld via 25 de condensator C2. Het verdient de voorkeur dat Dl een diode is met een hoge spercapaciteit waardoor, indien de schakelaar open is en dus geen hoogfrequente signalen mag doorlaten, via de dan sperrende diode een versterkte hoogfrequente ontkoppeling wordt verkregen naar aarde. Wordt I

Dl weggelaten dan vindt deze ontkoppeling via R5 en C2 rechtstreeks 30 plaats.

De condensator C3 dient voor het hoogfrequent ontkoppelen van de voedingsspanning.

Bij voorkeur wordt voor de transformator L1/L2 een wikkelverhou-ding n:l gekozen waarbij n groter is dan 1. De verhouding wordt zodanig 35 gekozen dat in de “gesloten" toestand van de schakelaar een optimale isolatie wordt verkregen voor signalen van de uitgang naar de ingang.

Deze keuze leidt niet tot een optimale aanpassing tussen Tl en T2. Hst resulterende verlies kan door wijziging van de versterking van Tl worden ondervangen.

40 De hoogfrequent smoorspoel L3 voorkomt dat signalen, die via C4 84 0 3 0 12 6 i Γ r ?» worden toegevoerd aan de uitgangstrap rond T2, terecht komen bij de schakeltransistor T3. Afhankelijk van de dimensionering van de overige componenten (R9 groot genoeg) kan echter in veel gevallen deze smoor-spoel L3 worden weggelaten.

5 Voor de weerstand Ril wordt bij voorkeur een zodanige weerstands- waarde gekozen dat daarmee de invloed van de imaginaire capacitieve component van T2 gezien vanaf de uitgang UIT sterk wordt verminderd hetgeen ertoe bijdraagt dat er geen of vrijwel geen terugwerking plaats vindt vanaf de uitgang naar de ingang van de schakelaar. Ril geeft wei-10 nig signaalverlies omdat T2 bij benadering, afgezien van de collector-capaciteit, beschouwd kan worden als een ideale stroombron.

Alhoewel in figuur 1 de transistoren Tl en T2 zijn getekend als bipolaire transistoren kunnen in deze schakeling ook veldeffecttransis-toren van het type j-FET worden gebruikt. In dat geval kan een verdere 15 reductie van het aantal componenten worden gerealiseerd.

Een uitvoeringsvorm met twee j-FET's is getoond in figuur 2. De stuurtrap rond transistor T6 is geheel identiek aan de overeenkomstige trap rond T3 in figuur 1. Ook de functies van de weerstanden R16, R17, R18 en R19 en de functies van de condensator C9 en de spoel L7 zijn 20 identiek.

De ingangstrap bestaat nu slechts uit de j-FET T4, de condensator C6, de weerstand R13 en de spoel L4. Via de ingang IN en de transistor T4 komt een ingangssignaal terecht op de transformator L5/L6 die het signaal via de condensator C8 en de diode D3 overdraagt naar de tran-25 sistor T5 die ook uitgevoerd is als j-FET. Via de weerstand R20 komt het signaal dan terecht bij de uitgang UIT. De voedingsspanning V+ voor de eerste trap rond T4 wordt toegevoerd via de weerstand R15 en ontkoppeld met de weerstand C7. De weerstand R14 die een extra demping oplevert van de transformator L5/L6 kan eventueel worden weggelaten. Het-30 zelfde geldt voor de spoel L7. Evenals in figuur 1 is ook hier weer ee ontkoppelnetwerk aanwezig op de uitgang gerealiseerd met de weerstand R21, de spoel L8 en de condensator CIO.

Aangezien de gehele schakeling verder op dezelfde wijze functioneert als de schakeling in figuur 1 wordt een nadere bespreking van de 35 schakeling uit figuur 2 verder overbodig geacht. Opgemerkt wordt alleen dat voor de transistor T4 bij voorkeur een FET wordt gekozen waarvoor geldt 1/S»15 V/mA hetgeen resulteert in een ingangsimpedantie van ongeveer 75Δ van de schakelaar als geheel.

De ingangstrap rond Tl resp. rond T4 zal een zekere signaalver-40 sterking van het hoogfrequente signaal opleveren en deze signaalver- 8403012 f ' _ 7 sterking wordt bij voorkeur zodanig ingesteld dat de verzwakking vanhet signaal in de uitgangstrap in hoofdzaak wordt gecompenseerd zodat de schakelaar als geheel tassen de ingang IN en de uitgang UIT 0 dB door-gangsdemping vertoont.

5 Het zal duidelijk zijn dat binnen het kader van de uitvinding di verse wijzigingen en modificaties kunnen worden aangebracht zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

j | 34 0 3 ü 12

Claims (6)

1. Elektronischs schakelaar omvattende een ingangstrap met een eerste transistor, waarvan de basis via een aanpassingsnetwerk is aangesloten op de ingang van de schakelaar, een uitgangstrap met een twee- 5 de transistor en een schakeltrap met een derde transistor waarvan het emitter-collector-traject is aangesloten tussen een voedingsspannings-klem en de emitter van de eerste transistor, en waarvan de basis verbonden is met de stuuringang van de schakelaar, met het kenmerk, dat de eerste transistor (Tl) in gemeenschappelijke emitterschakeling wordt 10 bedreven, waarbij de collector via een aanpassingstransformator (L1/L2) en via een in doorlaatrichting geschakelde diode (D2) verbonden is met de ingangselektrode van de in gemeenschappelijke basisschakeling bedreven tweede transistor (T2), waarvan de uitgangselektrode verbonden is met de uitgang van de schakelaar, terwijl het emitter-collector-traject 15 van de schakeltransistor (T3) enerzijds in serie geschakeld is met het collector-emitter-traject van de eerste transistor en anderzijds verbonden is met het knooppunt tussen de de genoemde aanpassings-transfor-mator en de diode.

2. Elektronische schakelaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, 20 dat in de verbinding tussen het emitter-collector-traject van de schakel transistor en het collector-emitter-traject van de eerste transistor (Tl) tenminste een verdere in doorlaatrichting geschakelde diode (Dl) is opgenomen.

3. Elektronische schakelaar volgens een der voorgaande conclusies, 25 met het kenmerk, dat in de verbinding tussen het emitter-collector-traject van de schakeltransistor en het genoemde knooppunt tussen de transformator en de diode een inductief element (L3) is opgenomen.

4. Elektronische schakelaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat voor de eerste en tweede transistor zogenaamde 30 j-FET's zijn toegepast.

5. Elektronische schakelaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de aanpassingstransformator een transformatiever-houding n:l heeft waarbij n groter dan 1 is.

6. Elektronische schakelaar volgens een der voorgaande conclusies, 35 met het kenmerk, dat de versterking van de ingangstrap zodanig wordt ingesteld dat daarmee de in verdere delen vanb de schakelaar optredende verzwakking wordt gecompenseerd en de schakelaar als geheel althans bij benadering 0 dB doorgangsdemping heeft. 8403012