DE1922382C3 - Elektronische Koppelfeldeinrichtung mit Feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

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Für die Durchschaltung von mehreren ankommenden und abgehenden Leitungen sind in der Nachrichtentechnik Koppelfeldeinrichtungen gebräuchlich. An den Verbindungsstellen der Leitungen, die Koppelpunkte genannt werden, sind z. B. Drucktasten, Relais, Dioden oder Transistoren als Koppelelemente üblich.

Die Erfindung betrifft eine elektronische Koppelfeldeinrichtung, wie sie im Gattungsbegriff des Anspruchs I angegeben ist.

Eine derartige Koppelfeldeinrichtung ist aus der &5 französischen Patentschrift 15 55 813 bekannt. Als Ausgangsverstärker dient dabei ein Stromverstärker mit niederohmigcm Eingang.

Den Bulk-Anschiuß des Feldeffekttransistors mit dem Bezugspunkt zu verbinden ist aus »electronics« Vol. 37, 14. Dezember 1964, Nr. 31, Seiten 66 bis 70, bekannt

Aufgabe der Erfindung ist es. eine elektronische Koppelfeldeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die gegenüber bekannten Anordnungen eine wesentliche Verbesserung des hochfrequenten Sperrverhaltens der Koppelelemente und des Nebensprechens zwischen verschiedenen durchverbundenen oder nicht durchverbundenen Leitungen ergibt und die es erlaubt, daß mehrere Koppelfelder auf einfache Weise zu einem größeren Koppelfeldsystem zusammengeschaltet werden können.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung und ihre Einzelheiten werden anhand der F i g. 1 bis 4 für einige Ausführungsbeispiele im folgenden näher erläutert:

F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Koppeifeides, bei dem die Leitungen 1,2,3,4... η wahlweise mit den Leitungen a,b,c...m verbunden werden können. In den abgehenden Leitungen sind Verstärker A, B ... mit hochohmigen Eingängen vorgesehen, damit bei Bedarf mehrere abgehende Leitungen mit ni;r einer ankommenden Leitung ohne gegenseitige Beeinflussung verbunden werden können. Die als Koppelelemente dienenden Feldeffekttransistoren FET sind durch ein Schaltsymbol angedeutet.

Fig.2 zeigt an einem Ausschnitt aus diesem Koppelfeld — etwa die Verbindung der Leitung 1 mit der Leitung b über den Verstärker B — wie der Koppelpunkt nach der Erfindung im einzelnen aufgebaut ist. Ein auf der Leitung I ankommendes Signal gelangt über den Koppelkondensator Co an den Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors FET. Der Bulk-Anschluß Bu ist mit dem Bezugspunkt der Koppelfeldanordnung verbunden, dem Gate-Anschluß Ca wird über die Widerstände A3 und R4 eine Sperrspannung zugeführt, die durch Betätigung des Schalters 5 aufgehoben wird, indem der Verbindungspunkt der Widerstände A3 und RA mit dem positiven Anschluß der Betriebsspannungsquelle verbunden wird. Dadurch wird der Feldeffekttransistor leitend und das Signal kann vom Source-Anschluß So dem Eingang eines Ausgangs-Gleichspannungs-Verstärkers B zugeführt werden.

Dieser Verstärker besteht aus den beiden Transistoren T\ und T2 und den Widerständen R5,R6,R7,R6. Die Widerstände Λ 6 und R 7 dienen zur Gegenkopplung und machen den Eingang des Verstärkers ausreichend hochohmig, denn der Eingangswiderstand eines solchen Verstärkers muß so hochohmig sein, daß eine gewünschte Anzahl von abgehenden Leitungen mit ihren Ausgangsverstärkern gleichzeitig über Koppelelemente an eine einzige ankommende Leitung angeschaltet werden kann, ohne daß sie sich gegenseitig beeinflussen. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers in Fig.2 ist mit der abgehenden Leitung b verbunden, wobei der Widerstand RS zur Anpassung an den Z-Wert der abgehenden Leitung dient.

Mit dem Signal gelangt über den Feldeffekttransistor hinweg eine Gleichspannung an den Eingang des Ausgangsverstärkers, um diesen dadurch funktionsfähig zu schalten. Diese Gleichspannung muß mindestens so groß sein, daß alle Augenblickswerte des Signals dieselbe Polarität gegen den Bezugspunkt aufweisen.

Bei Fernsehsignalen ist diese Forderung ohnehin erfüllt, so daß in diesem Fall der Koppelkondensator Co entfallen kann. Bei anderen Signalen, die noch keine ausreichende Gleichspannungskomponente enthalten, kann diese — wie in F i g. 2 dargestellt — über einen Spannungsteiler Ri, RI zugesetzt werden. Bei durchgeschaltetem Feldeffekttransistor gelangt diese Gleichspannung an die Basis des Transistors Π und macht ihn danV:t funktionsfähig für die Verstärkung des Signals.

Der Sperrwiderstand von Feldeffekttransistoren ist außerordentlich groß. Bei höheren Frequenzen ist die Sperrwirkung eines Feldeffekttransistors jedoch hauptsächlich durch die Kapazitäten zwischen den Elektroden bestimmt.

Fig.3 zeigt das für höhere Frequenzen geltende Ersatzschaltbild eines Koppelpunktes unter Berücksichtigung der Teilkapazitäten zwischen den Elektroden. Die Spannung U~ stellt die von einer Eingangsleitung her ankommende Signalspannung dar, die von dem Feldeffekttransistor FET vom Lastwiderstand Rl ferngehalten werden soll, wenn das Koppelelement gesperrt ist Ober die Kapazitäten C1 bis C6 gelangen jedoch Hochfrequenzanteile an den Widerstand Rl. Durch den mit Masse verbundenen Bulk-Anschluß sind die Kapazitäten C2 und C3 mit Masse verbunden und tragen zur Kopplung zwischen Ein- und Ausgang nicht mehr bei. Wird der Gate-Anschluß wechselstrommäßig durch eine zusätzliche Kapazität C7, die groß gegen jede der Teilkapazitäten Cl bis C6 ist, mit Masse verbunden, so sind auch noch die Kapazitäten C5 und C6 sowie C 4 für die Übertragung vom Eingang zum Ausgang unwirksam. Als Koppelkapazität verbleibt nur noch CX. Diese Kapazität ist aber im wesentlichen die Kapazität zwischen den beiden Anschlüssen und ohnehin sehr klein; ihr Einfluß kann durch Abschirmmaßnahmen noch weiter verringert werden. Dadurch wird auch bei sehr hohen Frequenzen eine gute Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang des Koppelelements erzielt Für den Fall, daß ein Feldeffekttransistor verwendet wird, der noch weitere Gate-Anschlüsse hat, müssen sinngemäß diese weiteren Anschlüsse mindestens wechselstrommäßig ebenfalls mit Masse verbunden werden, um bei höheren Frequenzen eine gute Entkopplung zwischen Ausgang und Eingang zu erreichen.

Es ist gelegentlich nötig, vorhandene Koppelfeldeinrichtungen zum Schalten weiterer Leitungen zu erweitern (Fig.4). Da7u ist es erforderlich, daß die Koppelfeldeinrichtungen parallel schaltbare Eingänge haben. Das kann auf bekannte Weise dadurch erreicht werden, daß die ankommenden Leitungen an den Eingängen durchgeschleift werden und nur am letzten Koppelfeld angeschlossen sind. Ferner ist es nötig, daß Ausgänge parallel geschaltet werden. In diesem Fall ist « aber immer nur einer der parallelgeschalteten Verstärker in Betrieb; die anderen sind ausgeschaltet, weil ihre Koppelelemente nicht benutzt sind. Dennoch können die ausgeschalteten Verstärker den in Betrieb befindlichen Verstärker belasten, weil sie auch im ausgeschalteten Zustand einen nicht vernacli'ässigbaren inneren Widerstand haben. Zur Vermeidung dieser Belastung wird in die Ausgangsleitungen der Ausgangsverstärker je eine Diode DI (Fig. 2) geschaltet, die jene zusätzliche Belastung verhindert. Zum Ausgleich der ηϊ durch diese Diode entstehenden nichtline.-.en Verzerrungen ist im Gegenkopplungsweg eine weitere Diode D1 vorgesehen.

Die Eingänge der erfindungsgemäßen Koppelfeldeinrichtung werden ferner zweckmäßigerweise so ausgestaltet, daß sie wahlweise hochohmig oder mit dem Wellenwiderstand der ankommenden Leitung abschließbar sind. Für Koppelfeldeinrichtungen, die bis zu sehr hohen Frequenzen einsetzbar sein sollen, kann es vorteilhaft sein, auch die Eingangsleitungen mit Verstärkern auszurüsten. Diese Verstärker sollen einen hohen Eingangswiderstand haben, um mehrere Eingänge — wie schon erläutert — parallel schalten zu können. Außerdem sollen sie einen möglichst niedrigen Innenwiderstand an ihrem Ausgang haben, um das kapazitive Nebensprechen zwischen durchgeschalteten Verbindungen möglichst klein zu halten. Diese Verstärker müssen wie die Ausgangsverstärker Gleichspannungsverstärker sein, damit ihr Arbeitspunkt beim Durchschalten des Feldeffekttransistors gleichzeitig die Arbeitspunkteinstellung des entspr<-.>-henden Ausgangsverstärkers einstellt

In der Schaltungsanordnung nach Fig.2 wird der Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors über die Widerstände A3 und R4 mit der Spannung U verbürgen und dadurch gesperrt, solange der Schalter S offen ist. Es ist natürlich auch möglich, für eine ständige Durchschaltung des Feldeffekttransistors zu sorgen und durch Betätigen eines Schalters den Feldeffekttransistor zu sperren. Beide Möglichkeiten sind gleichwertig und hängen vom jeweiligen Verwendungszweck ab. Ferner können andere Typen von Feldeffekttransistoren verwendet werden, z. B. solche, die selbst sperren oder selbst öffnen, wenn ihre Gate-Elektrode Massepotential führt.

Da der Gate-Eingangswiderstand eines Feldeffekttransistors außerordentlich hoch ist, kann man in die Zuleitungen zum Gate-Anschluß große Widerstände mit zusätzlichen Kondensatoren schalten, die die einzelnen Schaltleitungen zum Gate-Anschluß gut voneinander entkoppeln.

Koppelfeldeinrichtungen nach der Erfindung weisen folgende technische Vorteile auf:

Da ein Ausgangsverstärker erst mit eingeschaltetem Koppelelement in Betrieb gesetzt wird, sind die nicht benutzten abgehenden Leitungen besonders gut von den signalführenden Eingangsleitungen entkoppelt. Würden die Ausgangsverstärker der nicht benutzten Ausgangsleitungen eingeschaltet bleiben, so müßte der Sperrwiderstand der beteiligten Koppelelemente extrem hoch sein, ura eine ausreichende Entkopplung zu bewirken.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Signalspannung in ihrer vollen Höhe gesperrt werden kann. Wäre der Bulk-Anschluß mit dem Source-Anschluß verbunden, so könnte die Signalspannung nur bis zur Höhe von ca. 0,7 V gesperrt werden.

Koppelfeldeinrichtungen nach der Erfindung sind für sehr breite Frequenzbänder verwendbar und benötigen pro Koppelpunkt nur einen sehr geringen Raum, so daß die einzelnen Koppelelemente sehr dicht nebeneinander angeordnet werden können und Verbindungsleitungen üblicher Art entfallen. Bei Betriebsspannungsausfall sind alle abgehenden Leitungen in erwünschter Weise gesperrt, da alle Ausgangsverstärker ebenfalls außer Betrieb sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektronische Koppelfeldeinrichtung für beliebiges Verbinden von unsymmetrischen. Analogsignale führenden, ankommenden Leitungen mit abgehenden, mit Verstärkern versehenen Leitungen mittels Feldeffekttransistoren als Koppelelemente, wobei für jedes Koppelelement ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist, dessen Drain-Anschluß mit der nicht geerdeten Ader einer der ankommenden Leitungen verbunden ist und dessen Gate-Anschluß die zum Betätigen des Koppelelementes erforderliche Schaltspannung zugeführt ist und wobei jeweils ein Verstärker durch den leitend geschalteten Feldeffekttransistor in Betrieb gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der BuIk-Anschluß (Bu) des Feldeffekttransistors (FET) mit dem Bezugspunkt (X) der Koppelfeldeinrichtung und der Source-Anschluß (So) des Feldeffekttransistors mit M dem hochohmigen Eingang eines der jeweils in den abgehenden Leitungen am Ausgang der Koppelfeldanordnung liegenden Ausgangsverstärkers (A, B...) verbunden ist, daß die Ausgangsverstärker Gleichspannungs-Analogverstärker sind, daß der Ausgangsverstärker mittels einer im Signal enthaltenen oder dem Signal zugesetzten Gleichspannung schaltbar ist und daß der Ausgangsverstärker neben dem gleichstromführenden Ausgangsweg einen gleichstromführenden Gegenkopplungsweg (R 6, R7) aufweise und daß in jedem dieser Wege zumindest eine Diode- (DX, 02) in Flußrichtung eingeschaltet ist

2. Koppelfeldeinrichtung nar""3 Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Signal an den Ausgangsverstärker gelangende Gleichspannung im Falle, daß die ankommenden Signale Wechselspannungssignale sind, einem Spannungsteiler (R 1, R2) entnommen und dem Drain-Anschluß (Z>r,Jzugeführt wird.

3. Koppelfeldeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Spannungsteiler und dem Drain-Anschluß ein Gleichspannungsverstärker vorgesehen ist, dessen Ausgangswiderstand klein gegen den Widerstand des « geöffneten Feldeffekttransistors ist.

4. Koppelfeldeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler und gegebenenfalls der Eingang des Gleichspannungsverstärkers hochohmig gegen den Wellenwiderstand der ankommenden Leitung ist.