DE2436255C3 - Dämpfungsfreier elektronischer Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen dämpfungsfreien elektronischen Schalter, insbesondere als Halblsiterkoppelpunkt in Raumvielfachkoppelfeldern der Fernsprech- Rx ist der mit dem leerlaufstabilen Negativwiderstand in Serie geschaltete ohmsche Widerstand, dessen Widerstandswert gleich dem Betrag des Negativwider standswertes sein soll. ß\ ist der Stromverstärkungsfak tor des Transistors Ts 1 in Emitterschaltung.

Dämpfungsfreiheit des Koppelpunktes besteht dann, wenn Z=O ist Ein Koppelbaustein mit derartigen dämpfungsfreien Halbleiterkoppelpunkten ist in der Regel nur in Hybridtechnik (Dickfilm- oder Dünnfilmtechnik) realisierbar. Eine monolithische Integration dieses dämpfungsfreien Koppelpunktes in Koppelbausteinen ist praktisch nicht möglich, weil die /?,-Toleranzen zu groß sind und sich in erheblichem Maße auf den Wert des Negativwiderstandes auswirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem dämpfungsfreien elektronischen Schalter der eingangs genannten Art dii aufgezeigten Nachteile zu beseitigen.

Insbesondere soll ein dämpfungsfreier elektronischer Schalter angegeben werden, der sich problemlos, also ohne große Fertigungstoleranzen, monolithisch integrieren läßt.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte

'" Erfindung gelöst. Der negative Widerstand des Schalters ist bei genügend hohen Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren Ts 1 und Ts 2 praktisch nur noch von den Widerstandstoleranzen seiner Widerstände abhängig. Für einen Negativwiderstand von -100 Ω läßt sich beispielsweise ein Gesamtwiderstand Z=O mit einem maximalen Fehler von etwa ± 1 Ω realisieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Wird ein derartiger Schalter als Koppelpunkt in

^M einem Koppelbaustein verwendet, in welchem mehrere Koppelpunkte in integrierter Form zusammengefaßt sind, so ist nachteilig, daß eine zusätzliche Bedämpfung auftritt, wenn ein Koppelpunkt durch Sperren eines

Steuertransistors eingeschaltet ist, während die anderen, an der gleichen Spalte des Koppelfeldes liegenden Koppelpunkte durch ihren leitenden und übersteuerten Steuertransistor gesperrt sind. Der Widerstand A₃ des gesperrten Koppelpunktes liegt dann über den leitenden Steuertransistor praktisch an Masse und bedingt eine zusätzliche Querdämpfung des durchgeschalteten Leitungszugs. Daher wird in einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, zwischen dem Basisanschluß des NPN-Transistors und dem ersten Widerstand einen weiteren Transistor zu schalten, dessen Emitter mit der Basis des NPN-Transistors und dessen Kollektor mit dem ersten Widerstand verbunden ist und dessen Basis von einem zweiten Steuertransistor 7s5 gesteuert ist

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 gibt eine vorteilhafte Lösung zur Ansteuerung dieses weiteren Transistors.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig.2 Schaltung eines dämpfungsfreien Halbleiterkoppelpunktes gemäß der Erfindung,

F i .g. 3 Schaltung der Weiterbildung zur Verwendung des Halbleiterkoppelpunktes in einem Koppelbaustein,

F i g. 4 Schaltung eines Koppelbausteins mit Koppelpunkten gemäß F i g. 3,

F i g. 5 Kennlinie eines Negativwiderstandes.

in Fig.2 ist die Schaltung eines dämpfungsfreien Halbleiterkoppelpunktes gemäß der Erfindung dargestellt Als Durchschaltelement sind in der Nachrichtenleitung 1, 2, liegende Halbleiter Tsί und 7s2 vorgesehen, die gleichzeitig zu einer Entdämpfung der durchgeschalteten Signale in beiden Übertragungsrichtungen ausgenutzt werden, so daß ihre Durchschaltdämpfung zumindest aufgehoben wird. Die Durchschaltehalbleiter sind als steuerbarer, leerlaufstabiler Negativwiderstand in Serie mit einem ohmschen Widerstand R] geschaltet und der Absolutwert des Negativwiderstandes weist mindestens denselben Wert auf wie der ohmsche Widerstand R].

Der leerlaufstabile Negativwiderstand besteht aus der Kombination des NPN-Transistors Ts ί und des PNP-Transistors TsZ Der Emitter des NPN-Transistors ist mit einem ersten Anschluß des Negativwiderstandes,

die Basis des NPN-Transistors ist zum einen über einen ersten Widerstand A₃ mit einem zweiten Anschluß des Negativwiderstandes und zum anderen über einen dritten Anschluß (Steueranschluß) direkt mit dem Kollektor eines ersten Steuertransistors Ts3 und der Kollektor des NPN-Transistors ist zum einen direkt mit der Basis des PNP-Transistors und zum anderen über einen zweiten Widerstand R_C\ mit dem zweiten Anschluß des Negativwiderstandes verbunden.

Gemäß der Erfindung sind der Emitter des NPN-Transistors außerdem über einen dritten Widerstand /?C2mitdem Kollektor des PNP-Transistors, die Basis des NPN-Transistors außerdem über eine Reihenschaltung eines vierten Widerstandes Ri und einer Diode D mit dem Kollektor de.« PNP-Transistors und

der Emitter des PNP-Transistors direkt mit dem zweiten Anschluß des Negativwiderstandes verbunden.

Die Diode, welche in Reihe mit dem vierten Widerstand Ri geschaltet ist, ist derart gepolt, daß sie durch eine den NPN-Transistor Ts 1 sperrende Basisspannung ebenfalls gesperrt ist.

Der dämpfungsfreie Schalter ist zwischen den Sekundärwicklungen der Übertrager Ue 1 und Ue 2

geschaltet. Das eine Ende der Sekundärwicklung des Übertragers Ue 1 liegt an Masse und damit am negativen Pol der Betriebsspannungsquelle U₀. Das andere Ende 1 der Sekundärwicklung ist über den zum dämpfungsfreien Schalter gehörenden ohmschen Widerstand R] am ersten Anschluß und damit am Emitter des Transistors Ts 1 des bereits beschriebenen Negativwiderstandes angeschlossen.

Der zweite Anschluß des Negativwiderstandes, also der Verbindungspunkt der Widerstände Rj, Ra und des Emitters des Transistors Ts 2, führt zum Anschluß 2 der Sekundärwicklung des Übertragers Ue 2. Das nicht am Schalter angeschlossene Ende der Sekundärwicklung des Übertragers Ue 2 liegt durch einen Kondensator für Wechselstrom auf Masse und ist durch den Widerstand Λο mit dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle Uo verbunden.

Der Negativwiderstand entspsicht in diesem Falle einem zweistufigen, mitgekoppelten Gleichstromverstärker, der als Zweipol betrieben ist Die Mitkopplung erfolgt vorn Kollektor des Transr :>jrs 7s 2 auf die Basis des Transistors Ts I über den Widerstand R₂ und die Diode.

Für U=OV sind die Transistoren 7s 1 und Ts 2 gesperrt Wird die Spannung Uo erhöht, dann fließt zunächst ein Strom durch die einen Spannungsteiler für den Transistor Ts 1 bildende Bauelementenkette Rc2, /?2, D, R}. Bei weitersteigender Spannung Lb wird durch die Spannung an den Bauelementen Rc2. Ri und die Diode D der Transistor Ts 1 stromführend, so daß nun eine Spannung am Widerstand Rc] entsteht Bis zu diesem Strom durch den Negativwiderstand hat der Negativwiderstand noch einen positiven Widerstandswert

Bei weiterem Anstieg der Spannung i/o steuert die Spannung am Widerstand Ra den Transistor Ts 2 an seiner Basis so weit aus, daß auch er stromführend wird. Dieser Strom bewirkt am Widerstand Rci einen zusätzlichen Spannungsabfall, welcher die Aussteuerung des Transistors Ts 1 unterstützt, so daß dadurch auch wiederum die Spannung am Widerstand Rc ι und Jamit die Aussteuerung des Transistors Ts 2 größer wird. In diesem Gebiet des Stromes durch den Negativwiderstand besitzt der Negativwiderstand durch die geschilderte Rückkopplung eine negative Kennlinie.

Ab einem durch die Bemessung der Widerstände vorgegebenen Strom gelangen die Transistoren in den Sättigungsbereich und werden übersteuert. Von da ab bewirkt die weitere Erhöhung der Spannung Uo mit der Vergrößerung des Stromes durch den Negativwiderstand wieder ein Ansteigen der Spannung am Negativwiderstand, so daß von da ab sein Widerstandsw'v.-t wieder positiv ist

Die Kennlinie des Negativwiderstandes ist in F i g. 5 dargestellt Absüsse ist der Strom duroh den Negativwiderstand, Ordinate die Spannung am Negativwiderstand. Der negative Widerstandsbereich (Kennlinie mit negativer Steigung) liegt zwischen den Koordinaten (Up, Ip) und (Lq, Iq) im Bereich II. Im Bereich I ist der Transistor Ts2 gesperrt. Im Bereich I]I ist mindestens einer der beiden Transistoren übersteuert. Die Kennlinie zeigt, daß es sich um einen leerlaufstabilen Negativwiderstand handelt

Der optimale Arbeitspunkt für den Negativwiderstand liegt bei den Werten U* I, der F i g. 5, also in der Mitte des negativen Kennlinienbereiches. Dieser Arbeitspunkt ist durch die von der Betriebsspannungsquel-

le Uo und dem Widerstand Ro gebildeten Stromquelle stabil einstellbar.

Die Wirkungsweise des dämpfungsfreien Schalters gemäß Fig.2 ist folgende: Wird der Steuertransistor Ts 3 durch die Steuerspannung Usi an seiner Basis gesperrt, dann stellen sich die Transistoren Ts 1 und Ts 2 auf einen durch den Widerstand Ro und die Betriebsspannungsquelle Uo bestimmten Strom ein und der Schalter nimmt einen definierten negativen Widerstandswert an, der durch den ohmschen Widerstand R₁ kompensiert wird und so die Dämpfungsfreiheit des Schalters bewirkt.

Wird hingegen der Steuertransistor Ts 3 durch die Steuerspannung Usi leitend gesteuert und übersteuert, dann wird die Diode D durch die negative Emittervorspannung U\ des Transistors Ts 3 in Sperrichtung vorgespannt. Die negative Kollektorspannung des Steuertransistors Ti 3 bewirkt außerdem, daß die Trsrisislcrcf« Ts 1 und Ts 2 ^CTcs^rterrl v^e^r/^**ⁿ ^^a ftir H^n Transistor Ts 1 die Basis negativ gegen seinen Emitter wird und der damit gesperrte Kollektorstrom an dem Kollektorwiderstand /?<-i keinen Spannungsabfall verursacht, so daß auch an der Basis-Emitterstrecke des Transistors Ts 2 keine Spannung liegt und damit der Transistor Ti 2 ebenfalls gesperrt ist.

Der Gesamtwiderstand Z des Koppelpunktes ist gegeben durch die Gleichung

Z« Äi - /?3 · RC2/R2 ■

In dieser Gleichung ist lediglich vorausgesetzt, daß die Emitter-Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren Ts 1 und Ts 2 genügend groß sind, daß sie beispielsweise > 80 sind.

Bei der monolithischen Realisierung eines Koppelbausteins mit diesen dämpfungsfreien Halbleiterkoppelpunkten hängt es also nur noch von den monolithischen Koppelpunktwiderständen ab, wie groß die Abweichung von der Dämpfungsfreiheit (Z=O) ist. Der Wert eines monolithischen Widerstandes R_m ist gegeben durch die Beziehung

In dieser Gleichung bedeuten:

Rf Flächenwiderstand, /_m Widerstandslänge, b_m Widerstandsbreite.

Der Flächenwiderstand Rf ist auf einem Halbleiterchip zumindest bis zur Größe eines Koppelbausteins (maximal 5 - 5 mm²) mit Sicherheit konstant Die Widerstandslänge I_n, und die Widerstandsbreite b_m sind mit einem maximalen Fehler von 2% behaftet wobei die Bezugsgröße die kleinstmögliche Länge bzw. Breite des Widerstandes ist die hier mit 15μπι zugrunde gelegt wurde.

Zweckmäßigerweise werden sämtliche integrierten Widerstände mit konstanter Widerstandsbreite von beispielsweise 30 μπι hergestellt Es läßt sich dann ein monolithisch integrierter Koppelbaustein mit diesen entdämpften Halbleiterkoppelpunkten realisieren, der nur mit einem relativ geringen Fehler vom gewünschten Gesamtwiderstand Z=O abweicht Für einen Negaiivwiderstand von -100 Ω ist beispielsweise eine Kompensation auf Z=O mit einem maximalen Fehler von etwa ± 1 Ω möglich.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen dämpfungsfreien Schalters als Koppelpunkt in einem Koppelfeld ist jedoch von Nachteil, daß eine zusätzliche Bedämp-') fung auftritt, wenn ein Koppelpunkt durch Sperren eines Steuertransistors Ts 3 eingeschaltet ist, während die anderen, an der gleichen Spalte liegenden Koppelpunkte durch ihren leitenden und übersteuerten Transistor Ts 3 gesperrt sind. Der Widerstand A₃ des

in gesperrten Koppelpunktes liegt über den leitenden

Steuertransistor Ts3 praktisch an Masse und bedingt

eine zusätzliche Querdämpfung des durchgeschalteten

Leitungszugs. In Fig.3 ist eine Weiterbildung der Erfindung

υ gezeigt, bei der dieser genannte Nachteil vermieden wird. Hier ist zwischen dem Basisanschluß des NPN-Transistors Ts 1 und dem zweiten Widerstand Ri ein weiterer Transistor Ts 4 geschaltet, dessen Emitter .Tli! der Basis des NIPN-Transislnrs und Hp«en Kollektor mit dem zweiten Widerstand verbunden ist und dessen Basis von einem zweiten Steuertransistor Ti 5 gesteuert ist. Der Emitteranschluß des Transistors Ts 5 ist praktisch mit der gleichen Spannung wie der Emitteranschluß des Transistors Ti 3 negativ vorge-

2> spannt. Im Ausführungsbeispiel wurde eine gleiche Vorspannung - U\ gewählt. Die Basisanschlüsse der Transistoren Ts 3 und TiS sind hier direkt miteinander verbuken. Der Kollektor des Transistors Ti 5 ist über einen Kollektorwiderstand R* an einer Spannungsquelle

ίο Lh angeschlossen.

Sind die Transistoren Ti 3 und Ti 5 durch die Steuerspannung i/s» gesperrt so liegt die Basis des Transistors Ts4 über den Widerstand A4 an der Spannung + U₂. Der Negativwiderstand liegt jedoch

υ über den Übertrager Ue 1 praktisch an Massepotential, so daß der Transistor Ti 4 voll durchgesteuert wird.

Damit entspricht dieser Betriebszustand demjenigen

des durchgeschalteten Koppelpunktes gemäß F i g. 2.

Werden zum Sperren des Koppelpunktes die

4n Transistoren Ti 3 und Ts 5 durch die Steuerspannung Usi durchgeschaltet, so liegt die Basis des Transistors Ts 4 infolge des Spannungsabfalls am Widerstand R₄ praktisch auf dem negativen Potential der Spannung U\ und der Transistor Ts 4 ist gesperrt Damit ist der nachteilige Stromweg des Stroms über den Widerstand R₃ und den durchgeschalteten Transistor Ts 3 bei abgeschaltetem Koppelpunkt unterbrochen, so daß der so weitergebildete Koppelpunkt beim Einbau in ein Koppelfeld im gesperrten Zustand keine zusätzliche

Bedämpfung verursachen kann.

In F i g. 4 ist die Schaltung eines Koppelbaust' ins mit dämpfungsfreien elektronischen Koppelpunkten gemäß F i g. 3 unter Verwendung jeweils zweier Steuertransistoren je Koppelpunkt dargestellt Ein derartiger Koppelbaustem enthält beispielsweise 5 · 4 Koppelpunkte. Die Koppelpunkte sind in F i g. 4 zur besseren Obersicht lediglich symbolisch dargestellt oder angedeutet

Die Teilnehmer TAi /(7= 1... 5) sind über Übertrager

und Kondensatoren Q weiche dafür sorgen, daß die Übertrager in der Teilnehmerschaltung gleichstromfrei bleiben, mit den Eingängen El... ES des Koppelbausteins verbunden. An diesen Eingängen sind im Ausführungsbeispiel jeweils 4, in der gleichen Zeile liegende Koppelpunkte angeschlossen. Zwei an den Baustein angeschlossene Teilnehmer Tin werden beispielsweise dann über eine Spaltenleitung Spk dämpfungsfrei miteinander verbunden, wenn die ent-

sprechenden Steuertran sistoren Ts 3 über die dazugehörigen Steueranschlüsse Stn, gesperrt werden /7— 1... 5; A — 1... 4).

Zur Arbeilspunkteinstellung der dämpfungsfreien Halbleitcrkoppelpunkte sind dabei in die Zeilenspalten stromeinprägende bipolare Transistoren T_£, (i=> 1 ... 5) bzw. T_Ak (k-\ ... 4) vorgesehen, die praktisch keinen Bt-'trag zur Einfügungsdämpfung liefern. Die Spaltenstromquellen T*\...Taa Können auch durch Speisedrosseln ersetzt werden.

Mit den erfindungsgemäßen Kopp^.'punkten gemäß Fig. 3mit

/?, = 100 Ω,/?;= 600 Ω, K₃=I kU,

und bei Betriebsspannungswerten

(7o = 24 V, L/, =2 V, Ui= U_B=\2 V, f_f=4 V

und einem Arbeitspunktgleichstrom von 8 mA, der mit den Stromquellen Tf, und Tu für den durchgeschalteten dämpfungsfreien llalbleiterkoppelpunkt eingestellt wird, haben die einzelnen Koppelpunkte des vollständig monolithisch integrierten Koppelbausteins folgende Eigenschaften:

Durchschaltwiderstand
Sperrdämpfung

Klirrdämpfung für die
2. und 3. Harmonische

-1 Ω...0... +1 Ω
> 90 dB, bezogen auf

>50dB

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dämpfungsfreier elektronischer Schalter, insbesondere als Halbleiterkoppelpunkt in Raumvielfachkoppelfeldern der Fernsprechvermittlungstechnik, bei dem als Durchschaltelemente in den Nachrichtenleitungen liegende Halbleiter vorgesehen sind, die gleichzeitig zu einer derartigen Entdämpfung der durchgeschalteten Signale in beiden Übertragungsrichtungen ausgenutzt werden, daß ihre Durchschaltdämpfung zumindest aufgehoben wird, bei dem die Durchschaltehalbleiter als steuerbarer, leerlaufstabiler Negativwiderstand in Serie mit einem ohmschen Widerstand geschaltet sind, der Absolutwert des Negativwiderstandes mindestens denselben Wert wie der ohmsche Widerstand aufweist, der leerlaufstabile Negativwiderstand aus der Kombination eines NPN-Transistors (Ts 1) und eines PNP-Transistors (Ts 2) besteht, wobei

der Emitter des NPN-Transistors mit einem ersten Anschluß des Negativwiderstandes, die Basis des NPN-Transistors zum einen über einen ersten Widerstand (R3) mit einem zweiten Anschluß des Negativwiderstandes und zum anderen über einen dritten Anschluß (Steueranschluß) direkt mit dem Kollektor eines ersten Steuertransistors (Ts3) und

der Kollektor des NPN-Transistors zum einen direkt mit der Basis des PNP-Transistors und zum anderen über einen zweiten Widerstand (Ra) mit dem zweiten Anschluß des Negativwiderstandes verbunden ist, dadurch gekei.nzeichnet, daß der Emitter de*, NPN-Transistors außerdem über einen dritten Widers and (Rd) mit dem Kollektor des PNP-Transistors, die Basis des NPN-Transistors außerdem über eine Reihenschaltung eines vierten Widerstandes (Ri) und einer Diode (D) mit dem Kollektor des PNP-Transistors und

der Emitter des PNP-Transistors direkt mit dem zweiten Anschluß des Negativwiderstandes verbunden ist und

daß die Diode (D) derart gepolt ist, daß sie durch eine den NPN-Transistor sperrende Basisspannung ebenfalls gesperrt ist

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des NPN-Transistors und dem ersten Widerstand ein weiterer Transistor (Ts 4) geschaltet ist, dessen Emitter mil der Basis des NPN-Transistors und dessen Kollektor mit dem ersten Widerstand verbunden ist und dessen Basis von einem zweiten Steuertransistor (TsS) gesteuert ist.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis· Emitter-Strecken des ersten und zweiten Steuertransistors (Ts 3, TsS) gemeinsam angesteuert sind und daß der Kollektor des zweiten Steuertransistors (TsS) mit der Basis des weiteren Transistors (Ts 4) zu dessen Steuerung verbunden ist.

vermittlungstechnik, bei dem als Durchschalteelemente in den Nachrichtenleitungen liegende Halbleiter vorgesehen sind, die gleichzeitig zu einer derartigen Entdämpfung der durchgeschalteten Signale in beiden Übertragungsrichtungen ausgenutzt werden, daß ihre Durchschaltdämpfung zumindest aufgehoben wird, bei dem die Durchschaltehalbleiter als steuerbarer, leerlaufstabiler Negativwiderstand in Serie mit einem ohmschen Widerstand geschaltet sind, der Absolutwert des

ίο Negativwiderstandes mindestens denselben Wert wie der ohmsche Widerstand aufweist, der leerlaufstabile Negativwiderstand aus der Kombination eines NPN-Transistors und eines PNP-Transistors besteht, wobei der Emitter des NPN-Transistors mit einem ersten

Anschluß des Negativwiderstandes,

die Basis des NPN-Transistors zum einen über einen ersten Widerstand mit einem zweiten Anschluß des Negativwiderstandes zum anderen über einen dritten Anschluß (Steueranschluß) direkt mit dem Kollektor eines ersten Steuertransistors und

der Kollektor des NPN-Transistors zum einen direkt mit der Basis des PNP-Transistors und zum anderen über einen zweiten Widerstand mit dem zweiten Anschluß des Negativwiderstandes verbunden ist (nach DE-OS2156 166).

Ein dämpfungsfreier elektronischer Schalter dieser Art ist aus der DE-OS 2156166 bekannt Bei dieser bekannten Schaltung (Fig. 1) ergibt sich der Gesamtwiderstand Zdes Koppelpunktes zu