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Schaltung zur Kompensation verteilter Streukapazitäten Die Erfindung
betrifft eine Schaltung, die zur Kompensation in hochfrequenten Schaltkreisen verteilter
Streukapazitäten dienen kann. Sie verwendet dazu eine die zu kompensierenden Bauelemente
umgebende elektrisch leitende Abschirmhülle.
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Eine störende Eigenschaft hochfrequenter Schaltungen sind die verteilten
Streukapazitäten, die einerseits zwischen den einzelnen Bauelementen der Schaltkreise
untereinander, vor allem aber andererseits zwischen solchen Bauteilen und Erde wirksam
sind. Sie begrenzen auf der einen Seite die obere zulässige Grenzfrequenz der Schaltung
und führen andererseits, was vielfach noch stärker ins Gewicht fällt, zusammen mit
den im Schaltkreis liegenden Induktivitäten zur Ausbildung von Schwingkreisen, deren
Resonanzfrequenzen im Übertragungsbereich liegen können und damit diesen entsprechenden
Frequenzbereich für die übertragung von Nutzsignalen unbrauchbar machen.
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Ein bekannter Versuch, hier Abhilfe zu schaffen, besteht darin, die
mit einer solchen Streukapazität behafteten Bauelemente mit einer elektrisch leitenden
Abschirmhülle zu umgeben. Auf diese Weise gelingt es zwar, die Streukapazität an
eine fest vorgegebene Stelle der Schaltung zu legen, sie bleibt als solche aber
immer noch erhalten, so daß die eingangs erwähnten nachteiligen Auswirkungen ebenfalls
weiter vorhanden sind.
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Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, diese unerwünschten Streukapazitäten
insofern überhaupt zum Verschwinden zu bringen, daß an ihre Stelle im wesentlichen
rein ohmsche Widerstände treten, so daß zwar immer noch eine Belastung der Schaltung
vorhanden ist, die sich aber bei allen Frequenzen in gleicher Weise auswirkt und
dementsprechend nicht mehr zu einer Verfälschung der Wirksignale führest kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abschirmhülle
mit dem abzuschirmenden Bauelement über einen oder mehrere ohmsche Widerstände verbunden
ist, deren Größe gleich dem Wellenwiderstand des durch die Abschirmhülle und das
Bauelement bis zur Verbindungsstelle gebildeten Zweipols ist.
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Bei einer aus mehreren Teilen zusammengesetzten Abschirmhülle, wie
sie zur Anpassung an das zu kompensierende Bauelement mitunter erforderlich ist,
ist es vorteilhaft, die Erfindung derart auszugestalten, daß die einzelnen Teile
der Abschirmhülle untereinander und mit dem abzuschirmenden Bauelement über ohmsche
Widerstände solcher Größe verbunden sind, daß. jeder aus einem Teil der Hülle und
des Bauelementes gebildete Zweipolabschnitt jeweils mit seinem Wellenwiderstand
abgeschlossen ist.
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Der Aufbau und die Funktionsweise der erfm-_dungsgemäßen Schaltung
seien im folgenden an Hand zweier Ausführungsbeispiele noch etwas näher erläutert.
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Das in der Hochfrequenztechnik am häufigsten verwendete Differenzierglied
besteht aus einer Kapazität im Längs- und einem ohmschen Widerstand im Querzweig.
Führt man dieser Schaltung eingangsseitig einen Spannungssprung zu, so kann man
ausgangsseitig einen Impuls abnehmen, der eine relativ steile Vorderflanke hat,
dann jedoch exponentiell abfällt, also eine wesentlich längere Rückflanke aufweist,
dem Ideal eines Rechteckimpulses mithin nicht sehr nahekommt. Die Versteilerung
der Rückflanke läßt sich in bekannter Weise dadurch erzielen, daß man statt der
Kapazität ein leer laufendes Kabelstück verwendet, dem ein ohmscher Widerstand in
Serie geschaltet ist. Dazu muß man jedoch das Kabel einseitig abschließen, um einen
Rechtsausgangsimpuls zu erhalten und dabei die Bedingung einhalten, daß der Wellenwiderstand
des Kabels gleich der Summe aus dem zu ihm in Serie liegenden ohmschen Widerstand
und aus dem im Querzweig liegenden ohmschen Widerstand ist. Außerdem ist dann, wenn
man längere Ausgangsimpulse wünscht, ein relativ langes Kabel erforderlich - für
eine Impulslänge von 1 ns benötigt man etwa 20 cm Kabellänge - ein solches Kabelstück
weist dann eine beträchtliche Kapazität gegen Erde auf, die sich dem Abschlußwiderstand
im Querzweig parallel schaltet.
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Kann man die erste Bedingung noch hinnehmen, so macht die zweite die
Schaltung, völlig unbrauchbar,
da der Abschlußwiderstand meist eine
unumgängliche induktive Komponente aufweist; die zusammen mit der Erdkapazität das
Entstehen von überschwingern hervorruft, welche die angestrebte Rechteckform des
Ausgangsimpulses wieder zunichte machen.
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Dieser Nachteil der bekannten Schaltung läßt sich dadurch beseitigen,
daß man um das Differenzierkabel K1 in der in F i g. 1 dargestellten Weise einen
konzentrischen Abschirmmantel K2 von gleicher Länge legt. Dieser bildet mit dem
Außenmantel des Differenzierkabels K1 ein Koaxialkabel, dessen Wellenwiderstand
den Wert Z2 hat. Schließt man dieses Koaxialkabel, d. h. also den durch das abzuschirmende
Bauelement - hier das Differenzierkabel K1 - und die Abschirmhülle K2 gebildeten
Zweipol an dem Ende, das dem Ausgangswiderstand R2 im Querzweig entgegengesetzt
ist, erfindungsgemäß mit seinem Wellenwiderstand ab, indem man einen entsprechenden
ohmschen Widerstand Z2 zwischen den Außenmantel des Kabels K1 und der Abschirmhülle
K ., einfügt, so schaltet sich dem Abschlußwiderstand R, an Stelle einer Erdkapazität
des Kabels K1 der reelle Widerstand Z2 parallel. Dies bedeutet zwar einen gewissen
Verlust an Signalleistung, dieser ist jedoch frequenzunabhängig und beeinträchtigt
also die Form des Ausgangsimpulses nicht. Wählt man den Ausgangswiderstand R2 klein
gegenüber dem erfindungsgemäßen Abschlußwiderstand Z2, so kann man diesen Verlust
sogar vernachlässigbar klein halten. Der in der F i g. 1 weiter gezeigte, in Serie
zu dem Kabel K1 liegende Widerstand R1 dient lediglich zur Einhaltung der obenerwähnten
Summenbedingung für den Widerstand.
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F i g. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform einer solchen erfindungsgemäßen
Differenzierschaltung. Den Eingang dieser Differenzierschaltung bildet wieder ein
ohmscher Widerstand R1 in Serie mit einem Kabel K1. das von einer Abschirmhülle
K2 umgeben und zusammen mit dieser an seinem freien Ende durch den Wellenwiderstand
Z2 des aus dem Kabel K1 und der Abschirrnhülle K2 gebildeten Zweipols abgeschlossen
ist. An das Kabel K1 schließt sich weiter der in Basisschaltung eingefügte Transistor
T an, dessen Eingangswiderstand in dieser Schaltung in der Größenordnung von einigen
Ohm liegt, während bei dem praktischen Ausführungsbeispiel der Wert des Wellenwiderstandes
über 100 S2 betrug. Dementsprechend gilt für den ohmschen Widerstand R1, der ungefähr
gleich dem Wellenwiderstand des nicht abgeschirmten Kabelstücks Kl ist, ein Wert
von etwa 50 Q.
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Die mit der Basis des Transistors T verbundene Spannungsquelle U1
wird zusammen mit ihrem inneren Widerstand R; l am zweckmäßigsten in Form einer
Abzweigschaltung realisiert, bei der Induktivitäten im Längszweig mit Kapazitäten
im Querzweig miteinander verbunden sind und mindestens zu jeder Kapazität je ein
ohmscher Widerstand in Serie geschaltet ist und mindestens die Kapazitätswerte der
jeweils vorangehenden Stufe die der folgenden überschreiten. Eine solche Abzweigschaltung
führt nämlich zu einer Spannungsquelle, die durch ein Ersatzschaltbild aus einer
Spannung in Serie mit einem bei beliebigen Frequenzen rein ohmschen Innenwiderstand
dargestellt werden kann. Für die Größe des Innenwiderstandes Rt i sollte zweckmäßigerweise
gelten, daß er wesentlich kleiner ist als der Widerstand R1, um einen möglichst
kleinen Eingangswiderstand des Transistors zu erreichen.
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Der erfindungsgemäße Abschlußwiderstand Z2 liegt in der Schaltung
nach F i g. 2 zwischen dem Emitter des Transistors T und Masse. Er dient daher gleichzeitig
als Stabilisierungswiderstand für den Emitterstrom. An den Ausgangsklemmen der in
F i g. 2 dargestellten Differenzierschaltung können unabhängig von der Steilheit
des Spannungssprunges an der Eingangsseite Rechteckimpulse abgenommen werden, die
beispielsweise bei einer Länge von 3 ns eine Flankensteilheit von 0,5 ns aufweisen.
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Als zweites Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung
sei eine Verstärkerstufe mit Stromgegenkopplung beschrieben, wie sie häufig verwendet
wird, um Verstärker mit hohem Eingangswiderstand zu erzielen.
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Bei einer derartigen Schaltung wird zur Verminderung des Einflusses
der Erdkapazitäten insbesondere des ersten Verstärkerelementes auf den Frequenzgang
eine leitende Abschirmhülle verwendet. Diese ist dabei so gelegt, daß die Streukapazität
des Eingangs der ersten Verstärkerstufe auf die Abschirmhülle konzentriert wird,
die ihrerseits an den Verbindungspunkt von Verstärker und Gegenkopplungswiderstand
angeschlossen ist. Man erreicht damit, daß die Eingangskapazität in den Eingangswiderstand
nur um den Faktor des Gegenkopplungsgrades vermindert eingeht. Störend bleibt dabei
jedoch, daß nun die Abschirmung, die in der F i g. 3 durch einen Schirm S symbolisiert
wird, eine sehr große Kapazität gegen Masse aufweist, die sich dem Ausgangswiderstand
parallel schaltet und bei hohen Frequenzen ebenfalls zu einer Herabsetzung des wirksamen
Eingangswiderstandes führt.
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Schließt man dagegen den aus der Abschirmung S und der Erdleitung
gebildeten Zweipol erfindungsgemäß durch einen verbindenden Abschlußwiderstand R2,
dessen Größe dem Wellenwiderstand dieser Leitung entspricht, ab, so erhält man als
wirksamen Widerstand zwischen dem Schirm S an seiner Eingangsklemme E' und Masse
einen frequenzunabhängigen Eingangswiderstand der Größe R2. Der parallel dazu in
der F i g. 3 eingefügte Widerstand R1 dient lediglich dazu, den geforderten Gegenkopplungswiderstandswert
R aufrechtzuerhalten, für den die Bedingung gilt, daß er gleich dem Widerstand der
Parallelschaltung von R1 und R2 ist. Der günstigste Fall für die Bemessung dieser
Widerstände liegt dabei darin, daß man sie gleich dem doppelten Wert des Gegenkopplungswiderstandes
macht, da man dann einen beidseitigen Abschluß der aus der Masseleitung und der
Abschirmung S gebildeten Leitung jeweils mit dem zugehörigen Wellenwiderstand erhält.
Die Verstärkerstufe V selbst ist in F i g. 3 eingangs- und ausgangsseitig über die
Klemme E' mit der Abschirmung S verbunden.