DE1232225B

DE1232225B - Circuit for the compensation of distributed stray capacities

Info

Publication number: DE1232225B
Application number: DE1964T0027584
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wolfgang Steimle
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1964-12-10
Filing date: 1964-12-10
Publication date: 1967-01-12
Also published as: DE1232225C2

Description

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.Circuit for the compensation of distributed stray capacitances The invention relates to a circuit used to compensate in high frequency distributed circuits Stray capacitance can serve. To do this, it uses the components to be compensated surrounding electrically conductive shielding cover.

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.A disruptive property of high-frequency circuits is that they are distributed Stray capacitance, on the one hand, between the individual components of the circuits effective among each other, but above all between such components and the earth on the other hand are. On the one hand, they limit the upper permissible limit frequency of the circuit and on the other hand lead, which is often even more important, together with the inductances in the circuit to form oscillating circuits, their Resonance frequencies can lie in the transmission range and thus correspond to them Make the frequency range unusable for the transmission of useful signals.

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.A well-known attempt to remedy this situation is to use the with such a stray capacitance affected components with an electrically conductive To surround shielding cover. In this way it is possible to reduce the stray capacitance to lay a predetermined position in the circuit, but it remains as such still obtained, so that the adverse effects mentioned at the beginning also continue to exist.

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.The invention now has the task of eliminating these undesirable stray capacitances to that extent to make it disappear at all, that in their place essentially purely ohmic resistances occur, so that although there is still a load on the circuit is present, but has the same effect on all frequencies and accordingly can no longer lead to a falsification of the active signals.

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.According to the invention, this object is achieved in that the shielding sleeve connected to the component to be shielded via one or more ohmic resistors whose size is equal to the wave resistance of the through the shielding and the Component is formed up to the connection point two-pole.

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.In the case of a shielding cover composed of several parts, such as it is sometimes necessary to adapt to the component to be compensated, It is advantageous to design the invention in such a way that the individual parts the shielding with each other and with the component to be shielded via ohmic Resistors of such magnitude are connected that. each from a part of the shell and of the component formed two-pole section each with its wave resistance is completed.

Der Aufbau und die Funktionsweise der erfm-_dungsgemäßen Schaltung seien im folgenden an Hand zweier Ausführungsbeispiele noch etwas näher erläutert.The structure and the mode of operation of the circuit according to the invention are explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments.

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.The most commonly used differentiator in high frequency technology consists of a capacitance in the series branch and an ohmic resistor in the shunt branch. If a voltage jump is applied to this circuit on the input side, one can take a pulse on the output side that has a relatively steep leading edge, but then drops exponentially, i.e. has a much longer trailing edge, therefore does not come very close to the ideal of a square pulse. The steepening the trailing edge can be achieved in a known manner in that instead of the Capacitance, an idle piece of cable is used, which has an ohmic resistance in Series is switched. To do this, however, you have to terminate the cable on one side in order to get a Obtain right exit pulse while maintaining the condition that the wave resistance of the cable is equal to the sum of the ohmic resistance in series with it and from the ohmic resistance in the cross branch. Besides, then is when if you want longer output pulses, a relatively long cable is required - for a pulse length of 1 ns requires a cable length of around 20 cm - such a piece of cable then has a considerable capacitance to earth, which is the terminating resistor switches in parallel in the cross branch.

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.If the first condition can still be accepted, the second makes it Circuit, completely unusable, because the terminating resistor is usually a has an indispensable inductive component; which together with the earth's capacity The creation of overshoots, which creates the desired rectangular shape of the Nullify the output pulse again.

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.This disadvantage of the known circuit can be eliminated by that one around the differentiating cable K1 in the in F i g. 1 shown way a concentric shielding jacket K2 of the same length. This forms with the The outer sheath of the differentiating cable K1 is a coaxial cable whose characteristic impedance has the value Z2. If this coaxial cable is closed, i. H. that is, through what is to be shielded Component - here the differentiating cable K1 - and the shielding sleeve K2 formed Two-pole at the end that opposes the output resistance R2 in the shunt arm is, according to the invention, with its wave resistance by adding a corresponding Ohmic resistance Z2 between the outer sheath of the cable K1 and the shielding sleeve K., Inserts the terminating resistor R, instead of an earth capacitance of the cable K1 the real resistor Z2 parallel. This does mean a certain Loss of signal power, but this is frequency-independent and impaired so the shape of the output pulse is not. If you choose the output resistance R2 small compared to the terminating resistor Z2 according to the invention, this loss can be avoided even keep it negligibly small. The one shown in FIG. 1 further shown, in series Resistor R1 connected to cable K1 is only used to maintain the above-mentioned values Sum condition for the resistance.

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.F i g. 2 shows a particular embodiment of such a device according to the invention Differentiating circuit. The input of this differentiating circuit forms a again Ohmic resistor R1 in series with a cable K1. that from a shielding cover Surround K2 and together with this at its free end by the wave resistance Z2 of the two-pole formed from the cable K1 and the shielding cover K2 completed is. The transistor inserted in the base circuit also connects to the cable K1 T an, whose input resistance in this circuit is of the order of a few Ohm, while in the practical embodiment the value of the characteristic impedance was over 100 S2. Correspondingly, the ohmic resistance R1 is approximately is equal to the wave resistance of the unshielded piece of cable Kl, a value of about 50 Q.

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.The voltage source U1 connected to the base of the transistor T becomes together with its internal resistance R; l most expediently in the form of a Branch circuit implemented with inductances in the series branch with capacitances are connected to each other in the cross-branch and at least one for each capacity ohmic resistance is connected in series and at least the capacitance values of the each previous level exceed that of the following. Such a branch circuit namely leads to a voltage source, which by an equivalent circuit from a Voltage in series with an internal resistance that is purely ohmic at any frequency can be represented. For the size of the internal resistance Rt i should expediently apply that it is much smaller than the resistor R1 to be as close as possible to achieve small input resistance of the transistor.

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.The terminating resistor Z2 according to the invention is in the circuit according to FIG. 2 between the emitter of transistor T and ground. It therefore serves at the same time as a stabilization resistor for the emitter current. At the output terminals of the in F i g. 2 differentiating circuit shown can be independent of the slope of the voltage jump at the input side, square-wave pulses are picked up that for example, with a length of 3 ns, have an edge steepness of 0.5 ns.

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.As a second application example for the compensation circuit according to the invention an amplifier stage with current negative feedback, as it is often used, is described to achieve amplifiers with high input resistance.

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.With such a circuit, the influence is reduced of the earth capacitances in particular of the first amplifier element on the frequency response a conductive shield shell is used. This is placed so that the stray capacitance the input of the first amplifier stage is concentrated on the shielding cover, which in turn at the connection point of amplifier and negative feedback resistor connected. One achieves that the input capacitance in the input resistance is only received less by the factor of the degree of negative feedback. It remains annoying however, that now the shielding shown in FIG. 3 symbolized by a screen S. is, has a very large capacitance to ground, which is the output resistance switches in parallel and at high frequencies also reduces the effective Input resistance leads.

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.If, on the other hand, one closes the one from the shield S and the earth line formed two-pole according to the invention by a connecting terminating resistor R2, whose size corresponds to the characteristic impedance of this line, one obtains as effective resistance between the screen S at its input terminal E 'and ground a frequency-independent input resistance of the size R2. The parallel in the F i g. 3 inserted resistor R1 is only used to provide the required negative feedback resistance R for which the condition applies that it is equal to the resistance of Parallel connection of R1 and R2 is. The most favorable case for dimensioning this Resistances lies in the fact that they are equal to twice the value of the negative feedback resistance makes, because you then have a bilateral conclusion of the ground line and the Shield S formed line receives each with the associated wave impedance. The amplifier stage V itself is shown in FIG. 3 on the input and output side via the Terminal E 'connected to shield S.

Claims

Claims: 1. Circuit to compensate for distributed stray capacitances in high-frequency circuits using one of the components to be compensated surrounding electrically conductive shielding, characterized in that the Shielding shell with the component to be shielded via one or more ohmic Resistors connected to their Size equal to the wave resistance formed by the shielding shell and the component up to the connection point Is bipolar.

2. A circuit according to claim 1 with one consisting of several parts Shielding cover, characterized in that the individual parts of the shielding cover with each other and with the component to be shielded via ohmic resistances such Size are connected that each formed from a part of the shell and the component Two-pole section is completed in each case with its wave impedance.