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Elektronische -Koppelfeldeinrichtung mit Feldeffekttransistoren 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.
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Die Erfindung betrifft eine Koppelfeldeinrichtung mit Feldeffekttransistoren
als Koppelelemente; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Koppelpunkt ein
yeldeffekttransistor vorgesehen ist, dessen Drain-Anschluß mit der nicht geerdeten
Ader einer der ankommenden leitungen verbunden ist, dessen Bulk-Anschluß mit dem
Bezugspunkt der Schaltung verbunden ist, dessem Gate-Anschluß die zum Betätigen
des Koppelelementes erforderliche Schaltspannung, gegebenenfalls über ein Entkopplungsnetzwerk,
zugeführt ist, dessen Source-Anschluß mit dem hochohmigen Eingang eines der Ausgangsverstärker
verbunden ist, die Gleichspannungsverstärker sind und daß der jeweilige Ausgangsverstärker
durch einen leitend geschalteten Feldeffekttransistor in Betrieb gesetzt wird, indem
mit dem Signal über den Feldeffekttransistor hinweg eine-Gleichspannung an den Eingang
des Ausgangsverstärkers gelangt.
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Es ist bekannt, daß Peldeffekttransistoren als Schalter verwendet
werden können z.B. auf anderen Gebieten der Nachrichtentechnik als Schalter zur
Modulation oder in Zerhackeranordnungen.
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Die Erfindung und ihre Einzelheiten werden anhand der Abbildungen
für einige Ausführungsbeispiele im folgenden näher erläutert: Fig.1 zeigt das Prinzipschaltbild
eines Koppelfeldes, bei dem die leitungen 1, 2, 3, 4...n 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 nur einer ankommenden Leitung ohne gegenseitige Beeinflussung verbunden
werden können. Die als Koppelelemente dienenden Feldeffekttransistoren
FET
sind durch ein Schaltsymbol angedeutet.
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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 1 ankommendes Signal
gelangt über den Koppelkondensator Co an den Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors
FET. Der Bulk-Anschluß Bu ist mit dem Bezugspunkt (-) der Schaltung verbunden, dem
Gate-Anschluß Ga wird über die Widerstände R3 und R4 eine Sperrspannung zugeführt,
die bei Betätigung des Schalters S aufgehoben werden kann, indem der Verbindungspunkt
der Widerstände R3 und R4 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-Varstärkers B
zugeführt werden.
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Dieser Verstärker besteht aus den beiden Transistoren T1 und T2 und
den Widerständen R5, R6, R7, R8. Die Widerstände R6 und R7 dienen zur Gegenkopplung
und machen den Eingang des Verstärkers ausreichend hochohmig; denn der Eingangswiderstand
eines solchen Verstärkers muß so hochohmig sein, daß die gewünschte Anzahl von Verstärkern
gleichzeitig an eine ankommende Leitung angeschaltet werden kann, ohne daß sie sich
gegenseitig beeinflussen. Der Ausgang des Verstärkers ist mit der abgehenden Leitung
b verbunden, wobei der Widerstand R8 zur Anpassung an den Z-Wert der abgehenden
Leitung dient.
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Nach einem Teilmerkmal der Erfindung gelangt mit dem Signal 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 nur eine Polarität gegen den
Bezugspunkt aufweisen. Bei manchen 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 Pig.2 dargestellt --über einen Spannungsteiler R2 -zugesetzt werden. Bei durchgeschaltetem
Feldeffekttransistor
gelangt diese Gleichspannung an die Basis
des Transistors T1 und macht ihn damit funktionsfähig für die Verstärkung des Signals.
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Der Sperrwiderstand von Feldeffekttransistoren ist außerordentlich
groß. Bei höheren Prequenzen ist die Sperrwirkung eines Feldeffekttransistors hauptsächlich
durch die Kapazitäten zwischen den Elektroden bestimmt.
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Fig.3 zeigt das für höhere Prequenzen 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. Über die Kapazitäten C1 bis C6 gelangen
jedoch Hochfrequenzanteile auf den Widerstand R. Durch den geerdeten 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 C1 bis C6-
ist, geerdet, so sind auch noch die Kapazitäten C5 und C6 sowie C4 für die Übertragung
vom Eingang zum Ausgang unwirksam. Als Koppelkapazität verbleibt nur noch Ci.
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Diese Kapazität ist aber im wesentlichen die Kapazität zwischen den
beiden Anschlüssen und ohnehin sehr klein; ihr Einfluß kann durch AbschirmmaBnahmen
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 Elektroden hat,
z.B. noch einen weiteren Gate-Anschluß, müssen sinngemäß diese weiteren Anschlüsse
mindestens wechselstrommäßig ebenfalls geerdet werden, um bei höheren Frequenzen
eine gute Entkopplung zwischen Ausgang und Eingang zu erreichen.
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Es ist gelegentlich nötig, vorhandene Koppelfeldeinrichtungen zum
Schalten weiterer Leitungen zu erweitern (Fig.4), Dazu 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 abgeschlossen
sind. Ferner ist es nötig, daß Ausgänge parallelgescha°ltet werden müssen; 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 vernachlässigbaren inneren
Widerstand haben. Zur Vermeidung dieser Belastung wird in Weiterbildung der Erfindung
in die Ausgangsleitungen der Ausgangsverstärker je eine Diode D2 (Fig.2) geschaltet,
die jene zusätzliche Belastung verhindert. Zum Ausgleich der durch diese Diode entstehenden
nichtlinearen Verzerrungen ist im Gegenkopplungsweg eine weitere Diode D1 vorgesehen.
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Die Eingänge der erfindungsgemäßen Koppelfeldeinrichtung werden ferner
zweckmäßigerweise so ausgestaltet, daß sie wahlweise hochohmig oder mit dem Wellenwiderstand
der Leitung abschließbar sind. Für Koppelfeldeinrichtungen, die bis zu sehr hohen
Frequenzen einsetzbar sein sollen, kann es vorteilhaft sein, auch an die Eingänge
der Koppelfeldeinrichtung Verstärker zu legen, die einen niedrigen Innenwiderstand
haben.
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Diese Verstärker müssen demzufolge ebenfalls Gleichspannungsverstärker
sein, damit ihr Arbeitspunkt beim Durchschalten des Feldeffekttransistors gleichzeitig
die Arbeitspunkteinstellung des entsprechenden Ausgangsverstärkers einstellt.
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Wenn das Koppelfeld Signale schalten soll) die impuls-artigen Charakter
haben und nur die Kriterien "ein" oder "aus" enthalten, kann auf Analogverstärker
in den Ein- und Ausgängen verzichtet werden. an ihrer Stelle- können Triggeranordnungen
verwendet werden. In diesem Pall ist es dann möglich, mit dem Koppelfeld Spannungen
zu übertragen, die wesentlich höher als die zulässigen Sperrspannungen des Feldeffekttransistors
sind, denn zum Ansteuern der Trigger sind nur relativ kleine Spannungen nötig, sie
können aber größere Spannungen abgeben.
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In Fig.2 wird der Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors über die
Widerstände R3 und R4 mit der Spannung U verbunden 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 mit dem
Bezugspotential verbunden ist.
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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.
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Die Beschreibung der Erfindung bezog sich bisher auf Koppelfeldeinrichtungen,
die unsymmetrisch aufgebaut sind. Natürlich läßt sich die ganze Anordnung symmetrisch
machen, indem beispielsweise die Schaltung spiegelbildlich aufgebaut wird. Ferner
können die Verstärker mit symmetrischen Eingängen bzw. Ausgängen versehen sein,
wobei die Koppelelemente selbst weiterhin unsymmetrisch schalten. Bei diesen beiden
Varianten haben die symmetrischen Eln- und Ausgänge zwangsläufig eine Mittelpunkterdung.
Sind die Leitungen potentialfrei und symmetrisch geführt, so können Übertrager zum
Symmetrieren benutzt werden.
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In diesem Fall muß bei den Ausgangsverstärkern dafür gesorgt werden,
daß der Gleichstrom so fließt, als ob ein ohmscher Abschluß vorhanden wäre; dazu
muß in Reihe mit dem Übertrager ein Widerstand R8'= R8 eingefügt und mit einem ausreichend
großen Kondensator überbrückt werden (Fig.5). Im Falle der Zusammenschaltung mehrerer
Koppelfeldeinrichtungen, z.B. wie in Fig.4, genügt ein Übertrager pro Leitung; die
Ausgangsverstärker werden vor dem Übertrager zusammengefaßt, damit die gegenseitige
Entkopplung durch die Dioden D2 weiterhin gewährleistet ist.
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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, um eine ausreichende Entkopplung
zu bewirken.
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Ein weiterer Vorteil der Durchschaltung eines mit Gleichspannung überlagerten
Nutzsignales ergibt sich zusammen mit der Methode, den Bulk-Anschluß an den Bezugspunkt
anzuschließen.
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Dadurch wird die sperrbare Signalspannung ,so groß wie die Signalspannung
selbst, während bsi der üblichen Betriebsart, bei der der Bulk-Anschluß mit dem
Source-Anschluß verbunden ist oder nur Signal-Wechselspannungen geschaltet werden,
die sperrbare negative Spannung nur ca. 0,7 V beträgt.
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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. Ferner ist die pro Koppelelement benötigte Steuerleistung
sehr gering.
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Bei Betriebsspannungsausfall sind alle abgehenden leitungen in erwünschter
Weise gesperrt, da alle Ausgangsverstärker ebenfalls außer Betrieb sind.