DE2212564C3 - Elektronische Schalteranordnung für Videosignale - Google Patents

Description

einer bekannten elektronischen Schalteranordnung für den vorliegenden Zweck dargestellt Als Schaltelement für Videofrequenzen dient hierbei ein Paar komplementäre Transistoren, die an der Basis mit bezüglich Masse symmetrischen Spannungen angesteuert werden und ■-, paarweise verbundene Kollektoren und Em tter haben. Gemäß F i g. 1 sind zwei solche Sehaltelemente vorgesehen, von denen das eine, mit 1 Dezeichnete in Reihe mit der zu unterbrechenden Leitung geschaltet ist, während das andere Schaltelement 2 in einem m Parallelkreis liegt. Wenn gemäß Fig. la das Schaltelement 1 geschlossen und das Schaltelement 2 offen ist, wird das Signal mit sehr geringer Dämpfung durchgelassen. Im entgegengesetzten Fall (Fig. Ib) wird das Signal bis zur Frequen* von 5 MHz um wenig mehr als 50 dB gedämpft.

Diese bekannte Schaltung hat an sich den Vorteil, daß die spezielle Anordnung der Paare von komplementären Transistoren und die gegensinnige Steuerung der beiüen Schaltelemente einen gleichspannungsfreien Eingang und Ausgang ermöglichen und bei der Umschaltung sprunghafte Gleichspannungsänderungen am Eingang und am Ausgang vermeiden. Außerdem ist die Umschaltzeit ausreichend kurz, nämlich in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden. Ein Nachteil besteht aber darin, daß bei der Frequenz von 5 MHz die Dämpfung von nur etwa 50 dB relativ gering ist, und daß der Kurzschluß am Ausgang des offenen Schalters eine Bündelung am Ausgang, wie sie allgemein gefordert wird, unmöglich macht. Dieser Nachteil läßt jo sich im bekannten Fall teilweise vermeiden, wenn man ein weiteres Paar von Transistoren als weiteres Schaltelement 3 gemäß Fig. Ic vorsieht. In diesem Fall ergibt sich bei 5 MHz eine Dämpfung des offenen Schalters von 75 dB, doch wird dies dadurch erkauft, daß s5 acht Transistoren benötigt werden, nämlich sechs für die eigentliche Schaltfunktion und zwei zur Steuerung.

Ein weiteres Beispiel für eine elektronische Umschaltanordnung für Basisbandsignale ist die im Prinzip in Fig.2 dargesteüte, aus dem italienischen Patent 8 67 168 bekannte Schaltung. Sie hat zwei Eingänge und einen Ausgang und besteht aus zwei elektronischen Schalteranordnungen I und II, die gleichartig aufgebaut und zwischen die umzuschaltenden Kanäle Ii und I2 und den gemeinsamen Ausgang U geschaltet sind. Sie werden durch komplementäre Steuersignale betätigt. Diese bekannte Umschaltanordnung ist zwar günstig hinsichtlich der Dämpfung bei offenem Schalter (80 dB bis zur Frequenz von 5 MHz) und der Umschaltzeit. Dafür hat sie abet den Nachteil, daß der Ausgang nicht frei von Gleichspannungen ist und dort beim Umschalten Gleichspannungssprünge auftreten. Dieser Nachteil besteht nicht nur für den in der genannten Patentschrift beschriebenen Fall, daß die Umschaltanordnung mindestens zwei Schalter enthält, von denen immer einer geschlossen ist, so daß am Ausgang U stets ein Signal vorhanden ist, dessen Spannung sich während der Umschaltung nicht ändert.

Aus dem italienischen Patent 8 73 146 ist noch ein weiteres Beispiel für eine elektronische Umschaltanordnung mit zwei Eingängen und einem Ausgang bekannt, die zwei Videoschalter mit Diodenbrücken enthält, welche mit dem gemeinsamen Ausgang verbunden sind. Diese bekannte Anordnung ist jedoch nur für spezielle Anwendungsfälle brauchbar, weil sie zwar sehr kurze μ Umschaltzeiten (10 ns) ermöglicht, ohne daß Wert auf andere Eigenschaften wie z. B. die Dämpfung bei offenem Schalter gelegt wird, und besonders weil sie nur von Rechtecksignalen mit genügend hoher Frequenz gesteuert werden kann, also ein Umschalten zwischen den beiden Eingängen und dem gemeinsamen Ausgang nur bei dieser Frequenz gestattet.

Eine Schalteranordnung der eingangs genannten Art ist bereits aus der US-PS 34 71715 bekannt. Die bekannte Anordnung ist allerdings nicht speziell für Videosignale bestimmt (sondern u. a. für Radarsignale) und ermöglicht keine ausreichende Signaldämpfung bei gesperrter Diodenbrücke. Die beiden Transistoren sind wechselweise leitend parallel zwischen die Spannungsschienen geschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schalteranordnung anzugeben, die eine optimale Signaldämpfung bei gesperrter Diodenbrücke gewährleistet, ohne daß die oben erläuterten Nachteile und insbesondere unerwünschte Gleichspannungen am Signalausgang in Kauf genommen werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Schalteranordnung gelöst.

Eine Anordnung gemäß der Erfindung kann sowohl von einer Rechteckschwingung als auch von einem abgestuften Signal angesteuert werden. Gegenüber bekannten Anordnungen hat sie zunächst den Vorteil, daß sie am Eingang und am Ausgang gleichspannungsfrei und somit galvanisch koppelbar ist und zugleich für Signale mit der Frequenz von 5 MHz bei offenem Schalter eine sehr hohe Dämpfung von mehr als 95 dB und eine Umschaltzeit von etwa 100 ns hat. Die Diodenbrücke kann mit praktisch der vollen Spannung der Spannungsschienen gesperrt werden, was die Diodenkapazität herabsetzt und die Nebensprecheigenschaften verbessert. Bei der genannten Frequenz hat die Anpassung bei geschlossenem Schalter auch einen sehr niedrigen Klirrfaktor zwischen Eingang und Ausgang bis zu Sinussignaipegeln von 2,5 V Spitze-Spitze. Da nur vier gewöhnliche Schalttransistoren verwendet werden, sind der Aufwand bzw. die Kosten gering. Die Abmessungen sind ebenfalls sehr klein und können noch weiter verringert werden, wenn man die Anordnung in einem einzigen integrierten Schaltkreis herstellt.

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun unter Bezugnahme auf F i g. 3 bis 5 der Zeichnung erläutert werden, wo eine an sich bekannte Brückenschaltung mit umschaltbaren Dioden und ein erstes bzw. zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt sind.

Mit der in Fig.3 dargestellten Diodenbrückenschaltung läßt sich ein Schalter realisieren, wenn man an die eine Diagonale CD der Brücke symmetrische Steuerspannungen und an die andere Diagonale AB die Signalquelle und die Belastung anschließt. Wenn die Steuerspannungen die Werte + Vi bzw. -V₂ haben, sind die vier Dioden leitend und verbinden die Signalquelle mit der Belastung über zwei parallele Wege, von denen jeder aus zwei in Reihe geschalteten Dioden besteht. Durch Anlegen umgekehrter Steuerspannungen — V3 bzw. +V4 werden die vier Dioden gesperrt, so daß das Signal nicht vom Punkt A zum Punkt B durchlaufen kann. Wenn die Spannungen +Vi und -V₂ bzw. -V₃ und +V₄ die gleichen Absolutwerte haben, bleibt in beiden Fällen die Gleichspannung auf dem Wert Null, wodurch es möglich ist, Signalquelle und Belastung galvanisch (gleichstrommäßig) zu koppeln.

Eine Anordnung gemäß der Erfindung enthält eine Diodenbrückenschaltung dieser Art, die in den Leitoder Sperrzustand von einer Steuerschaltung gesteuert wird, welche zugleich dazu dient, die Dämpfung des

Schalters im offenen Zustand zu erhöhen.

Die genaue Schaltungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist F i g. 4 zu entnehmen. Im geschlossenen Zustand des Schalters wird die Diodenbrücke d\, dt, di, d» über die Widerstände r₉ und Oo von den Transistoren Th und Tr* in den Leitzustand gesteuert, während sie bei offenem Zustand von den Transistoren Th und Tr₂ gesperrt wird. Die Steuerung erfolgt durch die Taste T, also durch ein abgestuftes Signal (Signalsprung). Wenn die Taste geschlossen ist, wird der Transistor 7r« durch den seiner Basis über den Spannungsteiler aus den Widerständen η und η zugeführten Strom in die Sättigung gebracht. Unter diesen Umständen ist die Kollektorspannung des Transistors Tu praktisch gleich seiner Emitterspannung, d. h. -12 V. Die gleiche Spannung von -12 V tritt auch zwischen den Dioden ds und d auf, d. h. an der Basis des Transistors Γη, der dadurch am Emitter und an der Basis praktisch die gleiche Spannung hat und gesperrt ist.

Ein Spannungsteiler aus den Widerständen r₃ und r« ist zwischen die positive Spannungsschiene (+12 V) und den Kollektor des Transistors Tr₄ geschaltet, der auf —12 V liegt, wie erläutert wurde. Dieser Spannungsteiler liefert der Basis des Transistors Tr₃ einen Strom, durch den er im Sättigungsbereich arbeitet. Sein Kollektor hat also praktisch die gleiche Spannung wie sein Emitter, nämlich + 12 V. Dies bedeutet, daß durch den aus den Widerständen /5 und r_b bestehenden Spannungsteiler kein nennenswerter Strom fließen kann, und da auch die Basis des Transistors Tr₂ keinen Strom erhält, ist dieser gesperrt. Unter diesen Voraussetzungen leiten die vier Dioden der Brücke einen Gleichstrom, der von den beiden Widerständen λ und no bestimmt wird, die den gleichen Wert haben. Das Signal wird daher vom Eingang / zum Ausgang U durchgelassen.

Wenn die Taste Tgeöffnet wird, kann im Spannungsteiler aus den Widerständen η und r₂ und daher auch in der Basis des Transistors 77« kein Strom mehr fließen, so daß letzterer gesperrt wird. Da auch der aus den Widerständen r, und λ bestehende Spannungsteiler der Basis des Transistors Trj keinen Strom mehr liefert, wird dieser ebenfalls gesperrt. Da infolgedessen der Kollektor des Transistors Tn auf dem Potential von +12 V liegt, ist die Diode c4 gesperrt, und vom Widerstand r₈ fließt über die Diode d% ein Strom durch den Widerstand Π und in die Basis des Transistors Tn, durch den dieser gesättigt wird, so daß sein Kollektor und die mit ihm verbundene Klemme D auf das Potential von etwa — 12 V gelegt werden kann. Hierdurch fließt durch die Widerstände r* T₅, und r_b sowie in die Basis des Transistors Tn ein Strom, durch den dieser Transistor gesättigt wird und am Kollektor und der mit ihm verbundenen Klemme Cungefähr das gleiche Potential annimmt (+12 V) wie am Emitter. In diesem Fall liegt die Diagonale CD der Diodenbrücke an Sperrvorspannungen für die Dioden d\ bis dt, die daher nichtleitend sind. Zwischen dem Eingang /und dem Ausgang U wird das Signal nicht nur wegen der hohen Impedanz der gesperrten Dioden c/i bis dt stark gedämpft, sondern auch durch den Kurzschluß, den die gesättigten

κι Transistoren Tn und Tr₂ mit ihrer niedrigen Impedanz an den Klemmen Cund D für das Signal bewirken. Mit anderen Worten findet das Signal zwischen Eingang / und Ausgang t/zwei parallele T-Glieder vor (A DB bzw. ACB), deren Reihen- oder Längszweige jeweils aus den

ΙΊ hohen Impedanzen der gesperrten Dioden d\, di (für .4DS₇I bzw. d₂, Φ (für ACB) bestehen, während der Parallel- oder Querzweig durch die Impedanzen der Transistoren Γη (für ADB)bzw. Tr₂ (für ACB)gebildet wird. Hierdurch wird zwischen Eingang und Ausgang

2» der hohe Dämpfungswert von mehr als 95 dB erreicht.

Wie schon erwähnt wurde, kann die Schalteranordnung statt durch eine Taste, die den Widerstand η an Masse legt (Stufensignal), auch durch ein an dieser Stelle angelegtes geeignetes Rechtecksignal gesteuert wer-

?^r> den, durch das der Schalter mit der Frequenz dieser rechteckförmigen Steuerschwingung geschlossen und geöffnet wird.

Die Einzelheiten der Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind

vi F i g. 5 zu entnehmen. Hier werden die Funktionen der beiden Transistoren Tn und Tr₂ des Ausführungsbeispiels nach F i g. 4, die Klemmen D und C der Diodenbrücke an Sperrvorspannungen zu legen und das bei offenem Schalter durchgelassene Signal an diesen

i'i Punkten kurzzuschließen, hinsichtlich der Sperrvorspannungen von den Widerständen r'₂ und r\ und hinsichtlich des Kurzschließer von den Dioden d\ und d'₂ übernommen. Ein grundsätzlicher Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß der

ίο Kurzschluß für das Signal an den Klemmen D und Cbei offenem Schalter von den Dioden d\ und d'₂ unmittelbar an Masse und nicht zu den Speisespannungsschienen bewirkt wird. Es sei auch darauf hingewiesen, daß bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel nur zwei Transisto-

■'"' ren vorhanden sind. Die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Signaldämpfung bei offenem Schalter, der Umschaltzeit und der Möglichkeit einer galvanischen Kopplung mit der Signalquelle und dem Verbraucher entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel, während ein

■'<> Sinussignal, das mit niedrigem Klirrfaktor zwischen Eingang und Ausgang bei geschlossenem Schalter übertragen werden soll, einen Maximalpegel von UV Spitze-Spitze nicht überschreiten soiite.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronische Schalteranordnung für Videosignale aus dem Basisband mit einer gesteuerten Diodenbrücke, deren Steuerdiagonale über je einen Widerstand zwischen eine positive und eine negative Spannungsschiene und deren andere Diagonale zwischen einen Signaleingang und einen Signalausgang geschaltet ist, und mit wenigstens zwei Transistoren, von denen der erste Transistor an der Basis von außen angesteuert wird, mit seinem Emitter mit der negativen Spannungsschiene und mit seinem Kollektor mit dem ersten Ende der Steuerdiagonale der Brücke sowie über einen Widerstand mit der positiven Spannungsschiene verbunden ist, während der zweite Transistor mit seinem Kollektor mit dem zweiten Ende der Steuerdiagoiiale der Brücke verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des zweiten Transistors (Trz) an die positive Spannungsschiene geschaltet ist, daß die Basis des zweiten Transistors (Tr$ an einen zwischen die positive Spannungsschiene und den Kollektor des ersten Transistors (Tr*) geschalteten Spannungsteiler (η, n) angeschlossen ist, und daß eine Schaltung (Tn, Tr₂ bzw. d'\, d'₂, r'₂, r'\) vorgesehen ist, welche die Enden der Steuerdiagonale (CD) bei gesperrter Diodenbrücke (d\ — dt) gegen festes Potential kurzschließt

2. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (Tr₂), dessen Basis an einen zwischen die positive Spannungsschiene und den Kollektor des zweiten Transistors (Trj) geschalteten Spannungsteiler (r$, n,) angeschlossen ist, mit seinem Emitter mit der positiven Spannungsschiene und mit seinem Kollektor unmittelbar mit dem ersten Ende der Steuerdiagonale der Brücke verbunden ist, und daß ein vierter Transistor (Tr\) vorgesehen ist, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors (Tr*) über zwei in Reihe liegende Dioden (ds, dt), deren zusammengschaltete Anoden über einen Widerstand (rg) an die positive Spannungsschiene angeschlossen sind, verbunden ist, während sein Emitter mit der negativen Spannungsschiene und sein Kollektor unmittelbar mit dem zweiten Ende dar Steuerdiagonale der Brücke verbunden ist.

3. Schalteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gesperrtem Schalter die Transistoren (Tn, Tr₂), weiche die beiden Enden der Steuerdiagonale der Diodenbrücke unmittelbar mit den Spannungsschienen verbinden und diesen Punkten die Sperrvorspannung liefern, das durchgelassene Videosignal kurzschließen.

4. Schalteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Transistoren npn-Transistoren (Tn, Tr_A) und die beiden anderen pnp-Transistoren (Tr₂, Tr₃) sind.

5. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Widerstand (r'2, r\) das erste Ende der Steuerdiagonale (CD) mit der positiven Spannungsschiene und das zweite Ende mit der negativen Spannungsschiene verbindet, und daß je eine Diode (d'₂, d\) zwischen diese Enden und Masse mit einer den Kurzschluß bei gesperrter Diodenbrücke bewirkenden Polung geschaltet ist.

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schalteranordnung für Videosignale nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Mit der zunehmenden Perfektionierung der Aufnahme-, Aufzeichnungs- und Übertragungstechnik wird es immer häufiger notwendig, Video-Basishandsignale (von ύ bis ca. 5 MHz) umzuschalten. Beispielsweise in einem Aufnahmestudio mit mehr als einer Fernsehkamera müssen die von den verschiedenen Kameras kommenden Videosignale oft in einer bestimmten zeitlichen Folge auf einem einzigen Monitor darstellbar, also entsprechend umschaltbar sein. Auch stehen in einer zentralen Verteileranlage von Fernsehprogrammen normalerweise verschiedene Videosignale zur Verfügung, die von verschiedenen Fernsehkameras oder Aufzeichnungsgeräten kommen und in einer bestimmten zeitlichen Folge an Ausgangsleitungen zur Übertragung abgegeben werden müssen. Auch in diesem Fall müssen die verschiedenen Signale von einer Videoschalteranordnung durch Umschalten auf die Ausgangsleitungen verteilt werden. Allgemeiner gesagt ist es mit einer Videoschalter- oder Videokoppelanordnung möglich, eine oder mehrere Quellen von Video-Basisbandsignalen einzeln mit einem oder mehreren beliebig gewählten Verbrauchern dieser Signale zu verbinden. Einzige Bedingung ist, daß niemals zwei oder mehr Quellen gleichzeitig mit demselben Verbraucher verbunden werden. Das Grundelement einer solchen Anordnung ist ein Signalschalter, wie er

jo Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, und der folgende Forderungen erfüllen muß:

Erstens muß die Dämpfung der Nutzsignale bis zur Frequenz von mindestens 5 MHz bei gesperrtem Schalter genügend groß sein, z. B. etwa 70 dB. Es kön-

j5 nen auch höhere Werte je nach der Gesamtkoppelanordnung, für die der Schalter verwendet werden soll, erforderlich sein (wobei die Übersprechdämpfung zwischen zwei Kanälen der Koppelanordnung wesentlich geringer ist als die Dämpfung des einzelnen

4(i Schalters). Ferner muß je nach dem Anwendungsfall die Umschaltzeit genügend kurz sein, die in einigen Fällen in der Größenordnung von 100 ns liegen muß. Ferner wird bei leitendem Schalter zwischen dessen Eingang und Ausgang ein niedriger Klirrfaktor für Sinussignal-

-Ii pegel von 2 V Spitze-Spitze gefordert, und zwar über den gesamten Frequenzbereich von 0 Hz bis zu 5 MHz. Schließlich sollen der Aufwand (Kosten) und die Ausmaße möglichst gering sein, da die Anzahl der Videoschalter in der Koppelanordnung einer großen

■io zentralen Verteileranlage sehr groß sein kann.

Die Videoschalter können elektronisch oder auch mechanisch mit Relaiskontakten realisiert werden. Die Relaisschalter, die man bisher aus Gründen der Einfachheit auch bei Umschalteranordnungen für so weite Frequenzbänder wie das Videoband verwendet hat, haben jedoch erhebliche Nachteile. Hierzu zählen die sehr hohe Umschaltzeit, die auch bei den schnellsten Relais in der Größenordnung von einigen Millisekunden liegt, das bekannte Kontaktprellen, das Störungen bei

der Übertragung verursacht, sowie hohe Kosten, da aufwendige Koaxialrelais verwendet werden müssen.

Bei elektronischen Schaltern werden diese Nachteile wenigstens teilweise vermieden; beispielsweise kann die Umschaltzeit bis auf wenige 10 ns reduziert werden.

f^ Außerdem ist es durch die bekannte Technik der Miniaturisierung oder der integrierten Schaltungen 'nöglich, Schalter mit kleinsten Abmessungen zu bauen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist das Prinzip-Schaltbild