Коммутатор аналоговых сигналов

 

(72) Автор изобретения

А. И. Золотарев

1

t (71 ) .Заявитель (54) КОММУТАТОР АНАЛОГОВЫХ

СИГНАЛОВ

Изобретение относится к коммутирую щим устройствам и может быть использовано в измерительной или телевизионной технике для коммутации аналоговых сигналов.

Известны ключи для коммутации аналоговых сигналов, включенные на диодных мостах, на биполярных транзисторах и на МОП-транзисторах (1 ) .

Однако при работе на низкоомную на-. грузку такие ключи искажают коммутируе-10 мый аналоговый сигнал и имеют коэффициент передачи меньше единицы из-аа большого выходного сопротивления. При работе нескольких ключей, коммутирующих несколько аналоговых сигналов на общую нагрузку (коммутатор аналоговых сигналов), часто возникает потребность иметь в одном из коммутируемых каналов коэффициент передачи больше единицы, 20

Например, для выравнивания уровней вы. ходного сигнала ключа при коммутации сигнала со входа и с выхода линии задержки. При этом в одном иэ положений

2 ключ должен иметь коэффициент передачи, равный единице, во втором - двум. Возможность такой коммутации в укаэанных выше ключах отсутствует.

Наиболее близким по технической сути к изобретению является устройство для переключения аналоговых сигналов, содержащее два генератора тока, два дифференциальных усилителя, выполненных на транзисторах, резистор общей нагрузки дирференциальных усилителей, транзисторный ключ и источники опорного напряжения. Оно способно коммутировать по крайней мере два входных аналоговых сигнала на общую нагрузку с легко,устанавливак щимся коэффициентом передачи как меньше, так и больше единицы C2 g .

Но и в атом устройстве имеются недостатки: возможна коммутация входных налряжений, находящихся только в поло» жительной области потенциалов; выходной сигнал смещен относительно входного в положительную область напряжений, что затрудняет последовательное включение

3 9783 нескольких ключей; разница во вносимых уровнях остаточных коммутационных по1 тенциалов, вызванная неидентичностью токов, формируемых двумя генераторами тока; температурный дрейф вносимого уровня остаточных коммутационных потенциалов; отсутствие возможности обеспечения разного коэффициента передачи по коммутируемым каналам; высокое выходное сопротивление ключа; недостаточно 10 малые искажения дифференциального усиления и дифференциальной фазы.

Бель изобретения — уменьшение иска- жений коммутируемого видосигнала.

Поставленная цель достигается тем, !5 что в коммутатор аналоговых сигналов, содержащий не менее двух дифференциальных усилителей, выходы которых подключены к резистору общей нагрузки, источники опорного напряжения, генератор тока уй и токовый ключ, которые выполнены на транзисторах одного типа проводимости, введены эмиттерный повторитель на тран. эисторах разного типа проводимости, последовательная и параллельная RC -це- 25 почки, первый и второй диоды, дополнительный токовый ключ на транзисторе, первый и второй транзисторы р-и-р типа и третий транзистор и -р- и типа проводимости, причем эмиттеры транзисторов 5п токовых ключей подключены к коллектору транзистора генератора тока, базы — к соответствующим шинам сигналов коммутации, коллектор транзистора каждого токового ключа подключен через реэисто- З5 ры к эмиттерам транзисторов соответствующих дифференциальных усилителей, у которых базы инвертируюших транзисторов подключены к шинам коммутируемых видеосигналов, а коллекторы соединены с «> шиной положительного напряжения питания через последовательную цепочку из перво.го резистора и двух диодов, в которой анод первого диода подключен к шине положительного напряжения питания, а катод „ второго — к резистору этой цепочки, и с общей шиной питания через последователь ную Rc «цепочку, а также с базой первого транзистора, эмиттер которого через второй и третий резисторы подключен соответственно к шине положительного напряжения питания и к первому источнику опорного напряжения, коллекторы неинвертирующих транзисторов дифференциальных усилителей подключены к эмиттеру

55 второго транзистора и через четвертый резистор - к шине положительного напряжения питания, база второго транзистора соединена с первым источником опорного

45 4 напряжения, а коллектор через пятый резистор с шиной отрицательного напряжения питания — с эмиттером третьего транзистора, база которого соединена с вторым источником опорного напряжения, а его коллектор и коллектор первого транзистора соединены через параллельную Rc, -це» почку и подключены к базам транзисторов эмиттерного повторителя, выход которого соединен с нагрузкой коммутатора и через шестой и седьмой резисторы — с базами неинвертируюших транзисторов Iiepвого и второго дифференциальных усилителей, при этом база неинвертируюшего транзистора второго дифференциального усилителя подключена через восьмой резистор к общей шине источника питания.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема коммутатора аналоговых сигналов.

Устройство состоит.из ключей, коммутирующих соответствующие входные аналоговые сигналы. Таких ключей в укаэанном коммутаторе может быть два или более, что позволяет;коммутировать на выход соответственно два или более входных аналоговых сигнала. В состав первого ключа, при включении которого. коммутатор имеет коэффициент передачи, равный единице, входит транзистор 1 (токовый ключ), база которого подключена к шине сигнала коммутации первого канала (U ком. 1), транзистор 2 инвертирующий и транзистор 3 неинвертирующий, образующие схему дифференциального усилителя, резисторы 4 и 5, включенные между эмиттерами транзисторов 2 и 3, и подключенные общей точкой к коллектору транзистора 1, резистор 6, включенный между базой транзистора 3 и выходом коммутатора, нагруженного на сопротивление нагрузки R . База транзистора 2 подключена к шине коммутируемого аналогового сигнала первого ключа (ц ан,1), Узлы схемы, работающие при подклн чении на выход коммутатора любого из входных аналоговых напряжений, содержат последовательную цепочку из резистора 7 общей нагрузки и диодов 8 и 9, подключенных к коллекторам инвертируюших транзисторов, входящих в схемы дифференциальных . усилителей, (например, транзистор 2 в первом ключе), которые подключены также и к базе первого транзистора

10 р-и-р типа; резистор 11, включенный между эмиттером этого транзистора и шиной положительного напряжения, йо -цепочку из резистора 12 и конденсатора 13, соединенных параллельно и включенных

45 d падение напряжения от эмиттерных токов транзисторов 2 и 3, несколько большее максимального разброса напряжений перехода эмиттер — база транзисторов 2 и 3.

Величина резистора 6 равна внутреннему сопротивлению источника аналогового сигнала, подключенного к входу первого ключа, т.е. к базе транзистора 2 ((ан.1)Коллекторный ток транзистора 2 создает падение напряжения на резисторе обшей нагрузки 7 и диодах 8 и 9, приложенное к базе транзистора 10, |работающего в усилительном режиме по схеме с общим эмиттером, Напряжение, уменьшенное на величину напряжения перехода эмиттер— база этого транзистора, создает ток в резисторе 11. Коллекторный ток транзистора 10 через резистор 12 и конденсатор 13 втекает в коллектор транзистора 14, работающего в режиме геператора тока. 1-la резисторе 15 создается суммарное падение напряжения, вызванное коллекторным током транзистора 3 и эмпттерным током второго транзистора 16, работающего в усилительном режиме по схеме с общей базой. База этого транзистора через первый источник 17 опорного напряжения подключена к шине 18 положительного напряжения питания. Первый источник 17 может быть выполнен, например на стабилитроне. Нагрузкой транзистора 16 является низкоомный вход усилителя, собранного на транзисторе по схеме с обшей базой и выполненного на транзисторе 14. При этом через резистор 19 протекает ток, равный сумме коллекторного тока транзистора 16 и эмиттерного тока транзистора 14, база которого подключена ко второму источнику 20 опорного напряжения, который также может быть выполнен, например, на стабилитроне. Резистор 19 и второй источник 20 опорного напрях ения подключены к шине 21 отрицательного напряже» ния питания. Генератор 22 тока формирует постоянный ток, который; протекая через соответствующий токовый ключ (например, на транзисторе 1), и, раэветвившись через транзисторы схем дифференциальных усилителей, создает падения напряжения на резисторах 7 и 15, практически одинаковые при включении любого ключа.

На коллекторах транзисторов 10 и 14 произойдет вычитание этих напряжений, так как напряжение, выделенное на резисторе общей нагрузки 7, будет инвертировано транзистором 10, а налряженпе, вы-. деленное на резисторе 15, получив смеше5 9783 между коллектором первого транзистора

10 р-и-р типа и коллектором транзистора 14 и-р-и типа; резистор 15, соединенный с коллекторами неинвертируюших транзисторов, входящих в состав схем дифференциальных усилителей, и с эмиттером второго транзистора 16 р-и-р типа, первый. опорный источник 17 напряжения, включенный между базой второго транзистора 16 р-и-р типа и шиной 18 поло- 10 жительного напряжения питания; резистор.

19 и второй источник 20 опорного напряжения, подключенные к шине 21 отрицательного напряжения питания; генератор 22 тока, включенный между шиной 21 отрица- 15 тельного напряжения питания и эмиттерами транзисторов - токовых ключей; эмит терный повторитель 23, собранный на транзисторах разного типа проводимости и подключенный к коллекторам первого 20 транзистора 10 р-и-р типа и транзисторра 14 и -р-и типа; резисторы 24 и 25, включенные между эмиттерами транзисторов, входящих в состав эмиттерного повторителя 23; транзистор 26 (токовый 25 ключ), входящий в состав второго ключа; регулировочный резистор 27, включенный между коллектором транзистора 26 и эмиттерами инвертирующего транзистора

28 и неинвертируюшего транзистора 29, 5а входящих в состав схемы дифференциального усилителя; резисторы 30 и 31, также входящие в состав второго ключа; резистор 32 и конденсатор 33, соединенные последовательно и включенные между 55 базой первого транзистора 10 р-и-р типа и общей шиной питания; резистор 34, включенный между эмиттером этого транзистора и первым источником опорного напряжения; резистор 35, являющийся токозадаюшим элементом генератора 22 тока, транзистор 36 и стабилитрон 37, входящие в состав генератора 22 тока.

Коммутатор работает следующим образом. 45

Напряжение коммутации первого ключа U ком. 1 открывает токовый ключ, собранный на транзисторе 1. При этом напряжение коммутации U ком.l должно быть больше напряжения коммутации второго ключа U ком.2 и напряжений коммутации последующих ключей 0 ком. и для запирания отключенных ключей. Ток, протекающий через коллектор транзистора 1, является суммарным током, протекающим через эмиттерные переходы транзисторов 2 и 3, входящих в состав схемы дифференциального усилителя. Резисторы

4 и 5 имеют величину, обеспечивающую

7 9783 ние по уровню (транзистором 16), выделится на коллекторе транзистора 14 без инвертирования. Резисторы 7, 11, 15 и

19 должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить близкий к нулю потенциал в коллекторах транзистора 10 и транзистора 14, с учетом величины то та генератора 22, значений напряжения первого и второго источников опорного напряжения (17 и 20), падения напряже- 0 ния на диодах 8 и 9 и из предложения равенства нулю коммутируемого сигнала.

Выходное напряжение, выделенное на коллекторах вышеуказанных транзисторов, подается на вход эмиттерного повторителя 15

23, выполненного на двух транзисторах разного типа проводимости. Резистор 12 должен иметь величину, обеспечивающую падение напряжения на нем, примерно равное сумме напряжений перехода эмиттер -20 база транзисторов, входящих в состав эмиттерного повторителя. При этом падение напряжения постоянного тока на резисторах 24 и 25 близко к нулю, а токи через транзисторы, входящие в состав 23 эмиттерного повторителя, увеличиваются, что дополнительно уменьшает искажения дифференциальной фазы и дифференциального усиления. Коммутация на выход коммутатора любого другого Входного аналого 3Q вого сигнала, например, U ан.2, производится сменой уровней напряжений сигналов коммутации U кем.l и U ком.2. При этом транзистор 1 токового ключа в первом ключе запирается, а отпирается токо- 3> вый ключ, собранный на транзисторе 26 и входящий в состав второго ключа. Ток генератора 22 тока теперь протекает через транзистор 26 и через регулировочный резистор 27, разветвляется в тран- 4э зисторах 28 и 29, входящих в состав схемы дифференциального усилителя и создает падение напряжения на резисторах 7 и 15, практически идентичные падениям напряжения на этих резисторах при вклю- 4 ченном первом ключе. Цепь обратной связи в этом ключе содержит резисторы 30 и 31, соотношение между которыми опре« делит коэффициент передачи второго ключа.

Соединенные параллельно, эти резисторы должны иметь значение, близкое к значению внутреннего сопротивления источника аналогового сигнала, подсоединеннного ко входу второго ключа, т. е. к базе транзистора 28. Это уменьшит остаточное напряжение смешения на выходе коммутатора в рабочем диапазоне температур при включении второго ключа, Регулировочным резистором 27 устанавливается на выходе

45 8 коммутатора потенциал, равный выходному потенциалу коммутатора при включенном первом ключе. Последующие ключи могут быть собраны аналогично второму ключу.

Коммутатор представляет из себя усилитель постоянного тока, схваченный 100 ной отрицательной обратной связью для ключа, имеющего коэффициент передачи единицу, и с меньшим уровнем отрицательной обратной связи для ключа с коэффициентом передачи более единицы. Коэффициент передачи усилителя постоянного тока с разомкнутой петлей отрицательной обрат ной связи более 55 дБ. Полоса около

200 кГц, выходное сопротивление менее

lOO Ом. Высокий коэффициент передачи усилителя постоянного. тока обеспечивается наличием двух каналов усиления, один из которых осуществляет усиление сигнала с инверсией (транзистор 2, транзистор

10), а второй без инверсии усиливаемого сигнала (транзистор 3, транзистор

16, транзистор 14.). При включении второго или последующего ключа в двухканальной цепи усиления производится смена только транзисторов 2 и 3 на идентичные транзисторы в последующих ключах. Для обеспечения устойчивости коммутатора введена цепь, шунтирующая усиление в области высоких частот, содержащая последовательно соединенные резистор 32 и конденсатор ЗЗ, подключенная к базе транзистора 10. Введение резистора 12 и конденсатора 13 обеспечивают уменьшение искажений дифференциальной фазы до уровня О, 1 - О, 120, а дифференциального усиления до уровня 0,1 - 0,12%.

Наличие двух каналов усиления, один из которых является инверсным, а второй неинверсным, позволяет обеспечить дополнительную компенсацию температурного дрейфа выходного потенциала. Например, температурный дрейф генератора 22 тока, имеющий, предположим, положительное приращение, создает на выходе коммутатора по каналу транзисторов 3, 16, 14 смещение выходного потенциала в отрицательную область напряжений, а по каналу транзистора 2, транзистора 10смешение выходного потенциала в положительную область напряжений. При этом производится частичная компенсация температурного дрейфа выходного потенциала.

Аналогичным образом производится частич« ная компенсация дрейфа выходного потенциала в диапазоне температур, возникаю щая от токов 3к транзисторов 2 и 3. Полная компенсация температурного дрейфа остаточного напряжения коммутатора

<< 9783 произойдет в случае обеспечения идентичных коэф1>ициентов пе йдачи по обоим каналам и при предложении идентичности

Ъ величин температурного дрейфа напряжений переходов эмиттер — база транзисторов и при одинаковых температурных дрейфах токов Эко транзисторов 2 и 3. Идентичность коэффициентов передачи двух каналов обеспечивается надлежащим выбором номинала резистора 34 с учетом структуры генера-10 тора 22 тока. Такой расчет возможен для любого вида генератора тока, который может быть употреблен в качестве генератора тока 22. Простейшая структура генератора 22 тока показана на чертеже, в 15 котором токозадаюшим элементом является резистор 35, а источником температурной нестабильности — дрейф напряжения перехода эмиттер — база транзистора 36 и напряжения ст абилизации стабилит рона 37. 20

Анализ величин и направлений дрейфа токов, вызванного всеми вышеуказанными. температурными нестабильностями, позволяет получить простое выражение для расчета резистора 34, оптимизация кото- 25 рого позволяет получить минимальное значение дрейфа остаточного напряжения коммутатора. Обозначая резисторы в соответствии с их нумерацией на чертеже и через Ro параллельное соединение ре- ЗО зисторов 34 и 11, определим величину

R следующим образом: g35 - Q7

О"

R15 — R 49

33

При известной величине резистора 11, определенной при расчете режима коммутатора по постоянному току, легко определится величина резистора 34. Для дальнейшего уменьшения величины дрейфа ос- 1а таточного напряжения коммутатора введены два диода 8 и 9, обеспечивающие направление дрейфа обратного знака относительно некомпенсируемых источников дрейфа. Измерения дрейфа остаточного напряжения смещения в диапазоне температур 20<>- 50 С показали, что коммутатор обеспечивает .величину этого дрейфа не более +0,2 мВ, остаточное напряжение смешения одного ключа относительно другого не более + 0,1 мВ. Таким образом, коммутатор аналогового сигнала, отличительной особенностью которого является наличие двух каналов усиления, обеспечивающих высокий коэффициент nepef дачи разомкнутой системы и компенсацию температурного дрейфа остаточного напряжения и наличие цепей, обеспечивающих дополнительное уменьшение дифференциаль4 ) 10 ных иска жений и оста точного напряжения коммутатора в диапазоне температур, имеет высокое входное сопротивление, малое выходное сопротивление, весьма низкие дв ференциальные искажения, малый уровень температурного дрейфа остаточного напряжения коммутатора, обладает гибкостью, позволяющей получить по любому ключу коэффициент передачи от единпшя и более.

Формула изобретения

Коммутатор аналоговых сигналов, со ержащий не менее двух дифференцпатп.чых

>силптелеп, выходы которых подклю-i . «уА е резистору общей нагрузки, истс<чш:к. ного напряжения, генератор тока н токаи .- ключ, которые выполненЫ на транзистора> одного типа проводимости, о т л и ч а >.= ш и и с я тем, что, с целью уменьшения искажений коммутируемого видеосигна. .а. введены эмиттерный повторитель на тр<« "зисторах разного типа проводимости, последовательная и параллельная Rc -цепочки, первый и второй диоды, токовый ключ на транзисторе, первый и второй транзисторы р -и-р-типа и третий транзистор % :р-и-типа проводимости, при этом эм и ттеры транзис тороВ - токовых ключей подключены к коллектору транзистора генератора тока, базы - к соответ.-тву щим шинам сигналов коммуташш, колл< ктор транзистора каждого токового ключа подключен через резистор к эмиттерам транзисторов соответствующих дифференциальных усилителей, у которых базы пнвертирующих транзисторов подключены к шинам коммутируемых аналоговых < пгна-лов, а коллекторы соединены с шиной положительного напряжения питания черсз последовательную цепочку из первого р " зистора и двух диодов, в которой апъi первого диода подключен к шине поло>ки"тельного напряжения питания, а катод второго - к резистору этой цепочки, и с обшей шиной питания через последователь ную RC, -цепочку, а также с базой первого транзистора, эмиттер которого через второй и третий резисторы подключен соответственно к шине положительного напряжения питания и к первому источнику опорного напряжения, коллекторы неинвертирующих транзисторов дифференциальных усилителей подключены к эмиттеру второго транзистора и через четвертый резистор — к шине положительного напря1 . жения питания„база второго транзистора .

9783 соединена с первым источником опорного напряжения, а коллектор через пятый резистор с шиной отрицательного напряжения питания - с эмиттером третьего транзистора, база которого соединена с вторым источником опорного напряжения, а его коллектор и коллектор первого транзистора соединены через параллельную

Кс -цепочку и подключены к базам транзисторов эмиттерного повторителя, выход 10 которого соединен с нагрузкой коммутатора и через шестой и седьмой резисторы4 ) 12 с базами неинвертирующих транзисторов первого и второго дифференциальных усилителей, при этом база неинвертируюшего транзистора второго дифференциального усилителя подключена через восьмой ре» зистор к обшей шине источника питания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.„Зарубежная радиоэлектроника", 1976, % 8, с. 81 - 105.

2. Заявка Японии % 52-47985, кл. Н 03 К 17/60, опублик. 1977.

Составитель А. Егорычев

Редактор А. Власенко Техред И.Гайду Корректор В. Прохненко

Заказ 9240/74 Тираж 959 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4