УПРАВЛЯЕМЫЙ КОММУТАТОР ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПИ Российский патент 2014 года по МПК H03K17/16 

Изобретение относится к вычислительной технике, информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. Оно может быть использовано, в частности, для коммутации резисторов в цифроаналоговых преобразователях и в мостовых цепях для определения параметров двухполюсников и параметров схемы замещения датчиков.

Известен детектор на транзисторном ключе (Груздев С.В., Прошин Е.М. Импульсная тензометрия. - М.: Энергия, 1976, рис.32 на стр.45 [1]), содержащий последовательно соединенные входной резистор, ключ на двух компенсированных транзисторах и конденсатор, а также трансформатор, один из выводов вторичной обмотки которого соединен с общим выводом коллекторов двух транзисторов, а другой - с общим выводом баз двух транзисторов, на первичную обмотку трансформатора подается сигнал управления.

Недостатком его является отсутствие возможности поддержания транзисторного ключа в замкнутом состоянии продолжительное время. Это связано с наличием трансформатора в цепи управления транзисторами. Трансформатор не трансформирует постоянные напряжения. А трансформация длительных напряжений приводит к таким большим габаритным размерам и весу трансформатора, что он становится конструктивно несовместимым с остальной схемой и с элементами изделия.

Известна схема компенсированного ключа (Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2004, рис.7.16, стр.558 [2]), содержащая последовательно соединенные источник входного напряжения, резистор и два транзистора, а также трансформатор, один из выводов вторичной обмотки которого соединен с общим выводом коллекторов двух транзисторов, другой вывод ее через резистор соединен с базой первого транзистора, а также этот вывод через другой резистор соединен с базой второго транзистора.

Недостатком ее является отсутствие возможности поддержания транзисторного ключа в замкнутом состоянии продолжительное время.

Известна измерительная схема моста узкого диапазона (Малиновский В.Н. Цифровые мосты. - М.: Энергия, 1976, рис.3-7, стр.106 [3]), содержащая четырехплечий электрический мост, две клеммы для подключения формирователя питающего напряжения моста и требующееся число параллельно включенных цепей из последовательно соединенных резистора и ключа, эти цепи включаются параллельно резистору плеча с уравновешивающими элементами мостовой цепи.

Недостатком ее является понижение точности измерения из-за составляющих погрешности от реального прямого сопротивления ключа (сопротивление ключа в замкнутом состоянии), от реального обратного сопротивления ключа (сопротивление ключа в разомкнутом состоянии) и от остаточного напряжения ключа (напряжение на ключе в замкнутом состоянии).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа схема транзисторного ключа (Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003, рис.10.11,а, стр.386 [4]), содержащая последовательно соединенные резистор и транзистор (собственно транзисторный ключ), свободные выводы которых соединены с двумя клеммами для подключения формирователя питающего напряжения, базовый резистор, включенный между базой транзистора и формирователем управляющего напряжения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении прямого сопротивления и в уменьшении остаточного напряжения ключа.

Это достигается тем, что в управляемый коммутатор элементов цепи, содержащий электрическую цепь с коммутируемым элементом, транзистор, его базовый резистор, формирователь питающего напряжения и формирователь управляющих напряжений, электрическая цепь, в частности, состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов, к их общему выводу подключен третий резистор, свободный вывод которого соединен с «землей», свободный вывод первого резистора соединен с формирователем питающего напряжения, базовый резистор включен между базой транзистора и первым выходом формирователя управляющих напряжений, его общая шина, общая шина формирователя питающего напряжения и эмиттер транзистора заземлены, на вход формирователя управляющих напряжений подается входной сигнал, введена совокупность элементов: операционный усилитель, два источника постоянного напряжения различной полярности для его питания, два p-n-p транзистора, один n-p-n транзистор и восемь дополнительных резисторов, к инвертирующему входу операционного усилителя подключен свободный вывод второго резистора, неинвертирующий вход - заземлен, первый дополнительный резистор включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, коллектор имеющегося транзистора соединен с выводом общей шины операционного усилителя, второй дополнительный резистор включен между базой и эмиттером имеющегося транзистора, его коллектор соединен с коллектором первого p-n-p транзистора, третий дополнительный резистор включен между базой этого транзистора и вторым выходом формирователя управляющих напряжений, четвертый дополнительный резистор включен между базой и эмиттером первого p-n-р транзистора, коллектор второго p-n-p транзистора соединен с выводом операционного усилителя для подключения источника положительного относительно «земли» питающего напряжения, эмиттер этого транзистора соединен с выходом источника постоянного напряжения положительной полярности, а между базой этого транзистора и третьим выходом формирователя управляющих напряжений включен пятый дополнительный резистор, шестой дополнительный резистор включен между базой и эмиттером второго p-n-p транзистора, коллектор введенного n-p-n транзистора соединен с выводом операционного усилителя для подключения источника постоянного питающего напряжения отрицательной полярности относительно «земли», эмиттер этого транзистора соединен с выходом источника постоянного напряжения отрицательной полярности, а между базой его и четвертым выходом формирователя управляющих напряжений включен седьмой дополнительный резистор, восьмой дополнительный резистор включен между базой и эмиттером введенного n-p-n транзистора, общие шины двух источников постоянного напряжения соединены с «землей».

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).

Управляемый коммутатор элементов цепи содержит последовательно соединенные резисторы 1 и 2, к общему выводу которых подключен резистор 3, свободный вывод которого заземлен. Свободный вывод резистора 1 соединен с выходом формирователя 4 питающего напряжения, общая шина которого заземлена. Свободный вывод резистора 2 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 5, неинвертирующий вход которого заземлен. Между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 5 включен резистор 6. Вывод общей шины операционного усилителя 5 соединен с коллектором n-p-n транзистора 7, эмиттер которого заземлен. Между базой и эмиттером этого транзистора включен резистор 8. Один из выводов резистора 9 соединен с базой транзистора 7, а другой его вывод - с первым выходом формирователя 10 управляющих напряжений, общая шина которого заземлена. Входной сигнал e_BX подается на вход формирователя 10 управляющих напряжений. К коллектору транзистора 7 подключен коллектор p-n-p транзистора 11, эмиттер которого заземлен. Между базой и эмиттером этого транзистора включен резистор 12. Один из выводов резистора 13 соединен с базой транзистора 11, а другой - со вторым выходом формирователя 10 управляющих напряжений.

К выводу для подключения питающего напряжения положительной полярности операционного усилителя 5 подключен коллектор p-n-p транзистора 14, эмиттер которого соединен с выходом источника 15 постоянного питающего напряжения положительной полярности, общая шина которого заземлена. Между базой и эмиттером транзистора 14 включен резистор 16. Один из выводов резистора 17 соединен с базой транзистора 14, а другой - с третьим выходом формирователя 10 управляющих напряжений.

К выводу для подключения питающего напряжения отрицательной полярности операционного усилителя 5 подключен коллектор n-p-n транзистора 18, эмиттер которого соединен с выходом источника 19 постоянного питающего напряжения отрицательной полярности, общая шина которого заземлена. Между базой и эмиттером транзистора 18 включен резистор 20. Один из выводов резистора 21 соединен с базой транзистора 18, а другой - с четвертым выходом формирователя 10 управляющих напряжений.

При отсутствии входного сигнала формирователя 10 управляющих напряжений, т.е. e_BX=0, на каждом из четырех его выходов - обрыв цепи, т.е. выходное сопротивление на каждом из выходов стремится к бесконечности. При наличии входного сигнала (e_BX≠0) - на каждом выходе соответствующее управляющее напряжение, которое может поддерживать транзисторы 7, 11, 14 и 18 в проводящем состоянии (ключи замкнуты).

Управляемый коммутатор элементов цепи работает следующим образом. При отсутствии входного сигнала (e_BX=0) транзисторы 7, 11, 14 и 18 не проводят электрический ток, т.к. между их базой и эмиттером нулевое напряжение, а пороговое напряжение их отличается от нуля. Тогда резистор 2 (общий вывод резисторов 2 и 6) отключен от «земли», т.к. отделяется от «земли» несколькими p-n переходами транзисторов операционного усилителя 5 в непроводящем электрический ток состоянии. Последнее повышает обратное сопротивление коммутатора элементов цепи. Операционный усилитель можно выбрать с полевыми транзисторами (с индуцированным каналом, с встроенным каналом) на входе. Тогда общий вывод резисторов 2 и 6 по существу подключен к диэлектрику. Операционный усилитель лучше выбирать с двухтактным усилителем мощности на выходе. Тогда выход его от шин питания и заземленной шины отделяется p-n переходами в непроводящем состоянии, и в результате выход операционного усилителя 5 отделяется от источников 15, 19 постоянного питающего напряжения и от «земли» несколькими p-n переходами в непроводящем состоянии. В общем случае повышение обратного сопротивления управляемого коммутатора элементов цепи является положительным фактором, но не кардинальным улучшением.

При наличии входного сигнала (e_BX≠0) управляющие напряжения с выходов формирователя 10 управляющих напряжений переводят транзисторы 7, 11, 14 и 18 в проводящее состояние и они соответствуют замкнутым ключам. Резисторы 9, 13, 17 и 21 не позволяют этим транзисторам зайти в режим глубокого насыщения (ограничивают базовые токи). При большом и очень большом коэффициенте усиления операционного усилителя 5 разностное напряжение между его входами стремится к нулю. Неинвертирующий вход заземлен, тогда имеется эффект подключения общего вывода резисторов 2 и 6 к «земле». Остаточным напряжением здесь является разностное напряжение между входами операционного усилителя, по сути напряжение относительно земли на инвертирующем входе. В частности, для операционного усилителя 140УД25А с коэффициентом усиления K=10⁶ при напряжении относительно «земли» на общем выводе резисторов 1,2 и 3 U=5 В, значении резистора 2 R₂=50 кОм и значении резистора 6 R₆=5 кОм остаточное напряжение U_ост=U_инв=0,5 мкВ, что существенно (кардинально) меньше данных приведенных в [3] на стр.68, табл.2-5 и на стр.71, табл.2-6. В сложившемся в реальном понимании прямое сопротивление здесь отсутствует. Косвенно его можно определить как

$$R_{пр}=\frac{U_{ост}}{I_{R_2}}=\frac{U_{инв}\cdot R_2}{U-U_{инв}}.$$ .

При приведенных выше частных значениях

$$R_{пр}=\frac{\mathrm{0,5}\cdot {10}^6\cdot 50\cdot {10}^3}{5-\mathrm{0,5}\cdot {10}^{-6}}\approx 5\cdot {10}^{-3}Ом,$$

что существенно (кардинально) меньше данных, приведенных в [3] на стр.68, табл.2-5 и на стр.71, табл.2-6.

Если значение силы электрического тока, потребляемого от источника 15 постоянного напряжения положительной полярности, больше значения силы тока от источника 19 постоянного напряжения отрицательной полярности, то на «землю» электрический ток замыкается через n-p-n транзистор 7. Если наоборот, то электрический ток на «землю» замыкается через p-n-p транзистор 11.

Таким образом, управляемый коммутатор элементов цепи позволяет существенно уменьшить остаточное напряжение и прямое сопротивление.

Изобретение относится к вычислительной технике, информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использовано, в частности, для коммутации резисторов в цифроаналоговых преобразователях и в мостовых цепях для определения параметров двухполюсников и параметров схемы замещения датчиков. Техническим результатом является уменьшение прямого сопротивления и остаточного напряжения коммутатора. Устройство содержит операционный усилитель, формирователь управляющих напряжений, формирователь питающего напряжения, два источника постоянного напряжения различной полярности, два p-n-p транзистора, два n-p-n транзистора, резисторы. 1 ил.

Управляемый коммутатор элементов цепи, содержащий электрическую цепь с коммутируемым элементом, транзистор, его базовый резистор, формирователь питающего напряжения и формирователь управляющих напряжений, электрическая цепь, в частности, состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов, к их общему выводу подключен третий резистор, свободный вывод которого соединен с «землей», свободный вывод первого резистора соединен с формирователем питающего напряжения, базовый резистор включен между базой транзистора и первым выходом формирователя управляющих напряжений, его общая шина, общая шина формирователя питающего напряжения и эмиттер транзистора заземлены, на вход формирователя управляющих напряжений подается входной сигнал, отличающийся тем, что в него введена совокупность элементов: операционный усилитель, два источника постоянного напряжения различной полярности для его питания, два p-n-p транзистора, один n-p-n транзистор и восемь дополнительных резисторов, к инвертирующему входу операционного усилителя подключен свободный вывод второго резистора, неинвертирующий вход заземлен, первый дополнительный резистор включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, коллектор имеющегося транзистора соединен с выводом общей шины операционного усилителя, второй дополнительный резистор включен между базой и эмиттером имеющегося транзистора, его коллектор соединен с коллектором первого p-n-p транзистора, третий дополнительный резистор включен между базой этого транзистора и вторым выходом формирователя управляющих напряжений, четвертый дополнительный резистор включен между базой и эмиттером первого p-n-p транзистора, коллектор второго p-n-p транзистора соединен с выводом операционного усилителя для подключения источника положительного относительно «земли» питающего напряжения, эмиттер этого транзистора соединен с выходом источника постоянного напряжения положительной полярности, а между базой этого транзистора и третьим выходом формирователя управляющих напряжений включен пятый дополнительный резистор, шестой дополнительный резистор включен между базой и эмиттером второго n-p-n транзистора, коллектор введенного p-n-p транзистора соединен с выводом операционного усилителя для подключения источника постоянного питающего напряжения отрицательной полярности относительно «земли», эмиттер этого транзистора соединен с выходом источника постоянного напряжения отрицательной полярности, а между базой его и четвертым выходом формирователя управляющих напряжений включен седьмой дополнительный резистор, восьмой дополнительный резистор включен между базой и эмиттером введенного n-p-n транзистора, общие шины двух источников постоянного напряжения соединены с «землей».