Многоканальный коммутатор Советский патент 1992 года по МПК H03K17/687 

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться в многоканальных устройствах электронной коммутации.

Известен многоканальный коммутатор, содержащий в каждом канале первые инвертор и аналоговый ключевой КМОП-эле- мент, который состоит из МОП-транзистора р-типа и МОП-транзистора n-типа проводимости, подложка которого соединена с общей шиной, затвор - с входом первого инвертора, выход которого соединен с затвором МОП-транзистора р-типа, подложка которого соединена с шиной источника напряжения, а сток соединен с истоком МОП- транзистора n-типа и является аналоговым входом канала, исток МОП-транзистора р- типа соединен со стоком МОП-транзистора n-типа и является выходом первого аналогового ключевого КМОП элемента, причем выходы ключевых КМОП-элементов всех каналов объединены и являются аналоговым выходом коммутатора, вход и выход второго аналогового ключевого КМОП-эле- мента подключены соответственно к входу и выходу первого аналогового ключевого КМОП-элемента, причем выход элемента задержки соединен с входом первого инвертора, а вход соединен с соответствующим входом управления коммутатора.

Схема обладает высокой надежностью ввиду достаточно малого обратного тока в момент коммутации каналов, достигаемого за счет разряда емкости выхода через последовательно управляемые во времени вы- сокоомный (второй) и низкоомный (первый) ключевые элементы. Однако поскольку сопротивление высокоомного ключевого элемента в открытом состоянии практически не изменяется, то с течением времени как ток через ключевой элемент, так и мощность, рассеиваемая в нем, уменьшаются, что приводит к достаточно большому времени зарядки (разрядки) емкости выхода и, следовательно, низкому быстродействию коммутатора.

Наиболее близким к изобретению является многоканальный коммутатор, содержащий в каждом канале элемент задержки, первый и второй инверторы, первый и второй аналоговые ключевые КМОП-элементы, каждый из которых состоит из МОП-транзисторов р-типа и МОП-транзистора п-типа проводимости, подложка которого соединена с общей шиной, затвор - с входом первого инвертора, выход которого соединен с затвором МОП-транзистора р-типа, подложка которого соединена с шиной источника напряжения, а сток соединен с истоком МОП-транзистора п-типа и является аналоговым входом канала, исток MOi «-транзистора р-типа соединен со стоком МОП- транзистора n-типа и является выходом первого аналогового ключевого КМОП-элемента, причем выходы ключевых КМОП-элементов всех каналов объединены и являются аналоговым выходом коммутатора, вход и выход второго аналогового ключевого КМОП элемента подключены

0 соответственно к входу и выходу первого аналогового ключевого КМОП-элемента, причем выход элемента задержки соединен с входом первого инвертора, а вход соединен с соответствующим входом управления

5 коммутатора и входом второго инвертора схемы управления напряжения на затворах МОП-транзисторов второго аналогового ключевого КМОП-элемента.

Данная схема позволяет при сохране0 нии высокой надежности повысить быстродействие схемы за счет оптимизации зарядного (разрядного) тока емкости нагрузки. Так, при малых коммутируемых напряжениях быстродействие возрастает в

5 103 раз. Однако если в начальный момент времени коммутируемый сигнал сравним с потенциалом на емкости нагрузки, то быстродействие увеличивается только в 10-100 раз.

0 Цель изобретения - увеличение быстродействия схемы при сохранении ее высокой надежности за счет оптимизации зарядного (разрядного) тока емкости нагрузки.

Для достижения цели в многоканаль5 ный коммутатор, содержащий в каждом канале элемент задержки, первый и второй инверторы, блок управления, включающий первый - четвертый ключевые элементы, входы первого и четвертого из которых сое0 динены соответственно с общей шиной и шиной питания, входы управления объединены и соединены с выходом второго инвертора, вход которого соединен с входами управления второго и третьего ключевых

5 элементов, первый и второй аналоговые ключевые КМОП-элементы, каждый из которых состоит из МОП-транзистора р-типа и МОП-транзистора n-типа проводимости, подложка которого соединена с общей ши0 ной, затвор - с входом первого инвертора, выход которого соединен с затвором МОП- транзистора р-типа, подложка которого соединена с шиной источника напряжения, а сток соединен с истоком МОП-транзистора

5 n-типа и является аналоговым входом канала, исток МОП-транзистора р-типа. соединен со стоком МОП-транзистора n-типа и является выходом первого аналогового ключевого КМОП-элемента, причем выходы ключевых КМОП-элементов всех каналов

объединены и являются аналоговым выходом коммутатора, вход и выход второго аналогового ключевого элемента подключены соответственно к входу и выходу первого аналогового ключевого КМОП-элемента, а затвора МОП-транзисторов р- и n-типа второго аналогового ключевого элемента подключены соответственно к выходам третьего и первого ключевых элементов, причем выход элемента задержки соединен с входом первого инвертора, а вход соединен с соответствующим входом управления коммутатора и входом второго инвертора, а блок управления каждого канала введены первый и второй элементы преобразования, первый и второй элементы сравнения, опор- ные МОП транзисторы n-типа и р-типа, первый и второй источники тока, первый и второй аналоговые сумматоры, причем первые входы элементов сравнения и элементов преобразования объединены и подключены к аналоговому входу канала, вторые входы элементов сравнения и элементов преобразования объединены и подключены к аналоговому выходу коммутатора, выход первого элемента сравнения соединен с истоком опорного МОП- транзистора n-типа, подложка которого соединена с общей шиной, затвор соединен со стоком, выходом первого источника тока и первым входом аналогового сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого элемента преобразования, а выход - с входом второго ключевого элемента, выход которого объединен с выходом первого ключевого элемента, выход второго элемента сравнения соединен с истоком опорного МОП-транзистора р-типа, подложка которого соединена с шиной питания, затвор соединен со стоком, входом второго источника тока, первым входом второго аналогового сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго элемента преобразования, а выход - с входом третьего ключевого элемента, выход которого объединен с выходом четвертого ключевого элемента, причем вход первого источника тока соединен с шиной питания, выход второго источника тока соединен с общей шиной.

На чертеже приведена функциональная схема многоканального коммутатора.

Коммутатор содержит в каждом канале элемент 1 задержки, первый 2 и второй 3 инверторы, первый 4 и второй 5 аналоговые ключевые КМОП-элементы, первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9 ключи, первый 10 и второй 11 элементы преобразования, первый 12 и второй 13 элементы сравнения, опорный МОП-транзистор п-типа 14, опорный МОП-транзистор р-типа 15, первый 16

и второй 17 источника тока, первый 18 и второй 19 аналоговые сумматоры, аналоговый вход 20 и аналоговый выход 21 коммутатора, вход 22 управления. Первый и второй элементы преобразования осуществляют преобразование

U - Ai/ I Ui -1Ы и Щ - А2/

у

I Ui - U21 соответственно, где Ui, 1)2, из,

U4 - напряжения на первый и вторых входах, на выходе первого и выходе второго элемента преобразования соответственно; Ач и А2 - константы. Напряжения Us на выходе первого и Ue на выходе второго элементов сравнения определяются выражением и5 мин(1)1, 112)и иб макс(1)1, IJ2) соответственно.

Устройство функционирует следующим образом.

Когда на вход 22 управления подан логический нуль, схема находится в исходном состоянии: аналоговый ключевой элемент 4 закрыт, ключи 7 и 8 закрыты, ключи 6 и 9 открыты и следовательно, аналоговый ключевой элемент 5 закрыт. При подаче на вход 22 управления потенциала логической единицы ключи 6 и 9 закрываются, ключи 7 и 8 открываются и на затворы МОП-транзисторов аналогового ключевого элемента 5 подаются сформированные блоком управления необходимые управляющие воздействия, обеспечивающие оптимальный разрядный (зарядный) ток емкости нагрузки. Через некоторое время, определяемое элементом 1

задержки, когда приложенное к аналоговым ключевым элементам 4 и 5 напряжение уменьшается до необходимой величины, открывается аналоговый ключевой элемент 4, обеспечивающий точную передачу входного

сигнала на выход. Таким образом, общий принцип работы схемы аналогичен принципу работу схемы прототипа. Отличие заключается в том, что в схеме прототипа управляющие воздействия не зависят от начальных потенциалов на входе 20 и выходе 21 коммутатора, а предлагаемой схеме учитывается значение данных потенциалов.

Элементы сравнения совместно с опор- ными МОП-транзисторами и источниками токов обеспечивают подачу на затворы МОП-транзисторов второго аналогового ключевого КМОП-элемента напряжений, близких к пороговым напряжениям послед- них с учетом влияния входного и выходного напряжений коммутатора, технологического разброса пороговых напряжений. Элементы преобразования обеспечивают управляющие воздействия в зависимости от

текущего значения, приложенного к второму аналоговому ключевому КМОП-элементу напряжения. Тем самым блок управления обеспечивает оптимальный зарядный (разрядный) ток конденсатора нагрузки при любых значениях входного и выходного напряжений коммутатора, что увеличивает быстродействие схемы.

Формула изобретения

Многоканальный коммутатор, содержащий в каждом канале элемент задержки, первый и второй инверторы, блок управления, включающий первый - четвертый клю- чевые элементы, входы первого и четвертого из которых соединены соответственно с общей шиной и шиной питания, входы управления объединены и соединены с выходом второго инвертора, вход которого соединен с входами управления второго и третьего ключевых элементов, первый и второй аналоговые ключевые КМОП-элементы, каждый из которых состоит из МОП-транзистора р-типа и МОП-транзистора п-типа проводимости, подложка которого соединена с общей шиной, затвор - с входом первого инвертора, выход которого соединен с затвором МОП-транзистора р-типа, подложка которого соединена с шиной источни- ка напряжения, а сток - с истоком МОП-транзистора n-типа и является аналоговым входом канала, исток МОП-транзистора р-типа соединен со стоком МОП-транзистора n-типа и является выхо- дом первого аналогового ключевого КМОП- элемента, причем выходы ключевых КМОП-элементов всех каналов объединены и являются аналоговым выходом коммутатора, вход и выход второго аналогового клю- чевого элемента подключены соответственно к входу и выходу первого аналогового ключевого КМОП-элемента, а затворы МОП-транзисторов р- и n-типа второго аналогового ключевого элемента под-

0

5 0 5 0 5 0 5

ключены соответственно к выходам третьего и первого ключевых элементов, причем выход элемента задержки соединен с входом первого инвертора, а вход - с соответствующим входом управления коммутатора и входом второго инвертора, отли чающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия, в блок управления каждого канала введены первый и второй элементы преобразования, первый и второй элементы сравнения, опорные МОП-транзисторы п- типа и р-типа, первый и второй источники тока, первый и второй аналоговые сумматоры, причем первые входы элементов сравнения и элементов преобразования объединены и подключены к аналоговому входу канала, вторые входы элементов сравнения и элементов преобразования объединены и подключены к аналоговому выходу коммутатора, выход первого элемента сравнения соединен с истоком опорного МОП- транзистора n-типа, подложка которого соединена с общей шиной, затвор - со стоком, выходом первого источника тока и первым входом аналогового сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого элемента преобразования, а выход - с входом второго ключевого элемента, выход которого объединен с выходом первого ключевого элемента, выход второго элемента сравнения соединен с истоком опорного МОП-транзистора р-типа, подложка которого соединена с шиной питания, затвор - со стоком, входом второго источника тока, первым входом второго аналогового сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго элемента преобразования, а выход - с входом третьего ключевого элемента, выход которого объединен с выходом четвертого ключевого элемента, причем вход первого источника тока соединен с ключевого элемента, причем вход первого источника тока соединен с шиной питания, выход второго источника тока - с общей шиной.