Мажоритарное устройство Советский патент 1982 года по МПК H03K19/23 

Изобретение относится к радиоэлектрорной технике, а именно к устройствам, выполняющим мажоритарное преобразование аналоговых сигналов, заданных электрическим напряжением (током), и может быть использовано в резервированных усилителях в измерительных и функциональных преобразователях для выделения средневыборочного значения (выборочной медианы) входных аналоговых сигналов.

Известно мажоритарное устройство, содержащее три блока усиления, шесть операционных элементов, шесть транзисторов, шесть резисторов, шесть диодов и шесть блоков выбора минимального значения 11.

Недостатком известного устройства является топологическая особенности его схемы, в силу которой невозможно широкое применение транзисторных сборок с объединенными коллекторами в микросхемном исполнении, обладающих повышенной надежностью. Кроме того, . при необходимости отвода значительной мощности от коллекторов транзисторов, необходимо большое число раздельных радиаторов - четыре.

Известно мажоритарное устройство, содержащее три входные шины, две шины питания, выходную шину, шесть операционных элементов, шесть диодов, шесть резисторов, резистор нагрузки, три блока выбора минимального напряжения, три блока усиления,шесть тран...зисторов, эмиттер каждого из которых соединен через соответствующий резистор с базой транзистора, базы первого, второго и третьего транзисторов свя10заны соответственно с катодами первого, второго и третьего диодов, аноды которых соединены соответственно с первыми выходами первого, второго и третьего блоков выбора минимального

15 напряжения, вторые выходы которых связаны с первой шиной питания, эмиттеры первого, второго и третьего транзисторов соединены через резистор нагрузки со второй шиной питания, с

20 выходной шиной и через первые три операционных элемента со входами соответствующих блоков усиления, входы которых связаны соответственно через вторые три операционных элемента

25 со входными шинами, инверсный выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые входы которых связаны соответственно с первым и вторым вхо30дами второго блока выбора минимально го- напряжения и соединены соответственно с инверсными выходами второго и третьего блоков усиления, выходы третьего, первого и второго блоков , усиления связаны через дополнительны резисторы с анодами соответственно четвертого, пятого и шестого диодов катоды которых соединены соответстве но с базами четвертого; пятого и шес того транзисторов, коллекторы которых связаны с первой шиной питания, эмиттеры четвертого, пятого и шестог транзисторов соединены соответственно с коллекторами первого, второго и третьего транзисторов. В известном устройстве благодаря объединению коллекто в одноименных транзисторов возможно ис-, пользование транзисторных сборок с объединенными коллекторами в микросхемном исполнении, обладающих повышенной надежностью по сравнению р раздельными транзисторами. При необходимости отвода значительной мощности от коллекторов транзисторов необходимо четыре радиатора на полную рассеиваемую мощность каждый 2. Недостатком такого устройства является необходимость использовать че тыре радиатора. Вследствие того, что каходый радиатор должен быть рассчитан нг. полную рассеиваемую мощность это существенно увеличивает массу и габариты устройства, что также косвенно ограничивает возможность повышения надежности устройства путем увеличения избыточности. Все это деЛс1ет весьма проблематичными возможности его использования в аппаратуре со значительной выходной мощность Цель изобретения - повьдиение надежности устройства.. Указанная цель достигается тем, .что в мажоритарное устройство, содержащее три входные шины, две шины питания, выходную шину, шесть операционных элементов, шесть диодов, шесть резисторов, резистор нагрузки три блока минимального напряжения, три блока усиления, шесть транзисторов, эмиттер каждого из которых соединен через соответствуюпдай резис тор с базой транзистора, базы первого, второго и третьего транзисторов соединены соответственно с катодами первого, второго и третьего диодов, аноды которых связаны соответственно с первыми выходами первого, второго и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые выходы которых соединены с первой шиной питания, эмиттеры первого,второго и третьего транзисторов соедине ны через резистор-нагрузки со второй шиной питания, с выходной шиной и через первые три операционных элемен та со входами соответствующих блоков усиления, входы которых связаны соответственно через вторые три операционных элемента со входными шинами, инверсный выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые входы которых связаны соответственно с первым и вторым входами второго блока выбора минимального напряжения и соответственно с инверсными выходами второго и третьего блоков усиления, введены первый, второй и третий блоки выбора максимального напряжения-, первые выходы которых связаны со второй шиной питания, вторые выходы первого, второго и третьего блоков выбора максимального напряжения соединены с катодами соответственно четвертого, пятого и шестого диодовтаноды которых соединены с базами соответственно четвертого,пятого и шестого транзисторов, эмиттеры и коллекторы которых соединены соответственно с первой шиной питания и с коллектором первого транзистора, коллектор, которого связан с коллекторами второго и третьего транзисторов, прямой выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора максимального напряжения, вторые входы которых связаны соответственно с первым и вторым входами второго блока выбора максимального напряжения и соответственно с прямыми выхода уот второго и третьего блоков усиления. В мажоритарном устройстве каждый из первого, второго и третьего блоков выбора минимального.напряжения содержит два диода и резистор, перйый вывод которого соединен со вторым выходом блока выбора минимального напряжения, первый выход которого соединен со вторым выводом резистора и с анодами диодов, катоды которых соединены со входами блока выбора минимального напряжения . Каждый из первого, второго и третьего блоков выбора максимального напряжения содержит два диода и резистор, первый вывод которого соединен с первым выходом блока выбора максимального напряжения, второй выход которого соединенн со вторым выводом резистора и с катодами диодов, аноды которых соединены со входами блока выбора максимального напряжения . Кроме того .в качестве первого, второго и третьего транзисторов используются п-р-п транзисторы, а в качестве четвертого, пятого и шестого транзисторов р-п-р-транзисторы. На чертеже показана электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство содержит транзисторы типа п-р-п, выходная шина 2 резистор 3 нагрузки, шина 4 питания транзисторы типа р-п-р, шин 6 питания, радиатор 7, резисторы , диоды , блоки выбора минимального напряжения диоды , блоки вы бора максимального напряжения, блоки усиления, операционные элементы , , вход ные шины , резистор 17, диоды 18, резистор 19, диоды 20. На чертеже базы транзисторов , , , , и соединены соответственно через резисторы с эмиттерами транзисторов , , , , , , коллектор транзистора связан- с коллектора ми транзисторов , , , , базы транзисторов соединены соответственно с катодами диодов , аноды которых связаны соот ветственно с первыми выходами блоко , вторые выходы которых сое динены с эмиттерами транзисторов 5 и с шиной 6 питания, базы транзисторов соединены соответстве но с анодами диодов ,катоды которых связаны соответственно с первыми выходами блоков вторые выходы которых соединены с шиной 4 питания, которая через резистор 3 нагрузки соединена с эмитте рами транзисторов , с выходной шиной 2 и связана через определенные элементы соответственно со входами блоков ,усилителя, входы которых-соединены соответственно через операционные элементы со входными шинами , инверсные выходы блоков усиления связаны со ответственно с первыми входами блоков выбора максимального напряжения и соединены соответственн со вторыми входами блоков , и , прямые выходы блоков усиления соединены соответствен но с первыми входами блоков выбора максимального значения и соединены соответственно со вторыми вхо дами блоков , и . В каждом из блоков. второй выход связан через резистор 17 с первым выходом и с анодами диодов 18, катоды которых соединены со в.ходами блока выбора минимального напряжения. В каждом из блоков второй выход соединен через резистор 19 с первым выходом и с катодами диодов 20, аноды которых связаны со входами блока выбора максимального значения. В предлагаемом устройстве каждый блок выбора минимального напряжения (один из ) выбирает минимальное из двух выходных напряжений с инверсных выходов блоков и подает его через один из диодов (18) на базу одного из транзисторов (), эмиттеры которого подключены через резистор нагрузки к первой (например, минусовой) шине питания ; поэтому степень его открытия определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 4. Ток через включенные параллельно три транзистора () определяется наиболее открытым из них. Таким образом, указанные элементы производят выбор минимального по модулю сигнала из каждых двух и затем максимального сигнала из трёх псхлученных. В результате ток через транзисторы п$ опорционален выборочной медиане из йыходных сигналов с инверсных выходов блоков усиления. Каждый блок (один из ) выбора максимального напряжения выбирает максимальное из двух выходных напряжений с прямых выходов блоков , подает его через один из диодов на базу одного из транзисторов , эмиттер которого подключен непосредственно ко второй (плюсовой) шине 6 питания. Поскольку транзисторы имеют проводимость, противоположную проводимости транзисторов , то степень его открытия определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 6Ток через включенные параллельно три транзистора 3 определяется наиболее открытым из них. Таким образом, указанные элементы производят выбор минимального по модулю сигнала из каждых двух и затем максимального сигнала из трех полученных. В результате ток через транзисторы пропорционален выборочной медиане из выходных сигналов с прямых выходов блоков усиления. Поскольку ток через транзисторы и транзисторы , включенные последовательно с резистором нагрузки между шинами 6 и 4 питания, пропорционален выборочной медиане, то напряжение на резисторе 3 нагрузки также пропорционально ей. Взаимодействие всех перечисленных выше элементов с блоками усиления, образующих цепи отрицательной обратной связи, обеспечивает существенное увеличение точности устройства в целом. Устройство работает следующим образом. Диоды , совместно с резисторами защищгиот переходы база-эмиттер транзисторов , от значительных запирающих напряжений с выходов блоков 3.

Каждый блок 10 выбирает минимальное из двух напряжений с инверсных выходов .блоков усиления и, подает его через диод на базу одного из транзисторов , Так как эмиттер этого транзистора подключен через резистор.3 нагрузки к г/щнусовой шине 4, то степень открытия транзистора определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 4, Ток через включенные параллельно три транзистора определяется наиболее открытым из них. Таким образом, указанные элементы , ., производят выбор минимального по модулю сигнала из каждых двух и затем максимглльного сигнала из трех полученных. В результате ток через транзисторы пропорционален выборочной медиане 43 сигналов с инверсных выходов блоков .

При отказе одного из транзисторов (типа короткого замыкания эмиттера с коллектором) коллекторы транзисторов оказываются подключенными непосредственно к . шине 6 и вместе с резистором 3 образуют схему с общим коллектором. Поэтому на резисторе 3 выделяется напряжение, пропорциональное выборочной медиане из выходных напряжений блоков . Взаимодействие перечисленных элементов с блоками 13 через цепи отрицательной обратной связи, состоящее из соответствующих 3J eMeHTOB 3 и ., обеспечивает существенное увеличение точности выделения медианы.

При высоких значениях коэффициентов усиления блоков даа№ при йезначительном неравенстве напряжений на входных шинах или при незначительной неидентичнос ти элементов или выходные напряжения блоков резко различаются: на выходе одного из них предельно высокий уровень , на выходе другого - предельно низкий, а на-выходе третьего промежуточный, плавно изменяющийся S зависимости от текущего значения медианы входных напряжений. Вместе с устройством (элементы ... ) выделения медианы этот усилитель функционирует как операционный, и вид комплексного коэффициента передачи с соответствующей входной шины 16 на выходную шину 2 определяется только параметрами операционных элементов 14 и . При этом, погрешности выполнения операций, с С1 гналами на входных шинах -16, в том числе мажоитарного преобразования, могут быть

малЕлми, так как определяются практически только параметрами блоков и операционных элементов , . При использовании быстродействующих транзисторов и диодов быстродействие мажоритарного устройства может определяться практически только быстродействием блоков 13. В рассматриваемом режиме Хртказ одного из транзисторов обеспечена возможность получения широкого диапазона изменения выходного напряжения, что объясняется отсутствием противоречий в условиях выбора значений резисторов 17 в блоках .

Каждый блок из выбирает максимальное из двух выходных напряжений с прямых выходов блоков и подает его через один из диодов на базу одного из транзисторов . Так как эмиттер этого транзистора подключен непосредственно к плюсовой шине 6, то тип его проводимости противоположен типам транзисторов и степень открытия рассматриваемоготранзистора определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 6. Ток через включенные параллельно три транзистора 3 определяется наиболее откры тым из них. Таким образом, указанные элементы , , производят выбор минимального по модулю сигнала из каждых двух и затем максимального сигнала и трех полученных. В результате ток через один из транзисторов пропорционален выборочной медиане из выходных сигналов с прямых выходов блоков .

При отказе одного из транзисторов (типа короткого замыкания эмиттера с коллектором) коллектоЕ а транзисторов оказываются подключенными к минусовой шине 4 через резистор 3 нагрузки и вместе с ниМ образуют схему с общим эмиттером, поэтому на резисторе 3 выделяется усиленное напряжение, пропорциональное выборочной медиане из выходных напряжений блоков . Взаимодействие перечисленных элементов с блоками через цепи отрицалельной обратной связи, состоящие ив соответствующих элементов и , обеспечивает существенное увеличение точности выделения медианы. Это взаимодействие осуществляется аналогично списанному выше взаимодействию.. В рассматриваемом режиме (отказ одного из транзисторов ) также обеспечена возможность получения широкого диапазона изменения выходного напряжения, что объясняется отсутствием противоречий в условиях выбора значений реэисторов 18 в блоках , а также свойствами усилительных каскадов на транзисторах по схеме с общим эмиттером.. При нормальном функционировании одновременно транзисторов и ток через транзисторы и транзисторы , включенн последовательно с резистором 3 нагр ки между шинами 6 и 4 питания, проп ционален выборочной медиане напряж НИИ на входных шинах , а напряжение на резисторе 3 пропорци нально ей. Две петли отрицательной обратной связи обеспечивают малую погрешность выполнения операций с входными сигналами устройства. Короткое замыкание или обрыв ре зистора 3 приводит к-отказу устрой ства. Для его исключения резистор резервирован (не показано) от отка зов типа короткого замыкания и типа обрыва. После отказа любого другого элемента предлагаемого устройства оно остается работоспособным, так как в нем осуществляется операция мажорирования относительно последствий этих отказов. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает широкий диапазон изменения выходного напряжения, в том числепри отказе одного любого элемента устройства. В другом случае использование изобретения резистор 3 нагрузки может быть включен между шиной 6 и . объединенными эмиттерами р-п-р транзисторов . При этом необходимо поменять местами инвертирующие инверсные и прямые и выходы блоков . По сравнению с известныг и (точны ми,быстродействующими, нечувствительными к отказам элементов) мажоритарными устройствами с широким диапазоном изменения выходного напряже ния предлагаемое имеет уменьшенные на 60-75% массу и габариты благодар топологической особенности его схемы, допускающей установку всех тран зисторов 1 и 5 на одном радиаторе (вместо четырех у прототипа). Кроме того, повышена надежность устройства благодаря возможности широкого использования транзисторных сборок с объединенными коллекторами, обладающих повышенной надежностью по сравнению с раздельными транзисторами (в частности, за счет сокращения числа выводов). Уменьшение массы и габаритов уст эойства косвенно обеспечивает возможность повышения г€го надежности, например, путем уве личения избыточности. Формула изобретения 1.Мажоритарное устройство, содержащее три входные шины, две шины питания, выходную шину, шесть операционных элементов, шесть диодов, шесть резисторов, резистор нагрузки, три блока выбора минимального напряжения, три блока усиления, шесть транзисторов, эмиттер каждого из которых соединен через соответствующий резистор с базой транзистора, базы первого, второго и третьего транзисторов соединены соответственно с катодами первого, второго и третьего диодов, аноды которых соединены соответственно с первыми выходами первого, втоЕюго и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые выхода которых соединены с первой шиной питания, эмиттеры первого, второго и третьего транзисторов соединены через резистор нагрузки с второй шиной питания, с выходной шиной и через первые три операционных элемента с вxoдa ш соответствующих блоков усиления, входы которых соединены соответственно через вторые три операционных элемента с входными шинами, инверсный выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора минимсшьного напряжения, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока выбора минимального напряжения и соответственно с инверсными выходами второго и третьего блоков усиления, отличающееся тем, что, с целью повышения надех ности, в него введены первЪдй, второй и третий блоки выбора максимального напряжения, первые выходы которых соединены с второй шиной питания, вторые выходы первого, второго и третьего блоков выбора максимального напряжения соединены с катодами соответственно четвертого, пятого и шестого диодов,аноды которых соединены с базами соответственно четвертого, пятого и шестого транзисторов, эмиттеры и коллекторы которых соединены соответственно с первой шиной питания и с коллектором первого транзистора, коллектор которого соединен с коллекторами второго и третьего транзисторов , прямой выход первого блока усиления соединен с п:ервыми входами первого и третьего блоков выбора максимального напряжения, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока выбора максимального напряжения и соответственно с прямыми выходами второго и третьего блоков усиления. 2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из первого, второго и третьего блоков