Коммутатор аналоговых сигналов Советский патент 1982 года по МПК H03K17/60 

(54) КОММУТАТОР АНАЛОГОВЫХ 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 С 1 . Однако при работе на низкоомную нагрузку такие ключи искажают коммутиру мый аналоговый сигнал и имеют коэффи- даент передачи меньше единицы из-за большого выходного сопротивления. При работе нескольких ключей, коммутирующих несколько аналоговых сигналов на обнято нагрузку (коммутатор аналоговых сигналов), часто возникает потребность иметь в одном из коммутируемых каналов коэффициент передачи больше единипы Например, для выравнивания уровней выходного сигнала ключа при коммутации сигнала со входа и с выхода линии задержки. При этом в одном из положений СИГНАЛОВ КЛЮЧ должен иметь коэффициент передачи, равный единице, во втором - двум. Возможность такой коммутации в указанных выше ключах отсутствует. Наиболее близким по технической сути к изобретению является устройство для переключения аналоговых сигналов, содержащее два генератора тока, два дм1ьференциальных усилителя, выполненных на транзисторах, резистор общей нагрузки дифференциальных усилителей, транзисторнь1й ключ и источники опорного напряжения. Оно способно коммутировать по крайней мере два входных аналоговых сигнала на общую нагрузку с пё1пк0|устанавливак щимся коэффициентом перед&чи как меньше, так и больше единицы С2 J . Но и в этом устройстве имеются недостатки : возможна коммутация входных напряжений, находящихся только в положительной области потенциалов; выходной сигнал смещен относительно входного в положительную область напряжений, что затрудняет последовательное включение нескольких ключей; разница во вносимьк уровнях остаточных коммутационных потенциалов, вызванная неидентичностыб то ков, формируемых двумя генераторами тока; температурный дрейф вносимого уровня остаточных коммутавдонных потен циалов ; отсутствие возможности обеспечения разного коэффициента передачи по коммутируемым каналам ; высокое выход- ное сопротивление ключа; недостаточно малые искажения дифференциального усиления и дифференциальной фазы. Цель изобретения - уменьшение искажений коммутируемого видосигнала. Поставленная цель достигается тем, что в коммутатор аналоговых сигналов, содержащий не менее двух дифференциальных усилителей, выходы которых подключены к резистору общей нагрузки, источники опорного напряжения, генератор тока и токовый ключ,- которые выполнены на транзисторах одного типа проводимости, введены эмиттерный повторитель на т-ран зисторах разного типа проводимости, последовательная и параллельная RC -цепочки, первый и второй диоды, дополнительный токовый ключ на транзисторе, первый и второй транзисторы р-п-р типа и третий транзистор п -р- п типа проводимости, причем эмиттеры транзисторов токовых ключей подключены к коллектору транзистора генератора тока, базы - к соответствующим шинам сигналов коммутации, коллектор транзистора каждого токового ключа подключен через резисторы к эмиттерам транзисторов соответствующих дифференциальных усилителей, у которых базы инвертирующих транзисторо 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 като второго - к резистору этой цепочки, и с общей шиной питания через последователь liyio RC тЦепочку, а также с базой перво го транзистора, эмиттер которого через второй и третий резисторы подключен соответственно к шине положительного напряжения питания и к первому источнику опорного напряжения, коллекторы неин- вертирующих транзисторов дифференциальных усилителей подключены ic эмиттеру второго транзистора и через четвертый резистор - к шине положительного напряжения питания, база второго транзистора соединена с первым источником опорного напряжения, а коллектор пятый резистор с шиной отрицательного напряжения питания - с фмиттеррм третьего транзистора, база которого соединена с вторым источником опорного напряжения, а его коллектор и коллектор первого, транзистора соединены через параллельную R с.-цепочку и подключены к базам транзисторов эмиттерного повторителя, выход которого соединен с нагрузкой коммутатора и через шестой и седьмой резисторы - с базами неинвертирующих транзисторовпер-. вого и второго дифференциальных усилителей, при этом база неинвертирующего 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 соответствук)щие входные аналоговые сигналы. Таких ключей в указанном 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 ( и 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 RH . База транзистора 2 подключена к шине коммутируемого аналогового сигнала первого ключа ( U ан. 1). Узлы схемы, работающие при подклк 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 инвертирующих транзисторов, входящих в схемы дифференциальных усилителей.; (например, транзистор 2 в первом ключе), которые подключены также и к базе первого транзистора 10 р-п-р типа; резистор 11, включенный между эмиттером этого транзистора и шиной положительного напряжения, Rc-цепочку из резистора 12 и конденсатора 13, соединенных параллельно и включенных

между коллектором первого транзистора 10 р-п-р типа и коллектором транзистора 14 п-р-п типа; резистор 15, соединенный с коллекторами неинвертирующих транзисторов, входящих в состав схем

дифференциальных усилителей, и с эмиттером второго транзистора 16 р-п-р типа, первый. опорный источник 17 напряжения, включенный между базой второго транзистора 16 f)-n-p типа и шиной 18 поло- жительного напряжения питания ; резистор 19 и второй источник 20 опорного напряжения, подключенные к щине 21 отрицательного напряжения питания; генератор 22 тока, включенный между шиной 21 отрицательного напряжения питания и эмиттерами транзисторов - токовых ключей ;эмиттерный повторитель 23, собранный на транзисторах разного типа; проводим ости и подключенный к коллекторам первого транзистора 10 р-п-р типа и транзистор- ра 14 п -р-п типа; резисторы 24 и 25, включенные между эмиттерами транзисторов, входящих в состав эмиттерного повторителя 23; транзистор 26(токовый ключ), входящий в состав второго ключа; регулировочный резистор 27, включенный между коллектором транзистора 26 и эмиттерами инвертирующего транзистора 28 и неинвертирующего транзистора 29, 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 базой первого транзистора 10 р-п-р типа и общей щиной питания; резистор 34, включенный между эмиттером этого транзистора и первым источником опорного напряжения; резистор 35, являющийся токозадающим элементом генератора 22 тока, транзистор 36 и стабилитрон 37, входящие в состав генератора 22 тока.

Коммутатор работает следующим образом.

Напряжение коммутации первого ключа и ком. 1 рткрьгоает токовый ключ, собранный на транзисторе 1. При этом напряжение коммутации U ком.1 должно быть больше напряжения коммутации второго ключа и ком.2 и напряжений коммутации последующих ключей U ком. п 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 Шфференциального усилителя. Резисторы 4 и 5 имеют величину, обеспечивающую

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 ( LC an.i), Коллекторный ток транзистора 2 создает падение напряжения на резисторе общей нагрузки 7 и диодах 8 и 9, приложенное к базе транзистора Ю, (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 1О через резистор 12 и конденсатор 13 втекает.в коллектор транзистора 14, работающего в релмме генератора тока. На резисторе 15 создае1х;я суммар ное падение напряжения, вызванное коллекторным током транзистора 3 и эмит-терным током второго транзистора 16, работающего в усилительном по схеме с общей базой. База этого транзисторачерез первый источник 17 опорного напряжения подключена к шипе 18 положительного напряжения питания. Первьп1 источник 17 может быть выполнен, например на стабилитроне. Нагрузкой транзистора 16 является низкоомньп вход усилителя, собранного на транзисторе по схеме с общей базой и выполнеп ного 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 напряжения подключены к шине 21 отрицательного напряжения питания. Генератор 22 тока формирует постоянный ток, который, протекая через соответствующий токовый ключ (например, на транзисторе 1), и, разветвившись через транзисторы схем дифференциальных усилителей, создает падения напряжения на резисторах 7 и 15, практически одинаковые при включении любого ключа. На коллекторах транзисторов 1О и 14 произойдет вычитание этих напряжений, так как напряжение, вьщеленное на резисторе общей нагрузки 7, будет инвертировано транзистором 10, а напряженпе, вы- Деленное на резисторе 15,получив смете- 97 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 1О и транзистора 14, с учетом величины то Тка генератора 22, значений напряжения первого и второго источников опорного напряжения (17 и 20), падения напряжеНИН на диодах 8 и 9 и из предложения равенства нулю коммутируемого сигнала. Выходное напряжение, вьщеленное на коллекторах вышеуказанных транзисторов, подается на вход эмиттерного повторителя 23, выполненного на двух транзисторах разного типа проводимости. Резистор 12 должен иметь величину, обеспечивающую падение напряжения на нем, примерно рав ное сумме напряжений перехода эмиттер 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 амиттерного повторителя, увеличиваются, что дополнительно уменьшает искажения дифференциальной фазы и дифференциального усиления. Коммутация на выход коммутатора любого другого входного аналогО вого сигнала, например,О ан.2, производится сменой уровней напряжений сигналов коммутации UKOM. и U ком.2. При этом транзистор 1 токового ключа в первом ключе запирается, а отпирается ТОКРвый 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 транзисторах 28 к 29, входящих в состав схемы дифференциального усилителя и соз дает падение напряжения на резисторах 7 и 15, практически идентичные падениям напряжения на этих резисторах при включенном первом ключе. Цепь обратной связи в этом ключе содержит резисторы 30 и 31, соотношение между которыми определит коэффициент передачи второго ключа Соединенные параллельно, эти резисторы должны иметь значение, близкое к значеН1ПО внутреннего сопротивления источника аналогового сигнала, подсоединеннного ко Еходу второго ключа, т. е. к базе транзистора 28. Это уменьшит остаточное напряжение смещения на выходе коммутатора в рабочем диапазоне температур при включении второго ключа. Регулировочным резистором 27 устанавливаете на выходе оммутатора потенциал, равный выходному отенциалу коммутатора при включенном первом ключе. Последующие ключи могут быть собраны аналогично второму ключу. Коммутатор представляет из себя усилитель постоянного тока, схваченный 1ОО%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 обратной связи более 55 дБ. Полоса около 200 кГц, выходное сопротивление менее 100 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 иди 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 33, подключенная к базе транзистора 10. Введение резистора 12 и конденсатора 13 обеспечивают уменьшение искажений дифференциальной фазы до уровня 0,1 - 0,12°, а дифференциального усиления до уровня 0,1 - 0,12%. Наличие двух каналов усиления, один из которых является ИIiвepcным, 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 10 смещение выходного потенциала в положительную область напряжений. При этом производится частичная компенсация температурного дрейфа выходного потенциала. Аналогичным образом производится частичная компенсация дрейфа выходного потенциала в диапазоне температур, возникающая от токов транзисторов 2 и 3. Полная компенсация температурного дрейфа остаточного напряжения коммутатора

о9783

произойдет в случае обеспечения идентичных коэф()5ициентов пе здачи по обоим каналам и при предложении идентичности величин температурногодрейфа напряжений переходов эмиттер - база транзисторов и 5 при одинаковых температурных дрейфах токов JKO 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 гене- ратора 22 тока показана на чертеже, в 15 котором токозадающим элементом является резистор 35, а источником температурной нестабильности - дрейф напряжения перехода эмиттер - база транзистора 36 и напряжения стабилизации стабилитрона 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 миншувальное значение дрейфа остаточного напряжения коммутатора. Обозначая резисторы в соответствии с их нумерацией на чертеже и через RO параллельное соединение ре- ЗО зис торов 34 и 11, определим величину RO следующим образом :

R7 aR35-(.R15-R 9

R15-RI935

При известной вел гчине резистора 11, определенной при расчете ремшма коммутатора по постоянному току, легко определится величина резистора 34. Для дальнейшего уменьшения величины дрейфа ос- 40 таточного напряжения коммутатора введены два диода 8 и 9, обеспечивающие направление дрейфа обратного знака относительно некомпенсируемых источников дрейфа. Измерения дрейфа остаточного 5 напряжения смещения в диапазоне температур 5О°С показали, что коммутатор обеспечивает -величину этого дрейфа не более ±0,2 мВ, остаточное напряжение смещения одного ключа относительно у другого не более ±0,1 мВ. Таким образом, коммутатор аналогового сигнала, отличительной особенностью которого является наличие двух каналов усиления, обеспечивающих высокий коэффициент пере-дачи разомкнутой системы и компенсацию температурного дрейфа остаточного напряжения и наличие цепей, обеспечивающих дополнительное уменьшение дифферен1шал1

4510

HbDC искажений и остаточного напряжения коммутатора в диапазоне температур, имеет высокое входное сопротивление, малое выходное сопротивление, весьма низкие ди|)ферен1шальные искажения, малый уровень температурного дрейфа остаточного напряжения коммутатора, обладает гибкостью, позволяющей получить по любому ключу коэффициент передачи от единишл и более.

Формула изобретения

Коммутатор аналоговых сигналов, содержащий не менее двух диф41еренш1альч 1х усилителе , выходы которых подключегал к резистору общей нагрузки, исгочшжс. ;:г.см:ного напря;кения, генератор тока н токо}л.г ключ, которые выполнены на транзисторах одного типа проводимости, о т л и ч а : щ и и с я тем, что, с целью уменьи5еи .я искажений коммутируемого видеос1шналл, введены эмиттерный повторитель на трап-зисторах разного типа проводимости, последовательная и параллельная Re -цепочки, первый и второй диоды, токовый ключ на транзисторе, первый и второй транзисторы р-п-р-типаи третий тран аистор Ti -р-п-типа проводимости, при этом эмиттеры транзисторов токовых ключей подключены к коллектору транзистора генератора тока, базы к соответсч-вуюЩЦМ шипам сигналов коммуташш, кг)ли)октор транзистора каждого токового ключа подключен через резистор к эмиттерам транзисторов соответствующих дифферен™ циалъных усилителей, у которых базы инвертирующих транзисторов подключены к шинам коммутируемых аналоговых сигналов, а коллекторы соединены с шпиой полола1тельного напряжения питания через последовательную цепочку из первого

зистора и двух диодов, в которой амо, первого диода пош лючен к шине полол з -тельного напряжения питания, а катод второго - к резистору этой цепочки, и с общей шиной питания через последовательную 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 транзисто ов дифференциальных усилителей подключены к эмиттеру второго транзистора и через четвертый резистор - к шине положительного напряц жения питания база второго транзистора

и978;:

соецинена с первым источником опорного напряжения, а коллектор через пятый резистор с шиной отрицательного напряжения питания - с эмиттером третьего транзистора, база которого соединена с вто- 5 рым источником опорного напряжения, а его коллектор и коллектор первого транзистора соединены через параллельную RC -цепочку и подключены к базам транзисторов эмиттерного повторителя, выход Ю которого соединен с нагрузкой коммутатора и через шестой и седьмой резисторыс базами неинвертирующих транзисторов первого и второго дифференциальных усилителей, при этом база неинвертируюшег транзистора второго дифференциального усилителя подключена через восьмой резистор 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.