Мажоритарное устройство

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ р 11970701(22) Заявлено 30,01,81 (21) 3241379/18-21 151)М Кп з с присоединением заявки М 9 -Н 03 К 19/23 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(2 Авторы изобретения Ю.Н.Родионов и Ю.А.Алексеев Особое конструкторское бюро технической киберн тики,Ленинградского ордена Ленина политехническ го института им. М.И.Калинина(54) МАЖОРИТАРНОЕ УСТРОЙСТВО Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно кустройствам, 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 медиайы) входных аналоговых сигналов.Известно мажоритарное устройство,содержащее три блока усиления, шестьоперационных элементов, шесть транзисторов, шесть резисторов, шесть диодов и шесть блоков выбора минимального значения 11.Недостатком известного устройстваявляется топологическая особенностьего схемЫ, в силу которой невозможно широкое применение транзисторныхсборок с объединенными коллекторамив микросхемном исполнении, обладающихповышенной надежностью. Кроме того,при необходимости отвода значитеЛьноймощности 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 транзисторов, эмиттер каждого из которыхсоединен через соответствующий резистор с базой транзистора, базы первого,второго и третьего транзисторов связаны соответственно с катодами первого, второго и третьего диодов, анодыкоторых соединены соответственно спервыми выходами первого, второго итретьего блоков выбора минимальногонапряжения, вторые выходы которыхсвязаны с первой шиной питания, эмиттеры первого, второго и третьего транзисторов соединены через резисторнагрузки со второй шиной питания, свыходной шиной и через первые триоперационных элемента со входами соответствующих блоков усиления, входыкоторых связаны соответственно черезвторые три операционных элементасо входными шинами, инверсный выходпервого блока усиления соединен спервыми входами первого и третьегоблоков выбора минимального напряжения, вторые входы которых связаны З 0 соответственно с первым и вторым вхо-.дами второго блока выбора минимального напряжения и соединены соответственно с инверсными выходами второгои третьего блоков усиления, выходытретьего, первого и второго блоков,усиления связаны через дополнительные 5резисторы с анодами соответственночетвертого, пятого и шестого диодов,катоды которых соединены соответственно с базами четвертого; пятого и шестого транзисторов, коллекторы которых связаны с первой шиной питания,эмиттеры четвертого, пятого и шестоготранзисторов соединены соответственно с коллекторами первого, второго итретьего транзисторов. 15В известном устройстве благодаря объединению коллектоРов одноименных транзисторов возможно ис,пользование транзисторных сборок собъединенными коллекторами в микросхемном исполнении, обладающихповышенной надежностью по сравнениюр раздельными транзисторами. Принеобходимости отвода значительноймощности от коллекторов транзисторов необходимо четыре радиатора наполную рассеиваемую мощность каждыйС 2 .Недостатком такого устройства является необходимость использовать четыре радиатора. Вследствие того, чтокаждый радиатор должен быть рассчитан н". полную рассеиваемую мощность,это существенно увеличивает массу игабариты устройства, что также косвенно ограничивает возможность повышения надежности. устройства путемувеличения избыточностиВсе это делает весьма проблематичными воэможности его использования в аппаратуре со значительной выходной мощностью 40Цель изобретения - повышение надежности устройстваЩУказанная цель достигается тем,.что в мажоритарное устройство, содержащее три входные шины, две шиныпитания выходную шину, шесть операционных элементов, шесть диодов,шесть резисторов, резистор нагрузки,три блока минимального напряжения,три блока усиления, шесть транзисторов, эмиттер каждого из которыхсоединен через соответствующий резистор с базой. транзистора, базы первого, второго и третьего транзисторов соединены соответственно с катодами первого, второго и третьегодиодов, аноды которых связаны соответственно с первыми выходами первого, второго и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторыевыходы которых соединены с первой 60шиной питания, эмиттеры первого,второго и третьего транзисторов соединены через резистор нагрузки со второйшиной питания, с выходной шиной ичерез первые три операционных элемента со входами соответствующих блоковусиления, 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 первыми вторым входами второго блока выбора минимального напряжения и соответственно с инверсными выходами второго и третьего блоков усиления, введены первый, второй и третий блокивыбора максимального напряженияпервые выходы которых связаны совторой шиной питания, вторые выходыпервого, второго и третьего блоковвыбора максимального напряжения соединены с катодами соответственно-четвертого, пятого и шестого диодов;аноды которых соединены с базами соответственно четвертого, пятого н шестого транзисторов, эмиттеры и коллекторы которых соединены соответственно с первой шиной питания и с коллектором первого транзистора, коллектор.которого связан с коллекторамивторого и третьего транзисторов, пря-мой выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого итретьего блоков выбора максимальногонапряжения, вторые входы которых связаны соответственно с первым н вторым входами второго блока выбора максимального напряжения и соответственнос прямыми выходали второго и третьего блоков усиления. В мажоритарном устройстве каждый из первого, второго и третьего блоков выбора минимального. напряжения содержит два диода и резистор, первый 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 напряженияКаждый 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 и-р-и транзисторы, а в качестве четвертого, пятого и шестого транзисторов р-п-р-транзисторы.На чертеже показана электрическая схема предлагаемого устройства.5 10 15 20 25 30 35 зом, указанные элементы производят выбор минимального по модулю сигнала иэ каждых двух и затем максимального сигнала иэ трех полученных.В результате ток через транзисторы 5=1-5=3 пропорционален выборочной ме диане из выходных сигналов с прямыхвыходов блоков 13=1-13=3 усиления,Поскольку ток через транзисторы1=1-1=3 и транзисторы 5=1-5=3, включенные последовательно с резистором 50 нагрузки между шинами 6 и 4 питания,пропорционален выборочной медиане, то напряжение на резисторе 3 нагрузки также пропорционально ей. Взаимодействие всех перечисленных выше эле ментов с блоками 13=1-13=3 усиления,образующих цепи отрицательной обратной связи, обеспечивает существенное увеличение точности устройства в целом. устройство содержит транзисторы 1=1-1=3 типа п-р-п, выходная шина 2, резистор 3 нагрузки, шина 4 питаний, транзисторы 5=1-5=3 типа р-п-р, шина 6 питания, радиатор 7, резисторы8=1-8=6, диоды 9=1-9=3, блоки 10=1- 10=3 выбора минимального напряжения, диоды 11=1-11=3, блоки 12=1-12=3 выбора максимального напряжения, блоки 13=1-13=2 усиления, операционные элементы 14=1-14=3, 15=1-15=3, входные шины 16=1-16=3, резистор 17, диоды 18, резистор 19, диоды 20.На чертеже базы транзисторов 1=1, 1=2, 1=3, 5=1,5=2 и 5=3 соединены соответственно через резисторы 8=1- 8=6 с эмиттерами транзисторов 1=1, 1=2, 1=3, 5=1, 5=2, 5=3, коллектор транзистора 1=2 связан с коллекторами транзисторов 1=2, 1=3, 5=1, 5=3, базы транзисторов 1=1-1=3 соединены соответственно с катодами диодов 9=1-9=3, аноды которых связаны соответственно с первыми выходами блоков 10=1-10=3, вторые выходы которых соединены с эмиттерами транзисторов 5=1-, 5=3 и с шиной 6 питания, базы транзисторов 5=1-5=3 соединены соответственно с анодами диодов 11=1-11=3,като,цы которых связаны соответственно с первыми выходами блоков 12=1-12=3 вторые выходы которых соединены с шиной 4 питания, которая через резистор 3 нагрузки соединена с эмиттерами транзисторов 1=1-1=3, свыходной шиной 2 и связана через определенные элементы 15=1-15=3 соответственно со входами блоков 13=1- 13=3 усилителя, входы которых соеди-нены соответственно через операционные элементы 14=1-14=3 со входными шинами 16=1-16=3, инверсные выходы блоков 13=1-13=,3 усиления связаны соответственно с первыми входами блоков 10=1-10=3 выбора максимального напряжения и соединены соответственно со вторыми входами блоков 10=3, 10=1 и 10=2, прямые выходы блоков 13=1- 13=3 усиления. соединены соответственно с первыми входами блоков 12=1-12=3 выбора максимального значения и соединены соответственно со вторыми входами блоков 12=3 , 12=1 и 12=2.В каждом из блоков. 10=1-10=3 второй выход связан через резистор 17 с первым выходом и с анодами диодов 18, катоды которых соединены со вхоУдами блока выбора минимального на-пряжения.В каждом из блоков 12=1-12=3 второй выход соединен через резистор 19 с первым выходом н с катодами диодов 20, аноды которых связаны со входами блока выбора максимального значения.В предлагаемом устройстве каждый блок выбора минимального напряжения (один из 10=1-10=3) выбирает минимальное из двух выходных напряжений с инверсных выходов блоков 13=1-13=3 и подает его через один из диодов (18) на базу одного из транзисторов (=1-1=3), 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 (1=1- 1=3) определяется наиболее открытым из них. Таким образом, указанные элементы производят выбор минимального по модулю сигнала из каждых двух и затем максимального сигнала иэ трех полученных. В результате ток через транзисторы 1=1-1=3 пропорционален выборочной медиане из выходных сигналов с инверсных выходов блоков 13=.1-13=3 усиления.Каждый блок (один из 12=1-12=3) выбора максимального напряжения выбирает максимальное из двух выходных напряжений с прямых выходов блоков 13;-1-13=3, подает его через один из диодов 11=1-11=3 на базу одного иэ транзисторов 12=1-12=3, эмиттер которого подключен непосредственно ко второй (плюсовой) шине 6 питания, Поскольку транзисторы 5=1-5=3 имеют проводимость, противоположную проводимости транзисторов 1=1-1=3, то степень его открытия определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 6 Ток через включенные параллельно три транзистора 5=1-5=3 определяется на- иболее открытым из них. Таким обраУстройство работает следующим образом.Диоды 9=1-9=3, 11=1-11=3 совместно срезисторами 8=1-8=3 защищают переходы база-эмиттер транзисторов 1=1-1=3, 5=1-5=3 от значительных эа 970701.тельной обратной связи, состоящие ыэ пирающих напряжений с выходов блоков10-1-10=3.Каждый блок 10 выбирает минимальное из двух напряжений с инверсныхвыходов .блоков 13=1-13=3 усиления и.подает его через диод 9=1-9=3 на базу одного из транзисторов 1=1-1=3.Так как эмиттер этого транзистораподключен через резистор.3 нагрузкик минусовой шине 4, то степень открытия транзистора определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 4.Ток через включенные параллельнотри транзистора 1=1-1=3 определяется наиболее открытым из них. Такимобразом, указанные элементы 1=1-1=3,8=1-8=3, 10=1-10=3 производят выборминимального по модулю сигнала изкаждых двух и затем максимальногосигнала из трех полученных. В результате ток через транзисторы 1=1-1=1пропорционален выборочной медианецз сигналов с инверсных выходов блоков 13=1-13=3.При отказе одного из транзисторов 5=1-5=3 (типа короткого замыкания эмиттера с коллектором) коллекторы транзисторов 1=1-1=3 оказываются подключенными непосредственно к .шине б и вместе с резистором 3 образуют схему с общим коллектором. Поэтому на резисторе 3 выделяетсянапряжение, пропорциональное выборочной медиане из выходных напряженийблоков 13=1-13=3. Взаимодействие перечисленных элементов с блоками 13,через цепи отрицательной обратнойсвязи, состоящее из соответствующихэлементов 15=1-15=3 и 14=1-.14=3,обеспечивает существенное увеличениеточности выделения медианы,При высоких значениях коэФФициентов усиления блоков 13=1-13=3 даЖЬпри йезначительном неравенстве напряжений на входных шинах 16=1-16=3;или при незначительной неидентичнос=тн элементов 14=1-14=3 или 15=1-15=3выходные напряжения блоков 13=1-13=3резко различаются: на выходе одногоиз них предельно высокий уровень, на выходе другого - предельно низкий, а на выходе третьего -промежуточный, плавно изменяющийсяв зависимости от текущего значениямедианы входных напряжений. ВместеС устройством (элементы 1=1-1=310=1-10=1) выделения медианы этотусилитель Функционирует как операЦионный, и вид комплексного коэФФиМиента передачи с соответствующейВходной шины 16 на выходную шину 2Определяется только параметрами:операционных элементов 14=:1-14=3 и15=1-15=3. При этом погрешности выполнения операций,с сигналами наРМОдных шинах 16, в том числе мажоРитарного преобразования, могут быть 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 малыми, так как определяются практически только параметрами блоков13=1-13=3 и операционных элементов14=1-14=3, 15=.1-15=3. При использовании быстродействующих транзисторов идиодов быстродействие мажоритарногоустройст а может определяться практически только быстродействием блоков 13, В рассматриваемом режимеотказ одного из транзисторов 5=1-5=3)обеспечена возможность получения широкого диапазона изменения выходногонапряжения, что объясняется отсутствием противоречий в условиях выборазначений резисторов 17 в блоках10=1-10=3,Каждый блок иэ 12=1-12=3 выбирает максимальное из двух выходных напряжений с прямых выходов блоков13=1-13=3 и подает его через один издиодов 11=1-11=3 на базу одного изтранзисторов 5=1-5=3. Так как эмиттер этого транзистора подключен непосредственно к плюсовой шине б, тотип его проводимости противоположентипам транзисторов 1=1-1=3 и степеньоткрытия рассматриваемого транзистора определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины б. Ток через включенные параллельно три транзистора5=1-5=3 определяется наиболее открытым из них. Таким образом, указанныеэлементы 5=1-5=3, 8=1-8=3, 11=1-11=3,12=1-12=3 производят выбор минимального по модулю сигнала из каждыхдвух и затем максимального сигнала изтрех полученных, В результате токчерез один из транзисторов 5=1-5=3пропорционален выборочной медианеиз выходных сигналов с прямых выходов блоков 13=1-13=3.При отказе одного из транзисторов1=1-1=3 (типа короткого замыканияэмиттера с коллектором) коллекторытранзисторов 5=1-5=3 оказываются подключенными к минусовой шине 4 черезрезистор 3 нагрузки и вместе с нимобразуют схему с общим эмиттером,поэтому на резисторе 3 выделяетсяусиленное напряжение, пропорциональное выборочной медиане из выходныхнапряжений блоков 13=1-13=3. Взаимодействие перечисленных элементов сблоками 1.3=1-13=3 через цепи отрицасоответствующих элементов 14=1-14=,3и 15=1-15=3, обеспечивает существенное увеличение точности выделениямедианы. Это взаимодействие осуществляется аналогично описанному вышевзаимодействию. В рассматриваемомрежиме (отказ одного из транзисторов1=1-1=3) также обеспечена возможность получения широкого диапазона изменения выходного напряжения, чтообъясняется отсутствием противоречийв условиях выбора значений реэисто970701 Формула изобретения ки между шинами б и 4 питания, пропорционален выборочной медиане напряже ний на входных шинах 16=1-16=3, а напряжение на резисторе 3 пропорционально ей. Две петли отрицательной .обратной связи обеспечивают малую погрешность выполнения операций с 15 входными сигналами устройства.Короткое замыкание или обрыв резистора 3 приводит к отказу устройства. Для его исключения резистор 3 резервирован (не показано) от отказов типа короткого замыкания и типа обрыва. 30 40 45 50 дами второго блока выбора максимального напряжения и соответственно с прямыми выходами второго и третьего блоков усиления.2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что каждый иэ первого, второго и третьего блоков ров 18 в блоках 12=1-12=3, а также свойствами усилительных каскадов на транзисторах 5=1-5=3 по схеме с общим эмиттером.При нормальном функционировании одновременно транзисторов 1=1-1=3 и 5=1-5=3 ток через транзисторы 5=15=3 и транзисторы 1=1-1=3, включенныепоследовательно с резистором 3 нагрузПосле 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 числе при отказе одного любого элемента устройства.В другом случае использование изобретения резистор 3 нагрузки может быть включен между шиной б и объединенными эмиттерами р-и-р транзисторов 5=1-5=3. При этом необходимо поменять местами инвертирующие инверсные и прямые и. выходы блоков 13=1-13=3. По сравнению с известными (точны- ми,быстродействующими, нечуветвительными к отказам элементов) мажори"тарными устройствами с широким диапазоном изменения выходного напряжения предлагаемое имеет уменьшенныена 60-75 массу и габариты благодаря топологической особенности его схемы, допускающей установку всех транзисторов 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 устройства косвенно обеспечивает возможность повышения его надежности, например, путем уве-. личения избыточности. 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, вторЪго и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые выходы 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 входами 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 минимального напряжения, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока выбора минимального напряжения исоответственно с инверсными выходамивторого и третьего блоков усиления,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения надежности, внего введены первьй, второй и третийблоки выбора максимального напряжения, первые выходы которых соединеныс второй шиной питания, вторые выходы первого, второго и третьего блоковвыбора максимального напряжения соединены с катодами соответственно четвертого, пятого и шестого диодов,аноды которых соединены с базами соответственно четвертого, пятого и шестоготранзисторов, эмиттеры и коллекторыкоторых 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 спервыми входами первого и третьегоблоков выбора максимального напряжения, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым вхо; 12 970701 Эаказ 8426/76 Тираж 959 Подписное ВНИ Патент", г. Ужгород, Ул. Проектная,4 лиал выбора минимального напряжения содеРжит два диода и резистор, первый вывод которого соединен с вторым вы ходом блока выбора минимального на=пряжения, первый выход которого сое-. динен с вторым выводом резистора и с 5 анодами диодов, катоды которыхсоединены с входами блока выбора минимального напряжения.3, Устройство по п.1, о т л и - ч а ю ц е е с я тем, что каждый из 10 первого, второго и третьего блоков выбора максимального напряжения содержит два диода и резистор, первый вывод которого соединен с первым выходом блока выбора максимального на пряжения, второй выход которого соединен с вторым выводом резистора и с катодами диодов, аноды которых соединены с входами блока выбора макси.мального напряжения.4, Устройство по п.1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что в качествепервого, второго, третьего транзисторов используются п-р-и-транзисторы, а в качестве четвертого, пятогои шестого транзисторов-р-и-р-транзисторы,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2675739/18-21,кл. Н 03 К 19/42, 1978.2, Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 3220632/18-21,кл. Н 03 К 19/23, 1981 (прототип) .