Коммутатор аналоговых сигналов

. Возизион- оговых ительно на-. ируе 1Изобретение относится к коммутируюшим устройствам и может быть использовано в измер й или телевной технике для коммутации аналсигналов.Известны ключи для коммутации ана- Блоговых сигналов, включенные на диодных мостах, на биполярных транзисторахи на ХОП-транзисторах1 ,Однако при работе на низкоомнуюгрузку такие ключи искажают коммутмый аналоговый сигнал и имеют коэффициент передачи меньше единицы из-аабольшого выходного сопротивления, Приработе нескольких ключей, коммутирующих несколько аналоговых сигналов наобщую нагрузку (коммутатор аналоговыхсигналов), часто возникает потребностьиметь в одном из коммутируемых каналов коэффициент передачи больше единицы,20Например, для выравнивания уровней вы. ходного сигнала ключа при коммутациисигнала со входа и с выхода линии задержки. При этом в одном иэ положений ключ должен иметь коэффициент правный единице, во втором - двумможность такой коммутадии в укаэанныхвыше ключах отсутствует,Наиболее близким по технической сути к изобретению является устройстводля переключения аналоговых сигналов,содержащее два генератора тока, два дифференциальных усилителя, выполненных натранзисторах, резистор общей нагрузкидирференциальных усилителей, транзисторный ключ и источники опорного напряжения. Оно способно коммутировать по крайней мере два входных аналоговых сигналана общую нагрузку с легко,устанавливакщимся коаффициентом передачи как меньше,так и больше единицы Г 2 1.Но и в атом устройстве имеются недостатки: возможна коммутация входныхнапряжений, находящихся только в положительной области потенциалов; выходнойсигнал смещен относительно входного вположительную область напряжений, чтозатрудняет последовательное включение3 9783 нескольких ключей; разница во вносимых уровнях остаточных коммутационных по 1 тенциалов, вызванная неидентичностью токов, формируемых двумя генераторами тока; температурный дрейф вносимого уровня остаточных коммутационных потенциалов; отсутствие возможности обеспечения разного коэффициента передачи по коммутируемым каналам; высокое выходное сопротивление ключа; недостаточно 1 О малые искажения дифференциального усиления и дифференциальной фазы.Бель изобретения - уменьшение иска- жений коммутируемого видосигнала.Поставленная цель достигается тем, 5 что в коммутатор аналоговых сигналов, содержащий не менее двух дифференциальных усилителей, выходы которых подключены к резистору общей нагрузки, источники опорного напряжения, генератор тока 20 и токовый ключ, которые выполнены на транзисторах одного типа проводимости, введены эмиттерный повторитель на тран эисторах разного типа проводимости, последовательная и параллельная ЙС -це почки, первый и второй диоды, дополнительный токовый ключ на транзисторе, первый и второй транзисторы р-и-р типа и третий транзистор о -р- и типа проводимости, причем эмиттеры транзисторов ЗО 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 инвертируюших транзисторов подключены к шинам коммутируемых видеосигналов, а коллекторы соединены с шиной положительного напряжения питания через последовательную цепочку из первого резистора и двух диодов, в которой анод первого диода подключен к шине положительного напряжения питания, а катодвторого - к резистору этой цепочки, и с общей шиной питания через последователь ную йс 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 транзисторов дифференциальных усилителей подключены к эмиттеру55 второго транзистора и через четвертый резистор - к шине положительного напряжения питания, база второго транзистора соединена с первым источником опорного 45 4напряжения, а коллектор через пятыи резистор с шиной отрицательного напряжения питания - с эмиттером третьего транзистора, база которого соединена с вторым источником опорного напряжения, а его коллектор и коллектор первого транзистора соединены через параллельную яс -це почку и подключены к базам транзисторов эмиттерного повторителя, выход которого соединен с нагрузкой коммутатора и через шестой и седьмой резисторы - с базами неинвертируюших транзисторов первого и второго дифференциальных усилителей, при этом база неинвертируюшего 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 соответствующие входные аналоговые сигналы, Таких ключей в укаэанном 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 ( О ком. 1), транзистор 2 инвертируюший 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 Р . База транзистора 2 подключена к шине коммутируемого аналогового сигнала первого ключа (У ан,1),Узлы схемы, работающие при подклн- 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, йс-цепочку из резистора 12 и конденсатора 13, соединенных параллельно и включенныхпадение напряжения от эмиттерных токовтранзисторов 2 и 3, несколько большеемаксимального 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 ( Ю ан,1), Коллекторный ток транзистора 2 создает падение напряжения на резисторе обшей нагрузки 7 и диодах 8 и 9, приложенное к базе транзистора 10, 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 10 через резистор 12 и конденсатор 13 втекает в коллектор транзистора 14, работающего в режиме геператора тока. На резисторе 15 создается суммарное падение напряжения, вызванное коллекторным током транзистора 3 и эмпттерным током второго транзистора 16, работающего в усилительном режиме по схеме с общей базой. База этого транзисторачерез первый источник 17 опорного напряжения подключена к шине 18 положительного напряжения питания, Первый источник 17 может быть выполнен, например на стабилитроне. Нагрузкой транзистора 16 является низкоомный вход усилителя, собранного на транзисторе по схеме с обшей базой и выполненного 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 подклочены к шине 2 1 отрицательного напряхсс ния питания. Генератор 22 тока формирует постоянный ток, который; протекая через соответствующий токовый ключ (например, на транзисторе 1), и, раэветвившись через транзисторы схем дифференциальных усилителей, создает падения напряжения на резисторах 7 и 15, практически одинаковые при включении любого ключа.На коллекторах транзисторов 10 и 14 произойдет вычитание этих напряжений, так как напряжение, выделенное на резисторе общей нагрузки 7, будет инвертировано транзистором 10, а налряженпе, выделенное на резисторе 15,получив смеще 59783 между коллектором первого транзистора 10 р-и-р типа и коллектором транзистора 14 -р-о типа; резистор 15, соединенный с коллекторами неинвертируюших транзисторов, входящих в состав схем двфференциальных усилителей, и с эмиттером второго транзистора 16 р-о-р типа, первый. опорный источник 17 напряжения, включенный между базой второго транзистора 16 р-и-р типа и шиной 18 поло О жительного напряжения питания; резистор.19 и второй источник 20 опорного напряжения, подключенные к шине 21 отрицательного напряжения питания; генератор 22 тока, включенный между шиной 21 отрица тельного напряжения питания и эмиттерами транзисторов - токовых ключей; эмит терный повторитель 23, собранный на транзисторах разного типа, проводимости и подключенный к коллекторам первого 20 транзистора 10 р-и-р типа и транзисторра 14 и -р-о типа; резисторы 24 и 25, включенные между эмиттерами транзисторов, входящих в состав эмиттерного повторителя 23; транзистор 26 (токовый 2 ключ), входящий в состав второго ключа; регулировочный резистор 27, включенный между коллектором транзистора 26 и эмиттерами инвертирующего транзистора 28 и неинвертируюшего транзистора 29, Зо 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 З базой первого транзистора 10 р-и-р типа и общей шиной питания; резистор 34, включенный между эмиттером этого транзистора и первым источником опорного напряжения; резистор 35, являющийся токозадаюшим элементом генератора 22тока, транзистор 36 и стабилитрон 37, входящие в состав генератора 22 тока,Коммутатор работает следующим образом. 4Напряжение коммутации первого ключа 13 ком. 1 открывает токовый ключ, собранный на транзисторе 1. При этом напряжение коммутации О ком,1 должно быть больше напряжения коммутации второго ключа О ком,2 и напряжений коммутации последующих ключей О ком. ц для запирания отключенных ключей, Ток, протекающий через коллектор транзистора 1, является суммарным током, протекающим через эмиттерные переходы транзисторов 2 и 3, входящих в состав схемыдифференциального усилителя. Резисторы 4 и 5 имеют величину, обеспечивающую7 9783 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 10 и транзистора 14, с учетом величины то та генератора 22, значений напряжения первого и второго источников опорного напряжения (17 и 20), падения напряже ния на диодах 8 и 9 и из предложения равенства нулю коммутируемого сигнала. Выходноенапряжение, выделенное на коллекторах вышеуказанных транзисторов, подается на вход эмиттерного повторителя 15 23, выполненного на двух транзисторах разного типа проводимости. Резистор 12 должен иметь величину, обеспечивающую падение напряжения на нем, примерно равное сумме напряжений перехода эмиттер -20 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 25 эмиттерного повторителя, увеличиваются, что дополнительно уменьшает искажения дифференциальной фазы и дифференциального усиления. Коммутация на выход коммутатора любого другого Входного аналого зо вого сигнала, наприм ер, О ан. 2, производится сменой уровней напряжений сигналов коммутации О кем.1 и О ком.2. При этом транзистор 1 токового ключа в первом ключе запирается, а отпирается токо. З вый ключ, собранный на транзисторе 26и входящий в состав второго ключа. Ток генератора 22 тока теперь протекает через транзистор 26 и через регулировочный резистор 27, разветвляется в тран О зисторах 28 и 29, входящих в состав схемы дифференциального усилителя и создает падение напряжения на резисторах 7и 15, практически идентичные падениямнапряжения на этих резисторах при включенном первом ключе. Цепь обратной связи в этом ключе содержит резисторы 30и 31, соотношение между которыми опре делит коэффициент передачи второго ключа. Соединенные параллельно, эти резисторы должны иметь значение, близкое к значению внутреннего сопротивления источникааналогового сигнала, подсоединеннного ко входу 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 устанавливается на выходе 45 8коммутатора потенциал, равный выходномупотенциалу коммутатора при включенномпервом ключе. Последующие ключи могутбыть собраны аналогично второму ключу.Коммутатор представляет из себя усилитель постоянного тока, схваченный 100%ной отрицательной обратной связью дляключа, имеющего коэффициент передачиединицу, и с меньшим уровнем отрицательной обратной связи для ключа с коэффициентом передачи более единицы, Коэффициент передачи усилителя постоянного токас разомкнутой петлей отрицательной обратной связи более 55 дБ. Полоса около200 кГц, выходное сопротивление менее100 Ом, Высокий коэффициент передачиусилителя постоянного. тока обеспечиваетсяналичием двух каналов усиления, один изкоторых осуществляет усиление сигналас инверсией ( транзистор 2, транзистор10), а второй без инверсии усиливаемого сигнала ( транзистор 3, транзистор16, транзистор 14), При включении второго или последующего ключа в двухканальной цепи усиления производится сменатолько транзисторов 2 и 3 на идентичныетранзисторы в последующих ключах, Дляобеспечения устойчивости коммутаторавведена цепь, шунтирующая усиление вобласти высоких частот, содержащая последовательно соединенные резистор 32и конденсатор ЗЗ, подключенная к базетранзистора 10. Введение резистора 12и конденсатора 13 обеспечивают уменьшение искажений дифференциальной фазыдо уровня 0,1 - О, 12 О, а дифференциального усиления до уровня 0,1- 0,12%.Наличие двух каналов усиления, один изкоторых является инверсным, а второйнеинверсным, позволяет обеспечить дополнительную компенсацию температурногодрейфа выходного потенциала. Например,температурный дрейф генератора 22 тока,имеющий, предположим, положительноеприращение, создает на выходе коммутатора по каналу транзисторов 3, 16, 14смещение выходного потенциала в отрицательную область напряжений, а по каналу транзистора 2, транзистора 10 смешение выходного потенциала в положительную область напряжений. При этомпроизводится частичная компенсация температурного дрейфа выходного потенциала.Аналогичным образом производится частичная компенсация дрейфа выходного потенциала в диапазоне температур, возникающая от токов Зк транзисторов 2 и 3. Полная компенсация температурного дрейфаостаточного напряжения коммутатораг 9763 произойдет в случае обеспечения идентичных коэффициентов пер.дачи по обоим каналам и при предложении идентичностиЪ величин температурного .дрейфа напряжений переходов эмиттер - база транзисторов и при одинаковых температурных дрейфах токов Эко транзисторов 2 и 3. Идентичность коэффициентов передачи двух каналов обеспечивается надлежащим выбором номинала резистора 34 с учетом структуры генераО тора 22 тока. Такой расчет возможен для любого вида генератора тока, который может быть употреблен в качестве генератора тока 22. Простейшая структура генератора 22 тока показана на чертеже, в 15 котором токозадаюшим элементом является резистор 35, а источником температурной нестабильности - дрейф напряжения перехода эмиттер - база транзистора 36 и напряжения стабилизации стабилцт рона 37, 20 Анализ величин и направлений дрейфа токов, вызванного всеми вышеуказанными, температурными нестабильностями, позволяет получить простое выражение для расчета резистора 34, оптимизация кото рого позволяет получить минимальное значение дрейфа остаточного напряжения коммутатора. Обозначая резисторы в соответствии с их нумерацией на чертеже и через йо параллельное соединение ре- ЗО зисторов 34 и 1 1, определим величину ко следующим образом:1 й 35 - 7 О"й 15 - й 19 З 5 При известной величине резистора 11, определенной при расчете режима коммутатора по постоянному току, легко определится величина резистора 34. Для дальнейшего уменьшения величины дрейфа ос О таточного напряжения коммутатора введены два диода 8 и 9, обеспечивающие направление дрейфа обратного знака относительно некомпенсируемых источников дрейфа. Измерения дрейфа остаточного напряжения смещения в диапазоне температур 20- 50 С показали, что коммутатор обеспечивает величину этого дрейфа не более +0,2 мВ, остаточное напряжение смешения одного ключа относительно другого не более + 0,1 МВ. Таким образом, коммутатор аналогового сигнала, отличительной особенностью которого является наличие двух каналов усиления, обеспечивающих высокий коэффициент передачи разомкнутой системы и компенсацию температурного дрейфа остаточного напряжения и наличие цепей, обеспечивающих дополнительное уменьшение дифференциаль 4 г 10ных искажений и оста точного напряжения коммутатора в диапазоне температур, имеет высокое входное сопротивление, малое выходное сопротивление, весьма низкие двференциальные искажения, малый уровень температурного дрейфа остаточного напряжения коммутатора, обладает гибкостью, позволяющей получить по любому ключу коэффициент передачи от единпшя и более,формула изобретенияКоммутатор аналоговых сигналов, соержаший не менее двух дифферешшальтпк силптелеп, выходы которых подключ .не ерезистору общей нагрузки, источш.к,ного напряжения, генератор тока н токаиключ, которые выполненЫ на транзистора;одного типа проводимости, о т л и ч а .- ш и й с я тем, что, с целью уменьшения искажений коммутируемого видеосигнала, введены эмиттерный повторитель на тра: ". зисторах разного типа проводимости, последовательная и параллельная йс -цепочки, первый и второй диоды, токовый ключ на транзисторе, первый и второйтранзисторы Р -и-р-типа и третий транзистор % р-и-типа проводимости, при этом эмиттеры транзистороВ токовых ключей подключены к коллектору транзпстсра генератора тока, базы - к соответтвук - щим шинам сигналов коммуташш, колл. к. тор транзистора каждого токового ключа подключен через резистор к эмиттерам транзисторов соответствующих дифференциальных усилителей, у которых базы пнвертирующих транзисторов подключены к шинам коммутируемых аналоговыхпгна лов, а коллекторы соединены с шиной положительного напряжения питания через последовательную цепочку из первого сс зистора и двух диодов, в которой апъ первого диода подключен к шине положи"- тельного напряжения питания, а катод второго - к резистору этой цепочки, и с обшей шиной питания через последователь ную йс -цепочку, а также с базой первого транзистора, эмиттер которого через второй и третий резисторы подключен соответственно к шине положительногонапряжения питания и к первому источнику опорного напряжения, коллекторы неинвертирующих транзисторов дифференциальных усилителей подключены к эмиттерувторого транзистора и через четвертый резистор - к шине положительного напряжения питаниябаза второго транзистора9783 Составитель А. Егорычевласенко Техред И,Гайду Корректор В. Прохнен то Подписномитета СССРоткрытийская наб., д/74 Тираж 959ВНИИПИ Государственного кпо делам изобретений и113035, Москва, Ж, Раущ з 924. 4/5 Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 соединена с первым источником опорногонапряжения, а коллектор через пятый резистор с шиной отрицательного напряжения питания - с эмиттером третьего транзистора, база которого соединена с вторым источником опорного напряжения, аего коллектор и коллектор первого транзис тора с оединены через параллельнуюКс -цепочку и подключены к базам транзисторов эмиттерного повторителя, выход 10которого соединен с нагрузкой коммутатора и через шестой и седьмой резисторы. 4 ) 12с базами неинвертирующих транзисторовпервого и второго дифференциальных усилителей, прн этом база неинвертируюшеготранзистора второго дифференциальногоусилителя подключена через восьмой резистор к обшей шине источника питания.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1.Зарубежная радиоэлектроника",1976, % 8, с. 81 - 105,2. Заявка Японии % 52-47985,кл. Н 03 К 17/60, опублик. 1977.