Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. Оно может быть использовано, в частности, для коммутации аналоговых напряжений, несущих информацию, в устройствах контроля, измерения, управления или исследования.

Известен детектор на транзисторном ключе (Груздев С.В., Пронин Е.М. Импульсная тензометрия. - М.: Энергия, 1976, рис. 32 на стр. 45 [1]), содержащий последовательно соединенные входной резистор, ключ на двух компенсированных транзисторах и конденсатор, а также трансформатор, один из выводов вторичной обмотки которого соединен с общим выводом коллекторов двух транзисторов, а другой - с общим выводом баз двух транзисторов, на первичную обмотку трансформатора подается сигнал управления.

Недостатком его является отсутствие возможности поддержания транзисторного ключа в замкнутом состоянии продолжительное время. Это связано с наличием трансформатора в цепи управления транзисторами. Трансформатор не трансформирует постоянные напряжения. Трансформация длительных неизменяющихся напряжений приводит к таким большим габаритным размерам и весу трансформатора, что он становится конструктивно несовместимым с остальной схемой и с элементами изделия.

Известна измерительная схема моста узкого диапазона (Малиновский В.Н. Цифровые мосты. - М.: Энергия, 1976, рис. 3-7, стр. 106 [3]), содержащая четырехплечий мост, две клеммы для подключения формирователя питающего напряжения моста и требующееся число параллельно включенных цепей из последовательно соединенных резистора и ключа, эти цепи включаются параллельно резистору плеча с уравновешивающими элементами мостовой цепи.

Недостатком ее является понижение точности измерения из-за составляющих погрешности от реального прямого сопротивления ключа (сопротивления ключа в замкнутом состоянии), от реального обратного сопротивления ключа (сопротивления ключа в разомкнутом состоянии) и от остаточного напряжения ключа (напряжение на ключе в замкнутом состоянии).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа схема компенсированного ключа [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. – М.: Высшая школа, 2004, рис. 7.16 в, стр. 558], содержащая последовательно соединенные резистор нагрузки и два транзистора, источник входного напряжения включен между свободным выводом резистора нагрузки и свободным выводом транзистора, имеется также трансформатор, один из выводов вторичной обмотки которого соединен с общим выводом коллекторов двух транзисторов, другой вывод ее через резистор соединен с базой первого транзистора, а также этот вывод через другой резистор соединен с базой второго транзистора, на первичную обмотку трансформатора подается управляющий сигнал u_у.

Недостатком ее является отсутствие возможности поддержания ключа в замкнутом состоянии продолжительное время.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в обеспечении возможности поддерживать коммутатор в замкнутом состоянии продолжительное (требующееся) время без ухудшения параметров: остаточного напряжения коммутатора и его обратного сопротивления.

Это достигается тем, что в управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, содержащий источник входного напряжения, резистор нагрузки, выходное напряжение и напряжение управления, первый вывод источника входного напряжения соединен с первым выводом резистора нагрузки и их общий вывод заземлен, второй вывод резистора нагрузки образует выход управляемого коммутатора относительно «земли», введена совокупность элементов: неинвертирующий повторитель напряжения на операционном усилителе, два управляемых электронных ключа, два источника постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности для питания операционного усилителя и формирователь управляющих напряжений для управления электронными ключами, в неинвертирующем повторителе напряжения инвертирующий вход операционного усилителя соединен с его выходом, неинвертирующий вход соединен с выходом источника входного напряжения, а выход операционного усилителя - с незаземленным выводом резистора нагрузки, первый управляемый электронный ключ включен между выводом для положительного постоянного напряжения операционного усилителя и выходом первого источника питающего постоянного напряжения, второй - между выводом для отрицательного постоянного напряжения операционного усилителя и выходом второго источника питающего постоянного напряжения, общие шины источников положительного и отрицательного напряжений заземлены, первый выход формирователя управляющих напряжений соединен с управляющим входом первого управляемого ключа, второй выход последнего формирователя подключен к управляющему входу второго управляемого ключа, на вход формирователя управляющих напряжений для управляемых ключей подается напряжение управления, общая шина этого формирователя заземлена.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1.

Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, включает в себя источник 1 входного напряжения, общая шина которого заземлена, а выход соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 2 неинвертирующего повторителя напряжения. Инвертирующий вход операционного усилителя соединен с его выходом. Вывод для положительного питающего постоянного напряжения последнего через управляемый ключ 3 соединен с выходом первого источника 4 положительного постоянного питающего напряжения. Общая шина этого источника заземлена. Управляющий вход ключа 3 соединен с первым выходом формирователя 5 управляющих напряжений для электронных ключей, общая шина которого заземлена, а на вход подается напряжение управления е_у. Вывод для отрицательного питающего постоянного напряжения операционного напряжения 2 через управляемый ключ 6 соединен с выходом второго источника 7 отрицательного постоянного питающего напряжения. Общая шина его заземлена. Управляющий вход ключа 6 соединен со вторым выходом формирователя 5 управляющих напряжений для электронных ключей. Выход операционного усилителя 2 подключен к первому выводу резистора 8, общий вывод которых образует выход коммутатора u_вых. Второй вывод резистора 8 нагрузки заземлен.

При отсутствии напряжения управления (е_у=0) управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, соответствует разомкнутому состоянию. На управляемые ключи 3 и 6 с выхода формирователя 5 управляющие напряжения не подаются, и они разомкнуты. Питающие постоянные напряжения с источников 4 и 7 на операционный усилитель 2 не подаются, и он находится в неработающем состоянии. Тогда выходное напряжение управляемого коммутатора отсутствует (u_вых=0).

Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, работает следующим образом. При воздействии напряжения управления (е_у≠0) с выходов формирователя 5 на входы управляемых ключей 3 и 6 поступают напряжения, которые переводят эти ключи в проводящее состояние. Тогда на операционный усилитель 2 поступают положительное и отрицательное питающие постоянные напряжения от источников 4 и 7, и он переходит в работающее состояние. Собранный на нем неинвертирующий повторитель напряжения повторяет по форме и амплитуде напряжение с выхода источника 1 входного напряжения и создает его на выходе управляемого коммутатора напряжений, несущих информацию. При этом отсутствуют ограничения по длительности сигнала источника 1 входного напряжения и соответственно по длительности выходного напряжения (u_вых) управляемого коммутатора напряжений, несущих информацию.

Остаточное напряжение (u_ост) управляемого коммутатора напряжений, несущих информацию, определяется разностью напряжений на неинвертирующем входе операционного усилителя 2 (u_неин) и на выходе коммутатора. Оно находится по формуле

где k - коэффициент усиления операционного усилителя. В частности, при uвых=2 В и k=10⁵ или k=10⁶ u_осх=20 мкВ или u_ост=2 мкВ. Для оценочного сравнения у прерывателя на компенсированных транзисторах К101КТ1 (А, Б, В, Г) остаточное напряжение (напряжение между эмиттерами) равно 100 или 300 мкВ [Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги, РадиоСофт, Москва, 2001, с. 120].

В рассматриваемой схеме (фиг. 1) отсутствует электрический ток между неинвертирующим входом и выходом операционного усилителя 2. Поэтому нет смысла в прямом сопротивлении управляемого коммутатора. Можно считать, что оно здесь отсутствует. Здесь имеет смысл коэффициент передачи (k_П)

Идеальный коэффициент передачи k_ПИ здесь равен единице

При приведенных значениях k в предыдущем абзаце коэффициент передачи для рассматриваемой схемы (фиг. 1) практически совпадает с идеальным значением

или .

Если управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, находится в непроводящем состоянии, то резистор 8 нагрузки шунтируется его обратным сопротивлением. Это обратное сопротивление в основном определяется двумя параллельно соединенными сопротивлениями. Первое из них состоит из последовательно соединенных сопротивлений нескольких р-n переходов в непроводящем состоянии транзисторов операционного усилителя и обратного сопротивления управляемого ключа 3. Второе сопротивление - это тоже последовательно соединенные сопротивления нескольких р-n переходов в непроводящем состоянии транзисторов операционного усилителя и обратного сопротивления управляемого ключа 6. Если использовать операционный усилитель с полевыми транзисторами на входах, то по существу исключается сопротивление части р-n переходов в непроводящем состоянии транзисторов, связанных этими входами. В общем случае обратное сопротивление рассматриваемого управляемого коммутатора (фиг. 1) и обратное сопротивление прототипа (ключа на компенсированных транзисторах) имеют сопоставимые значения. В данном случае в рассматриваемом состоянии обратное сопротивление управляемого коммутатора не имеет существенного отрицательного значения, т.к. выходное напряжение (u_вых=0), значение сопротивления резистора 8 много меньше значения обратного сопротивления.

Таким образом, управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, не имеет ограничения по длительности напряжения управления (е_у), у него меньшее значение остаточного напряжения и нет отрицательного влияния прямого сопротивления из-за его отсутствия.