Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию
CONTROLLED SWITCH OF VOLTAGES CARRYING INFORMATION

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).
у
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.
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.
у
вых
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. 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. Второй вывод резистора 8 нагрузки заземлен.
у
вых
При отсутствии напряжения управления (е=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=0).
у
вых
Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, работает следующим образом. При воздействии напряжения управления (е≠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) управляемого коммутатора напряжений, несущих информацию.
ост
неин
Остаточное напряжение (u) управляемого коммутатора напряжений, несущих информацию, определяется разностью напряжений на неинвертирующем входе операционного усилителя 2 (u) и на выходе коммутатора. Оно находится по формуле
5
6
осх
ост
где k - коэффициент усиления операционного усилителя. В частности, при uвых=2 В и k=10 или k=10 u=20 мкВ или u=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].
П
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)
ПИ
Идеальный коэффициент передачи k здесь равен единице
При приведенных значениях k в предыдущем абзаце коэффициент передачи для рассматриваемой схемы (фиг. 1) практически совпадает с идеальным значением
или .
вых
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=0), значение сопротивления резистора 8 много меньше значения обратного сопротивления.
у
Таким образом, управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, не имеет ограничения по длительности напряжения управления (е), у него меньшее значение остаточного напряжения и нет отрицательного влияния прямого сопротивления из-за его отсутствия.