АНАЛОГОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ

Предлагаемая полезная модель относится к технике переключательных схем и может быть использована в радиоприемных и радиопередающих устройствах, радиолокации, системах защищенной связи, импульсной технике и т.п.
Известно устройство многоканального коммутатора (Авторское свидетельство №807989 SU, МПК Н03K 17/693, Канакин В.А., Портнягин М.А., Скуратов Е.Г., опубликовано 30.12.1994 г.). В этом устройстве каждый канал коммутатора содержит два коммутирующих и два дополнительных МДП-транзистора. Затворы коммутирующих транзисторов через резисторы подключены к управляющим шинам. Стоки первого и сток второго коммутирующих транзисторов соединены соответственно с первой и второй входными шинами. Истоки всех транзисторов объединены между собой и подключены к выходной шине. Затворы дополнительных транзисторов соединены с управляющей шиной.
Признаком аналога, совпадающим с признаками заявляемого технического решения, является наличие двух активных элементов (у аналога - МДП-транзисторы), выполняющих роль коммутирующих элементов.
Недостатком аналога является следующее. Коммутируемые сигналы от входных шин к выходной шине проходят по каналам коммутируемых МДП-транзисторов. Это приводит к снижению быстродействия подобных устройств. Кроме того, сопротивления каналов коммутируемых МДП-транзисторов имеют нелинейную зависимость от амплитуды входных сигналов. Это приводит к росту числа нежелательных спектральных составляющих выходного сигнала, которые отсутствуют во входном сигнале.
Известно устройство аналогового электронного ключа на полевых транзисторах (Аналоговый электронный ключ на полевом транзисторе, рис. 3б. Электронный ресурс: http://www.newreferat.com/ref-751-2.html). В этом устройстве присутствуют один n-канальный и один p-канальный МДП-транзисторы. Истоки транзисторов соединены между собой и служат входом устройства. Стоки транзисторов и первый вывод резистора нагрузки соединены между собой и служат выходом устройства. На затвор одного транзистора подается управляющий сигнал в прямой форме, а на затвор второго транзистора подается управляющий сигнал в инверсной форме.
Признаком аналога, совпадающим с признаками заявляемого технического решения, является наличие двух активных элементов (у аналога - МДП-транзисторы) и резистора нагрузки.
К недостаткам аналога следует отнести следующее. Коммутируемые сигналы от входа электронного ключа к выходу электронного ключа проходят по каналам открытых МДП-транзисторов. В подобных устройствах сопротивление электронного ключа зависит от сопротивления каналов n-канального и p-канального МДП-транзисторов. Кроме того, сопротивление ключа, в зависимости от входного напряжения, имеет нелинейную зависимость и сильно зависит от амплитуды входного сигнала (Аналоговый электронный ключ на полевом транзисторе, рис. 4, 6, 7. Электронный ресурс: http://www.newreferat.com/ref-751-2.html). Это приводит к снижению быстродействия подобных устройств. Кроме того, нелинейная зависимость сопротивления ключа от амплитуды входного сигнала приводит в формированию нежелательных спектральных составляющих в выходном сигнале, которые отсутствуют во входном сигнале.
1
2
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является электронный ключ (Авторское свидетельство №1830620 A1 SU, МПК Н03K 17/16, Голик В.В., Подпружников B.C., опубликовано 30.07.93, БИ №28). Электронный ключ включает транзистор p-n-p-типа, пять резисторов, полупроводниковый диод и ключ. Первый вывод первого резистора соединен с эмиттером транзистора. Этот узел соединения является входом устройства, на который подается сигнал +U. Второй вывод первого резистра соединен с базой транзистора и с первым выводом второго резистора. Второй вывод второго резистора соединен с первым выводом ключа, второй вывод которого подключен к общей шине. Коллектор транзистора соединен со вторым выводом третьего резистора, первым выводом четвертого резистора и с анодом полупроводникового диода. Первый вывод третьего резистора соединен с шиной источника напряжения -U. Второй вывод четвертого резистора подключен к общей шине. Катод полупроводникового диода подключен к первому выводу пятого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной. Пятый резистор является сопротивлением нагрузки, с которого снимается выходной сигнал.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются биполярный транзистор p-n-p-типа, первый и второй резисторы, где первый вывод первого резистора соединен с эмиттером транзистора.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
1
1. Устройство предназначено для передачи в нагрузку только напряжения +U, имеющего положительную полярность. Это ограничивает функциональные возможности устройства.
1
2. В устройстве сигнал +U передается от эмиттера к коллектору транзистора, т.е. при открытом ключе через транзистор протекает ток, величина которого зависит от напряжения, падающего на первом резисторе. Протекание тока через транзистор снижает быстродействие устройства.
3. В устройстве проходная характеристика транзистора представляет собой нелинейную зависимость тока коллектора транзистора от напряжения, приложенного между эмиттером и базой транзистора. Нелинейность проходной характеристики транзистора будет приводить к росту числа спектральных составляющих выходного сигнала, которые отсутствуют во входном сигнале, что нежелательно для качественной работы устройства.
Задачей предлагаемого устройства является повышение быстродействия работы аналогового электронного ключа при сохранении формы сигнала на выходе устройства.
Технический результат достигается тем, что в электронный ключ, содержащий первый биполярный транзистор p-n-p-типа, первый и второй резисторы, где первый вывод первого резистора соединен с эмиттером первого транзистора, введен второй биполярный транзистор n-p-n-типа, причем коллектор второго транзистора соединен с шиной положительного напряжения источника питания, а коллектор первого транзистора соединен с шиной отрицательного напряжения источника питания, второй вывод первого резистора соединен с общей шиной, первый вывод второго резистора служит входом для подачи входного сигнала, второй вывод второго резистора и эмиттер второго транзистора подключены к узлу соединения эмиттера первого транзистора и первого вывода первого резистора, и второй ввод служит выходом устройства, на базу второго транзистора подается первый управляющий сигнал, а на базу первого транзистора подается второй управляющий сигнал.
вх
Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил то, что в заявляемом техническом решении при закрытом ключе ток от источника входного сигнала u(t) замыкается в эмиттер либо первого, либо второго биполярных транзисторов и к резистору нагрузки не проходит. Когда ключ открыт, первый и второй транзисторы заперты, ток от источника входного сигнала в эмиттеры транзисторов не поступает, а проходит к резистору нагрузки, на котором формируется выходной сигнал, а это позволяет передавать входной сигнал на выход аналогового электронного ключа, используя линейные элементы.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная аналогового электронного ключа.
На фиг. 2 представлена форма управляющего сигнала, подаваемого на базу второго транзистора (верхняя диаграмма) и базу первого транзистора (нижняя диаграмма).
На фиг. 3 представлены диаграммы, поясняющие работу устройства при передаче гармонического колебания: входной сигнал (верхняя диаграмма); выходной сигнал (нижняя диаграмма).
На фиг. 4 представлены диаграммы, поясняющие работу устройства при произвольном входном сигнале: входной сигнал (верхняя диаграмма); выходной сигнал (нижняя диаграмма).
Диаграммы, представленные на фиг. 3 и 4, получены моделированием аналогового электронного ключа (фиг. 1) с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
вх
вых
п
п
упр1
упр2
упр1
Аналоговый электронный ключ (фиг. 1) содержит первый биполярный транзистор p-n-p-типа (3), второй биполярный транзистор n-p-n-типа (2), первый резистор (4) и второй резистор (1). Первый вывод второго резистора (1) служит входом для подачи входного сигнала u(t). Второй вывод второго резистора (1) соединен с эмиттером первого транзистора (3), эмиттером второго транзистора (2) и первым выводом первого резистора (4). Этот узел соединения является выходом устройства u(t). Коллектор первого транзистора (3) соединен с шиной отрицательного напряжения питания -E. Коллектор второго транзистора (2) соединен с шиной положительного напряжения питания +E. Второй вывод первого резистора (4) соединен с общей шиной. На базу второго транзистора (2) подается первый управляющий сигнал u. На базу первого транзистора (3) подается второй управляющий сигнал u, инверсный к первому управляющему сигналу u (фиг. 2).
Работает аналоговый электронный ключ следующим образом.
0
0
1
1
На постоянном токе на базе первого транзистора (3) поддерживается отрицательное напряжение - V, а на базе второго транзистора (2) поддерживается положительное напряжение V. Эти напряжения определяют величину тока, который протекает через первый (3) и второй (2) транзисторы, когда ключ закрыт. При подаче положительного напряжения U на базу первого транзистора (3) и отрицательного напряжения -U на базу второго транзистора (2), первый (3) и второй (2) транзисторы запираются (переходят в режим отсечки). При этом должны выполняться условия:
вх
1
0
вх
1
0
U<U+|-V|; |-U|<|-U|+V,
вх
вх
где U - амплитуда входного сигнала u(t).
вых
При подобном распределении сигналов ключ переходит в открытое состояние, а на выходе ключа формируется выходной сигнал u(t).
На фиг. 3 и фиг. 4 на верхних диаграммах представлен входной сигнал, а на нижних диаграммах представлены сигналы, сформированные на выходе аналогового электронного ключа.
Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства аналогового электронного ключа.