КОММУТАТОР АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована для построения электронных устройств управления.
Известен коммутатор аналоговых сигналов на МДП транзисторе (А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко, Аналоговые интегральные схемы, Справочник 2-е издание, переработанное и дополненное. Минск "БЕЛАРУСЬ", 1993, рис. 1.134 с. 129). У данного коммутатора управляющее напряжение в закрытом состоянии должно быть Uупр ≥ Uвх - Uп, а в открытом Uупр ≤ Uвх - Uп, где Uвх - значение входного напряжения, a Uп - пороговое напряжение. При этом существенным недостатком такого ключа является глубокая зависимость проводимости в открытом состоянии от Uвх.
Известен коммутатор аналоговых сигналов с плавающим затвором (Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М. Высшая школа, 1991, с. 527-528), выбранный в качестве наиболее близкого аналога, содержащий полевой транзистор, на сток которого подается коммутируемый сигнал, а к истоку подключается нагрузка. На затвор транзистора, через запирающий диод, подается управляющее напряжение, при этом к затвору и стоку транзистора подключен затворный резистор. Такой коммутатор обладает малым током утечки в закрытом состоянии, а также у него отсутствует остаточное напряжение в открытом состоянии. Для правильной работы коммутатора в открытом состоянии управляющее напряжение Uупр должно быть
где Uвх - значение входного напряжения, Uотс - напряжение отсечки полевого транзистора. В случае если управляющее напряжение не соответствует неравенству (1), через резистор затвора и открытый запирающий диод потечет ток, который создаст падение напряжения на резисторе затвора, что, в свою очередь, приведет к нежелательному закрытию полевого транзистора. Например, в случае применения полевого транзистора типа КП303В, Uотс может лежать в интервале 0,1 - 0,4 В, таким образом, при максимальном напряжении Uвх равном 1B, Uупр должно быть не менее 0,9 В.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эксплуатационных характеристик.
Технический результат - снижение минимального допустимого для открытия коммутатора аналогового сигнала управляющего напряжения за счет уменьшения тока через затворный резистор при низких значениях управляющего напряжения.
Это достигается тем, что коммутатор аналогового сигнала, содержащий полевой транзистор с управляющим p-n переходом, сток которого соединен с источником коммутируемого сигнала, а исток с нагрузкой, затворный резистор, первый вывод которого подключен к стоку, а второй к затвору полевого транзистора с управляющим p-n переходом, запирающий элемент, первый вывод которого подключен к затвору полевого транзистора с управляющим p-n переходом, а второй вывод подключен к источнику управляющего напряжения, вотличие от известного, в качестве запирающего элемента выбран биполярный транзистор, коллектор которого подключен к затвору полевого транзистора с управляющим p-n переходом, кроме того, коммутатор аналогового сигнала дополнительно снабжен источником напряжения смещения, положительный вывод которого подключен к общему проводу с источником коммутируемого сигнала, а отрицательный вывод подключен к базе биполярного транзистора, а источник управляющего напряжения подключен к эмиттеру биполярного транзистора, через токоограничивающий резистор.
В частном случае выполнения коммутатор аналогового сигнала может содержать шунтирующий диод, катод которого подключен к базе биполярного транзистора, а анод подключен к эмиттеру биполярного транзистора.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена электрическая схема варианта исполнения предлагаемого коммутатора аналогового сигнала, на фиг.2 приведена электрическая схема варианта исполнения предлагаемого коммутатора аналогового сигнала содержащего шунтирующий диод.
На фиг.1 приведена электрическая схема варианта исполнения предлагаемого коммутатора аналогового сигнала. Электрическая схема содержит источник коммутируемого сигнала 1, полевой транзистор 2 с управляющим p-n переходом, нагрузку 3, затворный резистор 4, источник напряжения смещения 5, биполярный транзистор 6, токоограничивающий резистор 7, источник управляющего напряжения 8. Выход источника коммутируемого сигнала 1 подключен к стоку полевого транзистора 2 с управляющим p-n переходом, исток полевого транзистора 2 с управляющим p-n переходом подключен к нагрузке 3, первый вывод затворного резистора 4 подключен к стоку полевого транзистора 2 с управляющим p-n переходом, второй вывод затворного резистора 4 подключен к затвору полевого транзистора 2 с управляющим p-n переходом, коллектор биполярного транзистора 6 подключен к затвору полевого транзистора 2 с управляющим p-n переходом, база биполярного транзистора 6 подключена к отрицательному выводу источника напряжения смещения 5, эмиттер биполярного транзистора 6 подключен к первому выводу токоограничивающего резистора 7, второй вывод токоограничивающего резистора 7 подключен к источнику управляющего напряжения 8.
На фиг.2 приведена электрическая схема варианта исполнения предлагаемого коммутатора аналогового сигнала содержащего все вышеперечисленные элементы на фиг.1, и, кроме того, шунтирующий диод 9.
Принцип действия коммутатора аналогового сигнала (фиг.1) основан на том, что в закрытом состоянии биполярный транзистор 6 имеет очень большое выходное сопротивление, которое мало зависит от напряжения на его коллекторе. В случае, когда для напряжения Uупр на источнике управляющего напряжения 8 имеет место неравенство
где Uсм - величина напряжения источника напряжения смещения 5, через токоограничивающий резистор 7 будет протекать ток Ir
где Ue - напряжение источника управляющего напряжения 8, a R - сопротивление токоограничивающего резистора 7. Если принять ток базы пренебрежимо малым, то ток коллектора биполярного транзистора 6 будет примерно равен току эмиттера, который, в свою очередь, равен току через токоограничивающий резистор 7 - Ir. Ток коллектора, протекая через затворный резистор 4, создает на нем падение напряжения, равное
где Rз - сопротивление затворного резистора 4. Если сопротивление Rз выбрано из соотношения
где Uвх max - максимальное значение коммутируемого напряжения, а напряжение источника напряжения смещения 5 выбрано из соотношения: -Uсм < Uвх min - Uoтc, где Uвх min - минимальное напряжение коммутируемого сигнала, то биполярный транзистор 6 перейдет в режим насыщения и на затворе полевого транзистора 2 с управляющим р-n переходом будет присутствовать постоянное запирающее напряжение U равное
которое не зависит от величины входного напряжения. В таком состоянии коммутатор закрыт и коммутируемое напряжение не подается на нагрузку. В случае, когда напряжение на источнике управляющего напряжения 8
то эмиттерный переход биполярного транзистора 6 смещается в обратном направлении, биполярный транзистор 6 закрывается и падение напряжения U на затворном резисторе 4 будет равно
где: Iкбо - обратный ток коллектора биполярного транзистора 6. Поскольку величина Iкбо у большинства современных биполярных транзисторов очень мала, то напряжение на затворе полевого транзистора 2 с управляющим p-n переходом будет приблизительно равно напряжению коммутируемого сигнала и не будет зависеть от величины напряжения источника управляющего напряжения 8. В таком состоянии полевой транзистор 2 с управляющим p-n переходом, открыт и коммутируемое напряжение подается на нагрузку 3.
Коммутатор аналогового сигнала, изображенный на фиг.2 это возможная электрическая схема варианта исполнения предлагаемого коммутатора аналогового сигнала содержащая все вышеперечисленные элементы, изображенные на фиг.1, и, кроме того, шунтирующий диод 9, катод которого подключен к базе биполярного транзистора 6, анод подключен к эмиттеру биполярного транзистора 6. Шунтирующий диод 9 предохраняет обратно смещенный эмиттерный переход биполярного транзистора 6 от пробоя при больших напряжениях источника управляющего напряжения 8.
Таким образом, наличие источника напряжения смещения, биполярного транзистора, токоограничивающего резистора и шунтирующего диода позволяет достичь технического результата - снизить минимально допустимое управляющее напряжение в открытом состоянии коммутатора аналогового сигнала до величины
U = -(Uсм + 0,6B).
Например, если Uсм выбрать равным 9 В, то минимально допустимое управляющее напряжение будет равным -9,6 В.