17.3. Аналоговые коммутаторы на базе операционных усилителей

17.3.1. КОММУТАТОР С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА БАЗЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Сравнение схем, приведенных в предыдущих разделах, показывает, что коммутаторы на полевых транзисторах являются единственными коммутаторами, у которых отсутствует остаточное напряжение при I = 0. Благодаря этому они особенно подходят для использования в качестве прецизионных коммутаторов. Их существенным недостатком является относительно большая величина выходного сопротивления. Эта величина может быть уменьшена путем последующего включения следящего усилителя. Использование такого усилителя обеспечивает и другие эксплуатационные преимущества. Схема включения усилителя представлена на рис. 17.13. Полевой транзистор, выполняющий роль последовательного коммутатора, подключен к входу операционного усилителя в инвертирующем включении. При этом потенциал истока полевого транзистора практически равен нулю. Величина ограничивающего сопротивления R₁, рассчитывается так, чтобы падение напряжения на открытом транзисторе было незначительным. В таком режиме работы транзистора будет соблюдаться условие V_D = Vs = 0, и полевой транзистор при Uyпp = 0 окажется открытым независимо от величины входного напряжения.

Если этот транзистор закрыть, потенциал его стока V_D возрастет. В зависимости от знака входного напряжения откроется диод D₁ или D₂. Величина потенциала на транзисторе V_D будет в пределах ± 0,6 В. Отрицательное управляющее напряжение, запирающее полевой транзистор, должно

Рис. 17.13. Коммутатор на полевом транзисторе с операционным усилителем,

но абсолютной величине лишь незначительно превышать величину порогового напряжения Up. Благодаря этому передаваемые на выход схемы через проходную емкость транзистора импульсы управляющего напряжения оказываются достаточно малыми.

Так как величины падения напряжения на полевом транзисторе в обоих его состояниях невелики, то при соответствующем выборе .R₁ можно коммутировать входные сигналы практически любой амплитуды.

К суммирующей точке операционного усилителя можно подключить еще несколько идентичных коммутаторов на полевых транзисторах; при этом получается аналоговый мультиплексор.

17.3.2. КОММУТАТОР НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ПЕРЕМЕНОЙ ЗНАКА ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Как показано на рис. 17.14, можно осуществить такую комбинацию коммутатора на полевом транзисторе с операционным усилителем, что выходное напряжение будет коммутироваться не от нуля до Ue, как обычно, а от - Ue до + Ue. Схема коммутатора основана на рассмотренной в разд. 11.5 схеме со сменой знака коэффициента усиления для случая n = 1. При этом потенциометр R₂ заменяется постоянным резистором R₂ и полевым транзистором.

Если Uупр = 0, то полевой транзистор открыт и схема работает как инвертирующий усилитель с выходным напряжением

Если установить управляющее напряжение отрицательным и превышающим по абсолютной величине максимальное отрицательное входное напряжение, то полевой транзистор окажется закрытым. Ток через резистор R₂ будет равен нулю, и потенциал стока транзистора станет равным входному Vp = Ue Потенциал инвертирующего входа операционного усилителя за счет действия отрицательной обратной связи также станет равным входному V_N == Ue. Вследствие этого через резистор R₁ также не будет течь ток, т.е. получим

Приведенные соотношения выполняются при условии

Рис. 17.14. Коммутатор на полевом транзисторе со сменой знака выходного напряжения.

17.3.3. КОММУТАТОР НА БАЗЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

На рис. 11-40 было показано применение дифференциального усилителя в качестве мультиплексора. Он может использоваться в качестве аналогового коммутатора, если иметь в виду, что коммутирование входного напряжения равнозначно логическому умножению на нуль или единицу. Для осуществления этого эмиттерный ток дифференциального усилителя, изображенного на рис. 17.15, коммутируют с помощью диода D от нулевого значения до величины I_E0.

Операционный усилитель преобразует разность коллекторных токов транзисторов в выходное напряжение согласно формуле

Рис. 17.15. Дифференциальный усилитель в качестве коммутатора.

Если управляющее напряжение становится положительным, диод D открывается, а транзисторы Т₁ и T₂ закрываются. При этом I_C2 = I_C1, а выходное напряжение Ua = 0.

Если закрыть диод D отрицательным управляющим напряжением, то общий ток эмиттеров транзисторов станет равным

где S' == 1/(r_e + 1/S)-крутизна входного каскада. В соответствии с выражением (17.1) для величины выходного напряжения получим

Путем параллельного соединение двух дифференциальных усилителей (рис. 17.16) можно получить универсальную схему коммутатора. Эмиттерный ток I_E0, переключается с помощью транзисторов Т₅ и Т₆ с одного дифференциального усилителя на другой.

Рис. 17.16. Широкодиапазонный мультиплексор.

Рис. 17.17. Аналоговый коммутатор с памятью на базе двух следящих усилителей.

Благодаря этому при коммутации на коллекторы транзисторов Т₁-Т₄ не проходит синфазный импульс, вызываемый скачком управляющего напряжения, как это имело место в предыдущих схемах. Соотношения для выходного напряжения аналогичны соответствующим выражениям для предыдущей схемы:

Таким образом, рассматриваемая цепь позволяет коммутировать два входных напряжения Ue₁ = U₁ — U₂ и Ue₂ = Uз — U₄. Соединив соответствующим образом входы схемы, например U₃ = U₂ и U₄ = U₁, получим Ue₂ = -Ue_1, т. е. при таком соединении входов образуется схема переключателя полярности.

Соответствующим выбором параметров можно расширить полосу рабочих частот схемы до 100 МГц. Такая схема может применяться в устройствах передачи данных в качестве модулятора, демодулятора или фазового детектора, а также в широкодиапазонных осциллографах в качестве коммутатора каналов.