Переключающая схема для получения удвоенного динамического диапазона

010175 Область техники Настоящее изобретение относится к переключающей схеме для получения удвоенного динамического диапазона, применимого во множестве систем связи, и в особенности в системах связи, в которых выходное напряжение превышает напряжение питания. Предложенная в изобретении переключающая схема позволяет переключать сигналы, динамический диапазон которых до 2 раз превышает величину напряжения питания. Уровень техники В большей части электронных систем желательно иметь средства выключения или включения нагрузки, подаваемой на источник сигнала. Это в особенности желательно в системах дистанционной связи для подачи, а также выделения сигнала из средства связи. Из уровня техники известны переключатели и множество способов осуществления данных функций с использованием полевых МОП-транзисторов, а также биполярных плоскостных транзисторов. Несколько примеров переключателей приведено в патенте США US 200311787 и европейском патенте ЕР 1246363, где описаны переключающие схемы для решения задач, характерных для их применения. В первом патенте решается задача завихрения в диапазоне вносимых потерь при активном состоянии высокочастотного переключателя, а во втором патенте решается задача неуправляемого переключения из-за шумов в нагрузке, например, в результате молнии или других электрических явлений. Ни в одном из двух патентов не рассматривается и не решается техническая задача настоящего изобретения, а именно переключение сигналов с размахом вдвое большим, чем напряжение питания. Известные из уровня техники переключатели, в целом, удовлетворяют требованиям разнообразного применения в системах дистанционной связи, поскольку выходной сигнал усилителя имеет максимальный размах, равный напряжению питания. Переключение в диапазоне более высоких напряжений является излишним. К сожалению, это не относится к случаям использования схемы суммирования мощностей, такой как описана в WO 2004/038911. В этом случае размах выходного напряжения, очевидно, превышает напряжение питания. Единственным решением, возможным на известном уровне техники, стало бы увеличение напряжения питания, что повлекло бы увеличение расходов на производство и применение схемы данного типа. В предложенной в изобретении переключающей схеме размах выходного напряжения может вдвое превышать напряжение питания с необходимостью изменения упомянутого напряжения питания, что с экономической точки зрения является высокоэффективным способом переключения сигналов большой мощности. Сущность изобретения Для решения задач и преодоления недостатков, которые указаны выше, в изобретении предложена переключающая схема, включающая транзистор с тремя выводами, индуктор, два сопротивления и два конденсатора, которые расположены между источником напряжения (VSOURSE) и внешней нагрузкой(ZLOAD). Данная схема отличается тем, что источник напряжения (VSOURSE) соединен первым конденсатосоединен ром с первым выводом транзистора, вход дополняющего управляющего напряжения индуктором с первым выводом транзистора, вход управляющего напряжения (Vcontrol) соединен сопротивлением со вторым выводом транзистора, тот же вход управляющего напряжения (Vcontrol) другим сопротивлением соединен с третьим выводом транзистора и третий вход транзистора соединен емкостью с нагрузкой (ZLOAD). Управляющее напряжение (Vcontrol) и его дополняющее напряжение подают аналогичным образом. За счет этого создают переключающую схему с динамическим диапазоном, вдвое превышающим диапазон напряжений питания. В одном из вариантов осуществления в качестве транзистора используют биполярный плоскостной транзистор с обратным смещением, а в другом варианте осуществления в качестве транзистора используют биполярный плоскостной транзистор с прямым смещением. В одном из альтернативных вариантов осуществления в качестве транзистора используютN-канальный полевой МОП-транзистор, а в другом альтернативном варианте осуществления в качестве транзистора используют P-канальный МОП-транзистор. Если в качестве транзистора используют биполярный плоскостной n-р-n-транзистор илиN-канальный полевой МОП-транзистор, когда управляющее напряжение (Vcontrol) равно верхнему предеравно нижнему пределу налу напряжения питания, дополняющее управляющее напряжение пряжения питания и переключатель включен, а когда управляющее напряжение (Vcontrol) равно нижнему равно верхнему пределу и переключатель пределу, дополняющее управляющее напряжение ( выключен. Если же в качестве транзистора используют биполярный плоскостной р-n-р-транзистор или Р-канальный полевой МОП-транзистор, когда управляющее напряжение (Vcontrol) равно верхнему пределу равно нижнему пределу напрянапряжения питания, дополняющее управляющее напряжение жения питания и переключатель выключен, а когда управляющее напряжение (Vcontrol) равно нижнему равно верхнему пределу и переключатель-1 010175 включен. В одном из вариантов осуществления напряжение, подаваемое в переключающую схему с биполярным плоскостным транзистором с прямым смещением, биполярным плоскостным транзистором с обратным смещением или МОП-транзистором, является униполярным, а в другом варианте осуществления упомянутое напряжение является биполярным, при этом эффективность схемы в любом случае сохраняется, иными словами, обеспечивается динамический диапазон переключения, вдвое превышающий диапазон напряжений питания. Краткое описание чертежей Для обеспечения лучшего понимания настоящего описания к нему приложены чертежи, являющиеся его неотъемлемой частью и на которых в качестве неограничивающих иллюстраций представлено: на фиг. 1 - схема управляемого напряжением идеального переключателя; на фиг. 2 - графическая характеристика управляемого напряжением идеального переключателя; на фиг. 3 - обычная схема переключателя на основе полевого МОП-транзистора; на фиг. 4 - графическая характеристика показанного на фиг. 3 переключателя на основе полевого МОП-транзистора; на фиг. 5 - обычная схема переключателя на основе биполярного плоскостного транзистора; на фиг. 6 - графическая характеристика показанного на фиг. 5 переключателя на основе биполярного плоскостного транзистора; на фиг. 7 - линейный участок графической характеристики переключателя на основе биполярного плоскостного транзистора с определенным смещением; на фиг. 8 - общее графическое представление предложенной в настоящем изобретении переключающей схемы; на фиг. 9 - сравнительная диаграмма диапазона переключения обычного переключателя и двойного диапазона переключения согласно настоящему изобретению; на фиг. 10 - частный вариант осуществления изобретения, в котором в качестве транзистора используют биполярный плоскостной n-p-n-транзистор с обратным смещением; на фиг. 11 - частный вариант осуществления изобретения, в котором в качестве транзистора используют биполярный плоскостной n-p-n-транзистор с прямым смещением; на фиг. 12 - частный вариант осуществления изобретения, в котором в качестве транзистора используют биполярный плоскостной p-n-p-транзистор с прямым смещением; на фиг. 13 - частный вариант осуществления изобретения, в котором в качестве транзистора используют биполярный плоскостной p-n-p-транзистор с обратным смещением; на фиг. 14 - частный вариант осуществления изобретения, в котором в качестве транзистора используют N-канальный полевой МОП-транзистор; на фиг. 15 - частный вариант осуществления изобретения, в котором в качестве транзистора используют Р-канальный полевой МОП-транзистор. Описание вариантов осуществления изобретения Далее со ссылкой на чертежи описано несколько вариантов осуществления изобретения. Перед тем как рассмотреть конкретный случай переключающей схемы с двойным динамическим диапазоном, необходимо описать функции и применимость переключателей. Из уровня техники известно применение переключателей, основная функция которых заключается в том, что в определенные моменты они выключают, а в другие моменты включают нагрузку, подаваемую на источник сигнала. На фиг. 1 показана схема управляемого напряжением идеального переключателя. Показанные на ней выводы 1 и 2 являются выводами переключателя, а вывод 3 является управляющим выводом. Данный переключатель может находиться в двух различных состояниях в зависимости от состояния управляющего вывода 3. Когда переключатель включен, разность напряжений между точками 1 и 2 равна 0, а ток, проходящий через (I1), может иметь любую величину в зависимости от напряжения питания и нагрузки:V1-V2=V12=0. Когда переключатель выключен, ток равен 0, а разность напряжений между двумя выводами может составлять любую величину:I1-I2=0. На фиг. 2 показана графическая характеристика управляемого напряжением идеального переключателя. Показанные на ней напряжения V31 и V32 находятся в пределах от величин выключения V3 до величин включения V3, и на основании данных величин можно определить соотношение разности напряжений V12 между выводами 1 и 2 током I1 в точке 1. Более реальное приближение к проиллюстрированному выше идеальному переключателю позволяет сделать полевой МОП-транзистор, такой как показан на фиг. 3. Показанные на фиг. 3 величины напряжения и тока на различных выводах соответствуют величинам напряжения на выводах транзистораI4=ID. Напряжение затвора VG N-канального полевого МОП-транзистора должно превышать напряжение стока или питания на пороговую величину (VT), чтобы переключатель был включен. За счет этого, если напряжение питания (VS) равно 0, переключатель включится, когда VGSVT, и выключится, когдаVGTVT. В этом случае диапазон входных напряжений на выводах 4 D и 5 S зависит от управляющего напряжения, используемого на выводе 6 G. Если исходить из того, что управляющее напряжение равно+Vdd, когда переключатель включен, и -Vdd, когда переключатель выключен, получаем следующие верхний и нижний пределы диапазона входных напряжений:VDmin=+Vdd-VT. Верхний предел диапазона напряжений задан состоянием, в котором переключатель включен. Если входное напряжение, поступающее на переключатель, превысит данную величину, переключатель выключится, поскольку не соблюдено условие VGSvt (vGDVT):+Vdd-VDVT. Нижний предел диапазона напряжений задан состоянием, в котором переключатель выключен. Если входное напряжение, поступающее на переключатель, превысит данную величину, переключатель включится, поскольку не соблюдено условие VGSvt (vGDVT):+Vdd-VDVT. В этом случае общий диапазон напряжений переключателя, реализованного на основе полевого МОП-транзистора, составляет [-Vdd-VT, +Vdd-VT] (приблизительно [-Vdd, +Vdd]) при биполярном управляющем напряжении питания Vdd. На фиг. 4 показана графическая характеристика данного переключателя. Показаны очевидные отличия идеального переключателя, в частности когда переключатель включен, сопротивление не равно 0,а когда переключатель выключен, выключение нагрузки не является бесконечным. В то же время переключатель может быть реализован на основе биполярного плоскостного транзистора, как это показано на фиг. 5. В данном случае величины напряжения и тока на различных выводах соответствуют напряжению на выводах биполярного плоскостного транзистора (коллектор С, эмиттер E и база В):I7=IC. В случае применения биполярного плоскостного n-p-n-транзистора напряжение на базе (VB) должно превышать напряжение эмиттера или коллектора на пороговую величину (VBEsat), чтобы переключатель был включен. За счет этого, если напряжение эмиттера VE равно 0, переключатель включится, когдаVCmin=-VBCon. Верхний предел задан состоянием, в котором переключатель включен. Если входное напряжение,поступающее на переключатель, превысит данную величину, переключатель выключится, поскольку не соблюдено условие VBEVBEsat:VCC-VCVBCSAT. Нижний предел задан состоянием, в котором переключатель выключен. Если входное напряжение,поступающее на переключатель, превысит данную величину, переключатель включится, поскольку не соблюдено условие VBEVBEon (VBCVBCon):-VCVBCon. Таким образом, для известной из уровня техники переключающей схемы на основе биполярного плоскостного транзистора общий диапазон составляет [-VBEonVCC-VBEsat] (приблизительно [0, +VCC]) при униполярном управляющем напряжении питания +VCC. На фиг. 6 показана графическая характеристика переключателя, отображающая данный случай. Показано несколько кривых для различных смещений (VBE). Бросается в глаза, что напряжение питания не равно 0 за счет определенного напряжения смещения, пренебрежимо малого на практике. Кроме того,переключатель на основе биполярного плоскостного транзистора не является ни линейным (что ограни-3 010175 чивает динамический диапазон), ни симметричным и нуждается в определенном токе через управляющий вывод IB, в связи с чем ток, который циркулирует через два вывода переключателя, различается(ICIE). Обычно в дистанционной связи с использованием переключателей необходима модель, которая продолжает работать на почти линейном участке. Это показано на фиг. 7, где упомянутый участок кривой, полученной при определенном смещении транзистора, помещен в квадрат. Таким образом, стандартная переключающая схема на основе биполярного плоскостного транзистора способна переключать сигналы с максимальной амплитудой, равной половине напряжения питания (с размахом, равным питанию сигнала). В дистанционной связи возникает множество случаев, когда необходимо переключать сигналы с большей амплитудой, и для применения данной схемы пришлось бы дополнительно обеспечивать соответствующее напряжение питания, что повлекло бы дополнительные расходы. Предложенная в настоящем изобретении схема, иными словами переключатель с удвоенным динамическим диапазоном позволяет решать все упомянутые выше задачи за счет переключения сигналов с максимальным уровнем, равным напряжению питания (с размахом, вдвое превышающим напряжение питания), при помощи транзистора. Известно множество случаев применения переключателя данного типа, но одним из наиболее целесообразных является переключение широкополосных сигналов и сигналов высокой мощности согласно технологии дуплексной передачи с разделением по времени (TDD). На фиг. 8 показана схема предложенного в изобретении переключателя. Она включает в себя транзистор 17, индуктор 12, два сопротивления 15 и 16 и два конденсатора 11 и 18, которые расположены между источником 10 напряжения (VSOURSE) и внешней нагрузкой 19 (ZLOAD). Для наглядности соединений три вывода транзистора обозначены позициями 20, 21 и 22. В проиллюстрированной схеме источник 10 напряжения (VSOURSE) соединен первым конденсатором 11 с первым выводом 20 транзистора 17, вход соединен индуктором 12 с первым выводом 20 дополняющего управляющего напряжения 13 транзистора 17, вход управляющего напряжения 14 (Vcontrol) соединен сопротивлением 15 со вторым выводом 21 транзистора, вход управляющего напряжения 14 (Vcontrol) другим сопротивлением 16 соединен с третьим выводом 22 транзистора 17 и третий вход 22 транзистора 17 соединен емкостью 18 с нагрузкой 19 (ZLOAD). Как показано на фиг. 8, управляющее напряжение 13 является дополняющим напряжением управляющего напряжения 14 (Vcontrol), поскольку, когда одно из упомянутых напряжений является напряжением на одном конце источника напряжения (VSOURSE), другое напряжение является напряжением на другом конце источника напряжения. В случае униполярного источника напряжения (Vcontrol), равного +VCC, можно осуществить анализ,подобный анализу, проведенному в отношении основных переключений, и определить состояния включения и выключения переключателя. Переключатель включен, когда управляющее напряжение 14 (Vcontrol) равно верхнему пределу наравно нижнему пределу упомянутопряжения питания (+VCC), а дополняющее напряжение 13 го напряжения питания (0). Существует множество возможных вариантов осуществления данной общей схемы, в которой многофункциональный транзистор заменен биполярным плоскостным транзистором или полевым МОПтранзистором. При пояснении работы показанной на фиг. 8 схемы вместо многофункционального транзистора используется биполярный плоскостной транзистор. В данном случае напряжение постоянного тока на выводах биполярного плоскостного транзистора переключающей схемы согласно настоящему изобретению имеет следующие величины:VCDC=0. Чтобы определить динамический диапазон переключателя, величины напряжения коллектора и эмиттера можно разделить на составляющие постоянного тока (VDC) и переменного тока (VAC), поскольку переключатель имеет конденсаторы 11 и 18, развязывающие связь по постоянному току, иначе говоря: Обе величины напряжения равны, когда переключатель включен, безотносительно напряженияVCEsat. Переключатель остается включенным при следующем условии:VBEVBEsat (VBCVBCsat). На основании данных выражений определяют верхний предел входного напряжения переменного тока, поступающего из источника напряжения:VSOURCE+VCC-VBEsat. Следовательно, максимальное напряжение, при котором возможно переключение, приблизительно-4 010175 равно напряжению питания +VCC. Переключатель выключен, когда управляющее напряжение 14 (Vcontrol) равно нижнему пределу наравно верхнему пределу напряжения пряжения питания (0), а управляющее напряжение 13 питания (+VCC). В этом случае напряжение постоянного тока на выводах транзистора имеет следующие величины:VEDC=+VCC. Чтобы определить динамический диапазон переключателя, когда он выключен, в данном случае необходимо определить смещение постоянного тока коллектора. В тот момент, когда транзистор включается, данное напряжение становится равным напряжению эмиттера. Следовательно, чтобы вычислить предел между выключенным состоянием и включенным состоянием, когда переключатель выключен, напряжение коллектора должно быть равно напряжению эмиттера. Так же, как и во включенном состоянии, величины напряжения коллектора и эмиттера могут быть разделены на две составляющие: составляющую постоянного тока (VDC) и составляющую переменного тока (VAC): Чтобы переключатель не включился, необходимо выполнение следующего условия:VBEVBEon (VBCVBCon). Путем применения данного условия можно определить нижний предел входного напряжения переменного тока, поступающего из источника напряжения:VSOURSE-VCC-VBEon. Следовательно, минимальное напряжение, при котором возможно переключение, приблизительно равно напряжению питания с отрицательным знаком (-VCC). Таким образом, динамический диапазон напряжения питания, в котором предложенная в изобретении схема способна осуществлять переключение, составляет [-VCC, +VCC], т.е. удвоенное напряжение питания (которое, поскольку напряжение является униполярным, равно [0, +VCC]). Из этого следует, что в изобретении удвоен динамический диапазон переключения по сравнению с другими переключающими схемами, известными из уровня техники. На фиг. 9 проиллюстрировано сравнение пределов входного напряжения обычного переключателя и предложенного в изобретении переключателя. В обоих случаях в качестве источника напряжения используется униполярное напряжение от 0 до +VCC. Как показано на фиг. 9, у обычного переключателя диапазон между его пределами включения и выключения равен напряжению питания, а у предложенной в настоящем изобретении схемы диапазон вдвое превышает данную величину за счет правильного использования управляющих сигналов, которые изменяют смещение у транзистора переключающей схемы. Биполярный плоскостной транзистор из-за своей конструкции не является идеально симметричным,но в случае его применения для переключения его симметрию можно установить на основании смещения. Иными словами, смещение может быть направлено от базы к эмиттеру (как это обычно происходит) или от базы к коллектору, при этом эффективность работы транзистора при его использовании для переключения существенно не отличается. Более высокая эффективность может быть достигнута при той или иной конфигурации в зависимости от самих характеристик используемого транзистора, хотя данные различия являются минимальными. При наличии смещений между базой и коллектором, когда переключатель включен, при постоянном токе (иначе говоря, в статическом состоянии) транзистор имеет смещение по обратному току насыщения. После появления сигнала переменного тока смещение транзистора по обратному току насыщения попеременно меняется на смещение по прямому току насыщения в зависимости от входного напряжения,поступающего в переключатель (или от направления тока нагрузки). Это также происходит в последнем случае, когда транзистор имеет традиционное смещение от базы к эмиттеру. На фиг. 10 показана предложенная в изобретении переключающая схема с удвоенным динамическим диапазоном, но имеющая биполярный плоскостной n-p-n-транзистор 23 с обратным смещением. Ее работа и характеристики в том, что касается динамического диапазона входного сигнала, существенно не отличаются от описанного выше переключателя, что доказывает замена напряжения эмиттера на напряжение коллектора в приведенных выше уравнениях. На фиг. 11 показан другой вариант осуществления предложенного в изобретении переключателя,имеющего биполярный плоскостной n-p-n-транзистор 24, но с прямым смещением. На фиг. 12 показан вариант осуществления, в котором в качестве транзистора используют биполярный плоскостной n-p-nтранзистор 25 с прямым смещением, а на фиг. 13 показан другой вариант осуществления, в котором в качестве транзистора используют биполярный плоскостной n-p-n-транзистор 16 с обратным смещением. Наконец, на фиг. 14 и 15 показаны частные варианты осуществления, в которых используют поле-5 010175 вой МОП-транзистор. На фиг. 14 показан вариант осуществления с использованием N-канального полевого МОП-транзистора 27, а на фиг. 15 показан вариант осуществления с использованием Р-канального полевого МОП-транзистора 28. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Переключающая схема для получения удвоенного динамического диапазона, включающая транзистор (17) с тремя выводами (20, 21 и 22), индуктор (12), два сопротивления (15 и 16) и два конденсатора (11 и 18), которые расположены между источником (10) напряжения (VSOURSE) и внешней нагрузкой(19) (ZLOAD), отличающаяся тем, что в ней при соединении источника (10) напряжения (VSOURSE) посредством первого конденсатора (11) с первым выводом (20) транзистора (17),соединении входа имеющегося дополняющего управляющего напряжения (13) посредством индуктора (12) с первым выводом (20) транзистора (17),соединении входа имеющегося управляющего напряжения (14) (Vcontrol) посредством сопротивления(15) со вторым выводом (21) транзистора (17),соединении входа управляющего напряжения 14 (Vcontrol) посредством другого сопротивления (16) с третьим выводом (22) транзистора (17),соединении третьего входа (22) транзистора (17) посредством емкости (18) с нагрузкой 19 (ZLOAD),подаче управляющего напряжения (14) (Vcontrol) и дополняющего управляющего напряжения (13) обеспечивается динамический диапазон переключения, вдвое превышающий диапазон напряжения питания. 2. Переключающая схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве транзистора используют биполярный плоскостной транзистор с обратным смещением. 3. Переключающая схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве транзистора используют биполярный плоскостной транзистор с прямым смещением. 4. Переключающая схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве транзистора используютN-канальный полевой МОП-транзистор. 5. Переключающая схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве транзистора используют Р-канальный полевой МОП-транзистор. 6. Переключающая схема по любому из пп.2-4, отличающаяся тем, что в случае использования в качестве транзистора биполярного плоскостного n-p-n-транзистора или N-канального полевого МОП-транзистора, когда управляющее напряжение (14) (Vcontrol) равно верхнему пределу напряжения равно нижнему пределу напряжения пипитания, дополняющее управляющее напряжение (13) тания и переключатель включен, а когда управляющее напряжение (14) (Vcontrol) равно нижнему пределу,дополняющее управляющее напряжение (13) равно верхнему пределу и переключатель выключен. 7. Переключающая схема по любому из пп.2, 3 и 5, отличающаяся тем, что в случае использования в качестве транзистора биполярного плоскостного р-n-p-транзистора или Р-канального МОП-транзистора управляющее напряжение (14) (Vcontrol) равно верхнему пределу напряжения питания,равно нижнему пределу напряжения питания и дополняющее управляющее напряжение (13) переключатель выключен, а когда управляющее напряжение (14) (Vcontrol) равно нижнему пределу, дополняющее управляющее напряжение (13) равно верхнему пределу и переключатель включен. 8. Переключающая схема по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она подключается к униполярному источнику. 9. Переключающая схема по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что она подключается к биполярному источнику.