Мажоритарное устройство

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП NCAHHE

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<п970701 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 30 . 01. 81 (21) 3241379/18-21

151} М Кп з с присоединением заявки ¹â€”

Н 03 К 19/23

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 30.10.82, Бюллетень № 40

Дата опубликования описания 30.1082

1531УДК 681.142.

;07(088. 8) (72) Авторы изобретения

Ю.Н.Родионов и IO A Àëåêñååâ

Особое конструкторское бюро технической киберн тики..

Ленинградского ордена Ленина политехническ ro института им. М.И.Калинина (71) Заявитель (54) MAEOPHTAPHOE УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно к устройствам, выполняющим мажоритарное преобразование аналоговых сигналов, заданных электрическим напряжением (током), и может быть использовано в резервированных усилителях, в измерительных и функциональных преобразователях для выделения средневыборочного значения (выборочной медиа ны) входных аналоговых сигналов.

Известно мажоритарное устройство, содержащее три блока усиления, шесть операционных элементов, шесть транзисторов, шесть резисторов, шесть диодов и шесть блоков выбора минимального значения (11.

Недостатком известного устройства является топологическая особенность

его схемЫ, в силу которой невозможно широкое применение транзисторных сборок с объединенными коллекторами в микросхемном исполнении, обладающих повышенной надежностью. Кроме того, при необходимости отвода значитеЛьной мощности от коллекторов транзисторов, необходимо большое число раздельных радиаторов — ueтыре.

Известно мажоритарное устройство, содержащее три входные шины, две шины питания, выходную шину, шесть операционных элементов, шесть диодов, шесть резисторов, резистор нагрузки, три блока выбора минимального напряжения, три блока усиления, шесть транзисторов, эмиттер каждого из которых соединен через соответствующий резистор с базой транзистора, базы первого, второго и третьего транзисторов связаны соответственно с катодами первого, второго и третьего диодов, аноды которых соединены соответственно с первыми выходами первого, второго и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые выходы которых связаны с первой шиной питания, эмиттеры первого, второго и третьего транзисторов соединены через резистор нагрузки со второй шиной питания, с выходной шиной и через первые три операционных элемента со-входами соответствующих блоков усиления, входы которых связаны соответственно через вторые три операционных элемента со входными шинами, инверсный выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые входы которых связаны соответственно с первым и вторым вхо-.

970701 дами второго блока выбора минимального. напряжения и соединены соответственно с инверсными выходами второго и третьего блоков усиления, выходы третьего, первого и второго блоков . усиления связаны через дополнительные 5 резисторы с анодами соответственно четвертого, пятого и шестого диодов, катоды которых соединены соответственI но с базами четвертого; пятого и шестого транзисторов, коллекторы кото- 30 рых связаны с первой шиной питания, эмиттеры четвертого, пятого и шестого транзисторов соединены соответственно с коллекторами первого, второго и третьего транзисторов. 15

В известном устройстве благодаря объединению коллекторов одноименных транзисторов возможно ис,пользование транзисторных сборок с объединенными коллекторами в микросхемном исполнении, обладающих повышенной надежностью по сравнению р раздельными транзисторами. При необходимости отвода значительной мощности от коллекторов транзисторов необходимо четыре радиатора на полную рассеиваемую мощность каждый

C2 J

Недостатком такого устройства является необходимость использовать четыре радиатора. Вследствие того, что каждый радиатор должен быть рассчитан н". полную рассеиваемую мощность, это существенно увеличивает массу и габариты устройства, что также косвенно ограничивает возможность повы- 35 шения надежности устройства путем увеличения избыточности ° Все это делает весьма проблематичными воэможности его использования в аппаратуре со значительной выходной мощностью40

Цель изобретения — повышение надежности устройства °

Щ

Указанная цель достигается тем, .что в мажоритарное устройство, содержащее три входные шины, две шины питания„ выходную шину, шесть операционных элементов, шесть диодов, шесть резисторов, резистор нагрузки, три блока минимального напряжения, три блока усиления, шесть транзисторов, эмиттер каждого из которых соединен через соответствующий резистор с базой. транзистора, базы первого, второго и третьего транзисторов соединены соответственно с катодами первого, второго и третьего диодов, аноды которых связаны соответственно с первыми выходами первого, второго и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые выходы которых соединены с первой 60 шиной питания, эмиттеры первого,вто рого и третьего транзисторов соединены через резистор нагрузки со второй шиной питания, с выходной шиной и через первые три операционных элемен-65 та со входами соответствующих блоков усиления входы которых связаны соответственно через вторые три операционных элемента со входными шинами, инверсный Выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые входы которых связаны соответственно с первым и вторым входами второго блока выбора минимального напряжения и соответственно с инверсными выходами второго и третьего блоков усиления, введены первый, второй и третий блоки выбора максимального напряжения„ первые выходы которых связаны со второй шиной питания, вторые выходы первого, второго и третьего блоков выбора максимального напряжения соединены с катодами соответственно

-четвертого, пятого и шестого диодов;. аноды которых соединены с базами соответственно четвертого, пятого н шестого транзисторов, эмиттеры и коллек торы которых соединены соответственно с первой шиной питания и с коллектором первого транзистора, коллектор которого связан с коллекторами второго и третьего транзисторов, пря- мой выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора максимального напряжения, вторые входы которых связаны соответственно с первым н вторым входами второго блока выбора максимального напряжения и соответственно с прямыми выходали второго и третьего блоков усиления.

В мажоритарном устройстве каждый из первого, второго и третьего блоков выбора минимального. напряжения содержит два диода и резистор, первый вывод которого соединен со вторым выходом блока выбора минимального напряжения, первый выход которого соединен со вторым выводом резистора и с анодами диодов, катоды которых соединены со входами блока выбора минимального напряжения °

Каждый из первого, второго и третьего блоков выбора максимальногонапряжения содержит два диода и резистор, первый вывод которого соединен с первым выходом блока выбора максимального напряжения, второй выход которого соединенн со вторым выводом резистора и с катодами диодов, аноды которых соединены со входами блока выбора максимального напряжения.

Кроме того,в качестве первого, второго и третьего транзисторов используются и-р-и транзисторы, а в качестве четвертого, пятого и шестого транзисторов р-п-р-транзисторы.

На чертеже показана электрическая схема предлагаемого устройства.

970701

35 зом, указанные элементы производят выбор минимального по модулю сигнала иэ каждых двух и затем максимального сигнала иэ трех полученных.

В результате ток через транзисторы

5=1-5=3 пропорционален выборочной ме45 диане из выходных сигналов с прямых выходов блоков 13=1-13=3 усиления.

Поскольку ток через транзисторы

1=1-1=3 и транзисторы 5=1-5-3, включенные последовательно с резистором

5Q нагрузки между шинами 6 и 4 питания, пропорционален выборочной медиане, то напряжение на резисторе 3 нагрузки также пропорционально ей. Взаимодействие всех перечисленных выше элементов с блоками 13=1-13=3 усиления, образующих цепи отрицательной обратной связи, обеспечивает существенное увеличение точности устройства в целом. устройство содержит транзисторы

1=1-1=3 типа п-р-п, выходная шина 2, резистор 3 нагрузки, шина 4 питаний, транзисторы 5=1-5=3 типа р-п-р, шина

6 питания, радиатор 7, резисторы

8=1-8=6, диоды 9=1-9=3, блоки 10=110=3 выбора минимального напряжения, диоды 11=1-11=3, блоки 12=1-12=3 выбора максимального напряжения, блоки 13=1-13=2 усиления, операционные элементы 14=1-14=3, 15=1-15=3, входные шины 16=1-16=3, резистор 17, диоды 18, резистор 19, диоды 20.

На чертеже базы транзисторов 1=1, 1=2, 1=3, 5=1,5=2 и 5=3 соединены соответственно через резисторы 8=18=6 с эмиттерами транзисторов 1=1, 1=2, 1=3, 5=1, 5=2, 5=3, коллектор транзистора 1=2 связан. с коллекторами транзисторов 1=2, 1=3, 5=1, 5=3, базы транзисторов 1=1-1=3 соединены соответственно с катодами диодов

9=1-9=3, аноды которых связаны соответственно с первыми выходами блоков

10=1-10=3, вторые выходы которых соединены с эмиттерами транзисторов 5=1-, 5=3 и с шиной 6 питания, базы транзисторов 5=1-5=3 соединены соответственно с анодами диодов 11=1-11=3,като.цы которых связаны соответственно с первыми выходами блоков 12=1-12-3 вторые выходы которых соединены с шиной 4 питания, которая через резистор 3 нагрузки соединена с эмиттерами транзисторов 1=1-1=3, c âûõoäной шиной 2 и связана через определенные элементы 15=1-15=3 соответственно со входами блоков 13=113=3 усилителя, входы которых соеди- нены соответственно через операционные элементы 14=1-14=3 со входными шинами 16=1-16-3, инверсные выходы блоков 13=1-13=3 усиления связаны соответственно с первыми входами блоков 10=1-10=3 выбора максимального напряжения и соединены соответственно со вторыми входами блоков 10=3, 10=1 и 10=2, прямые выходы блоков 13=113-3 усиления соединены соответственно с первыми входами блоков 12=1-12=3 выбора максимального значения и соединены соответственно со вторыми входами блоков 12=3, 12=1 и 12=2.

В каждом из блоков. 10=1-10=3 второй выход связан через резистор 17 с первым выходом и с анодами диодов

18, катоды которых соединены со вхоУ дами блока выбора минимального на- пряжения.

В каждом из блоков 12=1-12=3 второй выход соединен через резистор

19 с первым выходом н с катодами диодов 20, аноды которых связаны со входами блока выбора максимального значения.

В предлагаемом устройстве каждый блок выбора минимального напряжения (один из 10=1-10=3) выбирает минимальное из двух выходных напряжений с инверсных выходов блоков 13=1-13=3 и подает era через один из диодов (18) на базу одного из транзисторов (=1-1=3), эмиттеры которого подключены через резистор нагрузки к первой (например, минусовой) шине питания; поэтому степень его открытия определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 4. Ток через включенные параллельно три транзистора (1=11=3) определяется наиболее открытым из них. Таким образом, указанные элементы производят выбор минимального по модулю сигнала из каждых двух и затем максимального сигнала иэ трех полученных. В результате ток через транзисторы 1=1-1=3 пропорционален выборочной медиане из выходных сигналов с инверсных выходов блоков 13=.1-13=3 усиления.

Каждый блок (один из 12=1-12=3) выбора максимального напряжения выбирает максимальное из двух выходных напряжений с прямых выходов блоков

13;-1-13=3, подает его через один из диодов 11=1-11=3 на базу одного иэ транзисторов 12=1-12=3, эмиттер которого подключен непосредственно ко второй (плюсовой) шине 6 питания. Поскольку транзисторы 5=1-5=3 имеют проводимость, противоположную проводимости транзисторов 1=1-1=3, то степень его открытия определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 6

Ток через включенные параллельно три транзистора 5=1-5-3 определяется на- иболее открытым из них. Таким обраУстройство работает следующим образом.

Диоды 9=1-9=3, 11=1-11=3 совместно с резисторами 8=1-8=3 защищают переходы база-эмиттер транзисторов

1=1-1=3, 5=1-5=3 от значительных эа 970701 пирающих напряжений с выходов блоков

10 1-10=3.

Каждый блок 10 выбирает минимальное из двух напряжений с инверсных выходов .блоков 13=1-13=3 усиления и. подает его через диод 9=1-9=3 на базу одного из транзисторов 1=1-1=3.

Так как эмиттер этого транзистора подключен через резистор.3 нагрузки к минусовой шине 4, то степень открытия транзистора определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины 4.

Ток через включенные параллельно три транзистора 1=1-1=3 определяется наиболее открытым из них. Таким образом, указанные элементы 1=1-1=3, 8=1-8=3, 10=1-10=3 производят выбор минимального по модулю сигнала из каждых двух и затем максимального сигнала из трех полученных ° В результате ток через транзисторы 1=1-1=1 пропорционален выборочной медиане цз сигналов с инверсных выходов блоков 13=1-13=3.

При отказе одного из транзисторов 5=1-5=3 (типа короткого замыкания эмиттера с коллектором) коллекторы транзисторов 1=1-1=3 оказываются подключенными непосредственно к . шине 6 и вместе с резистором 3 образуют схему с общим коллектором. Поэтому на резисторе 3 выделяется напряжение, пропорциональное выборочной медиане из выходных. напряжений блоков 13=1-13=3. Взаимодействие перечисленных элементов с блоками 13 ,через цепи отрицательной обратной связи, состоящее из соответствующих элементов 15=1-15=3 и 14=1-14=3, обеспечивает существенное увеличение точности выделения медианы.

При высоких значениях коэффициентов усиления блоков 13=1-13=3 даЖЬ при йезначительном неравенстве напряжений на входных шинах 16=1-16=3, или при незначительной неидентичнос= ти элементов 14=1-14=3 или 15=1-15=3 выходные напряжения блоков 13=1-13=3 резко различаются: на выходе одного из них предельно высокий уровень, на выходе другого - предельно низкий, а на выходе третьего— промежуточный, плавно изменяющийся в зависимости от текущего значения медианы входных напряжений ° Вместе

0 устройством (элементы 1=1-1=3...

10=1-10=1) выделения медианы этот усилитель функционирует как операционный, и вид комплексного коэффициента передачи с соответствующей

Входной шины 16 на выходную шину 2

Определяется только параметрами

:операционных элементов 14=:1-14=3 и

15=1-15=3. При этом погрешности выполнения операций,с сигналами на Модных шинах 16, B том числе мажоРйтарного преобразования, могут быть

5Q малыми, так как определяются практически только параметрами блоков

13=1.-13=3 и операционных элементов

14=1-14=3, 15=.1-15=3. При использовании быстродействующих транзисторов и диодов быстродействие мажоритарного устройст а может определяться практически только быстродействием бло-. ков 13. В рассматриваемом режиме

Яотказ одного из транзисторов 5=1-5=3) обеспечена возможность получения широкого диапазона изменения выходного напряжения, что объясняется отсутствием противоречий в условиях выбора значений резисторов 17 в блоках

10=1-10=3.

Каждый блок иэ 12=1-12=3 выбирает максимальное из двух выходных напряжений с прямых выходов блоков

13=1-13=3 и подает его через один из диодов 11=1-11=3 на базу одного из транзисторов 5=1-5=3. Так как эмиттер этого транзистора подключен непосредственно к плюсовой шине б, то тип его проводимости противоположен типам транзисторов 1=1-1=3 и степень открытия рассматриваемого транзистора определяется наименьшим по модулю из двух указанных напряжений относительно шины б. Ток через включенные параллельно три транзистора

5=1-5=3 определяется наиболее открытым из них. Таким образом, указанные элементы 5=1-5=3, 8=1-8=3, 11=1-11=3, 12=1-12=3 производят выбор минимального по модулю сигнала из каждых двух и затем максимального сигнала из трех полученных. В результате ток через один из транзисторов 5=1-5=3 пропорционален выборочной медиане из выходных сигналов с прямых выходов блоков 13=1-13=3.

При отказе одного из транзисторов

1=1-1=3 (типа короткого замыкания эмиттера с коллектором) коллекторы транзисторов 5=1-5=3 оказываются подключенными к минусовой шине 4 через резистор 3 нагрузки и вместе с ним образуют схему с общим эмиттером, поэтому на резисторе 3 выделяется усиленное напряжение, пропорциональное выборочной медиане из выходных напряжений блоков 1 =1-13=3. Взаимодействие перечисленных элементов с блоками 1.3=1-13-3 через цепи отрица.тельной обратной связи, состоящие ыэ соответствующих элементов 14=1-14=,3 и 15=1-15=3, обеспечивает существенное увеличение точности выделения медианы. Эта взаимодействие осуществляется аналогично описанному выше взаимодействию. В рассматриваемом режиме (отказ одного из транзисторов

1=1-1=3) также обеспечена возможность получения широкого диапазона изменения выходного напряжения, что объясняется отсутствием противоречий в условиях выбора значений реэисто10

970701

Формула изобретения ки между шинами б и 4 питания, пропорционален выборочной медиане напряже- 10 ний на входных шинах 16=1-16=3, а напряжение на резисторе 3 пропорционально ей. Две петли отрицательной .обратной связи обеспечивают малую погрешность выполнения операций с 15 входными сигналами устройства.

Короткое замыкание или обрыв резистора 3 приводит к.отказу устрой.ства. Для его исключения резистор 3 резервирован (не показано) от отказов типа короткого замыкания и типа обрыва.

30

40

50 дами второго блока выбора максимального напряжения и соответственно с прямыми выходами второго и третьего блоков усиления.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что каждый иэ первого, второго и третьего блоков ров 18 в блоках 12=1-12=3, а также свойствами усилительных каскадов на транзисторах 5=1-5=3 по схеме с общим эмиттером.

При нормальном функционировании одновременно транзисторов 1=1-1-3 и

5=1-5=3 ток через транзисторы 5=15=3 и транзисторы 1=1-1=3, включенные последовательно с резистором 3 нагрузПосле отказа любого другого элемента предлагаемого устройства оно остается работоспособным, так как в нем осуществляется операция мажорирования относительно последствий этих отказов.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает широкий диапазон изменения выходного напряжения, в том числе при отказе одного любого элемента устройства.

В другом случае использование изобретения резистор 3 нагрузки может быть включен между шиной б и объединенными эмиттерами р-и-р транзисторов 5=1-5=3. При этом необходимо поменять местами инвертирующие инверсные и прямые и. выходы блоков 13=1-13-3.

По сравнению с известными (точны- ми,быстродействующими, нечувствительными к отказам элементов) мажоритарными устройствами с широким диапазоном изменения выходного напряжения предлагаемое имеет уменьшенные на 60-75Ъ массу и габариты благодаря топологической особенности его схемы, допускающей установку всех транзисторов 1 и 5 на одном радиаторе (вместо четырех у прототипа). Кроме того, повышена надежность устройства благодаря возможности широкого использования транзисторных сборок с объединенными коллекторами, обладающих повышенной надежностью по сравнению с раздельными транзисторами (в частности, за счет сокращения числа выводов). Уменьшение массы и габаритов устройства косвенно обеспечивает возможность повышения его надежности, например, путем yae= личения избыточности.

1. Мажоритарное устройство, содержащее три входные шины, две шины питания, выходную шину, шесть операционных элементов, шесть диодов, шесть резисторов, резистор нагрузки, три блока выбора минимального напряжения, три блока усиления, шесть транзисторов, эмиттер каждого из которых соединен через соответствующий резистор с базой транзистора, базы первого, второго и третьего транзисторов соединены соответственно с катодами первого, второго и третьего диодов, аноды которых соединены соответственно с первыми выходами первого, вторЪго и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые выходы которых соединены с первой шиной питания, эмиттеры первого, второго и третьего транзисторов соединены через резистор нагрузки с второй шиной питания, с выходной шиной и через первые три операционных элемента с входами соответствующих блоков усиления, входы которых соединены соответственно через вторые три операционных элемента с входными шинами, инверсный выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора минимального напряжения, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока выбора минимального напряжения и соответственно с инверсными выходами второго и третьего блоков усиления, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены первый, второй и третий блоки выбора максимального напряжения, первые выходы которых соединены с второй шиной питания, вторые выходы первого, второго и третьего блоков выбора максимального напряжения соединены с катодами соответственно четвертого, пятого и шестого диодов,аноды которых соединены с базами соответственно четвертого, пятого и шестого транзисторов, эмиттеры и коллекторы которых соединены соответственно с первой шиной питания и с коллектором первого транзистора, коллектор которого соединен с коллекторами второго и третьего транзисторов, прямой выход первого блока усиления соединен с первыми входами первого и третьего блоков выбора максимального напряже ния, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым вхо; 12

970701

ВНИИПИ Эаказ 8426/76 Тираж 959 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4 выбора минимального напряжения содержит два диода и резистор, первый вывод которого соединен с вторым вы ходом блока выбора минимального на= пряжения, первый выход которого сое-. динен с вторым выводом резистора и с анодами диодов, катоды которых соединены с входами блока выбора минимального напряжения.

3. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю ц е е с я тем, что каждый из 10 первого, второго и третьего блоков выбора максимального напряжения содер жит два диода и резистор, первый вывод которого соединен с первым выходом блока выбора максимального напряжения, второй выход которого соединен с вторым выводом резистора и с катодами диодов, аноды которых соединены с входами блока выбора макси.мального напряжения.

4. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что в качестве первого, второго, третьего транзисторов используются п-р-и-транзисторы, а в качестве четвертого, пятого и шестого транзисторов-р-и-р-транзисторы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2675739/18-21, кл. Н 03 К 19/42, 1978 °

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 3220632/18-21, кл. Н 03 К 19/23, 1981 (прототип) .