CN1023532C - 抗干扰多输入-单输出模拟开关装置 - Google Patents

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Abstract

当在数个电气和/或电子产品中选择任何多种性能开关时有一种抗干扰多输入一单输出模拟开关装置用以防止在输出级(8)上出现不希望输入信号，该模拟开关装置具有一个额外的部件；第二参考电压源(Vref2)和一个第二选择开关单元(7)，因此通过在选定的输入口和非选定的输入口之间电气地阻止信号传送来避免干扰产生。另外，当闭合打开的开关，由于偏压的变化消除脉冲干扰。

Description

本发明涉及一种多输入-单输出模拟开关装置，特别是涉及一种模拟开关装置，它当从用于各种电子和/或电气产品的多个性能开关中选择一个开关时，可用来防止在输出仍出现来自与未选择性能开关相连的线路中所不希望的输入信号。
近来，在这样的电子和/或电气产品中，已有人试图采用一种布线从而使来自各产品的声频信号通过性能选择装置传送到一个输出装置。例如，当一个家庭安装家用电子和/或电气设备时，如电视机、录像机、音响设备等，其各自的扬声器必须装在相应设备上面以便用户听到每个设备的声音，这就造成了一种经济上和占据空间上的浪费。因此，需要一种多输入-单输出模拟开关装置，它可以从各种设备的不同声源中选择一种声源，并将其送到一个扬声器系统中。如果在一个多输入-单输出模拟开关装置中，选择了一个用于电视机的性能开关，从扬声器系统中只能产生从电视机中传送的声音信号。而当选择了用于音响的性能开关时，则在扬声器系统中只能产生由音响设备传送的声音信号。
在图1中示出了常规的多输入-单输出模拟开关装置，且其工况将参照附图进行描述。
首先，假设在一个选择开关单元4中一个第一开关S1由一个逻辑控制器5的一个输出信号选择。当一个模拟输入信号从一个输 入级1的第一输入口IN1进入时，在一个差动放大单元2中的第一差动放大器A1在其不反相端接收进入的模拟输入信号并且将之放大，通过一个与第一差动放大器A1的输出相连的公共负载级3向一个输出级8提供放大后的信号。然而，在选择第一开关S1中，如果，当模拟输入信号施加到第一输入口IN1时，另一个模拟输入信号也施加到第二输入口IN2，则另一个模拟输入信号通过电阻单元6的偏压电阻RB1和RB2送到第一差动放大器A1的不反相端，并且由此通过公共负载级3在输出级8出现。这意味着，当模拟输入信号没有施加到第一输入口IN1时，但另一个模拟输入信号施加到第二输入口IN2时，这个另外的模拟输入信号通过与一个未选择的性能开关相连的线路和一个与选择的性能开关相连的差动放大器在输出出现。其结果，干扰现象可能产生。
在图1中，在未解释的参考号中，“Vref1表示一个用于差动放大单元2的参考电压源，“Ri1”是参考电压源的内部电阻，“I”是一个电流源作为一个差动放大单元2的偏流源，“RB1至RB5”为第一至第五偏压电阻，“A1至A5”是第一至第五差动放大器，“S1至S5是第一至第五开关，以及，“IN1至IN5”是第一至第五输入端。
图2表示一个图1装置的详细电路图，具体是一个集成电路。
如图2所示，差动放大单元2包括多个射极耦合差动放大器A1，A2，A3，A4和A5，它们分别包括放大三极管对Q1和Q2，Q4和Q5，Q7和Q8，Q10和Q11以及Q13和Q14，每个三极管对的发射极相互连接。
这些差动放大器A1，A2，A3，A4和A5响应一个逻辑控制器5的输出信号启动或不启动，该逻辑控制器控制开关三极管Q3、Q6、Q9、Q12和Q15形成一个选择开关单元4。即因为开关三极管Q3、Q6、Q9、Q12和Q15都与恒流源I相连，当其中任何一个以逻辑控制器5的输出信号来选定时，由于选定的开关三极管的开关操作，来自恒流源I的电流流入已启动的差动放大器中相应三极管的发射极。例如，当选择开关单元4的开关三极管Q3根据逻辑控制器5的输出接通，而其它开关三极管Q6Q9、Q12，Q15打开时第一差动放大器A1被启动，这时，第二至第五差动放大器A2，A3，A4和A5不动作。所以在只有在开关三极管Q3启动时，放大三极管Q1和Q2开始工作，从而当施加从第一输入口IN1获得的模拟输入信号时，在第一差动放大器A1中的一个信号得以被放大，然后，放大的模拟输入信号出现在输出级8上。
假设，同时另一个模拟输入信号施加到输入级1的第二输入口IN2，接着通过偏压电阻RB2和RB1施加到放大三极管Q2的基极。然后，同一信号以及通过第一输入口IN1的模拟输入信号通过公共负载3从输出级8输出，从而产生干扰。
基于这一点，让我们计算来自输出级8的产生的干扰量。首先参照图1，在第一开关S1关闭而其它开关即第二至第五开关S2    S3，S4和S5打开的情况下，当模拟输入信号只施加到第二输入口IN2而不是第一输入口IN1时，产生干扰的量由下式给出：
Vct2＝ (Ri1)/(RB2+Ri1) Vi2……（1）
其中Vct2是出现在输出级8的干扰电压，Vi2是施加到第二输入口IN2的模拟输入电压，以及Ri1是在第一参考电压源Vref1中的内阻。
理想地，多输入-单输出模拟开关装置，其功能应能使非希望的模拟输入信号不出现在输出级8上。然而，干扰现象确实出现在上述多输入-单输出模拟开关装置中。因此，在常规的多输入-单输出开关装置中，例如，当一个模拟输入信号施加到与第一开关S1相连的差动放大器A1时，这种现象出现在除第一开关S1之外的其它开关中。为了避免干扰现象，或者第一参考电压源的内阻Ri1的阻值必须设定或基本上减至零，或者施加到各个差动放大器的偏压必须从其相应的独立参考电压源建立。然而，这在实践中很难实现。
本发明的目的是提供一种抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，它具有一个额外提供的第二参考电压源和一个第二选择开关单元，它们连接于一个差动放大单元和向差动放大器提供偏压的第一和第二电压源之间，因此，随着第二选择开关的开关操作，使每个非选定的输入口和被驱动的差动放大器的连接通路电气绝缘，并且防止在输出级出现干扰现象。
为了实现本发明的目的，提供一种抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，包括一个具有用于接受各种模拟输入信号的多个输入口的输入级，与输入级相连的差动放大单元，该单元具有多个用于放大所接受的模拟输入信号的差动放大器，一个与差动放大单元相连的第一选择开关单元，从而进行开关操作，以使得只有一个差动放大器启动，并且允许接受到的模拟输入信号的相应模拟输入信号通过，通过该已启动的差动放大器，该信号传送到一个输出级，一个第一参考电压源，用于向差动放大器单元提供第一参考偏压，一个逻辑控制器，其输出信号用来控制第一选择开关单元，一个作为差动放大单元的偏流源的恒流源以及一个与差动放大单元的输出相连并且用于通过输出级输出差动放大器的输出的公共负载，一个抗干扰多输入-单输出模拟开关装置进一步包括：
向差动放大单元提供偏压的第二参考电压源;以及
连接于第一和第二参考电压源与差动放大单元之间的一个第二选择开关单元，该开关单元具有多个开关对，用于进行一个开关操作，从而使来自第一和第二参考电压源的每一个偏压根据逻辑控制器的输出信号，有选择地加到相应的差动放大器上。
更可取的是，第二参考电压源的电压值与第一参考电压源的电压值相同。
根据本发明的另一个实施例，抗干扰多输入-单输出模拟开关装置的构成，使得任意一个差动放大器由第一选择开关单元启动时，与该启动的差动放大器相连的第二选择开关单元中开关对之一接通以与第一参考电压源电连接，开关对中的另一个开关打开以与 第二参考电压源电气断开，而与各未启动差动放大器相连的第二选择开关单元的每个开关对中之一断开以与第一参考电压源电气断开并且每个开关对中另一个开关接通以与第二参考电压源电气接通。
根据本发明的再一个实施例，抗干扰多输入-单输出模拟开关装置的构成使得在第二选择开关单元中的每个开关对的一个开关包括一个第一开关三极管，该三极管其集电极与第一参考电压源相连，其基极与集电极相连，其发射极与差动放大单元相连，还包括一个第二开关三极管，该三极管的集电极与第一开关三极管的基极相连，其发射极通过一个电阻接地，其基极与逻辑控制器相连。
根据本发明的另一个实施例，抗干扰多输入-单输出模拟开关装置的构成使得在第二选择开关单元中每个开关对中另一个开关包括一个第三开关三极管，其集电极与第二参考电压源相连，其基极与集电极相连，其发射极和差动放大单元相连，以及一个第四开关三极管，其集电极与第三开关三极管的基极相连，其发射极通过一个电阻接地，其基极与逻辑控制器相连。
由本发明所述的那样构成的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置是可以避免不需要的输入信号通过启动的差动放大器在输出级出现。
通过参考附图的详细说明，本发明的目的和其它性能将变得更显而易见，其中：
图1表示现有技术中多输入-单输出模拟开关装置的电路图;
图2是图1的装置的详细电路图;
图3表示根据本发明的一个多输入-单输出模拟开关装置的一 个实施例的电路图;
图4是图3装置的详细电路图;以及
图5是根据本发明的一个模拟开发装置与常规的模拟开关装置性能比较曲线。
参考图3，根据本发明的模拟开关装置与常规的模拟开关装置的总体构造是相同的，但前者具有二个参考电压源Vref1和Vref2以及第二选择开关单元7，该开关单元有选择地控制向各差动放大器A1，A2，A3，A4和A5提供偏压。
现在，将介绍由逻辑控制器5的输出信号控制的第二选择开关单元7的开关操作。与第一差动放大器A1相连的一个开关对S11和S12中，与第一参考电压源Vref1相连的开关S11闭合，与第二参考电压源Vref2相连的开关S12打开，并且与第一参考电压源Vref1相连的，在其余的开关对S21和S22    S31和S32，S41和S42，S51和S52中的开关S21，S31，S41和S51同时打开，而分别连到第二参考电压源Vref2的开关S22，S32，S42和S52闭合。
同时，当一个模拟输入信号通过一个输入级1的第一输入口IN1进入第一差动放大器A1的非反相端，第一差动放大器A1放大进入的输入信号以通过公共负载3传送到输出级8。同时，当另一个模拟输入信号施加到第二输入口IN2，由于在与第二差动放大器A2相连的开关对S21和S22中，与第一参考电压源Vref1相连的开关S21打开，而与第二参考电压源Vref2相连公开关S22闭合，因相互之间没有电连接，该信号不能 施加到第一差动放大器A1的非反相端上。
在描述根据本发明的模拟开关装置的图4中，三极管Q22-Q41形成第二选择开关单元7，电阻R3-R22是差动放大单元2的偏压电阻。
另外，与第一差动放大器A1相连的开关对S11和S12包括开关三极管Q22-Q25，与第二放大器A2相连的开关对S21和S22包括开关三极管Q26-Q29，而与第三差动放大器A3相连的开关对S31和S32包括开关三极管Q30-Q33，与第四差动放大器A4相连的开关对S41-S42包括开关三极管Q34-Q37。更进一步，与第五差动放大器A5相连的开关对S51和S52包括开关三极管Q38-Q41。
现在，根据本发明的装置的工作情况将参照图4详细说明。
当根据逻辑控制器5的输出信号，与如图3所示的第一选择开关单元4的开关S1相对应的第三开关三极管Q3闭合时，第一差动放大器A1启动。即，来自一个恒流源I的电流流向形成第一差动放大器A1的放大三极管的发射极。同时，向与图3中开关对S11和S12相连的第一差动放大器A1提供来自第一参考电压源Vref1的偏压，其中，根据逻辑控制器5的输出信号，开关S11闭合，开关S12断开，即，图4中开关三极管Q24和Q25断开。由于与各差动放大器A2-A5相连的对应开关对S21和S22，S31和S32，S41和S42以及S51和S52进行与和第一差动放大器A1相连的开关对S11和S12相反的开关操作，因此，从第二参考电压源Vref2向其余差动放 大器A2-A5提供偏压。即，当开关三极管Q28，Q29，Q32，Q33，Q36，Q37，Q40，Q41接通时，开关三极管Q26，Q27，Q30，Q31，Q34，Q35，Q38和Q39打开。在这一点上，如果模拟输入信号施加到输入级1的第一输入口IN1（图1），同样的信号通过形成第一差动放大器A1的放大三极管Q2的基极在输出级出现。甚至，即使另一个模拟信号施加到第二输入口IN2，由于信号通路被阻从而放大三极管Q2的基极不接受向第二输入口IN2施加的其它输入信号，因此其它输入信号不会出现在输出级8。其结果就防止了不希望的输入信号在输出级8上出现，即，启动的差动放大器连接到第一参考电压源Vref1，同时，其余的差动放大器，即，没启动的差动放大器与第二参考电压源Vref2相连，这样，不希望的输入信号不施加到启动的差动放大器上，从而防止干扰产生，该干扰是由每个输入口的偏压电阻和参考电压的内阻的比率按前述所介绍的干扰公式（1）计算得出。
进一步，根据本发明的模拟开关装置可以避免由于开关打开、闭合使偏压变化而产生的脉冲干扰，其中，来自第二参考电压源的电压连续提供给由第一选择开关单元与每个非选择输入口相连的差动放大器，从而以维持一个用于差动放大器的预定的驱动电压。即在没有被第一选择开关单元Vref1选择的输入口中，在第一参考电压源Vref1和与非选择的输入口相连的一个差动放大器之间的连接开关打开。因此，如同在根据本发明的模拟开关装置中，如果第二参考电压源Vref2和选定的差动放大器之间的连接开关打 开，则第二参考电压源的偏压不提供给选定的差动放大器。
在这种情况下，假设各输入口被连接到相应的电容器（未示）然后，在每个电容器上的充电电压下降。
在紧接着的操作级中，当未选择的输入口被选择时，由于充电电压已在相应的电容器中放电，在正常工作之前要求一个再充电时间。而且，这产生了一个延时和脉冲干扰产生现象，它通过向未启动的差动放大器连续提供第二参考电压源Vref2的偏压来消除。
图5表示一条曲线，用于将常规的模拟开关装置的性能与本发明的性能进行比较，其中一条实线A表示常规装置产生的干扰量，虚线B表示本发明装置产生的干扰量。
如在图5中，可以容易地看出从常规模拟开关装置产生的干扰量比本发明大得多。在频率为1KHZ时比较这些干扰量，常规模拟开关装置输出的不希望输入信号大约是其输入幅值的五百分之一，而按本发明的模拟开关装置所获得的不希望输入信号大约是输入幅值的千万分之一。
参照图5中干扰量（单位为分贝）对频率的关系，常规装置的干扰量由于寄生电容而不受频率的影响，因为它与非选择输入口的影响相比是无穷小的。然而在本发明中，不希望输入信号，即由于寄生电容，在干扰量中的脉冲干扰随着频率的增加而成比例地增加。

Claims (10)

1、一个抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，包括一个输入级(1)，它具有多个用于接收各种模拟输入信号的输入口(IN1-INn)，一个差动放大单元(2)，它与上述输入级(1)相连并且具有多个用于放大所述接收的模拟输入信号的差动放大器(A1-An)，一个第一选择开关(4)，它与上述差动放大单元(2)相连，用于进行开关操作从而使只有上述差动放大器(A1-An)之一被启动并且允许与上述接收到的模拟输入信号相对应的模拟输入信号通过被启动的差动放大器，再将该信号传送到一个输出级(8)，一个第一参考电压源(Vref1)，用于向上述差动放大单元(2)提供一个第一参考偏压，一个逻辑控制器(5)，用于用上述输出信号来控制上述第一选择开关单元(4)，一个恒流源(I)，作为差动放大单元(2)的偏流源，以及一个公共负载(3)，它与差动放大单元(2)的输出相连并且通过输出级(8)输出差动放大单元(2)的输出，上述模拟开关装置进一步包括：
一个第二参考电压源(Vref2)，用于向上述差动放大单元(2)提供第二参考偏压；以及
第二选择开关单元(7)，连接于上述第一、第二参考电压源(Vref1)，(Vref2)和上述差动放大单元(2)之间并且具有多个开关对(S11)，(S12)……(Sn1)，(Sn2)，用于进行开关操作从而从第一和第二参考电压源(Vref1)，(Vref2)来的偏压根据上述逻辑控制器(7)的输入信号有选择地提供给相应的差动放大器，
从而通过启动的差动放大器可以避免在上述输出级(8)出现不希望的输入信号。
2、根据权利要求1的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中上述第一参考电压源（Vref1）的电位与上述第二参考电压源（Vref2）是相同的。
3、根据权利要求1的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中上述第二选择开关单元（7）的多个开关对（S11），（S12）……（Sn1），（Sn2）的构成使得当上述差动放大器（A1-An）的任何一个由上述第一选择开关单元（4）启动时，与上述启动的差动放大器相连的上述第二选择开关单元（7）的开关对中的一个开关闭合以与上述第一参考电压源（Vref1）电连接，开关对中的另一个开关打开，从而与上述第二参考电压源（Vref2）电力断开，而与各未启动的差动放大器相连的上述第二选择开关单元（7）的开关对中的一个与上述第一参考电压源（Vref1）电力断开，每个开关对的另一个开关闭合以与上述第二参考电压源（Vref2）电连接。
4、根据权利要求1-3中的任一个权利要求所述抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中，上述第二选择开关单元（7）的一个开关对中一个开关包括一个第一开关三极管，该三极管具有与上述第一参考电压源（Vref1）相连的极电极，其基极与集电极相连以及其发射极与上述差动放大单元（2）相连，一个第二开关三极管，该三极管具有与上述第一开关三极管基极相连的集电极，其发射极通过一个电阻接地以及与上述逻辑控制器（5）相连的基极。
5、根据权利要求1-3所述的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中上述第二选择开关单元（7）的一个开关对中另一个开关包括一个第三开关三极管，该三极管的集电极与上述第一参考电压源（Vref1）相连，其基极与集电极相连，其发射极与上述差动放大单元（2）相连，以及一个第四开关三极管，其集电极与上述第一开关三极管的基极相连，其发射极通过一个电阻接地，其基极与上述逻辑控制器（5）相连。
6、根据权利要求4所述的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中，上述第二选择开关单元（7）的一个开关对中的另一个开关包括一个第三开关三极管，该三极管的集电极与上述第一参考电压源（Vref1）相连，其基极与该集电极相连，其发射极与上述差动放大单元（2）相连以及一个第四开关三极管，该三极管的集电极与上述第一开关三极管的基极相连，其发射极通过一个电阻接地，其基极与上述逻辑控制器（5）相连。
7、根据权利要求2所述的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中，第二选择开关单元（7）的多个开关对（S11），（S12）-（Sn1），（Sn2）的构成使得当上述差动放大器（A1-An）的任何一个由上述第一选择开关单元（4）启动时，与所启动的差动放大器相连的上述第二选择开关单元（7）的开关对中一个开关闭合以与上述第一参考电压源（Vref1）电连接，上述开关对的另一个开关打开以与上述第二差动电压源（Vref2）电气断开，而与各未启动的差动放大器相连的上述第二选择开关单元（7）的每个开关对的一个开关断开以与上述第一参考电压源（Vref1）电气断开，每个开关对的另一个开关闭合以与上述第二参考电压源（Vref2）电连接。
8、根据权利要求1，2和7之一所述的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中，上述第二选择开关单元（7）的一个开关对中的一个开关对中的一个开关包括一个第一开关三极管，该三极管的集电极与上述第一参考电压源（Vref1）相连，其基极与该集电板相连，其发射极与上述差动放大单元之（2）相连以及一个第二开关三极管，该三极管的集电极与上述第一开关三极管的基极相连，其发射极通过一个电阻接地，其基极与上述逻辑控制器（5）相连
9、根据权利要求1，2和7之一所述的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中，上述第二选择开关单元（7）的一个开关对中的另一个开关包括一个第三开关三极管，该三极管的集电极与上述第一参考电压源（Vref1）相连，其基极与该集电极相连其发射极与上述差动放大单元（2）相连以及一个第四开关三极管该三极管的集电极与上述第一开关三极管的基极相连，其发射极通过一个电阻接地，其基极与与上述逻辑控制器（5）相连。
10、根据权利要求8所述的抗干扰多输入-单输出模拟开关装置，其中，上述第二选择开关单元（7）的一个开关对中的另一个开关包括：一个第三开关三极管，该三极管的集电极与上述第一参考电压源（Vref1）相连，其基极与该集电极相连，其发射极与上述差动放大单元（2）相连以及一个第四开关的三极管，该三极管的集电极与上述第一开关三极管的基极相连，其发射极通过一个电阻接地，其基极与上述逻辑控制器（5）相连。
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