RU2688756C1

RU2688756C1 - Diode wrench

Info

Publication number: RU2688756C1
Application number: RU2018116540A
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Левченко
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2019-05-22

Abstract

FIELD: electricity.SUBSTANCE: invention relates to the field of pulse technology. Diode switch is made in form of bridge switching element, in one of diagonals of which switching circuit is connected, and to other diagonal are connected similar ends of two identical windings of broadband transformer, which second ends are connected to outputs of control signal source, one of parallel branches of bridge connected to outputs of transformer consists of series connected diodes, and second branch of bridge is made in form of two series-connected capacitors.EFFECT: reducing the value of total control current of diodes and, as a result, reducing power consumption of the switch, increasing its efficiency and reducing pulse interference penetrating into the circuit of the switched signal from the source of control signals, as well as high stability of the transfer characteristic of the switch owing to elimination of current dependence through diodes from process spread of current-voltage characteristics.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться, например, для коммутации высокочастотных широкополосных сигналов в радиотехнических устройствах, в частности для переключения антенн в устройствах разнесенного радиоприема или антенных решетках.The invention relates to a pulse technique and can be used, for example, for switching high-frequency broadband signals in radio devices, in particular for switching antennas in a diversity radio receiver or antenna arrays.

Известен диодный ключ, содержащий мост из четырех диодов, в диагональ которого между точками соединения разноименных электродов диодов включена коммутируемая цепь, а в диагональ моста между точками соединения одноименных электродов диодов включен источник разнополярных управляющих сигналов [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том 2: Пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 942 с.: и л. ISBN 5-94074-148-7 стр. 279], [Романов В.А., Давиденко В.А. Мостовой диодный коммутатор, авт. свид-во СССР 1370773, опубл. в бюлл. №4 от 30.01.1988 г.].Known diode key containing a bridge of four diodes, the diagonal between the points of connection of opposite electrodes of the diodes included a switched circuit, and the diagonal of the bridge between the points of connection of the electrodes of the diodes of the same diodes included a source of opposite polarity signals [Tits U. Schenk K. Semiconductor circuitry. 12th ed. Volume 2: Trans. with him. - M .: DMK Press, 2008. - 942 pp .: and l. ISBN 5-94074-148-7 p. 279], [Romanov V.A., Davidenko V.A. Bridge diode switch, auth. Certificate USSR 1370773, publ. in bulletin No. 4 dated 1/30/1988].

Недостатками приведенных технических решений являются, во-первых, высокий уровень коммутационных импульсных помех, проникающих в цепь коммутируемого сигнала, обусловленных несовпадением фронтов отрицательных и положительных управляющих импульсов из-за различия временных задержек в цепях управления, во-вторых, низкий коэффициент использования управляющего тока, в связи с его делением между двумя ветвями диодного моста, а также в связи с неопределенностью этого распределения из-за разброса вольт-амперных характеристик диодов, что вынуждает дополнительно увеличивать этот ток для обеспечения значительного превышения над током коммутируемого сигнала в обеих ветвях диодного моста.The disadvantages of these technical solutions are, firstly, the high level of switching impulse noise penetrating the circuit of the switched signal, due to the mismatch of the fronts of the negative and positive control pulses due to the difference in time delays in the control circuits, secondly, the low utilization of the control current, due to its division between the two branches of the diode bridge, and also due to the uncertainty of this distribution due to the variation in the current-voltage characteristics of the diodes, which zhdaet further increase this current for a considerable excess over the switched current signal in both branches of the diode bridge.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электронный ключ [АС №418977, опубл. 05.03.1974 г.]. В данном прототипе проблема уменьшения коммутационных импульсных помех решена путем включения между выходами источника управляющих сигналов противоположной полярности и диагональю диодного моста трансформатора с идентичными обмотками, при этом одна обмотка трансформатора подключена началом к точке соединения анодов двух диодов моста и концом - к выходу источника управляющих сигналов, а другая обмотка трансформатора подключена началом к точке соединения катодов двух диодов моста и концом - к выходу источника управляющих сигналов противоположной полярности. Трансформатор, работающий в режиме «длинной линии» не оказывает сопротивления симметричным составляющим управляющих импульсов и оказывает высокое сопротивление их несовпадающим во времени фрагментам, тем самым уменьшая импульсные помехи.Closest to the proposed device is an electronic key [AC No. 4189977, publ. 03/05/1974]. In this prototype, the problem of reducing switching impulse noise is solved by switching between a source of control signals of opposite polarity and a diagonal of a diode bridge of a transformer with identical windings, one transformer winding being connected to the junction point of the anodes of two bridge diodes and ending to the source of control signals, and the other winding of the transformer is connected by beginning to the point of connection of the cathodes of the two diodes of the bridge and the end to the output of the source of control signals oppositely polarity. A transformer operating in the “long line” mode does not provide resistance to the symmetric components of the control pulses and provides a high resistance to their non-coincident fragments, thereby reducing the impulse noise.

Однако, так же как и в вышеприведенных аналогах, у прототипа сохраняются недостатки, состоящие в низком коэффициенте полезного действия ключа, определяемого как отношение максимальной величины тока коммутируемого высокочастотного сигнала к току управления, и высокая критичность к разбросу вольтамперных характеристик диодов, приводящему к неравномерному делению управляющего тока между ветвями диодного моста. Поскольку для предотвращения искажений коммутируемых сигналов минимальный из токов ветвей диодного моста должен существенно превышать максимальное возможное значение коммутируемого сигнала, ток от источника управляющего сигнала должен более чем в два раза превышать ток каждой из диодных ветвей, что и обусловливает низкий к.п.д. ключа.However, as in the above analogues, the prototype still has flaws consisting in low key efficiency, defined as the ratio of the maximum value of the switched high-frequency signal current to the control current, and high criticality to the variation of the current-voltage characteristics of the diodes, leading to an uneven division of the control current between the branches of the diode bridge. Since in order to prevent distortion of the switched signals, the minimum of the currents of the branches of the diode bridge must significantly exceed the maximum possible value of the switched signal, the current from the source of the control signal must be more than twice the current of each of the diode branches, which causes a low efficiency factor. key.

Задачей заявляемого изобретения является создание диодного ключа для коммутации высокочастотных широкополосных сигналов с малым уровнем импульсных помех, высокими коэффициентом использования управляющего тока и стабильностью передаточной характеристики.The task of the invention is the creation of a diode key for switching high-frequency wideband signals with a low level of impulse noise, high utilization of the control current and the stability of the transfer characteristic.

Техническим результатом является снижение величины суммарного управляющего тока диодов и, как следствие, снижение энергопотребления ключа, повышение его коэффициента полезного действия и уменьшение импульсных помех, проникающих в цепь коммутируемого сигнала из источника управляющих сигналов, а так же повышение стабильности передаточной характеристики ключа вследствие устранения зависимости тока через диоды от технологического разброса вольтамперных характеристик.The technical result is to reduce the magnitude of the total control current of the diodes and, as a result, reduce the power consumption of the key, increase its efficiency and reduce impulse noise penetrating the circuit of the switched signal from the source of control signals, as well as increasing the stability of the transfer characteristic of the key due to the elimination of current dependence through the diodes from the technological variation of the current-voltage characteristics.

Данный технический результат достигается тем, что предложен диодный ключ, выполненный в виде мостового коммутирующего элемента (далее «мост»), в одну из диагоналей которого включена коммутируемая цепь, а к другой диагонали подключены одноименные концы двух идентичных обмоток широкополосного трансформатора, вторые концы которых подключены к выходам источника управляющих сигналов, согласно заявляемому техническому решению одна из параллельных ветвей моста, подключенных к выводам трансформатора, выполнена в виде двух последовательно соединенных конденсаторов приблизительно равной емкости C₁ ~ С₂ ~ С, выбранной, исходя из условия, при котором обеспечивается пренебрежимо малое затухание сигнала.This technical result is achieved by the fact that a diode switch made in the form of a bridge switching element (hereinafter referred to as “bridge”) is proposed, the switched circuit is included in one of the diagonals, and the same ends of the two identical windings of the wideband transformer are connected to the other diagonal; to the outputs of the source of control signals, according to the claimed technical solution, one of the parallel branches of the bridge connected to the terminals of the transformer, is made in the form of two in series with Separated capacitors of approximately equal capacitance C ₁ ~ C ₂ ~ C, selected on the basis of the condition under which a negligible signal attenuation is provided.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого диодного ключа.FIG. 1 shows the scheme of the proposed diode key.

Предложенный диодный ключ содержит мостовой коммутирующий элемент 1, представляющий из себя мост, состоящий из четырех элементов, одна из параллельных ветвей которого состоит из последовательно включенных диодов D, а другая, согласно изобретению, составлена из последовательно включенных конденсаторов равной емкости С. К точкам соединения конденсаторов и диодов моста подключены одноименные выводы идентичных обмоток широкополосного трансформатора 2, вторая пара выводов которого подключена к выходам источника управляющих сигналов противоположных полярностей 3. Между точкой соединения конденсаторов и точкой соединения катода и анода диодов моста подключены источник коммутируемого сигнала 4 и нагрузка 5.The proposed diode switch contains a bridge switching element 1, which is a bridge consisting of four elements, one of which parallel branches consists of series-connected diodes D, and the other, according to the invention, is made up of series-connected capacitors of equal capacitance C. and bridge diodes are connected to the same-named terminals of identical windings of a broadband transformer 2, the second pair of terminals of which are connected to the outputs of the control signal source prot vopolozhnyh polarities 3. Between the connection point of the capacitors and the point of the cathode connection and the anode bridge diodes connected dial signal source 4 and load 5.

Диодный ключ работает следующим образом.Diode key works as follows.

В состоянии низкой проводимости ключа диоды моста 1 заперты отрицательным напряжением источника управляющих сигналов 3, поступающим в точку соединения конденсатора и анода диода, и положительным напряжением, поступающим в точку соединения другого конденсатора и катода диода.In a state of low conductivity of the key, the diodes of bridge 1 are blocked by a negative voltage of the source of control signals 3, coming to the junction point of the capacitor and the anode of the diode, and a positive voltage to the junction point of the other capacitor and cathode of the diode.

При смене полярностей управляющих сигналов диодный ключ переходит в состояние высокой проводимости. Трансформатор 2 способствует выравниванию токов управления диодным мостом 1 в переходный период, практически не оказывая сопротивления во время совпадения противофазных управляющих импульсов и создавая максимальное индуктивное сопротивление управляющему току во время рассогласования их фронтов, в результате чего значительно уменьшается импульсная помеха на нагрузке 5, обусловленная несовпадением фронтов перепадов напряжений на выходах источника 3 управляющих сигналов.When the polarity of the control signals is changed, the diode switch switches to the high conductivity state. Transformer 2 contributes to the alignment of the control currents of the diode bridge 1 in the transition period, almost no resistance during the coincidence of the antiphase control pulses and creating the maximum inductive resistance to the control current during the mismatch of their fronts, resulting in a significantly reduced impulse noise on the load 5, due to the mismatch of the fronts voltage drops at the outputs of the source 3 control signals.

В отличие от моста из четырех диодов, используемого в прототипе, содержащего две параллельные диодные ветви, в предлагаемой схеме диодного ключа весь управляющий ток в установившемся режиме протекает через два диода единственной оставшейся диодной ветви, поэтому его величина по сравнению с прототипом может быть уменьшена в два раза, что наряду с повышением в два раза к.п.д. ключа, приводит к уменьшению импульсной помехи, пропорциональной величине управляющего тока. Одновременно исключается влияние разброса вольтамперных характеристик диодов на величину протекающего через них тока, поскольку цепь протекания тока содержит только последовательное соединение диодов, что повышает стабильность передаточной характеристики ключа.In contrast to the four-diode bridge used in the prototype containing two parallel diode branches, in the proposed diode switch circuit, the entire control current in the steady state flows through two diodes of the only remaining diode branch, so its value can be reduced in two compared to the prototype times, which, along with a twofold increase in the efficiency key, leads to a decrease in impulse noise proportional to the magnitude of the control current. At the same time, the influence of the current-voltage characteristics of the diodes on the magnitude of the current flowing through them is excluded, since the current flow circuit contains only a series connection of diodes, which increases the stability of the transfer characteristic of the key.

Некоторое замедление процесса перехода диодного ключа из одного состояния в другое, вызванное временем перезаряда конденсаторов ключа с постоянной времени τ≈C⋅R_y, где С - емкость конденсатора, R_y - величина выходного сопротивления источника управляющих сигналов 3, для областей применения предлагаемого диодного ключа (коммутация высокочастотных сигналов в декаметровом диапазоне волн, в частности, антенн при разнесенном приеме и в адаптивных антенных решетках), не имеет существенного значения. Более того «сглаживание» фронтов импульсов управления на величину τ приводит к дополнительному уменьшению высокочастотных спектральных составляющих импульсных помех, обусловленных рассогласованием по времени управляющих сигналов.Some slowdown in the process of transition of a diode switch from one state to another, caused by the recharging time of a key capacitor with a time constant τ≈C⋅R _y , where C is the capacitance of the capacitor, R _y is the output resistance of the control signal source 3, for the application areas of the proposed diode key (commutation of high-frequency signals in the decameter wavelength range, in particular, antennas with diversity reception and in adaptive antenna arrays), is not significant. Moreover, the “smoothing” of the fronts of the control pulses by the value of τ leads to an additional decrease in the high-frequency spectral components of the impulse noise caused by the time difference of the control signals.

Для того, чтобы реактивное сопротивление конденсаторов мостовой схемы Х_с практически не увеличивало полное сопротивление ключа в открытом состоянии величина емкости С рассчитывается с учетом того, что реактивное сопротивление конденсатора Х_с на нижней частоте диапазона коммутируемых сигналов ƒ_н для минимизации потерь должно быть много меньше сопротивления нагрузки R₅, исходя из известной формулы Х_с=1/(2πСƒ_н) [см. например: Зевеке Г.Н. и др. Основы теории цепей. Учебник для вузов. Изд. 4-е, переработанное, М. «Энергия», 1975, стр. 123]. Произведя необходимые преобразования получаем: С>>1/(2πR₅ƒ_н).To reactance capacitor bridge circuit X _with almost no increased impedance of the key in the open state capacitance value C is calculated by taking into account that the reactance of capacitor X _with the lower frequency switched signal range ƒ _n to minimize losses should be much less than the resistance load R ₅ , based on the well-known formula X _with = 1 / (2πСƒ _n ) [see for example: Zeveke G.N. et al. Fundamentals of the theory of chains. Textbook for universities. Ed. 4th, revised, M. "Energy", 1975, p. 123]. Making the necessary transformations we get: C >> 1 / (2πR ₅ ƒ _n ).

Величину индуктивности L_тр. обмотки широкополосного трансформатора следует рассчитывать исходя из того, что реактивное сопротивление X_L=2πL_тр.ƒ_н [Зевеке Г.Н. и др. Основы теории цепей. Учебник для вузов. Изд. 4-е, переработанное, М. «Энергия», 1975, стр. 123] должно быть много больше сопротивления нагрузки R₅. С учетом этого формула для расчета индуктивности обмотки:

Конструктивно, для обеспечения симметричности, трансформатор рекомендуется выполнять путем намотки двойным проводом на ферритовом сердечнике.The value of inductance L _tr. windings of a broadband transformer should be calculated based on the fact that the reactance X _L = 2πL _tr. ƒ _n [Zeveke G.N. et al. Fundamentals of the theory of chains. Textbook for universities. Ed. 4th, revised, M. “Energy”, 1975, p. 123] should be much more than the resistance of the load R ₅ . With this in mind, the formula for calculating the winding inductance:

Structurally, to ensure symmetry, the transformer is recommended to be performed by winding a double wire on a ferrite core.

Таким образом, предложен диодный ключ для коммутации высокочастотных широкополосных сигналов с малым уровнем импульсных помех, с высокими коэффициентом использования управляющего тока и стабильностью передаточной характеристики в радиотехнических устройствах, в частности при переключении антенн в устройствах разнесенного радиоприема или антенных решетках.Thus, a diode switch is proposed for switching high-frequency wideband signals with a low level of impulse noise, with a high utilization rate of the control current and stability of the transfer characteristic in radio devices, in particular, when switching antennas in remote reception devices or antenna arrays.

Кроме того диодный ключ позволяет снизить величину управляющего тока диодов и, как следствие, снизить энергопотребление ключа, повысить его коэффициент полезного действия и уменьшить импульсные помехи, проникающие в цепь коммутируемого сигнала из источника управляющих сигналов, а так же повысить стабильность передаточной характеристики ключа вследствие устранения зависимости тока через диоды от технологического разброса вольтамперных характеристик.In addition, the diode key allows to reduce the value of the diode control current and, as a result, to reduce the power consumption of the key, increase its efficiency and reduce impulse noise penetrating the circuit of the switched signal from the source of control signals, as well as increase the stability of the transfer characteristic of the key due to the elimination of dependence current through the diodes from the technological variation of the current-voltage characteristics.

Claims

A diode switch made as a bridge switching element, one of the diagonals of which includes a switched circuit, and the other diagonals of the same ends of two identical windings of a broadband transformer, the second ends of which are connected to the outputs of the source of control signals, one of the parallel branches of the bridge connected to transformer terminals, consists of series-connected diodes, characterized in that the second branch of the bridge, connected to the transformer terminals, is made in the form of two connected capacitors.