200239. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés videofrekvenciás, digitális vezérlésű analóg aktív kapcsolómátrix megvalósítására
1 HU 200239 B 2 A találmány tárya kapcsolási elrendezés videofrekvenciás digitális vezérlésű analóg aktív kapcsolómátrix megvalósítására, amellyel analóg jelátviteli berendezésekben előforduló több párhuzamos jelűt vezérelt keverés — kiválasztás — elágaztatás feladatait lehet elvégezni. A kapcsolómátrix olyan többkapu áramkör, amelynek működését a mátrixalgebra segítségével lehet legjobban leírni. Az n számú bemenet egy N oszlopvektort, az m számú kimenet egy M sorvektort képez. A két vektor kapcsolatát az M - K . N mátrixszorzás fejez ki, ahol K egy m x n méretű 0 és 1 elemekből álló kapcsolómátrix. Ha a mátrix kjj eleme 1, ez azt jelenti, hogy az i. sorszámú bemenetről a j. sorszámú kimenetre jut a jel. Ha a mátrix funkciója keverés, oszloponként és soronként csak egyetlen eleme lehet 1. Kívánatos, hogy az összekapcsolt kapuk között a jel csak kis csillapítást és torzulást szenvedjen, míg a többi kapuk között az átviteli csillapítás nagy, azaz az áthallás kicsi legyen. Kívánatos továbbá, hogy a bemenő és a kimenőkapuk impedanciája a kapcsolómátrix állásától független és kényelmes értékű legyen, valamint, hogy a vezérlés egyszerű és kompatibilis legyen a szokásos digitális áramkörökkel. A mátrix kij. eleme egy vezérlés hatására beiktatási csillapítását változtatni képes alkatrész vagy áramkör. Az eddig ismeretes megvalósításokban ez passzív mechanikus, illetve elektronikus megoldású. Az ismert mechanikus megoldások az áram mágneses vagy hőhatására elmozduló érintkező elvén alapszanak, pl. elektromágneses relék, illetve higanyrelék. Kiváló elektromos átviteli tulajdonságaik mellett jellemzőjük, hogy bármelyik kiviteli alakjukban is tartalmazzák a következő ismert hátrányos tulajdonságok nagyobb részét: nagy méret és súly, nagy fogyasztás kis megbízhatóság, lassú működés, pergés, bonyolult előállítás, zajtermelés. A hátrányos tulajdonságok miatt a professzionális híradástechnikában a passzív elektronikus kapcsolás alkalmazására törekednek. Ezek a vezérelhető ellenállás elvén működnek. Egyik csoportjuk a diódás kapcsolók; pl. tűs dióda, pn rétegdióda, Pin dióda. Kapcsolási elvük, hogy nyitóirányban kis, záróirányban nagy impedanciát jelentenek. A Pin diódák csak videofrekvencia felett használhatók. Miután a jelfrekvencia és a vezérlő feszültség (áram) útja közös egyfeszültségen van, alacsonyfrekvencián csak körülményesen használhatók a szükséges nagyméretű fojtók és elválasztókondenzátorok miatt. Ezért a diódás kapcsolók videofrekvencián nem terjedtek el. A videofrekvenciás kapcsolókban leginkább elterjedtek a passzív üzemben (vezérelt ellenállás) működő aktív alkatrészek. A bipoláris tranzisztorok bázisáram hatására lezárt állapotból telítési állapotba vezérelhetők, így emitter és kollektor között kis átmenőellenállás érhető el. Nehezen megoldható problémát jelent, hogy a bázis-emitter átmeneten a jelfeszültség és vezérlőáram is jelen van. A telítéshez szükséges elegendő bázisáram, és a jelűt söntölésének elkerülése egymásnak ellentmondó követelmény. A FET tranzisztoros kapcsolók a kapu forrásfeszültséggel folyamatosan változtatható csatomaellenállás elvén működik. A kapu-kör kedvezően nagyimpedanciás, de hátrányt jelent, hogy a forrásfeszültséget, amely a jelútbán is benne van, határok között kell tartani. A szükséges áthalláscsillapítás érdekében általában soros — párhuzamos T kapcsolást alkalmaznak. Ilyenkor két soros kapcsoló találkozási pontjában egy shunt ág van beiktatva a föld felé és a soros és shunt ág ellenfázisában van vezérelve. így nagyobbméretű mátrixoknál az elkerülhetetlen elválasztómeghajtó áramkörökkel együtt bonyolult sok alkatrészből álló, nagyméretű és ezért romló áthalláscsillapítású, szélső esetben megvalósíthatatlan áramkört kapunk. A kereskedelemben kaphatók MOS-fet analóg kapcsoló IC-k, hátrányuk azonban, hogy bekapcsolt átmenőellenállásuk értéke 60—200 ohm között van, a diszkrét megvalósítások 0,5—5 ohm-jával szemben. Az eddig leírt passzív kapcsolók feladata, hogy a bemenetűkre juttatott jelenerigát kapcsolják a kimenetre, így ha egy bemenet több kimenetére kell kapcsolni, a kimeneti szintek változnak. A kapuk be és kimenőimpedanciája működésfüggő. A fellépő nyitóirányú átmenőellenállások jelszint csökkenést okoznak. Ezért a kapcsolómátrix környezete általában elválasztóerősítők használatát követeli meg ki— és bemenetükön. Ezek fő feladatai; —Biztosítják a kapcsolóellenállástól független ki és bemenőimpedanciáját, — A kapcsolók optimális lezárása és a kívánt be és kimenőimpedanciák között impedancia illesztést végeznek, — osztó erősítőként működnek, — kiegyenlítik a kapcsolók veszteségeit. Belátható, hogy az erősítők szükséges kimenőteljesítménye a hozzákapcsolódó jelutak számával arányosan növekszik. Ez nagyobbméretű mátrixoknál nehezen teljesíthető dinamika és teljesítmény követelményt és az erősítők rossz kihasználását jelenti. összefoglalva megállapítható, hogy az eddig ismert mátrix elrendezési kapcsolók önmagukban csak korlátozottan tudna a követleményeknek megfelelni az ismert hátrányos tulajdonságaik miatt. Nevezetesen: — A mechanikus kapcsolók a már említett nagy mérete és súlya az ezekből következő nagy fogyasz tás, kis megbízhatóság, lassú működés, pergés, zajtermelés, bonyolult előállítás. — A passzív elektronikus kapcsolóknál általános hátrány — a már leírtak szerint — az átviteli út minőségromlása és a bonyolult vezérlés. Az ismert kapcsolók, ületve a belőlük felépített kapcsolómátrix felsorolt hátrányainak kiküszöbölésére, valamint az elágaztatási funkciók megvalósítására meghajtóerősítőket kell alkalmazni. A meghajtóerősítők alkalmazása már önmagában is hátrány, de különösen nagy számú kimenet esetén, az ehhez szükséges növekvő átviendő teljesítmény biztosításának — az erősítés technikai korlátái miatt — fizikai határa is van. A találmány célja, hogy eljárást és a hozzátartozó kapcsolási elrendezést adjon videofrekvenciás digitális vezérlésű analóg aktív kapcsolómátrix 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
