При работе с аналоговыми сигналами часто требуется просуммировать сигналы с нескольких источников. Это требуется в режиссерский пультах, при работе нескольких передатчиков на одну антенну, при формировании полного сигнала из квадратурных составляющих. Сумматор — это устройство, формирующее на выходе напряжение или ток, пропорциональный сумме входных напряжений или токов.
Проще всего осуществить суммирование токов, согласно первому закону Кирхофа. Для этого в качестве источника входных сигналов следует применять генераторы тока. Тогда достаточно соединить выходы этих генераторов тока параллельно и мы осуществим суммирование аналоговых сигналов. Однако такое решение встречается достаточно редко. Чаще нам доступны источники напряжения, в этом случае преобразование напряжение-ток можно выполнить при помощи обыкновенных резисторов. Схема сумматора аналоговых сигналов, собранная на резисторах приведена на рисунке 1
Рисунок 1. Схема простейшего аналогового сумматора
В данной схеме резисторы R1 и R2 служат для преобразования источника напряжения в источник тока, поэтому чем больше сопротивления этих резисторов, тем лучше они будут справляться со своей задачей. Суммарный ток, вытекающий из точки соединения резисторов на общий провод, преобразуется в напряжение на резисторе R3. Следует отметить, что сопротивление резистора R3 будет оказывать влияние на точность преобразования напряжение-ток на резисторах R1 и R2. Чем меньше будет сопротивление резистора R3, тем меньше будет это влияние. Однако малое значение сопротивления R3 приводит к малым значениям суммарного напряжения на выходе схемы аналогового сумматора.
На высоких частотах важно обеспечить согласование сопротивления со всех сторон. При соединении двух источников сигнала их сопротивления соединяются параллельно, что приводит к рассогласованию с нагрузкой и появлению отражений сигнала от точки суммирования. Для согласования волновых сопротивлений в высокочастотном сумматоре на резисторах применяют последовательное соединение резисторов, как это показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема высокочастотного сумматора, собранная на резисторах
В этой схеме не показаны проводники с нулевым потенциалом, однако они обязательно должны присутствовать для протекания
обратного тока. Для волнового сопротивления кабелей
Приведенная на
Рисунок 3. Внешний вид сумматора мощности
В схеме суммирования токов точность суммирования можно значительно увеличить, применив трансформатор. При трансформировании напряжения одновременно производится преобразование сопротивления. Повышающий трансформатор обладает малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением. В результате можно значительно увеличить точность суммирования аналоговых сигналов.
Обычный трансформатор редко используется в схеме сумматоров аналоговых сигналов. Это связано с тем, что на низких частотах лучшими характеристиками обладает схема сумматора, реализованная на операционном усилителе, а на высоких частотах трудно изготовить качественный широкополосный трансформатор. Тем не менее схемы на высокочастотных трансформаторах широко используются для реализации телевизионных сумматоров. В них трансформаторы на длинных линиях обеспечивают достаточно высокую развязку между входами. Это позволяет обойтись без дополнительных аттенюаторов или усилилителей. Пример принципиальной схемы сумматора ТВ сигналов приведен на рисунке 4
Рисунок 4. Принципиальная схема двухканального телевизионного сумматора
В схеме ТВ сумматора, приведенной на рисунке 4, резистор R1 обеспечивает входное сопротивление 75 Ом (между входами получается дифференциальное сопротивление 150 Ом). Обмотки трансформатора, входящего в схему телевизионного сумматора, должны быть максимально идентичными. Конструктивное исполнение трансформатора приведено на рисунке 5.
Рисунок 5. Конструктивное исполнение трансформатора в сумматоре телевизионных сигналов
Для обеспечения волнового сопротивления
Рисунок 6. Сумматор с развязкой входов между собой
Так как схема приведенного устройства абсолютно симметрична относительно выхода, то она может быть использована в качестве сплиттера (делителя мощности) для подключения нескольких радиоприемников к одной антенне.
Сумматоры телевизионных сигналов строят и на фильтрах. Классическим примером является суммирование сигналов с антенн МВ и ДМВ диапазонов, которые достаточно далеко разнесены по частоте. Подобным же образом выполняются схемы сумматоров радиосигнала передатчиков различных диапазонов частот в схемах сотовых телефонов. Пример принципиальной схемы сумматора ТВ сигналов приведен на рисунке 6.
Рисунок 6. Схема сумматора ТВ сигналов с выхода антенн МВ и ДМВ диапазонов
В современных схемах все чаще в качестве трансформатора сопротивлений применяется фильтр низких частот (или полосовой фильтр) с низким входным и стандартным выходным сопротивлениями. В качестве генератора тока удобно использовать коллекторную цепь биполярного транзистора или стоковую цепь полевого транзистора. Этот вариант выходного каскада часто предлагается широкополосными интегральными микросхемами. В результате сумматор аналоговых сигналов образуется параллельным включением микросхем с токовым выходом, нагруженных на фильтр с низким входным сопротивлением. Подобная схема приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема широкополосного аналогового сумматора токов
