Статические характеристики аналоговых коммутаторов.

Сигналов

 

Устройство аналоговых ключей и коммутаторов сигналов. Коммутация сигна­лов является распространенным методом, с помощью которого сигналы, поступа­ющие от нескольких источников, объединяются в определенном порядке в одной линии. После соответствующей обработки эти сигналы при помощи другого коммутатора могут быть направлены в различные исполнительные устройства. Упорядоченный ввод и вывод сигналов осуществляется, как правило, при помощи адресации источников и приемников сигналов, а также связанных с передачей сигналов коммутаторов. Общая структурная схема связи источников и приемни­ков сигналов через коммутатор показана на рис.7.1.

Рис.7.1. Структурная схема ком­­­­­­му­­тации источников и приёмни-­

ков сигналов

 

Коммутатор состоит из определённым образом связанных электронных клю­чей, выполненных на диодах или транзисторах. Ключи аналоговых сигналов дол­жны обеспечить неискаженную передачу сигналов от источников к приемникам. Однако в процессе передачи ключи могут исказить передаваемый сигнал. Эти искажения в первую очередь зависят от свойств самих ключей, но также и от сигналов управления. Сигналы из цепи управления могут наложиться на пере­даваемый сигнал, иначе говоря, возможны помехи из цепи управления на линии передачи сигналов.

Обычно устройство управления коммутатором является цифровым и действу­ет либо по заранее установленной программе, либо под управлением микро­процессоров или мини-ЭВМ. В последнем случае программа управления коммута­тором может быть изменена. Для выбора определенного ключа и назначения его функции (т. е. включения или отключения) используется адресный дешифратор команд. Кроме этого, при передаче сигналов возможны временные задержки, свя­занные или с быстродействием самих ключей, или с быстродействием устройства управления. И в том, и в другом случае возможны потери частей передаваемых сигналов или их искажение, например, растягивание фронтов сигналов или изме­нение их длительности.

Для исключения потерь при передаче сигналов, а также для согласования сопротивлений источников и приемников сигналов в состав коммутаторов могут входить различные согласующие или нормирующие усилители. Коэффициент пере­дачи этих усилителей может быть или фиксированным, или устанавливаемым при помощи устройства управления.

Если источники и приемники сигналов могут меняться местами, то коммутатор должен быть двунаправленным, т. е. обеспечивать передачу сигналов в обоих направле­ниях. Такая проблема возникает, например, при записи аналоговых сигналов в устрой­стве памяти, которое в этом случае является приемником информации, и считыванием сигналов из устройства памяти, которое становится тогда источником сигнала.

Упрощенные схемы идеальных и реальных ключей в замкнутом и разомкну­том состояниях приведены на рис.7.2. Эти схемы отража­ют работу ключей в статическом режиме и не могут быть использова­- ны для анализа помех из цепи управления или динамических режимов самих ключей. Замкнутый ключ (рис.7.2,а) имеет некоторое внут­реннее сопротивление r₀, ко­то­­рое не явля­ет­ся постоянным, а

Рис.7.2. Схемы замещения ключа в замкну­-

том (а) и разомкнутом (б) состояниях

 

сложным образом может зависеть от тока i_к через ключ. Последо­вательно с сопротивлением действует источник оста­точ­ного напряжения е₀, ко­торый также зависит от тока.

Разомкнутый ключ (рис.7.2, б ) можно заменить сопротивлением утеч­ки r_у и источником тока утечки i_у, которые в общем случае могут зависеть от напряжения на разомкнутом ключе U_к.

Динамические модели ключей могут включать различные паразитные емкости и индуктивности. С помощью этих схем замещения возможен анализ быстродей­ствия ключей или расчет коммутационных помех из цепи управления. Индуктив­ности ключей могут сказываться на довольно высоких частотах и, в основном, обусловлены их выводами.

В качестве примера на рис.7.3 приведена схема ключа на полевом транзис­торе с изолированным затвором. Очевидно, что при подаче на затвор ключа им­пульсного сигнала управления U_уп помехи через па­ра­­зитные емкости ключа С_зс и С_зи будут появляться на сопротив­лении открытого ключа. Кроме того, на прохож­дение сигнала через ключ будут влиять переходные процессы в транзисторном ключе.

Рис.7.3. Схема ключа на полевом

транзисторе с изолированным затво­-

ром (а) и его схема замещения (б)

 

При коммутации источника сигнала и нагрузки можно исполь­зовать как оди­ночные ключи, так и их различные комбинации. Спосо­бы подключения источни­ка сигнала к нагрузке зависят от свойства источника сигнала и нагрузки. На рис.7.4 приведены четыре различ­ных способа подключения сигнала к нагрузке. Штриховыми линиями на схемах показаны элементы неидеального ключа, соответствующие схемам замещения, приведенным на рис.7.2.

Если источник сигнала имеет характеристики, близкие к харак­теристикам идеального источника напряжения (т. е. имеет ма­лое внутреннее сопротивление r_i << R_н), то для его коммутации целесо­об­­разно использовать последовательный (рис.7.4,а) или последо­ва­тель­но-параллельный ключ (рис.7.4,б). Если же ис­точник сигнала име­ет характеристики, близкие к характеристикам идеального источника тока (т. е. имеет малую внутреннюю проводимость g_i << R_н ^-1), то для его ком­мутации лучше использовать параллельный ключ (рис.7.4,в) или параллель­но-последовательный ключ (рис.7.4,г).

Рис.7.4. Схемы подключения источ­-

ника сигнала к нагрузке при помощи

последовательного ключа (а), после­до­-

вательно-параллельного ключа (б), па­-

раллельного ключа (в) и параллельно-

последовательного ключа (г)

 

Погрешности, вносимые конечными значениями сопротивлений ключа в зам­кнутом и разомкнутом состоянии для схемы, изобра­женной на рис.7.4,а, опреде­ляются формулами

и .

Аналогичным образом можно определить погрешности для других схем включения, приведенных на рис.7.4.

Диодные ключи применяются для точного и быстрого пере­ключения напряже­ний и токов. Схемы различных диодных ключей приведены на рис.7.5. Двухдиодный ключ, приведенный на рис.7.5,а, при отсутствии управляющего напря­жения заперт. При подаче на аноды диодов положительного управляющего на­пряжения диоды отпираются и ключ замыкается. Напряжение смещения такого диодного ключа определяется разностью прямых напряжений на диодах D₁ и D₂. При подобранных диодах напряжение смещения лежит в пределах 1...5мВ. Время коммутации определяется быс­тродействием диодов. Для диодных ключей обычно используются диоды Шотки или кремниевые эпитаксиальные диоды с тонкой базой. В этих диодах слабо выражены эффекты накопления носи­телей, и их инер­ционность в основном определяется перезарядом барьерной емкости. Дифферен­циальное сопротивление открытого ди­одного ключа равно сумме дифференциаль­ных сопротивлений диодов и может лежать в пределах от 1 до 50 Ом.

Рис.7.5. Схемы диодных клю­чей на двух диодах (а), мостовая

(б) и на шести диодах (в)

 

Основным недостатком та­­кого ключа является прямое прохождение тока управ­ляю­щего сигнала через нагрузку R_н и источник сигнала е_с. Для снижения напряжения помехи эту схему целесообразно использовать при малых значениях сопро­тивле­ния источника сигнала и сопротивления нагрузки. Кроме того, желательно уве­личивать сопротивление R_уп для снижения тока в цепи управления. Однако следует учесть, что снижение тока управления приведет к увеличению дифференциального сопротивления диодов.

Для снижения помех из цепи управления можно использовать мостовую схе­му, приведенную на рис.7.5,б. В этой схеме цепь уп­рав­ления развязана от цепи передачи сигнала. Если напряжение управ­ления равно нулю или имеет поляр­ность, запирающую диодный мост, то ключ разомкнут. При положительной по­лярности источника управ­ляющего сигнала ключ замыкается, а ток управления проходит только через диоды и сопротивление R_уп. Учитывая, что для цепи пе­ре­­дачи сигнала диодные пары D₁, D₂ и D₃, D₄ включены встречно, напряжение смещения также будет равно разности прямых падений напряжений на диодах, т. е. примерно равно напряжению смещения двухдиодного ключа.

Недостатком схемы, приведенной на рис.7.5,б, является отсут­ствие общей точки у источника сигнала и источника управления. Схема, изображенная на рис.7.5,в, лишена этого недостатка. В этой схеме используются два симметрич­ных источника сигналов управле­ния е_уп1 и е_уп2. Сигналы этих источников подводят­ся к диодному мос­ту через разделительные диоды D₅, D₆. Для поддержания диод­ного моста в запертом состоянии при отсутствии сигналов управ­ления на него подается через резисторы R_уп1 и R_уп2 запирающее нап­ряжение от источников посто­янного напряжения ±Е. В этой схеме, так же как и в предыдущей, обеспечивается развязка источника управления от цепи источника сигнала.

Схемы диодных ключей использованы в микросхемах диодных коммутаторов серии 265ПП1 и 265ПП2. Эти коммутаторы отличаются только полярностью управляющих напряжений. Схема коммутатора 265ПП2 приведена на рис.7.6. Она представляет собой семиканальный переключатель с общим сигналом управления.

Рис.7.6. Схема диодного коммутатора 265ПП2

 

В настоящее время диодные коммутаторы вы­тесняются более совер­шен­ны­­­ми транзис­тор­ными ключами.

Ключи на биполярных транзисторах более совершенны, чем диодные ключи и значительно чаще используются в электронных схемах. Простейший ключ на од­ном биполярном транзисторе приведен на рис.7.7. Он со-

Рис.7.7. Ключ на биполярном транзисторе

 

с­тоит из ключевого транзистора Т₁ и схемы управления на транзисторе Т₂. По структуре транзистор­ный ключ похож на двухдиодный ключ, изображенный на рис.7.5,а. При отсут­ствии тока базы Т₁ закрыт, и ключ разомкнут, а при протекании через базу тока управления i_б>i_б.нас ключ замкнут. В этом случае коллекторный и эмиттерный переходы открыты и действуют так же, как открытые диоды в схеме рис.7.5,а.

Некоторое отличие заключается в площадях этих переходов, а, следовательно, и в падениях напряжений на них. Разность напряжений на переходах создает на­пряжение смещения. Кроме того, следует учитывать различие токов в переходах, что также влияет на напряжение смещения. Это напряжение смещения для ключей на одиночных тран­зисторах составляет 0,1...0,2В, а сопротивление замкнутого ключа колеблется от 10 до 100 Ом. Время переключения зависит от степени насы­щения и для высокочастотных транзисторов с тонкой базой обычно не превышает 0,1 мкс.

Ключи на полевых транзисторах с управляющими p-n -пере­ходами и с изолиро­ванным затвором в настоящее время полу­чи­ли пре­­имущественное распространение в различных интегральных ми­кро­­схемах. Это связано с такими досто­инствами этих ключей, как малые токи утечки, низкое потребление по цепи управ­ления, отсутствие напряжения смещения, технологичность про­изводства.

В аналоговых ключах используются полевые транзисторы с каналами р- и n -типа. Однако, поскольку подвижность электронов больше подвижности дырок, то сопро­тивление канала во включенном состоянии у транзисторов с n -каналом ниже. На быстродействие ключей существенным образом влияют переходные про­цессы в тран­зисторах. В этом отношении преимущественное применение находят полевые транзисторы с изолированным затвором, паразитные емко­сти у которых меньше. Наи­большее распространение получили клю­чи на комплементарной (согласованной) паре полевых транзисторов, один из которых имеет канал p -типа, а другой — канал n -типа.

Особенностью ключей на полевых транзисторах с изолиро­ван­ным затвором яв­ля­ет­ся сильная зависимость сопротивления откры­того канала от коммутируемо­го сиг­нала, что приводит к модуляции проводимости канала входным сигналом и возник­новению до­полнительных нелинейных искажений. Для снижения искаже­ний, вызванных мо­ду­ляцией проводимости канала, в таких ключах огра­ничивают уровень входных сигналов и используют сравнительно большое сопротивление нагрузки ключа. Анало­гичный эффект име­ет­ся и в полевых транзисторах с управ­ляющим p-n -переходом, одна­ко для его снижения на затвор подают сигнал управ­ления, зависящий от входного сиг­на­ла.

На рис.7.8,апри­ведена схема ключа на полевом транзисто­ре Т₁ с управляющим p-n -переходом и кана­лом p -типа. Схема управления ключём вы­полнена на транзисторе Т₂, а ее питание произ­водится от источника напряжения Е. Диод D необходим для того, чтобы напря-

Рис.7.8. Схема клю­­­ча на полевом тран­зисторе с управляю­­щим p-n -переходом (а) и с изолирован-­

ным затвором (б)

 

жение за­твор—исток оставалось равным нулю при любых значениях входных сигналов. Для исключения модуляции проводимости канала входным сигналом затвор через сопротивление R₃ связан с напря­же­нием источника сигнала е_с. Устройство управления работает следую­щим образом. Если напряжение управления равно нулю, то тран­зистор T₂ заперт и напряжение +Е через сопротивление R₂ и диод D подводится к затвору транзистора T₁, запирая его. В результате этого ключ будет замкнут. Если напряжение управле­ния включает тран­зис­тор T₂, то анод диода D через насыщенный транзистор Т₂ соединяется с общей шиной, в результате чего напряжение на затворе T₁ сни­жается почти до нуля и транзистор T₁ отпирается, что эквивалентно замыканию ключа.

Ключи на полевых транзисторах с управляющим p-n -переходом входят в состав микросхем ряда серий: 284, КР504 и др. Так, например, микросхема 284КН1 содер­жит три ключа на полевых тран­зисторах с управляющим p-n -переходом и каналом n -типа. Каждый ключ имеет следующие параметры: сопротивление замкнутого ключа 250 Ом, ток утечки 10 нА, максимальная частота коммутации 1 МГц.

Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом р- и n -типа получили самое широкое рас­про­­странение при создании коммутаторов. Основной особенностью этих ключей является то, что в исходном состоянии при нулевом напряжении на затворе они заперты. Обогащение канала носителями зарядов происходит только при подаче на затвор напряжения, превы­шающего пороговое напряжение. Токи утечки ПТИЗ определяются токами, которые протекают в закрытом транзисторе от истока и стока к подложке и имеют значение 1... 10нА при нормальной температуре. С повышением температуры они ведут себя как обратные токи p-n -переходов, т. е. экспоненциально увеличиваются. Сопротивление меж­­ду затвором и другими электродами в ПТИЗ достигает очень боль­шого значения: 10¹¹... 10¹³Ом, что при малой толщине ди­электрика под затвором (около 1 мкм) приводит к необходимости защиты от статического электричества. Одной из таких мер является установка защитных стабилитронов или диодов между затвором и каналом, однако это приводит к увеличению тока утечки затвора, особенно с повышением температуры.

Схема простейшего ключа па полевом транзисторе с изолированным затво­ром и каналом p -типа приведена на рис.7.8,б. Для отпирания ключевого транзи­стора Т на его затвор необходимо подать напряжение отрицательной полярности, превышающее поро­го­вое напряжение U_пор. Для запирания ключевого транзистора Т напряжение на затворе должно быть положительным (или равным нулю). Уст­ройство управления для схемы, изображенной на рис.7.9,б, выполнено на компараторе напряжения К (или опера­ци­онном усилителе). Если напряжение управления равно нулю, то на выходе компаратора будет положительное напряжение, близ­кое по значению к напряжению питания Е. При положительном управ­ляющем напряжении компаратор переключается, и на его выходе появляется отрицатель­ное напряжение, также близкое к напряжению питания Е.

Ключи на ПТИЗ с каналом p -типа выпускаются как в виде отдельных элемен­тов, так и в составе сложных коммутаторов. Так, например, микросхемы серии 168 содержат сдвоенные ключи без схем управления типа 168КТ2. Такие ключи имеют пороговое напря­же­ние от 3 до 6В, прямое сопротивление не более 100 Ом, время включения и выключения около 0,3...0,5мкс. Отсутствие в этой микросхеме устройств управления усложняет ее применение.

В серии К547 имеется четырехканальный переключатель К547КП1, аналогич­ный микросхеме 168КТ2. По основным параметрам этот переключатель близок к микросхеме К168КТ2.

Кроме отдельных транзисторов в качестве ключей широкое рас­про­странение получили схемы, содержащие параллельное соеди­не­ние двух ПТИЗ с разным ти­пом проводимости канала (комплемен­тарные КМОП-транзисторы). В таких ключах устранены многие недостатки ключей на одиночных транзисторах: устранена моду­ляция сопротив­ления канала входным сигналом, снижены помехи из цепи управ­ления, снижено сопротивление ключа в открытом состоянии и умень­шен ток утечки. Схема ключа на комплементарных транзис­торах приведена на рис.7.9,а. Для одновременного переключения тран­­зисторов из включенного состояния в выключенное сигнал уп­­рав­ления подается на затвор одного транзистора непос­редственно, а на затвор другого — через инвертор.

Рис.7.9. Схема ключа на КМОП-транзисто­рах (а) и зависимость его сопротив­ле­ния в открытом состоя­нии от входного напряже­ния (б)

 

При увеличении вход­­ного напряжения сопро­тивление p -канального транзис­тора увеличивается, а n -канального транзистора уменьшается. В результате па­раллельное соединение этих тран­зис­торов имеет почти неизменное сопротивление r₀ в открытом состоя­нии, как по­ка­зано на рис.7.9,б. Поскольку транзис­торы ключа управляются сигна­лами противоположной полярности, то импульсы помех взаимно компенсируются, что позволяет снизить уровень входных сигналов.

Ключи на комплементарных транзисторах широко используются в интеграль­ных микросхемах. Они входят в состав микросхем серии К590, К591, К176, К561 и 1564. Их сопротивление в открытом состоянии лежит в пределах 20... 100Ом, они имеют время включения от 10 до 100нс, обеспечивают выходной ток до 10мА и потребляют по цепи питания мощность менее 1 мкВт.

Статические характеристики аналоговых коммутаторов.

Со­­п­­­­­­­­­ротивление ключа в открытом (включенном) состоянии должно минимизироваться. Ключи КМОП, работающие от отно­си­тельно высокого напряжения питания (например, +15 В), будут иметь малые значения r₀ во всем диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь пря­мое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напря­жения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа r₀ будет расти, и максимум его имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания.

На (рис.7.10) приведены зависимости r₀ ключа микросхемы ком­му­­татора MAX312 от напряжения входного сигнала при одно­по­ляр­ном питании. При уменьшении U_пит сопротивление полевого тран­зистора во включенном состоянии значительно увеличивается (осо­бенно вблизи точки U_вх=U_пит /2). Это объясняется тем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжение составляет несколько вольт, и для достижения малых значений r₀ требуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 5...10 В. Как видно из рис.7.10, сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близко к 10 Ом, а при U_пит =2,7В достигает 700 Ом.

Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых коммутаторов применяют, чтобы сохранить значение r_o малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входных сигналов. Это нуж­но для уменьшения нелинейных искажений входного сигнала. Для этого схему управления ключом вы­пол­­няют таким обра­зом, чтобы напряжение n -подложки "следило" за на­пряжением входного сиг­нала. Применение тран­­зисторов с малым на­пряжением отсечки и по­вы­шенной крутизной поз­воляет пос­троить комму­таторы с весьма малым r_o при низ­ком пи­тающем напряже­нии. Так, напри­мер, одно­каналь­ный ключ ADG701 при однопо­ляр­ном пита­нии +5 В имеет сопро­тив­ление r_o не бо­лее 2,5 Ом. На рис.7.10 при­ведены зависимости соп­ротив­ле­ния открытого ключа низ­ко­­вольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигна­ла для различ­ных питающих напряжений.

Применение КМОП-логики для управления транзисторами клю­чей дает еще один важный положительный эффект - в покое эти микросхемы практически не потребляют энергии.

Многоканальные коммутаторы или мультиплексоры пред­ставляют собой ин­тегральные микросхемы, имеющие много входов для аналоговых сигналов и один выход, на который можно подать последовательно во времени любой из входных сигналов. Мультиплексоры состоят из набора ключей, устройства управления эти­ми ключами и выходного согласующего каскада. Упрощенная схема мультиплек­сора приведена на рис.7.11. Такие мультиплексоры выпускаются в виде само­стоятельных микросхем или входят в состав более крупных микросхем, называе­мых системами сбора данных. Кроме мультиплексоров в состав систем сбора данных входят устройства, обеспечивающие обработку поступающей инфор­мации. Практически все современные системы сбора данных ориентированы на совместную работу с микропроцессорами и содержат элементы интерфейса (т. е. сопряжения): устройства выборки и хранения сигна-

Рис.7.11. Упрощённая схема

мультиплексора

 

лов, дешифратор адреса, регис­тры и др. Если имеются группы различных датчиков сигналов, то в состав таких микросхем могут входить несколько мультиплексоров, объединенных в группы. Такие микросхемы предназначены для работы с источниками потенци­альных сигналов, например, температурными датчиками, датчиками промышлен­ных установок различных аналитических приборов.