7.3. Аналоговые ключи и коммутаторы

Аналоговые ключи (АК) представляют собой одну из простейших разновидностей аналого-цифровых схем. Управляются такие АК дискретными сигналами, а переключают непрерывные сигналы. Выполняются интегральные АК, как правило, на основе КМОП транзисторов (комплементарные полевые транзисторы со структурой метал - окисел - полупроводник). Достоинствами подобных АК являются: 1) в открытом состоянии пропускают ток в обоих направлениях; 2) в канале отсутствуют паразитные источники напряжения; 3) в закрытом состоянии сопротивление канала, определяемое токами утечки обратно смещенных p-n-переходов, очень велико; 4) время замыкания - размыкания достаточно мало; 5) цепь управления электрически изолирована от сигнальной цепи.

Идеальный АК, функциональная схема которого представлена на рис. 7.8а, имеет: в замкнутом состоянии сопротивление канала, равное нулю; в разомкнутом состоянии сопротивление канала, равное бесконечности; время срабатывания равно нулю.

Рис. 7.8

На рис. 7.8б приведена схема инвертирующего усилителя на ОУ, коэффициент передачи которого можно переключать от значения К1 = R2/R1, к значению К2 = (R2 + R3) /R1 с помощью сигналов управления Uупр аналоговым ключом АК. Если принять, что АК является идеальным, то погрешности данной схемы будут определяться погрешностями внешних элементов и погрешностями ОУ.

Рассмотрим методику учета неидеальностей АК применительно к данной схеме. В качестве основных источников неидеальности АК примем два: а) сопротивление АК в разомкнутом состоянии не равно бесконечности: R_р  ; б) сопротивление АК в замкнутом состоянии не равно нулю: R_з  0. Будем считать, что погрешности всех остальных элементов цепи отсутствуют. Выведем выражения для коэффициентов передачи схемы для замкнутого и разомкнутого положений АК, заменяя АК одним из сопротивлений – R_з  0 или R_р  . В результате получаем следующие уравнения:

К_з = (R2 + Rз)/R1 = К1 + К1 = К1(1 + ₁),

К_р = (R2 + R3R_р/(R3 + R_р))/R1 = К2 + К2 = К2(1 + ₂),

где ₁ = (R_з/R2) – относительная погрешность коэффициента передачи, обусловленная ненулевым сопротивлением замкнутого АК; ₂ = R3R_р/(R3 + R_р)R2 – относительная погрешность коэффициента передачи, обусловленная тем, что сопротивление разомкнутого АК не равно бесконечности. Зная параметры (R2 и R3) схемы и параметры (R_з и R_р ) реального АК, можно провести численную оценку указанных погрешностей.

Пример. Пусть в инвертирующем усилителе (рис. 7.8б), имеющем входное сопротивление 10 кОм, необходимо изменять с помощью АК коэффициент усиления с 2 до 4. Рассчитать погрешность коэффициента усиления, обусловленную неидеальностью АК, имеющего сопротивление в замкнутом состоянии, равное 50 Ом, в разомкнутом – 10 МОм.

Решение. Вначале оцениваем номинальные значения сопротивлений R2 и R3, учитывая, что сопротивление R1 задано по условию задачи как входное сопротивление. При этом К1 = R2/R1, откуда R2 = 2^.R1 = 20 кОм; К2 = (R2 + R3)/R1, откуда R3 = К2R1 – R2 = 20 кОм. Зная значения сопротивлений резисторов, непосредственно по выведенным формулам оцениваем погрешности:

₁ = (R_з/R2) = 50100/20000 = 0,25 %,

₂ = R3R_р/(R3 + R_р)R2 =2000050100/(20000 + 50)20000  0,25 %.

Ответ. Погрешность из-за неидеальности АК не превышает 0,25 %.

Выведенные формулы можно использовать и для решения обратной задачи, в которой при заданной общей погрешности формулируются требования к параметрам АК.

Аналоговые коммутаторы (АКК) или мультиплексоры используются в системах сбора информации для обработки аналоговых сигналов, поступающих по параллельным каналам для преобразования в цифровые сигналы. Число каналов в АКК может достигать нескольких сотен, но максимальное значение определяется необходимой частотой опроса датчиков, которая, в свою очередь, выбирается из максимальной частотной составляющей, содержащейся в аналоговом сигнале. Методы организации переключателей с большим числом каналов связаны с реализацией многоступенчатых переключателей. Взаимное влияние каналов наблюдается в АКК не только в статическом режиме (за счет конечного сопротивления разомкнутых ключей), но и в динамическом, когда один из АК еще не разомкнулся, а другой – уже замкнулся. Возникающие при этом большие сквозные токи не только увеличивают динамическую составляющую погрешности, но также могут вывести АК из строя. Для устранения этого эффекта АКК проектируются таким образом, чтобы время включения АК было больше времени выключения.