9.6 Аналоговые коммутаторы (ключи)

Основное назначение аналоговых коммутаторов состоит в способности соединять или разъединять источник входного сигнала с приемником под действием специальных управляющих сигналов.

На рис.9.18 показана простейшая схема аналогового коммутатора на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.

Рис.9.18. Аналоговый коммутатор на биполярном транзисторе

Под действием управляющего напряжения U_УПР транзистор VT может быть закрыт или открыт. Когда транзистор закрыт (U_бэ< U _{бэ пор}), ток через сопротивление нагрузки R_Н от источника входного сигнала не течет (U_ВЫХ  0). Напряжение U_ВХ может быть как положительным, так и отрицательным. В первом случае транзистор работает в прямом, а во втором в инверсном режимах. Когда под воздействием положительно управляющего сигнала транзистор открывается к сопротивлению нагрузки прикладывается напряжение U_H=U_ВХ – U_КЭ. Одним из недостатков такой схемы является то, что ее выходные характеристики не проходят через ноль. То есть U_ВЫХ  0 при U_ВХ=0. Условие U_ВЫХ = 0 будет соблюдаться при некотором положительном входном напряжении U10100мВ, которое называют остаточным напряжением или напряжением смещения.

Лучшими характеристиками обладают аналоговые ключи, использующие комплиментарные транзисторные пары. Вариант комплиментарного аналогового ключа приведен на рис. 9.19.

Рис. 9.19. Комплиментарный аналоговый коммутатор

В этой схеме задействован комплиментарный эммитерный повторитель, работающий в режиме насыщения в обоих направлениях. Для этого обеспечиваются условия U_{упр max}>U_вх и U_{упр min}<0. Схема реализует высокую скорость коммутации в диапазоне входного напряжения от 0 до U_вх.

Коммутаторы выполняемые на полевых транзисторах отличаются тем, что в них отсутствует остаточное напряжение, и следовательно их удобно использовать при коммутации малых сигналов. На рис. 9.20 приведена схема простейшего аналогового коммутатора на МДП-транзисторе.

Рис.9.20. Схема простейшего аналогового коммутатора на МДП-транзисторе

Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания +U_П для того, чтобы переходы между подложкой и истоком и подложкой и стоком не открывались. При малых значениях U_УПР транзистор закрыт и ток от U_ВХ в нагрузку R_Н не проходит. Когда U_УПР превышает величину порогового напряжения U_{зи пор.} транзистор открывается и R_Н подключается к U_ВХ. Ключ может коммутировать как положительное, так и отрицательное напряжение.

К недостаткам такого коммутатора относится относительно большая величина его выходного сопротивления, которое может быть уменьшена различными схемотехническими решениями. На рис. 9.21 показана схема двунаправленного аналогового ключа на комплиментарных транзисторах используемого в некоторых интегральных микросхемах.

Рис.9.21. Аналоговый коммутатор на комплиментарных полевых транзисторах

Ключ предназначен для передачи напряжения U_А c вывода А на вывод В или напряжения U_В c вывода В на вывод А. В этой схеме коммутируемые напряжения лежат в пределах от 0 до Е_П. Транзисторы VT1 и VT2 представляют собой рассмотренный ранее комплиментарный ключ. Двунаправленный ключ открыт, когда U_УПР=+E_П. В этом случае один из транзисторов VT3 или VT4 открыт. Когда закрыт, тогда U_УПР=0.