35. Электронные коммутаторы

Разновидности аналоговых коммутаторов, показанные на Рис. 7.1, могут быть реализованы на электронных элементах с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих це­лей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие неидеальности они вносят ряд статических и динамических по­грешностей в коммутируемые сигналы. В числе основных источников погреш­ностей электронных аналоговых коммутаторов можно назвать следующие:

• проходное сопротивление электронного ключа не равно нулю во включенном состоянии и, конечно, в выключенном;

• наличие не равного нулю остаточного напряжения на замкнутом ключе при нулевом коммутируемом сигнале;

• нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) как на сигнальном, так и на управляющем входах;

• взаимовлияние управляющего и коммутируемого сигналов;

• наличие целого ряда паразитных емкостей, одни из которых приводят к ос­лаблению высокочастотных составляющих коммутируемого сигнала при замкнутом ключе, другие — к просачиванию коммутируемого сигнала на вы­ход при разомкнутом ключе, и, наконец, третьи обуславливают дополнитель­ные связи между каналами, а также между управляющими и сигнальными це­пями;

• ограниченный динамический диапазон коммутируемых токов и напряжений.

Ключи на биполярных транзисторах и в особенности на диодных мостах по­требляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы мВ, что вносит за­метную погрешность при коммутации слабых сигналов (менее 100 мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие (время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нс) и применяются для построе­ния сверхскоростных коммутаторов. В менее быстродействующих коммутато­рах гораздо шире применяются ключи на полевых транзисторах.

36. Коммутаторы на полевых транзисторах.

Как известно, полевой транзистор в области малых напряжений сток—ис­ток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во мно­го раз при изменении управляющего напряжения затвор—исток V_GS. На Рис. 7.2а изображена упрощенная схема последовательного коммутатора на по­левом транзисторе с управляющим p-n-переходом.

Если в этой схеме управляющее напряжение V_CTRL установить меньшим, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере, на величи­ну порогового напряжения транзистора, транзистор закроется и выходное на­пряжение станет равным нулю. Для того чтобы транзистор был открыт, напря­жение затвор—исток V_GS следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала. Если же это напряжение станет больше нуля, управляющий p-n-переход откроется и выход коммутатора окажется со­единенным с цепью управления. В схеме Рис. 7.2а равенство нулю V_GS обеспе­чить не так просто, поскольку потенциал истока меняется согласно изменению входного сигнала. Наиболее простой путь преодоления этой трудности показан на Рис. 7.2б.

Если напряжение V_CTRL установить большим, чем максимально возможное входное напряжение коммутатора, диод VD закроется и напряжение V_GS будет, как это и требуется, равна нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт.В таком режиме работы через резистор R₁ течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Но это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение коммутатора в этом режиме равно нулю. Однако если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, последний при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения, что приведет к полному нарушению работы схемы.

Проблема подобного рода не возникают, если в качестве ключа использовать полевой транзистор с изолированным затвором (МОП - транзистор). Его можно переводить в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвора будет равен нулю. Таким образом, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде и резисторе R₁.Схемы коммутаторов с ключами на МОП - транзисторах приведены на Рис. 7.3.

На схеме Рис. 7.3 а ключом является n-канальный МОП - транзистор обога­щенного типа, не проводящий ток при V_GS 0. В этом состоянии сопротивле­ние канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного по­ложительного напряжения переводит канал в проводящее состояние, причем для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей, типичное со­противление открытого канала составляет от 1 до 300 Ом.

Эта схема будет работать при положительных входных сигналах, которые, по крайней мере, на 5 В меньше, чем V_CTRL; при более высоком уровне сигнала напряжение затвор—исток будет недостаточно, чтобы удержать транзистор в открытом состоянии (сопротивление канала в открытом состоянии R_ON начнет расти); при заземленной подложке отрицательные входные сигналы вызовут включение транзистора. Поэтому, если надо переключать сигналы обеих поляр­ностей (например, в диапазоне —10...+10 В), то можно использовать такую же схему, соединив подложку с источником—15 В и подавая на затвор напряжения +15 В (включено) и —15 В (выключено).

Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП - транзисто­рах (КМОП - ключи), Рис. 7.3 б. Здесь на под­ложку транзистора VT₁ подается положитель­ное питающее напряжение +V_S, а на подложку транзистора VТ₂ — отрицательное питающее напряжение — V_S. При высоком уровне управ­ляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT₂ практически равно + V_s. В этом случае транзистор VT₂ про­водит сигналы с уровнями от — V_S до величины лишь на несколько вольт ниже +V_S (при более высоких уровнях сигнала R_ON начинает резко расти). В то же время напряжение на затворе p-канального транзистора VT₁ практически равно — V_S и он пропускает сигналы с уровня­ми от +V_S до значения на несколько вольт выше — V_s. Таким образом, все сигналы в диа­пазоне от +V_S до — V_s проходят через двухполюсник (параллельно включенные VT₁ и VT₂) с малым сопротивлением R_ON (Рис. 7.4).

При переключении управляющего сигнала на низкий уровень напряжение на затворе n-канального транзистора VT₂ устанавливается близким к—V_S, а на затворе p-канального транзистора VT₁ — близким к +V_S.Управление КМОП-ключами осуществляется с помощью логических схем, причем наилучшие результаты обеспечивает КМОП-логика. Логические входы аналоговых коммутаторов обычно проектируют таким образом, чтобы сделать возможным управление ими как от КМОП-, так и от ТТЛ-логики. В ранних мо­делях для питания входных логических элементов требовалось специальное на­пряжение питания +5 В. В последних моделях этих ИМС обходятся без него. Применение КМОП-логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект — в состоянии покоя эти микросхемы практически не потребляют энергии.

37. Промышленные аналоговые коммутаторы.

Промышленность в настоящее время выпускает большое количество типов микросхем, содержащих несколько отдельных, не связанных между собой ком­мутируемых каналов (ключей). Основные производители аналоговых коммута­торов — это фирмы Analog Devices и Maxim (в России — НПО «Светлана»). Для низкочастотных применений обычный состав микросхемы — четыре ключа, каждый из которых соединяет или разъединяет две цепи (single pole/single throw, SPST — однополюсный переключатель на одно направление). Как правило, при нулевом уровне на управляющих входах эти 4 ключа либо все нормально замкнуты, либо все нормально разомкнуты, либо два из них нормально замкну­ты, а два других нормально разомкнуты. Пример — серия МАХ391/2/3/5: МАХ391 — 4 нормально замкнутых (normally closed, NC) ключа, МАХ392 — 4 нормально разомкнутых (normally opened, NO) ключа, в составе МАХ393 два нормально замкнутых и два нормально разомкнутых ключа, МАХ395 — 8 нор­мально разомкнутых (N0) ключей.

Другой вариант многоканального коммутатора — в одном корпусе несколь­ко переключателей, каждый из которых в зависимости от уровня управляющего сигнала соединяет одну цепь с одной из двух других цепей (single pole/dual throw, SPDT — однополюсный переключатель на два направления). Например, ADG749 содержит на кристалле один переключатель с типичным R_ON = 4 Ом, а МАХ394 — четыре переключателя с типичным R_ON = 17 Ом.

Применение аналоговых коммутаторов в составе микропроцессорной системы делает желательным управление ими от системной шины. В этом случае в состав микросхемы коммутатора должен входить регистр для приема и хранения цифровой информации о состоянии ключей. При этом возможна как параллельная, так и последовательная загрузка данных в регистр. Приме­ром коммутаторов с параллельной загрузкой могут служить 4-канальные ADG222 или 590КН12. Эти коммутаторы содержат четыре нормально разомк­нутых ключа и 4-разрядный регистр хранения. По активному уровню сигнала записи W 4-разрядное слово данных, управляющее ключами, загружается в регистр.

Увеличение числа ключей в одном корпусе требует применения корпусов с большим числом выводов для управляющих входов, усложняет трассировку чипа и платы. В связи с этим оказывается удобным применить коммутаторы с управлением по последовательному интерфейсу. Это позволяет существенно упростить подключение коммутаторов к управляющему микроконтроллеру. Типичные примеры таких устройств – 6 – канальные MAX4562/3 и 8 - канальные ADG714/5.Коммутаторы MAX4652 и ADG715 из этих семейств имеют двухпроводный цифровой интерфейс (I²C – совместный), а MAX4653 и ADG714 – трехпроводный ( SPI/QSPI, MICROWIRE-совместимый). На Рис. 7.5 представлена функциональная схема коммутатора ADG715.

Он содержит восемь двунаправленных ключей с типичными R_ON=2.5 Ом и токами утечки в закрытом состоянии 0.01 нА, а также управляющую логику, в состав которой входит сдвиговый регистр.

Микросхема ADG715управляется от двухпроводной последовательной шины I²C как ведомое устройство. На вход SCL поступают тактовые импульсы, а на SDA – 8 – разрядное слово данных. ADG715 имеет 7-разрядный адрес. Пять старших значащих разрядов (MSB) определяют номер коммутируемого канала, а два младших разряда (LSB) – адрес микросхемы. Для установления адреса микросхемы служат выводы А₁ и А₀, которые подключаются к шине питания (тогда А₁=1) или к общей шине (тогда А₁=0).Таким образом, по двум линиям интерфейса можно адресовать четыре микросхемы, управляя состояниями 8 4=32 ключей.

Двухпроводный последовательный интерфейс шины по протоколу I²C работает следующим образом ( Рис 7.6):

Управляющее устройство ( мастер) инициализирует передачу данных, генерируя стартовый бит путем перевода линии SDA из 1в 0 при высоком уровне тактовой линии SCLL. Далее передается адресный байт, который состоит из 7- разрядного адреса ведомого устройства, сопровождаемого R/W – битом (этот бит определяет, будут ли данные читаться из ведомого устройства или будут записываться в него). Ведомый, чей адрес соответствует переданному адресу, отвечает, устанавливая на выводу SDA низкий уровень в течение девятого синхронизирующего импульса (сигнал подтверждения, АСК). На этой стадии все другие устройства на шине остаются незанятыми, в то время как выбранное устройство ждет данные, которые будут записаны в или прочитаны из последо­вательного регистра. Если бит R/W = 0, мастер осуществляет запись в ведомое устройство (именно этот режим иллюстрируется Рис. 7.6), в противном случае мастер считывает содержимое регистра.

Данные передаются по линии SDA в виде последовательности синхронизи­руемых импульсов (8 информационных битов, сопровождаемых битом подтвер­ждения). При передаче данных изменения на линии SDA могут происходить только при низком уровне сигнала SCL; в течение полупериода с высоким уровнем сигнала SCL состояние линии SDA не меняется.

После передачи или чтения данных мастер останавливает процесс путем пе­ревода линии SDA из низкого в высокое состояние, в то время как сигнал SCL имеет высокий уровень (команда «Стоп»).

Микросхема 8-канального коммутатора ADG715 обладает функцией по­вторной записи, которая создает дополнительное удобство пользователю. Пусть в некоторый момент времени требуется изменить состояния ключей только од­ной из микросхем. Тогда, если не было команды «Стоп», при повторных обра­щениях к этой микросхеме можно передавать только байт данных, который снова изменит состояние ключей и так далее.

39. Аналоговые мультиплексоры.

Хорошим применением ключей на полевых транзисторах являются мульти­плексоры — схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Такие устройства входят в состав систем сбора данных микропроцессорных регуляторов промышленных и транспортных объектов. На выход мультиплексора будет проходить аналоговый сигнал с выбранного входа. На Рис. 7.7а в качестве примера показана функцио­нальная схема аналогового мультиплексора с четырех направлений в одно (4x1) с параллельным управлением.

Каждый из ключей от S₀ до S₃ представляет собой аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном ко­де, и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разреше­ния Е необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигна­лов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то независимо от состояния адресных входов все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые КМОП-ключи являются двунаправленными устройствами, анало­говый мультиплексор является одновременно и демультиплексором, т. е. сиг­нал может быть подан на выход мультиплексора и снят с избранного входа. На Рис. 7.7 б приведено условное обозначение мультиплексора с параллельным управлением, а на Рис. 7.7 в — схема включения двух мультиплексоров 4x1, обеспечивающая коммутацию восьми каналов в один.

Если требуется управление несколькими мультиплексорами по небольшому количеству линий, то можно применить мультиплексоры с последовательным интерфейсом. Примером могут служить ИМС МАХ349/50, первая из которых содержит один мультиплексор 8x1, а вторая — два мультиплексора 4x1. Эта по­следняя позволяет организовать дифференциальный мультиплексор 4x1.

Управление ИМС MAX349/50 осуществляется по последовательному трехпроводному интерфейсу, совместимому как с SPI/QSPI, так и с MICROWIRE. На Рис. 7.8 приведена функциональная схема мультиплексора MAX349.

Блок логики содержит 8- разрядный регистр сдвига, информационный вход которого соединен с DIN микросхемы, а выход последнего разряда – с DOUT.Синхронизация сдвига осуществляется последовательностью импульсов, подаваемых на вывод SCL. Для активизации входов на вывод CS ( ship select – выбор кристалла) необходимо подать сигнал низкого уровня. При этом регистр может принимать данные, поступающие по входу DIN в моменты времени, соответствующие по входу DIN в моменты времени, соответствующие передним фронтам импульсов SCL (Рис. 7.9).

Входное слово имеет длину 8 бит, причем каждый бит управляет одним из восьми ключей. Таким образом, в отличие от мультиплексора с дешифратором (см. Рис. 7.7), в данной схеме ключи управляются

Независимыми разрядами, что удобно при использовании MAX349 в качестве демультиплексора, когда к одному источнику сигнала можно подключить несколько приемников.

Данные на выводе DOUT представляют собой входные данные, задержанные на восемь тактов сигнала SCL. При записи (сдвиге) данных в регистр, сигнал CS переводится в состояние 1. В этот момент ключи устанавливаются в состояние, соответствующее новому управляющему слову. Прием сигналов с входа прекращается. В отличие от 2- проводного интерфейса I²C (управление ADG715) здесь используется 3 – проводный SPI/QSPI MICROWIRE – совместимый интерфейс и можно ввести через вход DIN (при низком уровне на входе CS) любое количество бит информации. Однако в этом случае регистр сдвига будет содержать только 8 бит, поступивших последними.

Для наращивания числа мультиплексоров, управляемых от одних и тех же трех линий (DIN,SCL и CS), их можно включить гирляндой « с последовательной загрузкой», как показано на Рис.7.10.

Выводы CS всех устройств связаны, и при низком уровне сигнала CS поток данных перемещается через микросхемы последовательно. Когда сигнал CS переводится в высокий уровень, все ключи, входящие в состав мультиплексоров, устанавливаются в новое состояние одновременно. В отличие от интерфейса I²C, допускающего адресацию не более 128 устройств, здесь число управляемых устройств не ограниченно.

Другой вариант управления несколькими мультиплексорами – последовательный интерфейс с параллельной адресацией (Рис. 7.11.).

В этом случае мультиплексоры адресуются процессором индивидуально. Для выбора конкретного адресуемого устройства его адрес в виде параллельного кода подается на дешифратор. При этом на одном из выходов дешифратора ус­танавливается уровень НИЗКИЙ, делая доступным ввод данных DIN только в мультиплексор, адресуемый этим выходом.

После загрузки данных адрес должен быть изменен для того, чтобы ключи адресуемого мультиплексора были установлены в новое состояние. Выходы данных DOUT в этой схеме не используются.

40. Матричные коммутаторы.

Для сложных коммутаций аналоговых аудио- и видеосигналов предназначе­ны так называемые матричные коммутаторы (crosspoint switch). Их применяют в тех случаях, когда требуется соединить в заданной конфигурации несколько ис­точников сигнала с несколькими приемниками, включая соединения, при ко­торых к одному источнику сигнала подключаются несколько приемников. Это необходимо для видеосерверов, систем передачи видеосигналов, устройств ви­деонаблюдения, видеоконференций, аудиоприложений и др.

Рис.7.12 иллюстрирует идею, лежащую в основе построения матричных коммутаторов, на примере коммутатора 6x6.

Входные шины IN и выходные OUT могут соединяться в любом их пересе­чении, однако соединение одного приемника с несколькими источниками сиг­налов должно быть исключено. На Рис. 7.12 приведен пример, когда к первому входу подключены одновременно первый и третий выходы.

В данном случае матрица должна содержать 6 6=36 ключей. Эти ключи организуются в 6 мультиплексоров формата 6 , входы каждого из которых соединяются с входами матричного коммутатора, а выход – с соответствующим выходом коммутатора. Управляется каждый мультиплексор дешифратором двоичного кода в унитарный позиционный, т.е. только один ключ каждого мультиплексора может быть замкнут, так что возможность подключения одного приемника сигнала к нескольким источникам исключена.

Рассмотрим организацию ИМС матричных коммутаторов более детально. На Рис. 7.13 представлена блочно-функциональная схема микросхем матричных коммутаторов 8 AD8108/09.

Поскольку здесь возможно подключение к источнику сигнала до восьми приемников (а при соединении нескольких коммутаторов еще больше), для уменьшения нагрузки на входы используются выходные буферные усилители. Эти усилители в AD8108 имеют единичное усиление по напряжению, а в AD8109 коэффициент усиления буферных усилителей равен двум.

Микросхемы AD8108/09 используют не совсем обычную для аналоговых коммутаторов архитектуру, состоящую из матрицы с 64 входными каскадами, организованными как восемь мультиплексоров 8x1. Каждый мультиплексор представляет собой усилитель с высоким входным сопротивлением, обратной связью по напряжению и восемью входными каскадами. В ИМС AD8108 выход каждого мультиплексора соединен с инвертирующим входом каждого из вось­ми выходных каскадов, а в AD8109 — через делитель напряжения 1:2. В резуль­тате получаются матричные коммутаторы с малым потреблением, которые спо­собны непосредственно работать на стандартную 150-0м видеонагрузку при весьма низком уровне искажений сигналов (дифференциальные амплитудная и фазовая погрешности не превышают 0.02% и 0.02° соответственно). Входы об­ладают высоким сопротивлением (10 МОм) и малой емкостью (2.5 пФ). Выхо­ды имеют низкое сопротивление (0.2 Ом на постоянном токе), но могут быть переведены в высокоимпедансное состояние (до 10 М0м у А08Ю8).

Коммутаторы AD8108/09 управляются двумя способами: последовательным и параллельным вводом данных. В первом случае через последовательный вход данных DATA IN вводится 32-разрядное управляющее слово, которое полно­стью определяет конфигурацию коммутатора. Для изменения состояния одного единственного ключа нужно полностью перепрограммировать матрицу 32-раз­рядным словом. При параллельном способе можно переключить один ключ, подав на входы данных (4 линии) и адреса (3 линии) микросхемы 7-разрядное слово в параллельном коде.

Фирма Analog Devices выпускает также матричные коммутаторы размерно­стью 16x8 (AD8110/11) и 16x16 (AD8113/14/15/16). Микросхемы AD8113/14/15 управляются параллельной и последовательной загрузкой данных, (изготавли­ваются в 100-выводных корпусах LQFP), a AD8116 допускает только последова­тельную загрузку конфигурации (изготавливается в 128-выводном корпусе LQFP размером 14x14 мм). При необходимости эти микросхемы можно объе­динять для расширения числа входов или выходов.

41. Оптореле.

К разновидности аналоговых коммутаторов можно отнести также оптореле. Оптореле отличаются от коммутаторов, рассмотренных выше, прежде всего отсутствием электрической связи между цепью управления и комму­тируемыми цепями, причем максимально-допустимое напряжение электри­ческой изоляции может достигать несколько киловольт. Это большое пре­имущество, за которое приходится платить низким быстродействием. Оптореле различаются, прежде всего, типами ключевых элементов, в каче­стве которых применяются тиристоры, биполярные транзисторы и МОП-транзисторы. Первые два вида ключей обладают плохими точностными характеристиками, поэтому соответствующие типы оптореле применяются исключительно для коммутации силовых цепей небольшой мощности. Оптореле с МОП-транзисторами имеют неплохие точностные характери­стики (по крайней мере, на низких частотах), поэтому они могут применять­ся в качестве коммутаторов аналоговых сигналов. На Рис. 7.14 приведена схема оптореле на МОП-транзисторах.

Силовой ключ образуют два МОП-транзистора с каналом n-типа, включен­ные встречно-последовательно. Это хотя и увеличивает вдвое сопротивление открытого ключа, но позволяет получить высокое максимально допустимое на­пряжение в закрытом состоянии. Управление состоянием обоих транзисторов осуществляется несколькими фотодиодами, включенными последовательно. Фотодиоды работают в данном случае как фотоэлементы в режиме холостого хода. При освещении каждый из них вырабатывает напряжение около одного вольта, поэтому при пропускании тока Ictrl через светодиод транзисторы от­крываются. Динамическое сопротивление фотодиодов даже в режиме холосто­го хода сравнительно велико, поэтому процессы отпирания и запирания ключа, связанные с зарядом входной емкости МОП – транзисторов, протекают довольно медленно.

Типичным представителем этого класса приборов является 2 – канальное оптореле TLV422 производства фирмы International Rectifier. Это реле может обес­печить коммутацию разнополярных сигналов с напряжением до 400 В, чего не допускает ни один КМОП-коммутатор. Максимально допустимое напряжение изоляции составляет 4 кВ. Сопротивление открытого канала не более 20 Ом при входном токе управления 5 мА. Типичное время отпирания ключа при ком­мутируемом токе 20 мА — 800 мкс, а выключения — 400 мкс. Ток утечки закры­того ключа достигает 1 мкА (у аналоговых коммутаторов он меньше 1 нА). На Рис. 7.15 представлена вольтамперная характеристика оптореле TLV422 в от­крытом состоянии.

42. Характеристики аналоговых коммутаторов. Статические характеристики. Динамические характеристики. Эксплуатационные параметры