17.6.2. Защита коммутаторов от перенапряжений.

Многие производители аналоговых коммута­торов снабжают свои изделия диодными цепями на входе и выходе с целью защиты последних от перенапряжений (Рис. 7.29).

Если напряжение на входе или выходе ключа становится выше напряжения + V_S или ниже—V_s, соответствующий диод открывается, и источник входного сигнала замыкается на источник пита­ния. При этом важно, чтобы ток через этот диод не превысил предельно допустимое значение, кото­рое обычно невелико. Некоторые модели комму­таторов требуют определенной последовательно­сти включения источников питания. Например, для МАХ391 изготовитель рекомендует подавать сначала + VS, затем — V_S, и только после этого — ло­гические сигналы на управляющие входы. Если это по какой-либо причине невозможно, то следует включить последовательно с источниками питания диоды VD₁ и VD₂. При этом, однако, защитная функция внутренних диодов будет утрачена, если не принять никаких дополнительных мер.

44. Устройства выборки-хранения.

Схемы устройства выборки-хранения.

Основные характеристики УВХ.

Применение УВХ.

17.7.1. Схемы устройств выборки хранения.

Одним из важнейших приложений высококачественных аналоговых коммутаторов являются устройства выборки-хранения (УВХ). Это обуслов­лено тем, что при сборе информации и ее последующем преобразовании час­то бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в неко­торый момент времени. Некоторые типы АЦП, например последовательного приближения, могут давать совершенно непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене вход­ного кода цифроаналоговых преобразователей из-за неодновременности ус­тановления разрядов наблюдаются выбросы выходного напряжения. Для устранения этого явления на время установления также следует зафиксиро­вать выходной сигнал ЦАП. Устройства выборки—хранения (слежения-хра­нения), выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки (слежения) повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переклю­чении в режим хранения сохранять последнее значение выходного напряже­ния до поступления следующего сигнала выборки, т. е., по сути, они являют­ся аналоговыми запоминающими устройствами. Схема простейшего УВХ приведена на Рис. 7.30а. Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, т. е. V_OUT= V_IN (Рис. 7.30б). При размыкании ключа V_OUT сохраняет значение, соответствующее моменту размыкания. Выходной по­вторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения C_L на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно боль­ше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе. По такой простой схеме построены многоканальные УВХ SMP04/08 фирмы Analog Devices.

Простейшая схема УВХ имеет ряд недостатков [7.2]: При замкнутом ключе источник входного сигнала имеет значительную емко­стную нагрузку. Если источником является ОУ, это обычно приводит к его са­мовозбуждению.

Большое сопротивление источника сигнала увеличивает постоянную време­ни заряда конденсатора хранения, и тем самым — время выборки.

ОУ с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве буферных повторителей, обычно имеют значительное смещение нуля.

Первые два недостатка устраняются применением наряду с выходным буферным уси­лителем еще и входного буферного усилителя, причем этот усилитель должен устойчиво ра­ботать на емкостную нагрузку. Можно исполь­зовать две архитектуры УВХ с двумя буферны­ми усилителями: разомкнутую и замкнутую, различающиеся способами охвата их обратными связями. В разомкнутой схеме (Рис. 7.31) входной и выходной буферные усилители включены как повторители напряжения.

Преимущество этой схемы — быстродействие. Время выборки и время уста­новления малы, поскольку нет общей обратной связи между буферными усили­телями. Недостаток — худшая точность, поскольку ошибки по постоянному то­ку (в частности, смещения нулей усилителей) складываются. По разомкнутой схеме построены сверхскоростные УВХ AD9100/1.В моделях УВХ с более высокой статической точностью можно использо­вать замкнутую схему с повторителем (Рис. 7.32) или интегратором (Рис. 7.33).

Общая обратная связь значительно повышает статическую точность УВХ, хотя несколько снижает быстродействие.

Типичным представителем замкнутых схем УВХ с повторителем является ИМС LF398 — разработка инженеров фирмы National Semiconductor (отечест­венный аналог — 1100СК2), которая в течение долгих лет была, по существу, промышленным стандартом и выпускалась многими фирмами. Функциональ­ная схема этой ИМС приведена на Рис. 7.34. Здесь схема имеет общую отрица­тельную обратную связь, охватывающую всю схему — с выхода усилителя У₂ на вход усилителя У_1.

Когда коммутатор находится в замкнутом состоянии, потенциал выхода операционного усилителя У₁ вследствие действия общей отрицательной обрат­ной связи устанавливается таким, что V_OUT отличается от V_1N на величину на­пряжения смещения усилителя У₁.При этом смещение, возникающее из-за

наличия коммутатора и усилителя У₂, сводится к нулю. Диоды VD₁,VD₂ в этом состоянии схемы заперты, так как падение напряжения на них, равное указан­ному смещению, достаточно мало (< 20 мВ). При размыкании коммутатора управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R₁ и диоды VD₁,VD₂ предотвращают насыщение усилителя У_1, которое могло бы возникнуть из-за размыкания цепи общей отрицательной обратной связи в этом режиме. Это снижает время переходного процесса при повторном замыка­нии коммутатора. Усилитель У₁ обеспечивает высокое входное сопротивление УВХ. Он выполнен по схеме с биполярными транзисторами на входе, что легко позволяет получить смещение нуля схемы в пределах 5 мВ. Резистор R₂ ограни­чивает ток заряда конденсатора хранения.

И в разомкнутой, и в замкну­той схеме с повторителем при пе­реходе УВХ в режим хранения за счет инжекции заряда переключе­ния из цепи управления ключом образуется ступенька выходного напряжения, называемая поро­гом переключения управления (Sample/hold), причем высота этой ступеньки зависит от входного на­пряжения УВХ, поскольку заряд переключения зависит от входно­го напряжения ключа (см. Рис. 7.24). Эта зависимость oобусловлена тем, что в упомянутых схемах ключ связан с входным сигналом через входной буферный усилитель. В схеме с интегратором один из выводов ключа соединен с виртуальной землей, имеющей постоянно нулевой потенциал. В ре­жиме выборки оба коммутируемых вывода ключа имеют практически нулевой потенциал. Поэтому порог переключения не зависит от входного сигнала.

Примером УВХ с интегратором может служить микросхема SHC5320 фир­мы Burr-Brown (ныне входящей в состав Texas Instruments). Схема включения ее в режиме неинвертирующего повторителя приведена на Рис. 7.35.

Микросхема SHC5320 содержит внутренний конденсатор хранения емко­стью 100 пФ, выполненный по МОП-технологии.

Если требуется меньший дрейф фиксируемого напряжения, то параллельно основному может быть включен дополнительный конденсатор хранения С_н ме­жду выводами 7 и 11. В этом случае полоса пропускания УВХ сузится, а для дальнейшего уменьшения шума в выходном сигнале между выводом 8 и общей точкой схемы целесообразно включить конденсатор емкостью 0.1 С_н.