
UPOS3 / Раздел4
.doc4. КОММУТАТОРЫ
В настоящее время в ЦИУ широко используются электронные ключи различного функционального состава. Их основа - полевые транзисторы (ПТ), имеющие малое время переключения (доли наносекунды) и в них отсутствует эффект накопления избыточных зарядов в структуре с последующим медленным рассасыванием. Для ключей разработаны специальные транзисторы с уменьшённым сопротивлением участка "сток-исток" rси во включённом состоянии. Условно ключи можно разделить на логические (передающие на выход низкий или высокий уровень сигнала) и аналоговые (передающие на выход уровень входного напряжения). Простейший аналоговый ключ можно представить схемой (по рис. 4.1) на ПТ с каналом n-типа (индуцированным затвором, с обогащением).
Рис. 4.1. Двунаправленнный аналоговый ключ
При uупр 0, ПТ закрыт и rси 10 ГОм. При uупр = 15 В ПТ открывается и rси 25 Ом. Максимальное значение входного напряжения не более 10 В, иначе uупр = 15 В не сможет удерживать ПТ в открытом состоянии. Если -10 uвх < 0, необходимо иметь uупр изменяющееся от минус 15 В до нуля. Резистор Rн, который выбирается в диапазоне 10-100 кОм, уменьшает уровень входного сигнала на выходе из-за паразитного прохождения через межэлектродные ёмкости ПТ. Чрезмерно малое значение Rн ведёт к нелинейности амплитудной характеристики (АХ) ключа в динамическом диапазоне (ДД) (Rн соизмеримо с rси, которое может несколько меняться в ДД).
Аналоговый ключ может быть построен на на ПТ с p-n-переходом (канал n-типа), рис. 4.2. В схеме необходимо не допускать появления тока затвора. При отрицательном входном напряжении для удержания ПТ в закрытом состоянии управляющее напряжение должно быть меньше входного на величину напряжения отсечки Uотс (Uупр выкл = (-Uвх) + (-Uотс)). Когда ПТ открыт (ключ замкнут), диод в схеме смещён в обратном направлении и находится под потенциалом истока за счёт резистора R.
Рис. 4.2. Аналоговый ключ на ПТ с p-n-переходом
Погрешность замкнутого ключа, вносимая конечным значением сопротивления rси, и его нелинейность могут быть компенсированы (рис.4.3). Во включённом состоянии схема представляет собой инвертор с одинаковыми эквивалентными сопротивлениями во входной цепи и цепи обратной связи. Если ПТ имеет малое значение напряжения отсечки, то ключ разомкнут уже при Uупр = 5 В, что удобно для сопряжения с ИС ТТЛ. Диод препятствует ложному включению при Uвх > 0 (при замкнутом ключе влияния нет).
Рис. 4.3. Аналоговый ключ с компенсацией погрешности
Для широко используемых АЦП двухтактного интегрирования, имеющих два ключа, погрешность из-за нестабильности сопротивлений каналов (их разности) во включённом состоянии rси1 и rси2 (из-за внешних факторов или старения) определяется выражением [13, с. 425]:
(4.1)
где R - сопротивление резистора на входе ОУ интегратора.
Оценка этой мультипликативной погрешности может исходить из того, что для ключей на ПТ в виде ИС разность rси2 - rси1 0,1-1 Ом.
Вопросы оценки точностных характеристик ключей хорошо представлены в [14, с. 104-121]. Наиболее часто встречается использование ключей в двух вариантах. Первый - в группе из нескольких ключей и источников сигналов с постоянным внутренним сопротивлением, рис. 4.4 (включён средний ключ).
Рис. 4.4. Коммутатор с несколькими ключами.
При равенстве сопротивлений ключей rзкл = const 0 и rркл = const ∞ и rвых1 = rвых2 = … = rвыхn = rвых, напряжение на выходе коммутатора определяется по [14, с. 108-109], а погрешность, вносимая коммутатором, находится:
,
(4.2)
где
- коэффициент передачи j
- го ключа;
- коэффициент передачи по цепи влияния
источников Ei.
Из-за наличия собственных ЭДС полупроводниковых ключей ei (i = 1, 2, …, n, i ≠ j) и ej появляется составляющая погрешности:
.
(4.3)
Вследствие конечных сопротивлений реальных ключей имеются токи разомкнутых ключей и остаточные напряжения на замкнутых. Если Ei = Ej, то учитывая, что wi + wj = 1, будет: Uвых = Ei. При Ej = 0 и Ei = Ej max, на выходе коммутатора появляется напряжение, вызывающее погрешность по цепям разомкнутых ключей: Δ1 = wiEj max. А если Ej = Ej max и Ei = 0, то появляется погрешность за счёт падения на открытом ключе): Δ2 = (1 - wjEj max).
При Ej max = 10 B, rзкл = 0,1 Ом, rвых = 100 Ом, rркл = 107 Ом и n = 104, получим:
(4.4)
Для уменьшения погрешности за счёт разомкнутых ключей надо уменьшить n (см. 14, с. 109-110).
При коммутации сигналов от резистивных датчиков (тензо-, термо-, фоторезисторы,…) следует учитывать что выходное сопротивление датчика изменяется. В [14, с. 111-113] рассмотрены схемные методы минимизации влияния изменяющейся величины сопротивления замкнутого ключа на погрешность коммутатора.
Схемные варианты построения аналоговых ключей с использованием ПТ, БПТ и ОУ приведены в [8, с. 176-179; 15, с. 239-241]. Аналоговые коммутаторы представлены в виде ИС серий [16, с. 371-377] 146; 168; 190; 543; 547; 590; 591; 592; 1014; 1104.
Если необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания, применяют ключи на комплементарных МОП - транзисторах (КМОП), рис. 4.5.
Рис. 5.22. Двунаправленный аналоговый ключ на комплементарной паре
Это двунаправленный ключ, в котором при высоком уровне сигнала управления транзистор VT1 открыт и пропускает входной сигнал величиной от нуля до напряжения питания без нескольких Вольт (далее резко увеличивается сопротивление rси). А транзистор UT2 при этом пропускает входное напряжение от Uп до значения на несколько Вольт выше нуля. Малое значение параллельного соединения сопротивлений rси1, rси2 позволяет пропускать сигналы в диапазоне от нуля до Uп.
Из зарубежных ключей можно отметить схемы 4066; IH5040, IH5140 (ср. Intersil); DG305, DG400 (ф. Siliconix): управляющий сигнал ТТЛ ИС, входной сигнал 15 В, rвкл ≈ 25 Ом.