UPOS3 / Раздел4

4. 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" r­_си 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 u_упр  0, ПТ закрыт и r_си  10 ГОм. При u_упр = 15 В ПТ открывается и r_си  25 Ом. Максимальное значение входного напряжения не более 10 В, иначе u_упр = 15 В не сможет удерживать ПТ в открытом состоянии. Если -10  u_вх < 0, необходимо иметь u_упр изменяющееся от минус 15 В до нуля. Резистор R_н, который выбирается в диапазоне 10-100 кОм, уменьшает уровень входного сигнала на выходе из-за паразитного прохождения через межэлектродные ёмкости ПТ. Чрезмерно малое значение R_н ведёт к нелинейности амплитудной характеристики (АХ) ключа в динамическом диапазоне (ДД) (R_н соизмеримо с r_си, 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 U_отс (U_{упр выкл} = (-U_вх) + (-U_отс)). 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 r_си, 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 U_упр = 5 В, что удобно для сопряжения с ИС ТТЛ. Диод препятствует ложному включению при U_вх > 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 r_си1 и r_си2 (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 r_си2 - r_си1  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 r_зкл = const  0 и r_ркл = const  ∞ и r_вых1 = r_вых2 = … = r_выхn = r_вых, 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 E_i.

Из-за наличия собственных ЭДС полупроводниковых ключей e_i (i = 1, 2, …, n, i ≠ j) и e_j появляется составляющая погрешности:

. (4.3)

Вследствие конечных сопротивлений реальных ключей имеются токи разомкнутых ключей и остаточные напряжения на замкнутых. Если E_i = E_j, то учитывая, что w_i + w_j = 1, будет: U_вых = E_i. При E_j = 0 и E_i = E_{j max}, на выходе коммутатора появляется напряжение, вызывающее погрешность по цепям разомкнутых ключей: Δ₁ = w_iE_{j max}. А если E_j = E_{j max} и E_i = 0, то появляется погрешность за счёт падения на открытом ключе): Δ₂ = (1 - w_jE_{j max­}).

При E_{j max} = 10 B, r_зкл = 0,1 Ом, r_вых = 100 Ом, r_ркл = 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 r_си). А транзистор UT2 при этом пропускает входное напряжение от U_п до значения на несколько Вольт выше нуля. Малое значение параллельного соединения сопротивлений r_си1, r_си2 позволяет пропускать сигналы в диапазоне от нуля до U_п.

Из зарубежных ключей можно отметить схемы 4066; IH5040, IH5140 (ср. Intersil); DG305, DG400 (ф. Siliconix): управляющий сигнал ТТЛ ИС, входной сигнал  15 В, r_вкл ≈ 25 Ом.