Лекции / ЛЕКЦИЯ15_09нк

15 АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ И КОММУТАТОРЫ. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ. КОМПАРАТОР, ТРИГГЕР ШМИТА

(Сост. Никонов А.В.)

15.1 Аналоговые ключи и коммутаторы

Аналоговые ключи (АК) представляют собой одну из простейших разновидно-

стей аналого-цифровых схем [3]. Управляются такие АК дискретными сигнала-

ми, а переключают непрерывные сигналы.

Выполняются ключи на БПТ или ПТ, а интегральные АК, как правило, на основе КМДП-транзисторов.

Достоинствами подобных АК являются:

а) в открытом состоянии пропускают ток в обоих направлениях;

б) в канале отсутствуют паразитные источники напряжения;

в) в закрытом состоянии сопротивление канала, определяемое токами утечки обратно смещенных p-n-переходов, очень велико;

д) время замыкания – размыкания достаточно мало;

е) цепь управления электрически изолирована от сигнальной цепи.

Функциональная схема аналогового ключа представлена на рисунке 15.1.

Рисунок 15.1 – Функциональная схема аналогового ключа

15.1.1 Аналоговый ключ на биполярном транзисторе

Минимальным сопротивлением в открытом состоянии обладает транзистор

в режиме насыщения (оба перехода открыты).

Кроме того, в режиме насыщения напряжение на замкнутом ключе прак-

тически не зависит от вариаций усиления транзистора по току, что очень важ-

но при массовом производстве однотипных ключевых элементов, как это имеет ме-

сто в цифровой электронике [7].

электронике из-за удобства подключения нагрузки(источник управляющего сигнала, нагрузка и источник питания имеют общую точку) – параллельные клю-

чи.

Быстродействие ключа является важнейшей его характеристикой, опреде-

ляющей скорость обработки двоичной информациив цифровой электронике и значение динамических потерь в силовой электронике.

Хотя причины инерционности транзистора в ключевом и активном режимах одинаковы (паразитные емкости переходов), ключевой режим обладает специфи-

ческими характеристиками переходного процесса.

Из-за того, что при насыщении заряды в базу поступают как со стороны коллектора, так и со стороны эмиттера, а при запирании этот заряд рассасыва-

ется только эмиттерным переходом, в переходном процессе насыщенного

ключа имеется характерный отрезок времени, в течение которого транзистор теряет управляемость (время рассасывания tР) (рисунок 15.4).

Рисунок 15.4 – Задержка выключения транзистора на время рассасывания из-

быточных носителей в базе tР

Длительность времени рассасывания существенно ограничивает скорость переключения цифровых ключей и тем больше, чем сильнее выполняется усло-

вие насыщения.

Поэтому в цифровой электронике используются различные способы, пре-

дотвращающие глубокое насыщение.

15.1.2 Аналоговые ключи и коммутаторы на полевых транзисторах и опе-

рационных усилителях

В настоящее время в технике широко используются электронные ключи -раз

личного функционального состава. Их основа – полевые транзисторы, имеющие

малое время переключения (доли наносекунды) и в них отсутствует эффект на-

копления избыточных зарядов в структуре с последующим медленным расса-

сыванием.

Для ключей разработаны специальные транзисторы с уменьшённым - со противлением участка «сток-исток» rСИ во включённом состоянии.

Простейший аналоговый ключ можно представить схемой (по рисунку 15.5)

на ПТ с каналом n-типа (индуцированным затвором, с обогащением).

Рисунок 15.5 – 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 диапазоне10–100 кОм, уменьшает уро-

вень входного сигнала на выходе из-за паразитного прохождения через межэ-

лектродные ёмкости ПТ.

Чрезмерно малое значение RН ведёт к нелинейности амплитудной характе-

ристики (АХ) ключа в динамическом диапазоне (ДД) (RН соизмеримо с rСИ, которое может несколько меняться в ДД).

Аналоговый ключ может быть построен на ПТ с p-n-переходом (канал n-

типа, рисунок 15.6). В схеме необходимо не допускать появления тока затвора.

При отрицательном входном напряжении для удержания ПТ в закрытом со-

стоянии управляющее напряжение должно быть меньше входного на величину напряжения отсечки UОТС, т. е. UУПР ВЫКЛ = (–UВХ) + (–UОТС).

Когда ПТ открыт (ключ замкнут), диод в схеме смещён в обратном направ-

лении и находится под потенциалом истока за счёт резистора R.

-15В Выкл

Рисунок 15.6 – Аналоговый ключ на ПТ с p-n-переходом

Погрешность замкнутого ключа, вносимая конечным значением сопротивле-

ния rСИ, и его нелинейность могут быть компенсированы (рисунок 15.7).

Во включённом состоянии схема представляет собой инвертор с одинако-

выми эквивалентными сопротивлениями во входной цепи и цепи обратной

связи.

Если ПТ имеет малое значение напряжения отсечки, то ключ разомкнут уже

при UУПР = 5 В. Диод препятствует ложному включению при UВХ > 0 (при замкну-

том ключе влияния нет).

Iс

Uзн

Рисунок 15.7 – Аналоговый ключ с компенсацией погрешности

Наиболее часто встречается использование ключей в двух вариантах.

Первый – в группе из нескольких ключей и источников сигналов с посто-

янным внутренним сопротивлением, рисунок 15.8 (включён средний ключ).

влияния источников Ei.

Вследствие конечных сопротивлений реальных ключей имеются токи ра-

зомкнутых 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, вы-

Для уменьшения погрешности за счёт разомкнутых ключей надо умень-

шить n.

Аналоговые коммутаторы представлены в виде ИС серий146; 168; 190; 543; 547; 590; 591; 592; 1014; 1104.

Если необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напря-

жением питания, применяют ключи на комплементарных МОП-транзисторах (КМДП), рису-

нок 15.9.

вход (выход)

выход (вход)

"Выкл"

Рисунок 15.9 – Двунаправленный аналоговый ключ на комплементарной паре

Это двунаправленный ключ, в котором при высоком уровне сигнала управле-

ния транзистор VT1 открыт и пропускает входной сигнал величиной от нуля до напряжения питания без нескольких вольт(далее резко увеличивается сопротивление rСИ).

А транзистор VT2 при этом пропускает входное напряжение от UП до зна-

чения на несколько вольт выше нуля. Малое значение параллельного соединения сопротивлений rСИ1, rСИ2 позволяет пропускать сигналы в диапазоне от нуля до UП.

Аналоговые коммутаторы (АКК) или мультиплексоры обычно используют-

ся в системах сбора информации для обработки аналоговых сигналов, посту-

пающих по параллельным каналам для преобразования в цифровые сигналы.

Число каналов в АКК может достигать нескольких сотен, но максимальное значение определяется необходимой частотой опроса датчиков.

Взаимное влияние каналов наблюдается в АКК не только в статическом ре-

жиме (за счет конечного сопротивления разомкнутых ключей), но и в динамиче-

ском, когда один из АК еще не разомкнулся, а другой – уже замкнулся. Возни-

кающие при этом большие сквозные токи не только увеличивают динамическую со-

ставляющую погрешности, но также могут вывести АК из строя.

Для устранения этого эффекта, АКК проектируются таким образом, чтобы вре-

мя включения АК было больше времени выключения.

Представителями электронных ключей и переключателей, управляемых ко-

дом, являются ИС серий101, 119, 124, 146, 190, 249, 262, 293, 415, 547, 590, 591, 592, 1104, 1014.

Обычно ИС электронных ключей содержат в себе не один, а наборы ключей,

иногда объединённых по различным электрическим принципиальным схемам.

Нужно обращать внимание на полярность и максимальное значение вход-

ного, коммутируемого ключом, напряжения.

Восновной массе ключи коммутируют двухполярное напряжение, лежащее

вдиапазоне от 10 В до минус 10 В.

Ряд ключей управляются не кодом, а аналоговым сигналом.

Когда ток через ключ значителен, нужно учесть падение напряжения на открытом сопротивлении ключа, ведущее к погрешности передачи сигнала со входа ключа на выход.

Можно привести оценку: ключ КР146КТ1 имеет максимальное значение тока

0,4 А, но уже при токе 0,1 А остаточное падение напряжения на ключе 0,4 В. А ключ

КР1014КТ1 имеет максимальное значение тока до100 мА при сопротивлении от-

крытого ключа 10 Ом, что ведёт к падению напряжения на открытом ключе, равном

1 В.

Также следует различать рабочую частоту ключа, т. е. частоту сигнала, пе-

редаваемого через ключ, и время включения (выключения) ключа, т. е. время пе-

рехода из закрытого состояния в открытое (или наоборот).

Ключ КР146КТ1 может включаться за время 10 нс, а выключаться за 150 нс, но период следования импульсов «включить – выключить» не должен быть менее

1мкс.

Аключ КР1014КТ1 может передавать через себя сигнал с частотой до100 кГц,

и при этом переходить в состояние включен (выключен) за время 5 мкс.

Рабочая частота ключа также ограничивается паразитной ёмкост

«вход–выход», через которую входной сигнал попадает на выход при выклю-

ченном ключе. Это ведёт к погрешности ключа в состоянии выключено, к его час-

тотной погрешности.

Если ключ представляет собой коммутационную матрицу, то для оценки

погрешности коммутатора следует учитывать паразитную связь между от-

дельными ключами внутри ИС.

Это паразитные каналы, по которым, хоть и на малом уровне, но сигналы из других каналов попадают во включенный канал. Так для ключа К590КН14 коэффи-

циент связи между каналами равен минус35 дБ, то есть имеется паразитное прохо-

ждение на уровне 1,8 % от величины сигнала в соседнем канале.

Для ряда устройств возникает необходимость выбора одного из многих ана-

логовых сигналов с помощью кода. В этом случае удобно использовать ИС ана-

логового мультиплексора, содержащего и встроенные регистры, и дешифрато-

ры. Например, ИС 590КН19 является 8-канальным мультиплексором с возможно-

стью хранения трёхразрядного управляющего кода.

Для подачи больших(«опасных») напряжений на управляемые промыш-

ленные и бытовые объекты рекомендуется использовать оптоэлектронны ключи: в них управляющий узел полностью гальванически отделён от исполни-

тельного узла, через который на объект подаются напряжения или через который

текут большие токи.

Передача управляющего воздействия происходит с помощью оптического

излучения – света в различных диапазонах длины волны, – от инфракрасного излу-

чения до ультрафиолетового.

Так, например, в сериях 249, 293, 415 есть оптоэлектронные ключи и оптоэлек-

тронные переключатели, в том числе с тиристорами, симисторами, с оптопереклю-

чателями – инверторами. В серии 262 есть оптоключи с усилителем.

Иногда необходимо иметь высокочастотное переключательное устройство

– в этом качестве можно использовать электромеханические реле. Например, в

полосе частот до 100 МГц работают реле: РПА11 с одной контактной группой,

изготавливаемые на напряжение питания 13 В и 27 В;

РПА12 с одной контактной группой, поляризованное, напряжения питания

2,4 В (способно работать под управлением ТТЛ ИС), 13 В и 27 В [18].

15.2 Генераторы гармонических сигналов

Генераторы сигналов можно разделить на генераторы гармонических сиг-

налов и релаксационные генераторы.

Всякий генератор можно представить приведённой нижеобобщённой функциональной схемой.