Глава 5 Аналоговые коммутаторы
Аналоговые коммутаторы представляют собой электронные схемы, предназначенные для управляемой передачи входных аналоговых сигналов на выход в заданном порядке. Принято считать, что если цепь коммутатора включена, то ее выходное напряжение как можно точнее должно равняться входному напряжению. Если цепь коммутатора находится в состоянии “выключено”, то ее выход отключается от входа и принимает заранее оговоренное значение. Например выходное напряжение может устанавливаться как можно ближе к нулевому напряжению.
Описанные условия работы коммутатора могут реализовываться различными схемами вариант которой с использованием переключателя S приведен на рис 5.1.
Рис. 5.1. Электрическая схема простейшего коммутатора
Принцип действия этого ключа вытекает из его электрической схемы. Ключ S может быть реализован в виде механического переключателя или с помощью электронных элементов с управляемым сопротивлением. Для этих целей используют диодные мосты или транзисторы. Ключи на диодных мостах и биполярных транзисторах имеют высокое быстродействие (при использовании диодов шотки время переключения достигает 1нс), но потребляют сравнительно большую мощность по цепям управления и имеют значительное остаточное напряжение, увеличивающее погрешность передачи выходного сигнала. Коммутаторы на полевых транзисторах имеют меньшие погрешности, малое потребление электроэнергии, но обладают меньшим быстродействием.
Разновидностью аналоговых коммутаторов являются оптореле, в которых отсутствует электрическая связь между управляющими и коммутируемыми цепями, что важно для биомедицинских приложений. В ключах этого типа напряжение электрической изоляции может достигать нескольких киловольт. В них управляющие цепи выполняются на оптопарах, которые управляют тиристорами, биполярными и полевыми транзисторами.
5.1. Коммутаторы на полевых транзисторах
В коммутаторах этого типа используют свойство полевых транзисторов менять свое сопротивление под воздействием управляющего напряжения на переходе затвор исток (рис 5.2)
Рис. 5.2. Варианты схем аналоговых коммутаторов на полевых транзисторах
В варианте коммутатора выполненного по схеме рис. 5.2,а используется транзистор с управляющим p-n переходом. Если в этой схеме управляющее напряжение UY меньше минимально возможного входного напряжения Uвхmin на величину порогового напряжения транзистора UП ((Uвхmin-UП)>UY), то транзистор VT1 закрывается и его выходное напряжение становится равным нулю (Uвых=0).
Если в схеме рис 5.2,а путем подачи управляющего сигнала создать напряжение затвор исток больше нуля UЗИ>0 то транзистор откроется соединив Uвх c Uвых.
При этом следует иметь в виду, что открытый переход транзистора подключает к выходу и управляющее напряжение, а напряжение UЗИ зависит от величины входного напряжения. Это создает определенные трудности в управлении схемами на транзисторах с управляющим p-n переходом.
В схеме рис 5.2 б ключом является р - канальный МДП транзистор.
Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания +UП для того, чтобы переходы между подложкой и истоком не открывались. При малых значениях UY транзистор закрыт и ток от Uвх в нагрузку RH не проходит. Когда UY превышает величину порогового напряжения UЗИ пор, транзистор открывается и RH подключается к UВХ. Ключ может коммутировать как положительное, так и отрицательное напряжение.
К недостаткам такого коммутатора относится относительно большая величина его выходного сопротивления, которая может быть уменьшена различными схемотехническими решениями. На рис. 5.2, в показана схема двунаправленного аналогового ключа на комплиментарных транзисторах, используемого в некоторых интегральных микросхемах.
Здесь под комплементарностью понимается использование параллельно включаемой пары n - МОП и р - МОП транзисторов, что позволяет получать практически постоянное сопротивление открытого ключа вне зависимости от направления и значения проходящего тока.
Ключ предназначен для передачи напряжения UA с вывода А на вывод В или напряжения UB с вывода В на А. В этой схеме коммутируемые напряжения лежат в пределах от 0 до UП. Транзисторы VT1 и VT2 представляют собой комплиментарный ключ. Двунаправленный ключ открыт, когда UY=UП. В этом случае один из транзисторов VT3 или VT4 открыт. Ключ закрыт, когда UY=0.
На рис. 5.3,б показана схема аналогового ключа на микросхемах типа КР590КН8А,Б. Эти схемы содержат по 4 транзистора с n-каналом; на рисунке для упрощения показано два. Транзисторы КР8А спроектированы как ключевые, а КН8Б предназначены для построения управляющих каскадов ключей. Стабилитроны Д1, Д2 и резисторы R1, R2, подключены к затворам транзисторов, предназначены для согласования напряжений. Предположим, что управляющие напряжения U1 и U2 могут принимать два значения 0В и +5В. Если напряжения пробоя стабилитронов Д1 и Д2=13 вольт, то потенциалы затворов Т1 и Т3 будут равны -12 (0В на Uупр) или -8В (+5В на Uупр). На исток этих транзисторов подается напряжение -12В, поэтому в первом случае напряжение затвор-исток равно нулю (транзистор закрыт), во втором случае – равно +4В (транзистор открыт). Напряжения ±12В, получаемые на истоках транзисторов Т1, Т2, подаются на затворы ключевых транзисторов Т3, Т4, замыкая или размыкая связи между контактами 1-4 и 2-8.
Рассмотренные микросхемы предназначены для построения быстродействующих ключей (время включения 3-5 нс), поэтому они выполнены на быстродействующих n-МОП транзисторах.
Рис. 5.3 Схема электрическая аналогового ключа на микросхемах типа КР590КН8А,Б.
В состав микросхем аналоговых ключей обычно вводят формирователи управляющих сигналов, обеспечивая их совместную работу с цифровыми микросхемами. Следует отметить, что для своего управления такие ключи требуют входного сигнала 4В и более, поэтому на управляющих выходах ТТЛ - микросхем ставят сопротивления в несколько кОм, подключаемые к источнику питания. Типичные представители интегральных ключей имеются в сериях К590 и К591. Сопротивления открытых аналоговых ключей и ток утечки закрытых достаточно сильно зависят от температуры. Например, у открытого КМОП – ключа сопротивления практически линейно возрастает с коэффициентом 2 – 5% на 10 °С, а ток утечки закрытого ключа увеличивается примерно в 2 раза при увеличении температуры на 10°С
Промышленность выпускает различные типы микросхем содержащих не связанные между собой коммутируемые каналы, управляемые блоком логики в состав которого обычно входят схема выбора кристалла и регистр хранения кода коммутируемых ключей (рис 5.4).
Рис. 5.4. Структура многоканального аналогового коммутатора
Коммутируемые цепи аналогового коммутатора АК представлены однонаправленными (или) двунаправленными ключами S1,…, Sn состояние которых определяется логикой управления. Код управления ключами поступает в регистр логики управления в параллельном (входы КУ) или последовательном (ПК) виде. Выбор кристалла осуществляется по входам ВК. При необходимости по выходам МК можно организовать объединения микросхем аналоговых коммутаторов для расширения числа коммутируемых входов и выходов.