5.2. Аналоговые мультиплексоры и матричные коммутаторы
Аналоговые мультиплексоры решают задачу подключения множества входов к одному выходу в зависимости от комбинаций кодов управления (рис 5.5)
Рис. 5.5. Обобщенная структурная схема аналогового мультиплексора.
Каждый из используемых ключей S1 ÷ Sn может быть выполнен на полевых транзисторах с КМОП-структурой. Для выбора коммутируемой схемы на дешифратор адреса DCA поступает соответствующий код, который преобразуется в сигнал замыкания цепи Uвхi-Uвых.
Для объединения мультиплексоров в более сложные структуры, например, если нужно задействовать большее число входов можно использовать сигнал разрешения (Разр.).
В более сложных схемах вместо дешифратора адреса используется блок логики, содержащий кроме дешифратора адреса последовательный или параллельный регистр с логикой его управления позволяя подключаться к стандартным интерфейсам и решать задачи наращивания разрядов.
Для сложных коммутаций, когда требуется соединить несколько источников сигналов с несколькими приемниками сигналов, включая соединения, когда к одному источнику сигнала присоединяются несколько приемников используют матричные коммутаторы обобщенная структурная схема которого приведена на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Обобщенная структурная схема аналогового матричного коммутатора
Из приведенной схемы видно, что задействованные в схеме ключи по команде с блока логики (БЛ) могут быть включены с любого входа на любой выход, если в каждом узле матрицы находится управляемый ключ. Логика управления ключами организованна так, что к любому входу могут быть подключены любые выходы, но один выход не может быть подключен к нескольким входам. В качестве сигналов управления используются последовательные или параллельные коды адресов подключения, сигналы выбора кристаллов переключения, протоколов ввода сигналов управления и т.д.
Для того, чтобы выходы коммутатора согласовать с нагрузкой на выходах микросхем ставят буферные усилители (БУ) с небольшим или единичным коэффициентом усиления.
Примерами матричных коммутаторов служат микросхемы типа AD8108/09 (8x8), AD8110 (16x8) и др.
5.3. Характеристики и эксплуатационные параметры аналоговых коммутаторов
Одной из важных статических характеристик аналогового ключа, существенно влияющих на точность передачи аналогового сигнала со входа на выход является его сопротивление в открытом состоянии R0. При оценке величины этого сопротивления следует иметь в виду, что оно зависит как от напряжения питания, так и от коммутируемого входного напряжения, что не во всех расчетах и практических приложениях можно игнорировать. Поэтому в хорошо составленных технических описаниях микросхем можно найти графики зависимостей сопротивления открытого ключа от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений. Кроме того сопротивления канала открытого транзистора существенно зависит от температуры. Для многоканальных коммутаторов и мультиплексоров кроме сопротивления открытого канала вводят такую характеристику как значение максимальной разности сопротивление открытых ключей ΔR0.
В закрытом состоянии сопротивление ключа хотя и очень велико (сотни гигоОм), но конечно, что приводит к возникновению токов утечки IУ. Направление протекания этого тока определяется полярностью приложенного напряжения, а его величина сильно зависит от температуры кристалла.
На динамические характеристики аналоговых ключей выполненных на полевых транзисторах оказывают влияние емкости между стоком и истоком, каналом и общей точкой, затвором и каналом, а так же емкости между различными элементами схемы внутри кристалла. Для борьбы с отрицательным влиянием емкостей при больших частотах переключения используются различные схемотехнические решения, но полностью проблемы быстродействия и паразитного искажения сигналов на больших скоростях переключения они не снимают.
Причем искажения возникают не только в процессе передачи входного напряжения на выход, а и при подаче импульсов управления. На рис 5.7. показана эпюра выходного напряжения, которая может наблюдаться при нулевом входном напряжении при появлении управляющего импульса.
Рис. 5.7. Вариант “паразитного” изменения выходного напряжения аналогового коммутатора от воздействия управляющего импульса
Эквивалентная схема аналогового коммутатора, содержащая сопротивления и емкости представляет собой фильтр низких частот, параметры которого влияют на время его включения и выключения, которые являются основными динамическими эксплуатационными параметрами этого класса электронных приборов.
К основным техническим характеристикам и эксплуатационным параметрам электронных схем аналоговой коммутации относят: величины питающих напряжений (Uп); ток потребления (Iп), максимально-допустимое значение тока через коммутатор (Imax); диапазон допустимых значений входного и выходного напряжений; уровни управляющего напряжения; диапазон допустимой температуры окружающей среды; время включения (tвкл); время выключения (tвыкл); заряд переключения qП; ток утечки Iут; типовое значение сопротивления открытого ключа R0. В таблице 5.1 приведены основные характеристики некоторых типов аналоговых коммутаторов и мультиплексоров.
Таблица 5.1
Основные характеристики аналоговых коммутаторных схем
Тип |
UП (B) |
IП (мкА) |
IУ (нА) |
R0 (Ом) |
tвкл (нс) |
tвыкл (нс) |
q (пКл) |
Imax (мA) |
Примечание |
590KH13 |
±15 |
4000 |
50 |
50 |
50 |
50 |
- |
20 |
Счетверенный коммутатор |
MAX391 |
±2,7…±8; 3…15 |
<1 |
0.1 |
35 |
130 |
75 |
5 |
30 |
-//- |
ADG715 |
2,7…5,5 |
10 |
0.01 |
2.5 |
95 |
85 |
3 |
30 |
8-ми канальный коммутатор с последовательным управлением |
591KH3 |
±15 |
1000 |
70 |
270 |
300 |
300 |
- |
2 |
Мультиплексор 8x1 |
MAX350 |
±2,7…±8; 3…15 |
7 |
0.1 |
100 |
275 |
150 |
10 |
30 |
Сдвоенный мультиплексор 4x1 с последовательным интерфейсом |
ADG608 |
3,5;…5 |
0,05 |
0,05 |
30 |
50 |
30 |
6 |
20 |
Мультиплексор 8x1 |