17. Аналоговые коммутаторы и компараторы

Аналоговый коммутатор служит для коммутации аналоговых входных сигналов. Если коммутатор находится в состоянии «включено», его выходное напряжение должно но возможности точно равняться входному; если же коммутатор находится в состоянии «выключено», оно должно стать равным нулю.

17.1. Принцип действия

Существуют различные схемные решения коммутаторов, удовлетворяющие указанным условиям, Их принцип действия показан на рис. 17.1 на примере механических переключателей.

На рис, 17,1, а представлен последовательный коммутатор. Пока контакт замкнут, Ua = Ue. Когда контакт размыкается, выходное напряжение становится равным нулю. Все это справедливо, вообще говоря, для ненагруженной схемы. При наличии емкостной нагрузки выходное напряжение вследствие конечной величины выходного

Рис. 17.1. а- последовательный коммутатор, б- параллельный коммутатор, в- последовательно- параллельный коммутатор.

сопротивления схемы r_a=R падает до нулевого значения не мгновенно.

Этот недостаток отсутствует у схемы параллельного коммутатора, изображенного на рис. 17.1,6.

Последовательно-параллельный коммутатор, показанный на рис, 17.1, в, обладает преимуществами обеих предыдущих схем, В любом рабочем состоянии он имеет выходное сопротивление, близкое к пулю.

17.2. Электронные коммутаторы

Показанные на рис. 17.1 разновидности аналоговых коммутаторов могут быть реализованы электронными методами путем замены механического контакта элементом с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и достаточно большое максимальное значения. Для -лих целей могут использоваться полевые транзисторы, диоды, биполярные транзисторы и другие управляемые 'электронные приборы.

17.2.1. КОММУТАТОР НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Как уже было показано в разд. 5.7, полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как омическое сопротивление, величина которого может изменяться в десятки раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток U_Gs. На рис. 17.2 изображена схема последовательного коммутатора. Если в этой схеме управляющее напряжение U_упр установить меньшим, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере на величину порогового напряжения Up, полевой транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю.

Если необходимо, чтобы транзистор .был открыт, напряжение Uр следует поддерживать равным нулю. Это условие не так просто реализовать, так как потенциал

Рис. 17.2. Последовательный коммутатор на полевом транзисторе.

истока не является неизменным. Один из возможных методов иллюстрируется на рис. 17.3. Если напряжение Uупр установить большим, чем максимально возможное входное напряжение коммутатора, диод D закроется и напряжение U_GS будет, как это и требуется, равно нулю.

При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод D будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор R₁ течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение коммутатора в этом режиме равно нулю. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в том случае, если источник входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве коммутатора использовать МОП- транзистор. Его можно перевести в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвор - канал будет равен нулю. Таким образом, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде D и резисторе r₁. Чтобы охватить возможно больший диапазон входных напряжений как в положительной, так и в отрицательной области, вместо одного МОП- транзистора лучше использовать КМОП- схему, состоящую из двух комплементарных МОП- транзисторов, включенных параллельно, как, например, в интегральной схеме типа МС 14066 фирмы Motorola.

Рис. 17.3. Упрощенная схема управления коммутатором.

Для того чтобы перевести коммутатор в состояние «включено», нужно приложить к затвору нормально открытого МОП- транзистора Т₁ в схеме на рис. 17.4 положительное управляющее напряжение, равное по меньшей мере 2Uр, а к затвору транзистора Т₂ -такое же напряжение, но противоположное по знаку. При малых величинах входного напряжения Ue, оба МОП- транзистора будут открыты. Если входное напряжение вырастет до значительного положительного уровня, величина U_GS1 уменьшится, а внутреннее сопротивление транзистора T₁ увеличится. Это обстоятельство, однако, несущественно, так как одновременно увеличится величина U_GS2 и внутреннее сопротивление транзистора T₂ уменьшится. При отрицательных значениях входного напряжения транзисторы T₁ и T₂ меняются ролями. Для того чтобы перевести коммутатор в состояние «выключено», необходимо изменить полярность управляющего напряжения.

При смене полярности управляющего напряжения через проходную емкость затвор-канал на выход схемы коммутатора передается короткий импульс напряжения; этот импульс представляет собой помеху, особенно при малых уровнях коммутируемого напряжения. Чтобы амплитуда импульса помехи была незначительной, управляющее напряжение

Рис. 17.4. Последовательный коммутатор на КМОП-структуре.

не должно быть слишком большим. Кроме того, желательно ограничить скорость изменения управляющего напряжения. Полезно также использовать низкоомные источники входного сигнала. Частоты переключения рассматриваемых коммутаторов невелики.

Из КМОП- коммутаторов наиболее удобны схемы со встроенным преобразователем уровня управляющего сигнала, которые совместимы с выходными сигналами ТТЛ- схем. Они выпускаются в интегральном исполнении, причем ИС часто содержит несколько коммутаторов, управляемых общим напряжением В качестве примера можно привести интегральные схемы типа IH 5040 ... 5051 фирмы hitersil или DG 300 ... 307 фирмы Siliconix.

Часто коммутаторы выполняются по схеме с общим входом или выходом. С помощью встроенного в интегральную схему распределителя типа «1 из n» можно путем подачи двоичного кода на управляющий вход переводить любой выбранный коммутатор в состояние «включено». Такие электронные схемы называются аналоговыми мультиплексорами иди аналоговыми демультиплексорамм. Это, например, интегральные схемы DG 506 ... 509 фирмы Siliconix, имеющие от 4 до 16 каналов, или МС 14051 ... 14053 фирмы Motorola с числом каналов от 2 до 8.

17.2.2. ДИОДНЫЙ КОММУТАТОР

Полупроводниковый диод благодаря его высокому внутреннему сопротивлению в запертом состоянии и низкому в открытом также пригоден для построения аналоговых коммутаторов. Если на управляющий вход схемы, изображенной на рис. 17.5, подать положительное управляющее напряжение, то диоды D₅ и D₆ запрутся. Через оба плеча схемы D1,D4 и D2,D3 потечет постоянный ток I от одного источника тока к другому. Потенциалы V₁ и V₂; установите равными

Рис. 17.5. Диодный последовательный коммутатор.

Выходное напряжение схемы составляет

Это соотношение справедливо, поскольку напряжения на открытых диодах равны друг другу. При нарушении этого условия на выходе появится дополнительное напряжение смещения.

Если управляющее напряжение сделать отрицательным, диоды D₅ и D₆ откроются; при этом потенциал V₁ примет высокое отрицательное значение, а потенциал V₂ -высокое положительное значение. Как можно видеть из схемы, при этом закроются все четыре диода моста. Выход схемы будет изолирован от входа, а выходное напряжение станет равным нулю.

Для получения малых значений времени переключения и снижения величины емкостных импульсных наводок с управляющего входа на выход схемы, как правило, применяют диоды Шоттки. По этому принципу выполняют наиболее быстродействующие коммутаторы, время переключения которых составляет менее 1 нс.

17.2.3. КОММУТАТОР НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Чтобы исследовать возможности использования в качестве коммутатора биполярного транзистора» рассмотрим его характеристики вблизи нулевой точки. На рис. 17.6 изображено семейство выходных характеристик для малых положительных и отрицательных напряжений коллектор –эмиттер.

В первом квадранте находится уже рассмотренное в разд. 4.6 семейство выходных характеристик транзистора. Если изменить полярность напряжения коллектор-эмиттер, не меняя базового тока транзистора, получим семейство характеристик в третьем квадранте. При таком обратном включении транзистор обладает существенно меньшим коэффициентом усиления тока базы, составляющим примерно 1/ЗО. Максимально допустимое при таком режиме работы напряжение коллектор-эмиттер равно напряжению запирания перехода эмиттер-база U_be0.

-

Рис. 17.6. Семейство выходных характеристик коммутатора на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером и соответствующая схема измерения.

Рис. 17.7. Семейство выходных характеристик коммутатора на биполярном транзисторе в инверсном включении и соответствующая схема измерения.

Это объясняется тем, что при таком режиме работы транзистора переход база-коллектор открыт, а переход база-эмиттер закрыт. Этот режим работы транзистора называется инверсным, а соответствующий ему коэффициент усиления тока- инверсным коэффициентом усиления i. Точка перехода коллекторного тока через нуль соответствует напряжению коллектор-эмиттер от 10 до 50 мВ. Если базовый ток превышает несколько миллиампер, остаточное напряжение, соответствующее I_k = 0, возрастает; при малых базовых токах оно остается практически постоянным.

Остаточное напряжение, соответствующее I_k = 0, можно существенно снизить, если в момент перехода коммутируемого тока через нуль транзистор будет работать в инверсном режиме. Для этого достаточно поменять местами выводы коллектора и эмиттера транзистора. Семейство выходных характеристик для инверсного включения транзистора показано на рис. 17.7. Напряжение U_CE транзистора при таком включении для достаточно больших значений выходного тока зависит от тока примерно так же, как и для прямого включения транзистора (рис. 17.6). Причина этого явления состоит в том, что в инверсной схеме включения выходным током является ток эмиттера, который мало отличается от тока коллектора.

В окрестности нулевой точки графики рис. 17.6 и 17.7 существенно различаются. Это объясняется тем, что в этой области током базы нельзя пренебрегать по сравнению с выходным током. Если в прямом включении транзистора выходной ток установить равным нулю, то ток базы будет равен току эмиттера, т.е, ток эмиттера не будет равен нулю. При этом на выходе появится уже упоминавшееся выше напряжение смещения от 10 до 50 мВ. Если же в инверсном включении транзистора, т.е. при взаимной замене выводов коллектора и эмиттера, установить выходной ток равным нулю, то ток базы транзистора будет равен току коллектора. При этом перс-ход коллектор-база будет открыт (инверсное включение транзистора). Возникающее напряжение смещения будет приблизительно в 10 раз меньше, чем при прямом включении транзистора; знак же его, как и при прямом включении, будет положительным, так как в схеме на рис. 17.7 Ua = -U_CE-Типичные значения напряжения смещения в этом режиме лежат в пределах от 1 до 5 мВ [17.1]. Поэтому при использовании биполярных транзисторов в качестве коммутаторов их целесообразно включать, поменяв местами выводы коллектора и эмиттера. Если при этом поддерживать эмиттерный ток достаточно малым, то транзистор будет работать только в инверсном режиме.