10.3. Источники опорного напряжения

Основное назначение источников опорного напряжения (ИОН) – создавать образцовое напряжение, которое могло бы быть использовано электронными устройствами преобразования информации в качестве эталона. К таким устройствам можно отнести компараторы, стабилизаторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и др.

Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение прикладывается через токоограничивающий резистор к стабилитрону, который играет роль, так называемого параметрического стабилизатора, чей основной параметр – напряжение пробоя p-n перехода (рис.10.3).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис.10.4.

Рис.10.3. Схема ИОН на стабилитронах : а) параметрический ИОН,

б) ИОН компенсационного вида

Рис.10.4. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

При определённом обратном напряжении, называемом напряжением стабилизации V_СТ , происходит пробой p-n перехода, причём вследствии конструктивных и технологических особенностей этот пробой не приводит к выходу прибора из строя. Участок вольтамперной характеристики, соответствующий режиму пробоя, расположен почти вертикально, так что при изменении тока через стабилитрон напряжение на нём меняется мало.

Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации

К_СТ = ΔV_IN/ΔV_REF

Коэффициент стабилизации для параметрического ИОН (рис.10.3а) может составлять 10…100. В ИОН компенсационного типа он может достигать величины порядка 10000.

10.4. Аналоговые коммутаторы

Аналоговые коммутаторы служат для переключения аналоговых сигналов. Если коммутатор находится в состоянии ”включено”, его выходное напряжение должно, по возможности, точно равняться входному, если же коммутатор находится в состоянии ”выключено”, выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю.

Существуют различные схемные решения коммутаторов, удовлетворяющие указанным условиям. Их принцип действия показан на рис.10.5 на примере механических ( контактных) переключателей.

Рис.10.5. Схемы механических коммутаторов: а) последовательный,

б) параллельный, в) последовательно-параллельный

Аналоговые коммутаторы, показанные на рис.10.5, могут быть реализованы на электронных компонентах с управляемым сопротивлением, имеющие малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие неидеальности они вносят ряд статических и динамических погрешностей в коммутируемые сигналы. В число основных источников погрешностей входят:

• проходное сопротивление электронного ключа не равно нулю во включённом состоянии,

• наличие не равного нулю остаточного напряжения на замкнутом ключе при нулевом коммутируемом сигнале,

• нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) как на сигнальном, так и на управляющем входах,

• взаимовлияние управляющего и коммутируемого сигналов,

• наличие целого ряда паразитных ёмкостей, одни из которых приводят к ослаблению высокочастотных составляющих коммутируемого сигнала при замкнутом ключе, а также между управляющими и сигнальными цепями,

• ограниченный динамический диапазон коммутируемых токов и напряжений.

Ключи на биполярных транзисторах и в особенности на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы мВ, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов ( менее 100мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие ( время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нС) и применяются для построения сверхскоростных коммутаторов. В менее быстродействующих коммутаторах гораздо шире применяются ключи на полевых транзисторах.

Схемы коммутаторов с ключами на МОП-транзисторах приведены на рис.10.6.

Рис.10.6. Последовательные коммутаторы с ключами на МОП транзисторах: а) на n-канальном МОП транзисторе, б) на КМОП транзисторах

Ключ на рис.10.6а предназначен для коммутации положительных напряжений, которые, как минимум на 5 В, меньше V_CTRL. При напряжении затвор-исток V_GS≤0 сопротивление канала достигает десятков ГОм и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения переводит канал в проводящее состояние с сопротивление от 1 до 300 Ом.

Лучшими характеристиками обладают ключи на комплиментарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рис.10.6б. Здесь на подложку транзистора VT₁ подаётся положительное питающее напряжение +V_S, а на подложку транзистора VT₂ отрицательное питающее напряжение –V_S.

При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT₂ практически равно +V_S. В этом случае транзистор VT₂ проводит сигналы с уровнями от –V_S до величины лишь на несколько вольт ниже +V_S. В то же время напряжение на затворе p-канального VT₁ практически равно –V_S и он пропускает сигналы с уровнями от +V_S до значения на несколько вольт выше –V_S. Таким образом все сигналы в диапазоне от –V_S до +V_S проходят через параллельно включённые VT₁ и VT₂.

При низком уровне управляющего сигнала оба транзистора заперты.

Эта схема одинаково работает в двух направлениях – её сигнальные контакты S ( source – исток) и D ( drain – сток) могут служить как входом, так и выходом.

В качестве примера использования аналоговых ключей можно привести аналоговый мультиплексор (рис.10.7). Он позволяет выбрать один из нескольких входов, соответствующий поданному на него адресу. Такие мультиплексоры выпускаются либо отдельно, либо могут быть встроены в аналого-цифровой преобразователь или аналогичные устройства.

Каждый из ключей на рис.10.7 от S₀ до S₃ представляет собой аналоговый КМОП –ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде, и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения E необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов, если на этот вход подать сигнал низкого уровня, то независимо от состояния адресных входов все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые КМОП-ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексов является одновременно и демультиплексором, то есть сигнал может быть подан на выход мультиплексора и снят с избранного входа.

Рис.10.7. Схема аналогового мультиплексора 4х1: а) функциональная схема, б) условное обозначение

Для сложных коммутаций аналоговых аудио- и дидеосигналов предназначены так называемые матричные коммутаторы ( crosspoint switch). Их применяют в тех случаях, когда требуется соединить в заданной конфигурации несколько источников сигнала с несколькими приёмниками, включая соединения, при которых к одному источнику сигнала подключаются несколько приёмников. Это необходимо для видеосерверов, систем передачи видеосигналов, устройств видеонаблюдения, видеоконференций, аудиоприложений и др..

Для примера на рис.10.8 представлена блочно-функциональная схема микросхем матричных коммутаторов 8х8 AD8108/09 производства фирмы Analog Devises.

Рис.10.8. Блочно-функциональная схема микросхем AD8108/09

Поскольку здесь возможно подключение к источнику сигнала до восьми приёмников, для уменьшения нагрузки на входы используются выходные буферные усилители. Эти усилители в AD8108 имеют единичное усиление по напряжению, а в AD8109 коэффициент усиления буферных усилителей равен двум.

Микросхемы AD8108/09 используют матрицу с 64 входными каскадами, организованными как восемь мультиплексоров 8х1. Выходы этого матричного коммутатора способны работать на стандартную 150 омную видеонагрузку при низком уровне искажений сигналов ( дифференциальные амплитудная и фазовая погрешности не превышают 0,02% и 0,02° соответственно). Входы обладают высоким сопротивлением (10 Мом) и малой ёмкостью (2,5 пФ). Выходы имеют низкое сопротивление (0,2 Ом на постоянном токе), но могут быть переведены в высокоимпедансное состояние ( до 10 МОм).

Коммутаторы AD8108/09 управляются двумя способами: последовательным и параллельным вводом данных. В первом случае через последовательный вход данных DATA IN вводится 32-разрядное управляющее слово, которое полностью определяет конфигурацию коммутатора. Для изменения состояния одного единственного ключа нужно полностью перепрограммировать матрицу 32-разрядным словом. При параллельном способе можно переключить один ключ, подав на входы данных (4 линии) и адреса (3 линии) микросхемы 7-разрядное слово в параллельном коде.

Фирма Analog Devises выпускает также матричные коммутаторы размерностью 16х8 (AD8110/11) и 16х16 (AD8113/14/15/15).