Раздел 2. Схемотехнические решения

Тема 13 (4 час) Аналоговые коммутаторы

9. Коммутаторы на полевых транзисторах.

10. Промышленные аналоговые коммутаторы.

11. Характеристики аналоговых коммутаторов.

12. Применение аналоговых коммутаторов.

Аналоговый коммутатор служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических 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. 1 на примере механических (контактных) переключателей.

Рис. 1. Схемы механических коммутаторов:

а — последовательный, б — параллельный, в — последовательно-

параллельный

На Рис. 1а представлен последовательный коммутатор. Пока контакт замкнут, V_OUT = V_IN. Когда контакт размыкается, выходное напряжение становится равным нулю. Все это справедливо, если источник сигнала имеет нулевое выходное сопротивление и емкость нагрузки равна нулю. При значительном выходном сопротивлении источника сигнала напряжение V_OUT делится между этим сопротивлением и резистором R. Поэтому эту схему не следует применять в случае, если источником сигнала является источник тока, например фотодиод. При существенной емкости нагрузки во время разряда этой емкости при размыкании ключа S выходное напряжение коммутатора падает до нуля не мгновенно.

В схеме параллельного коммутатора (Рис. 1б) V_OUT = V_IN при разомкнутом ключе, если входное сопротивление нагрузки коммутатора бесконечно велико. Если же оно соизмеримо с сопротивлением резистора R, то на резисторе будет падать часть выходного напряжения источника сигнала. При наличии емкостной нагрузки будет относительно медленно устанавливаться выходное напряжение после размыкания ключа.

Последовательно-параллельный коммутатор, показанный на Рис. 1*, объединяет достоинства двух предыдущих схем. В положении 1 он имеет выходное сопротивление, равное выходному сопротивлению источника сигнала, и при его малой величине коммутатор обладает коэффициентом передачи близким к 1 и малым временем установления выходного напряжения при заметной емкости нагрузки. В положении 2 его выходное напряжение и выходное сопротивление равны нулю, что обеспечивает практически мгновенный разряд емкости нагрузки.

Разновидности аналоговых коммутаторов, показанные на Рис. .1, могут быть реализованы на электронных элементах с управляемым сопротивлением, имеющим 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 числе основных источников погрешностей электронных аналоговых коммутаторов можно назвать следующие:

• проходное сопротивление электронного ключа не равно нулю во включенном состоянии и, конечно, в выключенном;

• 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 емкостей, одни из которых приводят к ослаблению высокочастотных составляющих коммутируемого сигнала при замкнутом ключе, другие — к просачиванию коммутируемого сигнала на выход при разомкнутом ключе, и, наконец, третьи обуславливают дополнительные связи между каналами, 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 100 мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие (время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 не) и применяются для построения сверхскоростных коммутаторов. В менее быстродействующих коммутаторах гораздо шире применяются ключи на полевых транзисторах.

9. Коммутаторы на полевых транзисторах.

Как известно, полевой транзистор в области малых напряжений сток—исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор—исток V_GS * На Рис. 2а изображена упрощенная схема последовательного коммутатора на полевом транзисторе с управляющим/?-л-переходом.

Если в этой схеме управляющее напряжение V_CTRLl установить меньшим, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере, на величину порогового напряжения транзистора, транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю. Для того чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор—исток V_GS следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала. Если же это напряжение станет больше нуля, управляющий p-n-переход откроется и выход коммутатора окажется соединенным с цепью управления. В схеме Рис. 2а равенство нулю V_GS обеспечить не так просто, поскольку потенциал истока меняется согласно изменению входного сигнала. Наиболее простой путь преодоления этой трудности показан на Рис. 2б.

Рис.2. Последовательный коммутатор на полевом транзисторе с управляющимр-п-переходом: a — упрощенная схема, б — с ограничением максимального управляющего напряжения цепью VD-R₁

Если напряжение V_CTRL установить большим, чем максимально возможное входное напряжение коммутатора, диод VD закроется и напряжение V_GS будет, как это и требуется, равно нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор R₁ течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Но это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение коммутатора в этом режиме равно нулю. Однако если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, последний при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения, что приведет к полному нарушению работы схемы.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа использовать полевой транзистор с изолированным затвором (МОП-транзистор). Его можно переводить в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвора будет равен нулю. Таким образом, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде и резисторе R₁. Схемы коммутаторов с ключами на МОП-транзисторах приведены на Рис. 3.

Рис. 3. Последовательные коммутаторы с ключами на МОП-транзисторах:

а — на n-канальном МОП-транзисторе, б — на KMO П-транзисторах

На схеме Рис. 3а ключом является n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при V_GS < 0. В этом состоянии сопротивление канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения переводит канал в проводящее состояние, причем для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей, типичное сопротивление открытого канала составляет от 1 до 300 Ом.

Эта схема будет работать при положительных входных сигналах, которые, по крайней мере, на 5 В меньше, чем V_CTRL ; при более высоком уровне сигнала напряжение затвор—исток будет недостаточно, чтобы удержать транзистор в открытом состоянии (сопротивление канала в открытом состоянии Rqn начнет расти); при заземленной подложке отрицательные входные сигналы вызовут включение транзистора. Поэтому, если надо переключать сигналы обеих полярностей (например, в диапазоне —10...+10 В), то можно использовать такую же схему, соединив подложку с источником—15 В и подавая на затвор напряжения +15 В (включено) и —15 В (выключено).

Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), Рис.3б. Здесь на подложку транзистора VT₁ подается 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 (при более высоких уровнях сигнала V_ON начинает резко расти). В то же время напряжение на затворе p-канального транзистора VT₁ практически равно — V_S и он пропускает сигналы с уровнями oт+ V_S до значения на несколько вольт выше — V_S. Таким образом, все сигналы в диапазоне от + V_S до — V_S проходят через двухполюсник (параллельно включенные VT₁ и VT₂ )с малым сопротивлением R_ON (Рис. 4).

Рис. 4. Зависимость сопротивления каналов ключей на

КМОП-транзисторах от входного напряжения

При переключении управляющего сигнала на низкий уровень напряжение на затворе n-канального транзистора VT₂ устанавливается близким к —V_S, а на затворе p-канального транзистора VT₁ — близким к +V_S.

Тогда, при — V_S. < V_IN < +V_S, оба транзистора заперты, и цепь коммутатора разомкнута. В результате получается аналоговый переключатель для входных сигналов в диапазоне от отрицательного до положительного напряжений питания ключа. Эта схема одинаково работает в двух направлениях — ее сигнальные зажимы S (source — исток) и D (drain — сток) могут служить как входом, так и выходом. Она является основой практически для всех ИМС аналоговых коммутаторов, выпускаемых в настоящее время.

Управление КМОП-ключами осуществляется с помощью логических схем, причем наилучшие результаты обеспечивает КМОП-логика. Логические входы аналоговых коммутаторов обычно проектируют таким образом, чтобы сделать возможным управление ими как от КМОП-, так и от ТТЛ-логики. В ранних моделях для питания входных логических элементов требовалось специальное напряжение питания +5 В. В последних моделях этих ИМС обходятся без него. Применение КМОП-логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект — в состоянии покоя эти микросхемы практически не потребляют энергии.