50. Аналоговые ключи и коммутаторы

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 коммутатор находится в состоянии "выключено", выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю или должно как можно меньше зависеть от входного.

Рис. 11.1 Схемы коммутаторов

На рис.11.1.а представлен последовательный коммутатор. Пока контакт замкнут, Uвых=Uвх. 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 Uвых делится между этим сопротивлением и резистором R. Поэтому данную 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 снижается до нуля довольно долго.

В схеме параллельного коммутатора (рис. 11.1.б) Uвых=Uвх 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. 11.1в, не имеет недостатков двух предыдущих схем. В любом рабочем состоянии он имеет выходное сопротивление, близкое к нулю.

Рис. 11.2 Общая структурная схема связи источников и приемников сигналов через коммутатор.

Многоканальные коммутаторы или мультиплексоры.

Многоканальные коммутаторы или мультиплексоры представляют собой интегральные микросхемы, имеющие много входов для аналоговых сигналов и один выход, на который можно подать последовательно во времени любой из входных сигналов. Мультиплексоры состоят из набора ключей, устройства управления этими ключами и выходного согласующего каскада. Мультиплексоры выпускаются в виде самостоятельных микросхем или входят в состав более крупных микросхем, называемых системами сбора данных. Практически все современные системы сбора данных ориентированы на совместную работу с микропроцессорами и содержат элементы интерфейса: устройства выборки и хранения сигналов, дешифратор адреса, регистры и т.д. Если имеются группы различных датчиков сигналов, то в состав таких микросхем могут входить несколько мультиплексоров, объединенных в группы. Такие микросхемы предназначены для работы с источниками потенциальных сигналов, например, температурными датчиками, датчиками промышленных установок различных аналитических приборов. Рис.11.3 Схема многоканального коммутатора(а) и ее условное обозначение(б)

На рис.11.3 каждый из ключей 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 Е необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то, независимо от состояния адресных входов, все ключи мультиплексора разомкнуты.

Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и "демультиплексором", т.е. сигнал может быть подан на вход мультиплексора и снят с избранного выхода.

Аналоговые ключи имеют очень обширную область применения:

- организация многоканального аналогово-цифрового преобразования;

- расширение линий ввода микропроцессорных систем;

- аналоговые схемы с переменной структурой и цифровым управлением, например, регулируемые фильтры, программируемые усилители и т.п.;

- коммутация аналоговых сигналов в аудиотехнике;

- схемы сканирования кнопок, переключателей и т.п. с малым числом линий управления и сканирования;

- большинство ключей выполняют функции как мультиплексора, так и демультиплексора за счет двунаправленности открытого канала, поэтому, для увеличения однотипности элементов. ?

Основными характеристиками коммутаторов являются сопротивление открытого канала, время задержки включения и выключения, а также коммутируемое напряжение.