2.2 Аналоговые мультиплексоры

Хорошим приложением ключей на полевых транзисторах являются мультиплексоры - схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Такие устройства входят в состав систем сбора данных микропроцессорных регуляторов промышленных и транспортных объектов. Аналоговый сигнал с выбранного входа будет прямо проходить на выход. На рисунке 22 в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора из четырех направлений в одно.

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", то есть сигнал может быть подан на вход мультиплексора и снят с избранного выхода.

а – схема мультиплексора, б – условное обозначение.

Рисунок 22 – Схема аналогового мультиплексора и ее условное

обозначение

2.3 Статические характеристики коммутаторов

Сопротивление в открытом состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (например, плюс 15 В), будут иметь малые значения R_o во всем диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа R_o будет расти, и максимум его имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания.

На рисунке 23 приведены зависимости R_o ключа микросхемы коммутатора MAX312 от напряжения входного сигнала при однополярном питании. При уменьшении U_пит сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается (особенно вблизи точки U_вх = U_пит/2). Это объясняется тем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжение составляет несколько вольт, и для достижения малых значений R_o требуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 10 В. Сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близкое к 10 Ом, при Uпит=2,7 В достигает 700 Ом.

Рисунок 23 - Зависимости Ro КМОП-ключа от входного напряжения при

однополярном включении.

Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых коммутаторов применяют, чтобы сохранить значение Ro малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входных сигналов. Это нужно для уменьшения нелинейных искажений входного сигнала. Для этого схему управления ключом выполняют таким образом, чтобы напряжение n-подложки "следило" за напряжением входного сигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышенной крутизной позволяет построить коммутаторы с весьма малым Ro при низком питающем напряжении. Так например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5 В имеет сопротивление R_o не более 2,5 Ом. На рисунке 24 приведены зависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений при однополярном (а) и разнополярном (б) питании.

а – однополярное включение, б – разнополярное включение.

Рисунок 24 – Графики зависимостей Ro ключа ИМС MAX391 от входного

напряжения для различных значений питающего напряжения

Применение КМОП логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект - в покое эти микросхемы практически не потребляют энергии.

Ток утечки канала. В закрытом состоянии канал МОП-ключа обладает очень высоким динамическим сопротивлением (до сотен ГОм) при напряжении сток-исток более 0,1 В. Поэтому его принимают источником тока с током I_ут. Направление протекания тока утечки через закрытый КМОП-ключ определяется полярностью приложенного напряжения. Типичное значение Iут для широкой номенклатуры аналоговых ключей и мультиплексоров составляет величину порядка 1 нА. Однако выпускаются и ключи с пониженным током утечки. Например у одноканального ADG431 типичный ток утечки 0,05 нА. При очень низких напряжениях на закрытом ключе сопротивление канала уменьшается, но остается все-таки весьма высоким.

3 ОБОСНОВАНИЕ СЕМИСЕКЦИОННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ПРИВОДА

3.1 Конструкция электромагнитного привода

Электромагнитная генерирующая оболочка представляет собой пространственно распределенный генератор электромагнитных полей, который используется для управления принципиально новыми элементами аппарата «Искусственное сердце», а именно гидропульсатором и клапаном с магнитно-жидкостными сенсорами. При этом важным является анализ взаимодействия перекрестных управляющего электромагнитного поля и гидродинамического поля с упругооболочечным сенсором, заполненном магнитной жидкостью.

Исполнительный элемент аппарата состоит из гидропульсатора и двух электромагнитных клапанов. При поочередной подаче напряжения на катушки, внутри цилиндра возникает двигающая сила, выталкивающая рабочее тело из цилиндра. Базовая конструкция представлена на рисунке 25.

От силового блока питания

2

К микроконтроллеру

1 – исполнительный элемент волнового типа; 2 – исполнительные элементы

клапанного типа

Рисунок 25 – Базовая конструкция электромагнитного привода

Исполнительный элемент волнового типа выполнен в виде пятисекционной многослойной цилиндрической катушки размером 100х40 мм, представленной на рисунке 26.

Рисунок 26 – Базовая конструкция волнового исполнительного элемента

Размеры катушки подобраны с учетом возможности установки внутри рабочего тела – магнитожидкостного сенсора. Диаметр рабочего тела , тогда рабочий объем исполнительного элемента

, (1)

где Н=100 мм – длина элемента,

R_иэ=20 мм – радиус исполнительного элемента,

R_рт=5 мм – радиус рабочего тела,

- объем исполнительного элемента.

Получаем объем выброса, равный объему исполнительного элемента

В результате проведения экспериментов подобран диаметр провода обмотки катушки. Экспериментально установленный диаметр составил 1мм.

Допустимая сила тока I = 10,2 А. Полученный параметр соответствует табличным. Зависимость наибольшего допустимого тока от площади поперечного сечения представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Допустимые токи нагрузки медных проводов

Параметр	Сечение провода, мм2
	0,05	0,07	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,7	1	1,5	2	2,5	4	6	11
Наибольший допустимый ток, А	0,7	1	1,3	2,5	3,5	4	5	7	10	14	17	20	25	30	54

Для перемещения эквивалента магнитожидкостного сенсора внутри исполнительного механизма достаточно, чтобы каждая секция катушки состояла из 200 витков.

В качестве базовой конструкции электромагнитного односекционного исполнительного элемента выбрана цилиндрическая многослойная катушка размера 20 на 40 мм, аналогичная катушкам, используемым в конструкции исполнительного элемента волнового типа. Базовая конструкция представлена на рисунке 27.

Рисунок 27 – Базовая конструкция исполнительного элемента

Параметры катушки: диаметр рабочего тела , U = 12 В, Н =20 мм, R_иэ = 20 мм, R_рт = 5 мм, D_сл = 40 мм, l =125,6 мм, n = 200 , I = 9 А, lc = 20мм, =100350 мкГн.

Рабочий объем исполнительного элемента с учётом данных параметров:

,

Диаметр провода обмотки катушки составляет также 1 мм.