Глава 3. Аналоговые ключи и переключатели

3.1. Аналоговые ключи

В отличие от цифровых ключей аналоговые ключи коммутируют сигналы с неограниченным множеством значений токов и напряжений. Если аналоговый ключ находится в замкнутом состоянии, его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному, если ключ находится в разомкнутом состоянии, выходное напряжение должно равняться нулю. Формально операция коммутации аналогового сигнала может быть определена как операция умножения аналогового сигнала A(t) на функцию двоичной логики, принимающую значения 0 или 1.

К аналоговым ключам предъявляются такие же требования, как и к цифровым ключам: малое сопротивление в открытом состоянии и большое сопротивление в закрытом состоянии, малое время включения и выключения, небольшая потребляемая цепями управления мощность. Кроме указанных, к аналоговым ключам предъявляются жесткие требования по вносимым нелинейным, частотным и фазовым искажениям, а также динамическому диапазону коммутируемых сигналов.

Существуют различные схемные решения аналоговых ключей. Их принцип действия на примере механических переключателей приведен на рис. 3.1.

а	б	в
Рис. 3.1

На рис. 3.1а показан последовательный ключ. Пока контакт замкнут, U_вых=U_вх. Когда контакт размыкается, выходное напряжение становится равным нулю. Все это справедливо только для идеального ненагруженного ключа. Для неидеального нагруженного ключа имеет место статическая погрешность, вносимая конечными сопротивлениями ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях, и динамическая погрешность, обусловленная наличием различных емкостей, в результате чего статические состояния U_вых=U_вх и U_вых=0 достигаются не мгновенно.

У схемы параллельного ключа (рис. 3.1б) отсутствует статическая погрешность и значительно меньше динамическая погрешность.

Последовательно-параллельный ключ (рис. 3.1в) обладает преимуществами обеих схем.

На рис. 3.2 представлена схема последовательного аналогового ключа, выполненная на биполярном транзисторе. Чтобы перевести этот транзистор в режим отсечки, необходимо приложить отрицательное управляющее напряжение. Оно должно быть большим по абсолютной величине, чем максимальное напряжение отсечки.
	Рис. 3.2

Чтобы открыть транзистор, на его вход надо подать управляющее напряжение большее, чем напряжение отсечки на величину ΔU=I_бR_б. При этом переход коллектор-база откроется, и транзистор будет работать как ключ в инверсном включении. Недостатком схемы является протекание базового тока транзистора через цепь источника входного сигнала. Чтобы это не сказывалось на работе схемы, внутреннее сопротивление источника входного сигнала должно быть достаточно малым. Если выполняется это условие, то схема оказывается пригодной и для положительного входного напряжения. При этом ток эмиттера открытого транзистора будет положительным, что уменьшает напряжение смещения. При определенном значении тока эмиттера оно может даже равняться нулю. В этом режиме работы схема представляет собой насыщенный эмиттерный повторитель. Для управляющего напряжения, величина которого лежит в пределах от нуля до U_вх, она работает как эмиттерный повторитель сигнала U_упр.

Применение биполярного транзистора в качестве параллельного ключа показано на рис. 3.3 и 3.4.

		В схеме на рис. 3.3 транзистор работает в прямом включении, а в схеме на рис. 3.4 – в инверсном включении.
Рис. 3.3	Рис. 3.4

Чтобы транзисторная цепь была достаточно низкоомной, необходимо поддерживать базовый ток в пределах нескольких миллиампер. Токи коллектора и эмиттера не должны превышать этих значений, тогда остаточные напряжения будут малы.

Если совместить насыщенный эмиттерный повторитель (рис. 3.2) и параллельный ключ, представленный на рис. 3.4, получится последовательно-параллельный ключ, имеющий в обоих рабочих состояниях малое напряжение смещения. Недостатком его является необходимость наличия комплементарных управляющих сигналов.

Более простое управление можно обеспечить, если применить комплементарный эмиттерный повторитель (рис. 3.5), который работает в режиме насыщения в обоих направлениях. Для этого необходимо обеспечить выполнение условий Uупр макс>Uвх и Uупр мин<0.
	Рис. 3.5

Благодаря низкому выходному сопротивлению в обоих режимах схема реализует высокую скорость коммутации выходного напряжения.

С целью уменьшения статической погрешности (падения напряжения на открытом ключе) используется последовательное включение одинаковых транзисторов.

Промышленность выпускает интегральные схемы, содержащие пары транзисторов, предназначенные для такого использования. Принципиальная схема интегральной микросхемы 101КТ1 приведена на рис. 3.6.
	Рис. 3.6

Схема аналогового ключа на основе такой микросхемы приведена на рис. 3.7

	В этой схеме входной сигнал может быть постоянным любой полярности или переменным. Управляющий сигнал подается через трансформатор. Пусть в некоторый момент времени имеют место те полярности входного напряжения
Рис. 3.7

и напряжения на вторичной обмотке трансформатора, которые указаны без скобок. Тогда оба транзистора открыты. Транзистор VT1 включен по схеме с общим коллектором и в режиме насыщения U_кэ1<0. Транзистор VT2 включен по схеме с общим эмиттером в инверсном режиме, для которого U_кэ2>0. Таким образом, остаточные напряжения на транзисторах будут взаимно компенсироваться. Поэтому такие аналоговые ключи называют компенсированными. Благодаря этому общее падение напряжения на открытом ключе оказывается очень малым. Для указанной микросхемы это напряжение не более 100 мкВ. В случае такой полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, которая указана в скобках, ключ будет закрыт. В этом состоянии для данной микросхемы ток утечки не более 40 нА.

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. На рис. 3.8 изображена схема последовательного ключа на полевом транзисторе.

	Если в этой схеме управляющее напряжение установить меньшим, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере на величину порогового напряжения, полевой транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю.
Рис. 3.8

Если необходимо, чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор-исток следует поддерживать равным нулю. Это условие не так просто реализовать, так как потенциал истока не является неизменным. Один из возможных методов иллюстрируется на рис. 3.9.

	Если управляющее напряжение установить большим, чем максимально возможное входное напряжение ключа, диод VD закроется и напряжение затвор-исток будет, как это и требуется, равным нулю.
Рис. 3.9

При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод VD будет открыт, а полевой транзистор VТ 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 ключа 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 ключа зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа 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 схеме ключа с МОП-транзистором отпадает необходимость в диоде VD 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 (рис. 3.10).
	Рис. 3.10

Для того, чтобы перевести ключ в состояние «включено», нужно приложить к затвору нормально открытого МОП-транзистора VT1 положительное управляющее напряжение, равное по меньшей мере удвоенному пороговому напряжению, а к затвору транзистора VT2 – такое же напряжение, но противоположное по знаку. При малых величинах входного напряжения оба МОП-транзистора будут открыты. Если входное напряжение вырастет до значительного положительного уровня, величина напряжения затвор-исток VT1 уменьшится, а внутреннее сопротивление VT1 увеличится. Это обстоятельство, однако, несущественно, поскольку одновременно увеличится напряжение затвор-исток VT2 и уменьшится внутреннее сопротивление VТ2. При отрицательных значениях входного напряжения транзисторы VT1 и VT2 меняются ролями. Для того, чтобы перевести ключ в состояние «выключено», необходимо изменить полярность управляющего напряжения.

При смене полярности управляющего напряжения через проходную емкость затвор-канал на выход схемы ключа передается короткий импульс напряжения, который представляет собой помеху особенно при малых уровнях коммутируемого напряжения. Чтобы амплитуда импульса помехи была незначительной, управляющее напряжение не должно быть слишком большим. Кроме того, желательно ограничить скорость изменения управляющего напряжения. Полезно также использовать низкоомные источники входного сигнала. Частоты переключения рассматриваемого ключа невелики.