3.3. Аналоговые коммутаторы

Сравнение ранее рассмотренных схем показывает, что ключи на полевых транзисторах являются единственными ключами, у которых практически отсутствует остаточное напряжение. Благодаря этому они особенно подходят для реализации прецизионных коммутаторов аналоговых сигналов.

Их существенным недостатком является относительно большая величина выходного сопротивления. Эта величина может быть уменьшена путем последовательного с ключом включения повторителя на операционном усилителе с заданным коэффициентом усиления. Использование операционного усилителя обеспечивает и другие эксплуатационные преимущества. Схема аналогового коммутатора с операционным усилителем приведена на рис. 3.16.

Рис. 3.16

Полевой транзистор VT1, исполняющий роль последовательного ключа (рис.3.9), подключен к входу операционного усилителя в инвертирующем включении. При этом потенциал истока полевого транзистора VT1 практически равен нулю. Величина ограничивающего сопротивления R₁ рассчитывается так, чтобы падение напряжения на открытом транзисторе VT1 было незначительным. В таком режиме работы потенциалы стока и истока VT1 близки к нулю, и полевой транзистор VT1 при U_упр=0 окажется открытым вне зависимости от величины входного напряжения.

Если транзистор VT1 закрыть, потенциал его стока возрастет. В зависимости от знака входного напряжения откроется либо диод VD1, либо диод VD2. Отрицательное управляющее напряжение, запирающее транзистор VT1, должно по абсолютной величине лишь незначительно превышать величину порогового напряжения. Благодаря этому передаваемые на выход схемы через проходную емкость транзистора импульсы управляющего напряжения оказываются достаточно малыми.

Так как величины падения напряжения на полевом транзисторе VT1 в обоих его состояниях невелики, то при соответствующем выборе R₁ можно коммутировать входные сигналы практически любой амплитуды.

С помощью сопротивления R₂ устанавливается требуемый коэффициент усиления по напряжению.

Транзистор VT2, работающий в режиме постоянно замкнутого ключа, подбирается максимально идентичным по параметрам транзистору VT1 и устанавливается с целью практически полной компенсации статической погрешности.

К суммирующей точке операционного усилителя можно подключить еще несколько идентичных коммутаторов на полевых транзисторах (рис. 3.17). Полученная при этом схема называется аналоговым мультиплексором.

При построении аналогового мультиплексора для определения допустимого количества n каналов необходимо учитывать:

- наличие межканальной емкости и собственной емкости операционного усилителя, которые ухудшают динамические свойства ключей, увеличивая время переключения;

- наличие токов утечки, за счет чего при разомкнутых ключах возможно появление выходного сигнала, сравнимого по величине с полезным сигналом.

Рис. 3.17

Аналоговый коммутатор с памятью

При сборе аналоговой информации и ее последующем преобразовании в цифровую часто бывает необходимо зафиксировать значение аналоговой переменной в некоторый момент времени. Это вызвано тем, что некоторые устройства могут давать непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования.

Если выходное напряжение аналогового коммутатора в состоянии «включено» точно равно входному напряжению, а в состоянии «выключено» выходное напряжение остается равным тому, каким оно было в момент выключения, то такой аналоговый коммутатор называется аналоговым коммутатором с памятью или устройством выборки – хранения (УВХ). Эти устройства входят в состав аналого-цифровых преобразователей, могут выполняться с использованием операционных усилителей или в виде отдельной интегральной микросхемы (например, КР1100СК2).

В качестве запоминающего элемента в УВХ используется конденсатор. Работа УВХ состоит из двух этапов. На этапе выборки через замкнутый последовательный ключ конденсатор заряжается до величины входного напряжения. На этапе хранения при разомкнутом ключе напряжение на конденсаторе остается неизменным, если будет отсутствовать разрядный ток утечки.

В режиме выборки основным параметром УВХ является время выборки. Временем выборки называется интервал времени, в течение которого образуются выборочные значения напряжения на запоминающем конденсаторе.

В режиме хранения основным параметром УВХ является скорость изменения выходного напряжения, которая характеризует погрешность УВХ в режиме хранения. Обычно этот параметр определяется скоростью разряда запоминающего конденсатора , где - суммарный ток утечки. Спад выходного напряжения определяет время хранения напряжения с заданной погрешностью.

Время выборки зависит в основном от скорости заряда запоминающего конденсатора. Поэтому чем меньше емкость запоминающего конденсатора и меньше сопротивление цепи заряда, тем меньше время выборки. Однако при малой емкости запоминающего конденсатора уменьшается время хранения, так как происходит быстрая потеря заряда за счет разряда запоминающей емкости токами утечки. В этом случае компромиссным решением является применение двухкаскадных УВХ (рис. 3.18).

В этой схеме УВХ1 является быстродействующей устройством с малым временем выборки, что обеспечивается относительно небольшой емкостью конденсатора С₁. УВХ2 обеспечивает большое время хранения за счет установки конденсатора С₂, имеющего существенно большую емкость.

Рис. 3.18

При переходе от режима выборки к режиму хранения основными параметрами УВХ являются: апертурное время и погрешность переключения. Апертурное время представляет собой интервал времени, в течение которого сохраняется неопределенность между образовавшимся выборочным значением сигнала и моментом времени к которому оно действительно относится. Это время иногда называют апертурной задержкой. Переход от режима выборки к режиму хранения происходит при подаче соответствующего сигнала управления. Этот сигнал управления через паразитные емкости наводит помехи на запоминающий конденсатор и изменяет результат выборки. Это изменение результата выборки называется погрешностью переключения.

При переходе от режима хранения к режиму новой выборки основным параметром является время установления, которое характеризует длительность переходного процесса, после поступления управляющего сигнала, разрешающего выборку.

Таким образом, основными требованиями, которым должна отвечать схема УВХ, являются:

- минимальное время выборки, обеспечиваемое при сопротивлении источника входного сигнала и сопротивлении замкнутого ключа, равном нулю;

- максимальное время хранения, обеспечиваемое бесконечно большим сопротивлением разомкнутого ключа.

В связи с этим для реализации базовой схемы УВХ целесообразно использовать для коммутации запоминающей емкости последовательный ключ на полевом транзисторе (рис. 3.9), на входе и выходе которого установлены операционные повторители. Такая схема УВХ приведена на рис. 3.19.

Рис. 3.19

Первый повторитель на операционном усилителе DA1 устраняет влияние сопротивления источника входного сигнала на заряд запоминающей емкости в режиме выборки. Второй повторитель на DA2 устраняет влияние сопротивления нагрузки на разряд запоминающей емкости в режиме хранения. Кроме того, для уменьшения токов утечки в качестве DA2 следует выбирать операционный усилитель, у которого входной каскад выполнен на полевых транзисторах.

Уменьшение погрешностей, обусловленных наличием операционных усилителей (смещение нуля, дрейф входного тока, температурный и временной дрейфы) осуществляется введением общей отрицательной обратной связи (рис. 3.20), охватывающей всю схему – с выхода DA2 на вход DA1.

Рис. 3.20

Когда ключ находится в состоянии «включено», потенциал выхода DA1 устанавливается таким, что U_вх=U_вых. При этом напряжение смещения, возникающее из-за наличия ключа и операционного усилителя DA2, сводится к нулю. Диоды VD2 и VD3 в этом состоянии схемы заперты. При запирании ключа выходное напряжение остается неизменным. Резистор R₁ и диоды VD2 и VD3 предотвращают насыщение операционного усилителя DA1 в этом состоянии схемы. Эта цепь необходима для того, чтобы нормировать время выборки при замыкании ключа.