Лекція 11. Комутатори аналогових сигналів

Пристрій аналогових ключів і комутаторів сигналів. Комутація сигналів є поширеним методом, за допомогою якого сигнали, що поступають від декількох джерел, об'єднуються в певному порядку в одній лінії. Після відповідної обробки ці сигнали за допомогою іншого комутатора можуть бути направлені в різні виконавчі пристрої. Впорядковане введення і висновок сигналів здійснюється, як правило, за допомогою адресації джерел і приймачів сигналів, а також пов'язаних з передачею сигналів комутаторів. Загальна структурна схема зв'язку джерел і приймачів сигналів через комутатор показана на рис. 11.1.

Комутатор складається з певним чином зв'язаних електронних ключів, виконаних на діодах або транзисторах. Ключі аналогових сигналів повинні забезпечити неспотворену передачу сигналів від джерел до приймачів. Проте в процесі передачі ключі можуть спотворити передаваний сигнал. Ці спотворення в першу чергу залежать від властивостей самих ключів, але також і від сигналів управління. Сигнали з кола управління можуть накластися на передаваючий сигнал інакше кажучи, можливі перешкоди з ланцюга управління на лінії передачі сигналів.

Звичайно пристрій управління комутатором є цифровим і діє або за наперед встановленою програмою, або під управлінням мікропроцесорів або МІНІ-ЕОМ. У останньому випадку програма управління комутатором може бути змінена. Для вибору певного ключа і призначення його функції (тобто включення або відключення) використовується адресний дешифратор команд. Окрім цього, при передачі сигналів можливі тимчасові затримки, пов'язані або з швидкодією самих ключів, або з швидкодією пристрою управління. І в тому, і в іншому випадку можливі втрати частин переданих сигналів або їх спотворення, наприклад, розтягання фронтів сигналів або зміна їх тривалості.

Для виключення втрат при передачі сигналів, а також для узгодження опорів джерел і приймачів сигналів до складу комутаторів можуть входити різні підсилювачі, що погоджують або нормують. Коефіцієнт передачі цих підсилювачів може бути або фіксованим, або встановлюваним за допомогою пристрою управління.

Якщо джерела і приймачі сигналів можуть мінятися місцями, то комутатор повинен бути двонаправленим, тобто забезпечувати передачу сигналів в обох напрямах. Така проблема виникає, наприклад, при записі аналогових сигналів в пристрої пам'яті, який в цьому випадку є приймачем інформації, і прочитуванням сигналів з пристрою пам'яті, який стає тоді джерелом сигналу.

Рис. 11.1. - Структурна схема комутації джерел і приймачів сигналів

Спрощені схеми ідеальних і реальних ключів в замкнутому і розімкненому станах приведені на рис. 11.2. Ці схеми відображають роботу ключів в статичному режимі і не можуть бути використані для аналізу перешкод з ланцюга управління або динамічних режимів самих ключів. Замкнутий ключ (рис. 11.2 а) має деякий внутрішній опір r₀, який не є постійним, а складним чином може залежати від струму i_x через ключ. Послідовно з опором діє джерело залишкової напруги е₀, яке в загальному випадку також залежить від струму.

Розімкнений ключ (рис. 11.2 б) можна замінити опором витоку r_з, і джерелом струму витоку i_з, які в загальному випадку можуть залежати від напруги на розімкненому ключі U_k.

Динамічні моделі ключів можуть включати різні паразитні місткості і індуктивності. За допомогою цих схем заміщення можливий аналіз швидкодії ключів або розрахунок комутаційних перешкод з кола управління. Індуктивності ключів можуть позначатися на досить високих частотах і, в основному, обумовлені їх висновками.

Як приклад на рис. 11.3 приведена схема ключа на польовому транзисторі з ізольованим затвором. Очевидно, що при подачі на затвор ключа імпульсного сигналу управління U_y перешкоди через паразитні місткості ключа С_зс і С_зі з'являтимуться на опорі відкритого ключа. Крім того, на проходження сигналу через ключ впливатимуть перехідні процеси в транзисторному ключі, розглянуті в Лекції

5.

При комутації джерела сигналу і навантаження можна використовувати як одиночні ключі, так і їх різні комбінації. Способи підключення джерела сигналу до навантаження залежать від властивості джерела сигналу і навантаження. На рис. 11.4 приведені чотири різні способи підключення сигналу до навантаження. Штриховими лініями на схемах показані елементи неідеального ключа, відповідні схемам заміщення, приведеним на рис. 11.2.

Якщо джерело сигналу має характеристики, близькі до характеристик ідеального джерела напруги (тобто має малий внутрішній опір r_i  R_H ), то для його комутації доцільно використовувати послідовний (рис. 11.4 а) або послідовнопаралельний ключ (рис. 11.4б). Якщо ж джерело сигналу має характеристики, близькі до характеристик ідеального джерела струму (тобто має малу внутрішню провідність gi<<Rн-1), то для його комутації краще використовувати паралельний ключ (рис. 11.4 в) або паралельно-послідовний ключ (рис. 11.4 г).

Рис. 11.2. - Схеми заміщення ключа в замкнутому стані (а) і розімкненому стані

(б)

Рис. 11.3. - Схема ключа на польовому транзисторі з ізольованим затвором (а) і його спрощена схема заміщення (б)

Погрішності, що вносяться кінцевими значеннями опорів ключа в замкнутому

і розімкненому стані для схеми, зображеної на рис. 11.4 а, визначаються формулами

Рис. 11.4. - Схеми підключення джерела сигналу до навантаження за допомогою

послідовного ключа (а), послідовно-паралельного ключа (б), паралельного ключа (в) і паралельно-послідовного ключа (г)

Аналогічним чином можна визначити погрішності для інших схем включення, приведених на рис. 11.4.

Діодні ключі застосовуються для точного і швидкого перемикання напруг і струмів. Схеми різних діодних ключів приведені на рис. 11.5. Двохдіодний ключ, приведений на рис. 11.5 а, за відсутності управляючої напруги замкнутий. При подачі на аноди діодів позитивної управляючої напруги діоди відмикаються і ключ замикається. Напруга зсуву такого діодного ключа визначається різницею прямих напруг на діодах D1 і D2. При підібраних діодах напруга зсуву лежить в межах 1... 5мВ. Час комутації визначається швидкодією діодів. Для діодних ключів звичайно використовуються діоди Шотки або кремнієві епітаксиальні діоди з тонкою базою. У цих діодах слабо виражені ефекти накопичення носіїв і їх інерційність в основному визначається перезарядом бар'єрної місткості. Диференціальний опір відкритого діодного ключа рівний сумі диференціальних опорів діодів і може лежати в межах від 1 до 50 Ом.

Основним недоліком такого ключа є пряме проходження струму управляючого сигналу через навантаження R_H і джерело сигналу е_с. Для зниження напруги перешкоди цю схему доцільно використовувати при малих опорах джерела сигналу і опору навантаження. Крім того, бажано збільшувати опір R_y для зниження струму в колі управління. Проте слід врахувати, що зниження струму управління приведе до збільшення диференціального опору діодів.

Для зниження перешкод з кола управління можна використовувати мостову схему, приведену на рис. 11.5 б. У цій схемі коло управління розв'язаний від кола передачі сигналу. Якщо напруга управління рівна нулю або має полярність, що замикає діодний міст, то ключ розімкнений. При позитивній полярності джерела управляючого сигналу ключ замикається, а струм управління проходить тільки через діоди і опір R_у . Враховуючи, що для ланцюга передачі сигналу діодні пари D1, D2 і D3, D4 включені назустріч, напруга зсуву також буде рівна різниці прямих падінь напруг на діодах, тобто приблизно рівна напрузі зсуву двохдіодного ключа.

Рис. 11.5. - Схеми діодних ключів на двох діодах (а), мостового (б) і на шести діодах (в)

Недоліком схеми, приведеної на рис. 11.5 б є відсутність загальної крапки у джерела сигналу і джерела управління. Схема, зображена на рис. 11.5 в, позбавлена цього недоліку. У цій схемі використовуються два симетричні джерела сигналів управління е_у1 і е_у2. Сигнали цих джерел підводяться до діодного моста через розділові діоди D5, D6. Для підтримки діодного моста в замкнутому стані за відсутності сигналів управління на нього подається через резистори R_y1 і R_y2 замикаюча напруга від джерел постійної напруги ±Е. У цій схемі, так само як і в попередній, забезпечується розв'язка джерела управління від ланцюга джерела сигналу.

Схеми двохдіодних ключів використані в мікросхемах діодних комутаторів серії 265ПП1 і 265ПП2. Ці комутатори відрізняються тільки полярністю управляючої напруги. Схема комутатора 265ПП2 приведена на рис. 11.6 а. Вона є семиканальним перемикачем із загальним сигналом управління. Мостові діодні ключі використані в інтегральних мікросхемах К252КТ1 і 265КН1. Спрощена схема одного ключа мікросхеми 252КТ1 приведена на рис. 11.6,. Живлення цієї мікросхеми здійснюється від двох джерел +Е і -Е з напругою 6 В. Кожний ключ цієї мікросхеми має напругу зсуву 3 мВ, час перемикання 40 нс, струм витоку Юна і опір в замкнутому стані близько 100 Ом.

Рис. 11.6. - Схема діодного комутатора 265ПП2 (а) і спрощена схема мостового діодного ключа чотирьохканального комутатора К252КТ1

Приведені вище мікросхеми діодних комутаторів є гібридними, в яких використані спеціальні діодні матриці, наприклад, матриця 2ДС408 або КДС523. Діоди таких матриць мають вельми малий розкид параметрів, що дозволяє одержати напругу зсуву менше 5 мВ. Власні місткості діодів матриць мають значення 1... 2 пФ, що дозволяє понизити імпульсні перешкоди від кіл управління. В даний час діодні комутатори витісняються досконалішими транзисторними ключами.

Ключі на біполярних транзисторах більш досконалі, ніж діодні ключі і значно частіше використовуються в електронних схемах. Простий ключ на одному біполярному транзисторі приведений на рис. 11.7 а. Він складається з ключового транзистора T1 і схеми управління на транзисторі T2. По структурі транзисторний ключ схожий на двохдіодний ключ, зображений на рис. 11.5 а. За відсутності струму бази T1 закритий і ключ розімкнений, а при протіканні через базу струму управління i_б>i_б.пac ключ замкнутий. В цьому випадку колекторний і емітерний переходи відкриті і діють так само, як відкриті діоди в схемі рис. 11.5 а.

Рис 11.7. - Схема простого (а) і компенсованого (б) транзисторних ключів

Деяка відмінність полягає в площах цих переходів, а отже, і в падіннях напруг на них. Різниця напруг на переходах створює напругу зсуву. Крім того, слід враховувати відмінність струмів в переходах, що також впливає на напругу зсуву. Ця напруга зсуву для ключів на одиночних транзисторах складає 0,1...0,2 В, а опір замкнутого ключа коливається від 10 до 100 Ом. Час перемикання залежить від ступеня насичення і для високочастотних транзисторів з тонкою базою звичайно не перевищує 0,1 мкс.

Для зниження напруги зсуви використовують інверсне включення транзистора, т. е_; напругу управління прикладають між базою і колектором. При цьому напруга зсуву можна знизити до 5... 10мВ. Схема транзисторного ключа з інверсним включенням транзистора приведена на рис. 11.7 б. У цій схемі для зниження залишкової напруги два інверсно включених транзистора T1 і T2 включені послідовно, що приводить до додаткового зниження залишкової напруги, яка буде рівна різниці напруг зсуву транзисторів T1 і T2. Такий транзисторний ключ називається компенсованим. Залишкова напруга компенсованих ключів лежить в межах 10... 50 мкВ. Недоліком компенсованих ключів є їх збільшений опір у включеному стані.

Іноді для створення компенсованих ключів використовують так звані двохемітерні транзистори. Такі транзистори у включеному стані мають достатньо малу залишкову напругу. Так, наприклад, двохемітерний транзистор КТ118 має залишкову напругу 0,1...0,2мВ, а компенсований транзисторний ключ КР162КТ1 має залишкову напругу 0,3 мВ.

Слід зазначити ще одну особливість ключа, приведеного на рис. 11.7 а. Якщо напруга управління рівна нулю, то транзистор T2 замкнутий і напруга джерела +Е через резистор R2 замикає транзистор T1. При позитивній напрузі на базі транзистора T2 база транзистора T1 через насичений транзистор T2 з'єднується із загальною шиною. В цьому випадку перехід колектор-база може бути відкритий тільки при позитивній напрузі на колекторі і, отже, такий ключ є однополярним.

У схемі компенсованого транзисторного ключа, приведеного на рис. 11.7 б, в початковому стані, коли управляючі напруги U_y1 і U_y2 рівні нулю, джерела постійної напруги Е1 і Е2 відмикають транзистори T3, T4 і діоди D1 і D2 відповідно. При цьому через діоди D1 і D2 бази транзисторів T1 і T2 замкнуті з їх колекторами і ключ виявляється розімкненим.

При замиканні діодів D1 і D2 від джерел U_y1 і U_y2 струм транзистора T3 проходить через відкриті переходи база-колектор ключових транзисторів T1, T2 і далі через транзистор 74 і джерело Е_г. В результаті обидва транзистори T1 і T2 опиняються в насиченому стані і ключ замикається. В результаті такий ключ буде двохполярним.

Компенсовані транзисторні ключі входять до складу різних мікросхем серій

124, 129, 162. Крім того, транзисторні ключі використовуються в оптронах типа АОТ122, АОТ126, АОТ128 і ін. Оптронні транзисторні ключі мають гальванічну розв'язку вхідного і вихідного кіл, проте у них вища залишкова напруга і вищий струм витоку в замкнутому стані.

Приклад двонаправленого транзисторного комутатора з нормуючими підсилювачами приведений на рис. 11.8. На ньому зображений фрагмент мікросхеми

КС1054ХА4, призначеної для двосторонньої передачі телевізійних відеосигналів. Напрям передачі визначається пристроєм управління комутуючими ключами.

Ключі на польових транзисторах з управляючими p-n-переходами і з ізольованим затвором в даний час набули переважне поширення в різних

інтегральних мікросхемах. Перш за все це пов'язано з такими достоїнствами цих ключів, як малі струми витоку, низьке споживання по колах управління, відсутність напруги зсуву, технологічність виробництва.

У аналогових ключах використовуються польові транзистори з каналами р- і nтипу. Проте, оскільки рухливість електронів більше рухливості дірок, той опір каналу у включеному стані у транзисторів з n-каналом нижчий. На швидкодію ключів істотним чином впливають перехідні процеси в транзисторах. В цьому відношенні переважне застосування знаходять польові транзистори з ізольованим затвором, паразитні місткості у яких менше. Найбільше поширення набули ключі на комплементарній (узгодженої) парі польових транзисторів, один з яких має канал pтипу, а інший - канал n-типу.

Особливістю ключів на польових транзисторах з ізольованим затвором є сильна залежність опору відкритого каналу від комутованого сигналу, що приводить до модуляції провідності каналу вхідним сигналом і виникненню додаткових нелінійних спотворень. Для зниження спотворень, викликаних модуляцією провідності каналу, в таких ключах обмежують рівень вхідних сигналів і

використовують порівняно великий опір навантаження ключа. Аналогічний ефект є і в польових транзисторах з управляючим p-n-переходом, проте для його зниження на затвор подають сигнал управління, залежний від вхідного сигналу.

На рис. 11.9 а приведена схема ключа на польовому транзисторі T1 з управляючим p-n-переходом і каналом p-типу. Схема управління ключем виконана на транзисторі T2, а її живлення виробляється від джерела напруги Е. Діод D необхідний для того, щоб напруга затвор - витік залишалося рівним нулю при будьяких значеннях вхідних сигналів. Для виключення модуляції провідності каналу вхідним сигналом затвор через опір R3 пов'язаний з напругою джерела сигналу е_с. Пристрій управління працює таким чином. Якщо напруга управління рівна нулю, то транзистор T2 замкнутий і напруга +Е через опір R2 і діод D підводиться до затвора транзистора T1, замикаючи його. В результаті цього ключ буде замкнутий. Якщо напруга управління включає транзистор T2, то анод діода D через насичений транзистор T2 з'єднується із загальною шиною, внаслідок чого напруга на затворі T1 знижується майже до нуля і транзистор T1 відмикається, що еквівалентне замиканню ключа.

Рис. 11.8. - Використовування транзисторних ключів з нормуючими підсилювачами в мікросхемі КС1054ХА4

Рис. 11.9. - Схема ключа на польовому транзисторі з керівником p-n-переходом (а) і з ізольованим затвором (б)

Ключі на польових транзисторах з керівником p-n-переходом входять до складу мікросхем ряду серій: 284, КР504 і ін. Так, наприклад, мікросхема 284 КН1 містить три ключі на польових транзисторах з управляючим p-n-переходом і каналом n-типу. Кожен ключ має наступні параметри: опір замкнутого ключа 250 Ом, струм

витоку 10 нА, максимальна частота комутації 1 Мгц.

Ключі на польових транзисторах з ізольованим затвором і індукованим каналом р- і n-типа одержали найширше розповсюдження при створенні комутаторів. Основною особливістю цих ключів є те, що в початковому стані при нульовій напрузі на затворі вони замкнуті. Збагачення каналу носіями зарядів відбувається тільки при подачі на затвор напруги, що перевищує порогову напругу. Струми витоку ПТІЗ визначаються струмами, які протікають в закритому транзисторі від витоку і стоку до підкладки і мають значення 1... 10 нА при нормальній температурі. З підвищенням температури вони поводяться як зворотні струми p-n-переходів, тобто експоненціально збільшуються. Опір між затвором і іншими електродами в ПТІЗ досягає дуже великого значення: 1011... 1013 Ом, що при малій товщині діелектрика під затвором (близько 1 мкм) приводить до необхідності захисту від статичної електрики. Одним з таких заходів є установка захисних стабілітронів або діодів між затвором і каналом, проте це приводить до збільшення струму витоку затвора, особливе з підвищенням температури.

Схема простого ключа на польовому транзисторі з ізольованим затвором і каналом p-типу приведена на рис. 11.9 б. Для відмикання ключового транзистора Т на його затвор необхідно подати напругу негативної полярності, перевищуюче порогову напругу U_поp. Для замикання ключового транзистора Т напруга на затворі повинна бути позитивною (або рівним нулю). Пристрій управління для схеми, зображеної на рис. 11.9 б, виконаний на компараторі напруги Д_о (або операційному підсилювачі). Якщо напруга управління рівна нулю, то на виході компаратора буде позитивна напруга, близька по значенню до напруги живлення Е. При позитивній управляючій напрузі компаратор перемикається і на його виході з'являється

негативна напруга, також близька до напруги живлення Е.

Ключі на ПТІЗ з каналом p-типу випускаються як у вигляді окремих елементів, так і у складі складних комутаторів. Так, наприклад, мікросхеми серії 168 містять здвоєні ключі без схем управління типу 168КТ2. Такі ключі мають порогову напругу від 3 до 6 В, прямий опір не більш 100 Ом, час включення і виключення близько 0,3...0,5мкс. Відсутність в цій мікросхемі пристроїв управління ускладнює її застосування.

У серії К547 є чотирьохканальний перемикач К547КП1, аналогічний

мікросхемі 168КТ2. По основних параметрах цей перемикач близький до мікросхеми К168КТ2.

Окрім окремих транзисторів як ключі широке поширення набули схеми, що містять паралельне з'єднання двох ПТІЗ з різним типом провідності каналу (комплементарні транзистори). У таких ключах усунене багато недоліків ключів на одиночних транзисторах: усунена модуляція опору каналу вхідним сигналом, понижені перешкоди з кола управління, понижено опір ключа у відкритому стані і зменшений струм витоку. Схема ключа на комплементарних транзисторах приведена на рис. 11.10 а. Для одночасного перемикання транзисторів з включеного стану

Рис. 11.10. - Схема ключа на комплементарних транзисторах (а) і залежність його

опору у відкритому стані від вхідної напруги (б)

у вимкнений сигнал управління подається на затвор одного транзистора безпосередньо, а на затвор іншого - через інвертування.

При збільшенні вхідної напруги опір р-канального транзистора збільшується, а n-канального транзистора зменшується. В результаті паралельне з'єднання цих транзисторів має майже незмінний опір r₀ у відкритому стані, як показано на рис. 10.11 б. Оскільки транзистори ключа управляються сигналами протилежної полярності, то імпульси перешкод взаємно компенсуються, що дозволяє понизити рівень вхідних сигналів.

Ключі на комплементарних транзисторах широко використовуються в інтегральних мікросхемах. Вони входять до складу мікросхем серії К590, К591, К176, К561 і 1564. Їх опір у відкритому стані лежить в межах 20... 100 Ом, вони мають час включення від 10 до 100нс, забезпечують вихідний струм до 10 мА і споживають по колу живлення потужність менше 1 мкВт.

Як приклад на рис. 11.11 б приведена структурна схема системи збору даних AD7890 фірми «Analog devices». Вона містить пристрої масштабування сигналів

(МУ), восьмиканальний мультиплексор, пристрій вибірки і зберігання (УВХ), аналого-цифровий перетворювач (АЦП), джерело опорної напруги (ІОН) і швидкий послідовний інтерфейс сполучення з мікропроцесором.

Рис. 11.11. - Спрощена схема мультиплексора (а) і мікросхема збору даних AD7890 фірми «Analog devices» (б)

Мультиплексор, що входить в систему, працює під управлінням мікропроцесора через систему послідовного інтерфейсу. Оскільки вихід мультиплексора не підключений до решти вузлів мікросхеми, то між виходом мультиплексора і входом УВХ можна включати різні пристрій, наприклад, фільтри або формувачі сигналів.