16.1. Общие сведения
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 же коммутатор находится в состоянии «выключено», выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю.
Существуют различные схемные решения коммутаторов, удовлетворяющие указанным условиям. Их принцип действия показан на Рис. 7.1 на примере механических (контактных) переключателей.
Рисунок 16.1.Схемы механических коммутаторов: а - последовательный, б - параллельный, в -последовательно-параллельный.
На Рис. 16.1, а представлен последовательный коммутатор. Пока контакт замкнут, 
. 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 
делится между этим сопротивлением и резистором R. Поэтому эту 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 падает до нуля не мгновенно.
В схеме параллельного коммутатора (Рис. 16.1 б) 
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.7.1в, объединяет достоинства двух предыдущих схем. В положении 1 он имеет выходное сопротивление, равное выходному сопротивлению источника сигнала, и при его малой величине коммутатор обладает коэффициентом передачи близким к 1 и малым временем установления выходного напряжения при заметной емкости нагрузки. В положении 2 его выходное напряжение и выходное сопротивление равны нулю, что обеспечивает практически мгновенный разряд емкости нагрузки.
16.2. Электронные коммутаторы
Разновидности аналоговых коммутаторов, показанные на Рис. 7.1, могут быть реализованы на электронных элементах с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие не идеальности они вносят ряд статических и динамических погрешностей в коммутируемые сигналы. В числе основных источников погрешностей электронных аналоговых коммутаторов можно назвать следующие:
· проходное сопротивление электронного ключа не равно нулю во включенном состоянии и, конечно, в выключенном;
· наличие не равного нулю остаточного напряжения на замкнутом ключе при нулевом коммутируемом сигнале;
· нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) как на сигнальном, так и на управляющем входах;
· взаимовлияние управляющего и коммутируемого сигналов;
· наличие целого ряда паразитных емкостей, одни из которых приводят к ослаблению высокочастотных составляющих коммутируемого сигнала при замкнутом ключе, другие — к просачиванию коммутируемого сигнала на выход при разомкнутом ключе, и, наконец, третьи обуславливают дополнительные связи между каналами, а также между управляющими и сигнальными цепями;
· ограниченный динамический диапазон коммутируемых токов и напряжений.
Ключи на биполярных транзисторах и в особенности на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы мВ, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов (менее 100 мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие (время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нс) и применяются для построения сверхскоростных коммутаторов. В менее быстродействующих коммутаторах гораздо шире применяются ключи на полевых транзисторах.
16.3. Промышленные аналоговые коммутаторы
Простейшие коммутаторы.
Промышленность в настоящее время выпускает большое количество типов микросхем, содержащих несколько отдельных, не связанных между собой коммутируемых каналов (ключей). Основные производители аналоговых коммутаторов — это фирмы Analog Devices и Maxim (в России - НПО «Светлана»). Для низкочастотных применений обычный состав микросхемы - четыре ключа, каждый из которых соединяет или разъединяет две цепи (single pole/single throw, SPST — однополюсный переключатель на одно направление). Как правило, при нулевом уровне на управляющих входах эти 4 ключа либо все нормально замкнуты, либо все нормально разомкнуты, либо два из них нормально замкнуты, а два других нормально разомкнуты. Пример - серия МАХ391/2/3/5: МАХ391 — 4 нормально замкнутых (normally closed, NC) ключа, МАХ392 — 4 нормально разомкнутых (normally opened, NO) ключа, в составе МАХ393 два нормально замкнутых и два нормально разомкнутых ключа, МАХ395 — 8 нормально разомкнутых (N0) ключей.
Другой вариант многоканального коммутатора - в одном корпусе несколько переключателей, каждый из которых в зависимости от уровня управляющего сигнала соединяет одну цепь с одной из двух других цепей (single pole/dual throw, SPDT - однополюсный переключатель на два направления). Например, ADG749 содержит на кристалле один переключатель с типичным 
= 4 Ом, а МАХ394 - четыре переключателя с типичным 
= 17 Ом.
Применение аналоговых коммутаторов в составе микропроцессорной системы делает желательным управление ими от системной шины. В этом случае в состав микросхемы коммутатора должен входить регистр для приема и хранения цифровой информации о состоянии ключей. При этом возможна как параллельная, так и последовательная загрузка данных в регистр. Примером коммутаторов с параллельной загрузкой могут служить 4-канальные ADG222 или 590КН12. Эти коммутаторы содержат четыре нормально разомкнутых ключа и 4-разрядный регистр хранения. По активному уровню сигнала записи W 4-разрядное слово данных, управляющее ключами, загружается в регистр.
Рисунок 16.2. Схема 8 – канального коммутатора ADG715 с последовательным управлением по шине 
Увеличение числа ключей в одном корпусе требует применения корпусов с большим числом выводов для управляющих входов, усложняет трассировку чипа и платы. В связи с этим оказывается удобным применить коммутаторы с управлением по последовательному интерфейсу. Это позволяет существенно упростить подключение коммутаторов к управляющему микроконтроллеру. Типичные примеры таких устройств - 6 - канальные MAX4562/3 и 8 - канальные ADG714/5.Коммутаторы MAX4652 и ADG715 из этих семейств имеют двухпроводный цифровой интерфейс ( – совместный), а MAX4653 и ADG714 – трехпроводный ( SPI/QSPI, MICROWIRE-совместимый). На Рис. 7.5 представлена функциональная схема коммутатора ADG715.
Он содержит восемь двунаправленных ключей с типичными =2.5 Ом и токами утечки в закрытом состоянии 0.01 нА, а также управляющую логику, в состав которой входит сдвиговый регистр.
Микросхема ADG715управляется от двухпроводной последовательной шины как ведомое устройство. На вход SCL поступают тактовые импульсы, а на SDA – 8 – разрядное слово данных. ADG715 имеет 7-разрядный адрес. Пять старших значащих разрядов (MSB) определяют номер коммутируемого канала, а два младших разряда (LSB) – адрес микросхемы. Для установления адреса микросхемы служат выводы 
и 
, которые подключаются к шине питания (тогда 
) или к общей шине (тогда 
).Таким образом, по двум линиям интерфейса можно адресовать четыре микросхемы, управляя состояниями 8 
4=32 ключей.
Двухпроводный последовательный интерфейс шины по протоколу I2C работает следующим образом ( Рис 16.3):
Рисунок 16.3. Диаграммы управления коммутатором ADG715 по двухпроводной последовательной шине 
Управляющее устройство (мастер) инициализирует передачу данных, генерируя стартовый бит путем перевода линии SDA из 1в 0 при высоком уровне тактовой линии SCLL. Далее передается адресный байт, который состоит из 7- разрядного адреса ведомого устройства, сопровождаемого R/W – битом (этот бит определяет, будут ли данные читаться из ведомого устройства или будут записываться в него). Ведомый, чей адрес соответствует переданному адресу, отвечает, устанавливая на выводу SDA низкий уровень в течение девятого синхронизирующего импульса (сигнал подтверждения, АСК). На этой стадии все другие устройства на шине остаются незанятыми, в то время как выбранное устройство ждет данные, которые будут записаны в или прочитаны из последовательного регистра. Если бит 
, мастер осуществляет запись в ведомое устройство (именно этот режим иллюстрируется Рис. 16.3), в противном случае мастер считывает содержимое регистра.
Данные передаются по линии SDA в виде последовательности синхронизируемых импульсов (8 информационных битов, сопровождаемых битом подтверждения). При передаче данных изменения на линии SDA могут происходить только при низком уровне сигнала SCL; в течение полупериода с высоким уровнем сигнала SCL состояние линии SDA не меняется.
После передачи или чтения данных мастер останавливает процесс путем перевода линии SDA из низкого в высокое состояние, в то время как сигнал SCL имеет высокий уровень (команда «Стоп»).
Микросхема 8-канального коммутатора ADG715 обладает функцией повторной записи, которая создает дополнительное удобство пользователю. Пусть в некоторый момент времени требуется изменить состояния ключей только одной из микросхем. Тогда, если не было команды «Стоп», при повторных обращениях к этой микросхеме можно передавать только байт данных, который снова изменит состояние ключей и так далее.
Аналоговые мультиплексоры.
Хорошим применением 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. На выход мультиплексора будет проходить аналоговый сигнал с выбранного входа. На Рис. 16.4 а в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора с четырех направлений в одно (4x1) с параллельным управлением.
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 КМОП -ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и демультиплексором, т. е. сигнал может быть подан на выход мультиплексора и снят с избранного входа. На Рис. 16.4 б приведено условное обозначение мультиплексора с параллельным управлением, а на Рис. 16.4 в - схема включения двух мультиплексоров 4x1, обеспечивающая коммутацию восьми каналов в один.
Если требуется управление несколькими мультиплексорами по небольшому количеству линий, то можно применить мультиплексоры с последовательным интерфейсом. Примером могут служить ИМС МАХ349/50, первая из которых содержит один мультиплексор 8x1, а вторая - два мультиплексора 4x1. Эта последняя позволяет организовать дифференциальный мультиплексор 4x1.
Рисунок 16.4 Схемы аналогового мультиплексора 
:
а – функциональная, б – условное обозначение, в – схема включения двух мультиплексоров в режиме 
Управление ИМС MAX349/50 осуществляется по последовательному трехпроводному интерфейсу, совместимому как с SPI/QSPI, так и с MICROWIRE. На Рис. 16.5 приведена функциональная схема мультиплексора MAX349.
Рисунок 16.5. Схема мультиплексора MAX349 ( 
) с последовательным управлением по трехпроводному SPI/QSPI,MICROWIRE – совместимому интерфейсу
Блок логики содержит 8- разрядный регистр сдвига, информационный вход которого соединен с DIN микросхемы, а выход последнего разряда - с DOUT.Синхронизация сдвига осуществляется последовательностью импульсов, подаваемых на вывод SCL. Для активизации входов на вывод CS ( ship select -выбор кристалла) необходимо подать сигнал низкого уровня. При этом регистр может принимать данные, поступающие по входу DIN в моменты времени, соответствующие по входу DIN в моменты времени, соответствующие передним фронтам импульсов SCL (Рис. 16.6).
Рисунок 16.6. Диаграммы, поясняющие управление мультиплексором MAX349 по трехпроводному (SPI/QSPI, MICROWIRE – совместимому) интерфейсу
Входное слово имеет длину 8 бит, причем каждый бит управляет одним из восьми ключей. Таким образом, в отличие от мультиплексора с дешифратором (см. Рис. 16.4), в данной схеме ключи управляются независимыми разрядами, что удобно при использовании MAX349 в качестве демультиплексора, когда к одному источнику сигнала можно подключить несколько приемников.
Данные на выводе DOUT представляют собой входные данные, задержанные на восемь тактов сигнала SCL. При записи (сдвиге) данных в регистр, сигнал CS переводится в состояние 1. В этот момент ключи устанавливаются в состояние, соответствующее новому управляющему слову. Прием сигналов с входа прекращается. В отличие от 2 - проводного интерфейса I2C (управление ADG715) здесь используется 3 - проводный SPI/QSPI MICROWIRE – совместимый интерфейс и можно ввести через вход DIN (при низком уровне на входе CS) любое количество бит информации. Однако в этом случае регистр сдвига будет содержать только 8 бит, поступивших последними.
Для наращивания числа мультиплексоров, управляемых от одних и тех же трех линий (DIN,SCL и CS), их можно включить гирляндой «с последовательной загрузкой», как показано на Рис.16.7.
Рисунок 16.7. Схема управления несколькими мультиплексорами с последовательной загрузкой
Выводы CS всех устройств связаны, и при низком уровне сигнала CS поток данных перемещается через микросхемы последовательно. Когда сигнал CS переводится в высокий уровень, все ключи, входящие в состав мультиплексоров, устанавливаются в новое состояние одновременно. В отличие от интерфейса I2C, допускающего адресацию не более 128 устройств, здесь число управляемых устройств не ограниченно.
Другой вариант управления несколькими мультиплексорами - последовательный интерфейс с параллельной адресацией (Рис. 16.8.).
Рисунок 16.8. Схема управления несколькими мультиплексорами по последовательному интерфейсу с параллельной адресацией
В этом случае мультиплексоры адресуются процессором индивидуально. Для выбора конкретного адресуемого устройства его адрес в виде параллельного кода подается на дешифратор. При этом на одном из выходов дешифратора устанавливается уровень НИЗКИЙ, делая доступным ввод данных DIN только в мультиплексор, адресуемый этим выходом.
После загрузки данных адрес должен быть изменен для того, чтобы ключи адресуемого мультиплексора были установлены в новое состояние. Выходы данных DOUT в этой схеме не используются.
Матричные коммутаторы.
Для сложных коммутаций аналоговых аудио- и видеосигналов предназначены так называемые матричные коммутаторы (crosspoint switch). Их применяют в тех случаях, когда требуется соединить в заданной конфигурации несколько источников сигнала с несколькими приемниками, включая соединения, при которых к одному источнику сигнала подключаются несколько приемников. Это необходимо для видеосерверов, систем передачи видеосигналов, устройств видеонаблюдения, видеоконференций, аудиоприложений и др.
Рис.16.9 иллюстрирует идею, лежащую в основе построения матричных коммутаторов, на примере коммутатора 6x6.
Входные шины IN и выходные OUT могут соединяться в любом их пересечении, однако соединение одного приемника с несколькими источниками сигналов должно быть исключено. На Рис. 7.12 приведен пример, когда к первому входу подключены одновременно первый и третий выходы.
Рисунок 16.9 Принцип соединения источников и приемников сигналов в матричном коммутаторе
В данном случае матрица должна содержать 6 6=36 ключей. Эти ключи организуются в 6 мультиплексоров формата 6 
, входы каждого из которых соединяются с входами матричного коммутатора, а выход – с соответствующим выходом коммутатора. Управляется каждый мультиплексор дешифратором двоичного кода в унитарный позиционный, т.е. только один ключ каждого мультиплексора может быть замкнут, так что возможность подключения одного приемника сигнала к нескольким источникам исключена.
Рассмотрим организацию ИМС матричных коммутаторов более детально. На Рис. 16.10 представлена блочно - функциональная схема микросхем матричных коммутаторов 8 
AD8108/09.
Рисунок 16.10. Блочно – функциональная схема микросхем AD8108/09
Поскольку здесь возможно подключение к источнику сигнала до восьми приемников (а при соединении нескольких коммутаторов еще больше), для уменьшения нагрузки на входы используются выходные буферные усилители. Эти усилители в AD8108 имеют единичное усиление по напряжению, а в AD8109 коэффициент усиления буферных усилителей равен двум.
Микросхемы AD8108/09 используют не совсем обычную для аналоговых коммутаторов архитектуру, состоящую из матрицы с 64 входными каскадами, организованными как восемь мультиплексоров 8x1. Каждый мультиплексор представляет собой усилитель с высоким входным сопротивлением, обратной связью по напряжению и восемью входными каскадами. В ИМС AD8108 выход каждого мультиплексора соединен с инвертирующим входом каждого из восьми выходных каскадов, а в AD8109 - через делитель напряжения 1:2. В результате получаются матричные коммутаторы с малым потреблением, которые способны непосредственно работать на стандартную 150-0м видеонагрузку при весьма низком уровне искажений сигналов (дифференциальные амплитудная и фазовая погрешности не превышают 0.02% и 0.02° соответственно). Входы обладают высоким сопротивлением (10 МОм) и малой емкостью (2.5 пФ). Выходы имеют низкое сопротивление (0.2 Ом на постоянном токе), но могут быть переведены в высокоимпедансное состояние (до 10 М0м у А08Ю8).
Коммутаторы AD8108/09 управляются двумя способами: последовательным и параллельным вводом данных. В первом случае через последовательный вход данных DATA IN вводится 32-разрядное управляющее слово, которое полностью определяет конфигурацию коммутатора. Для изменения состояния одного единственного ключа нужно полностью перепрограммировать матрицу 32-разрядным словом. При параллельном способе можно переключить один ключ, подав на входы данных (4 линии) и адреса (3 линии) микросхемы 7-разрядное слово в параллельном коде.
Фирма Analog Devices выпускает также матричные коммутаторы размерностью 16x8 (AD8110/11) и 16x16 (AD8113/14/15/16). Микросхемы AD8113/14/15 управляются параллельной и последовательной загрузкой данных, (изготавливаются в 100-выводных корпусах LQFP), a AD8116 допускает только последовательную загрузку конфигурации (изготавливается в 128-выводном корпусе LQFP размером 14x14 мм). При необходимости эти микросхемы можно объединять для расширения числа входов или выходов.
Оптореле.
К разновидности аналоговых коммутаторов можно отнести также оптореле. Оптореле отличаются от коммутаторов, рассмотренных выше, прежде всего отсутствием электрической связи между цепью управления и коммутируемыми цепями, причем максимально-допустимое напряжение электрической изоляции может достигать несколько киловольт. Это большое преимущество, за которое приходится платить низким быстродействием. Оптореле различаются, прежде всего, типами ключевых элементов, в качестве которых применяются тиристоры, биполярные транзисторы и МОП -транзисторы. Первые два вида ключей обладают плохими точностными характеристиками, поэтому соответствующие типы оптореле применяются исключительно для коммутации силовых цепей небольшой мощности. Оптореле с МОП - транзисторами имеют неплохие точностные характеристики (по крайней мере, на низких частотах), поэтому они могут применяться в качестве коммутаторов аналоговых сигналов. На Рис. 16.11 приведена схема оптореле на МОП - транзисторах.
Рисунок 16.11. Схема оптореле на МОП – транзисторах
Силовой ключ образуют два МОП - транзистора с каналом n-типа, включенные встречно-последовательно. Это хотя и увеличивает вдвое сопротивление открытого ключа, но позволяет получить высокое максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии. Управление состоянием обоих транзисторов осуществляется несколькими фотодиодами, включенными последовательно. Фотодиоды работают в данном случае как фотоэлементы в режиме холостого хода. При освещении каждый из них вырабатывает напряжение около одного вольта, поэтому при пропускании тока 
через светодиод транзисторы открываются. Динамическое сопротивление фотодиодов даже в режиме холостого хода сравнительно велико, поэтому процессы отпирания и запирания ключа, связанные с зарядом входной емкости МОП – транзисторов, протекают довольно медленно.
Типичным представителем этого класса приборов является 2 - канальное оптореле TLV422 производства фирмы International Rectifier. Это реле может обеспечить коммутацию разнополярных сигналов с напряжением до 400 В, чего не допускает ни один КМОП - коммутатор. Максимально допустимое напряжение изоляции составляет 4 кВ. Сопротивление открытого канала не более 20 Ом при входном токе управления 5 мА. Типичное время отпирания ключа при коммутируемом токе 20 мА - 800 мкс, а выключения - 400 мкс. Ток утечки закрытого ключа достигает 1 мкА (у аналоговых коммутаторов он меньше 1 нА). На Рис. 16.12 представлена вольтамперная характеристика оптореле TLV422 в открытом состоянии.
Рисунок 16.12. Вольтамперная характеристика оптореле TLV422 в открытом состоянии
16.4. Характеристики аналоговых коммутаторов
Статические характеристики.
Сопротивление в открытом (включенном) состоянии ключи КМОП, работающие при относительно высоком напряжении питания 
(например, ±15 В), будут иметь малые значения 
во всем диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор имеет достаточное прямое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа 
будет расти, и при малых питающих напряжениях максимум имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания.
На Рис 16.13. приведены зависимости ключа микросхемы коммутатора MAX312 от напряжения входного сигнала при однополярном питании.
При уменьшении 
сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается (особенно вблизи точки 
). Это объясняется тем, что для полевого транзистора с индуцированным каналом, работающего в режиме обогащения, пороговое напряжение составляет несколько вольт, и для достижения малых значений требуется напряжение затвор - исток не меньше чем 5...10 В. Как видно из Рис 7.16, сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания ( 
= 15 В), близкое к 10 Ом, при = 2.7 В достигает 700 Ом.
Рисунок 16.13. Зависимости КМОП – ключа ИМС МАХ312 от входного напряжения при однополярном питании для различных значений питающего напряжения
Имеются различные приемы, позволяющие сохранить значение малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входного сигнала и тем самым уменьшить нелинейные искажения последнего. Например, 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 при низком питающем напряжении. Так, например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5 В имеет сопротивление ом не более 2.5 Ом. На Рис. 16.14 приведены зависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений при однополярном и двухполярном питании.
Рисунок 16.14. Графики зависимости ключа ИМС МАХ391 от входного напряжения для различных значений питающих напряжений:
а –при однополярном питании, б – при двухполярном питании
Сопротивление канала открытого транзистора существенно зависит от температуры - при переходе от нижней к верхней границе диапазона температур сопротивление увеличивается приблизительно в 2 раза.
Помимо собственно сопротивления канала открытого ключа изготовители приводят в технических характеристиках коммутаторов значения максимальной разности ключей многоканальных коммутаторов и мультиплексоров ( ) и значения неравномерности сопротивления открытого канала ( 
), которая определяется как разность между максимальным и минимальным значениями одного канала, измеренными в указанном диапазоне коммутируемого аналогового сигнала.
Ток утечки канала. В закрытом состоянии канал МОП - ключа обладает очень высоким, но все же конечным динамическим сопротивлением (до сотен гиго ом) при напряжении сток - исток более 0.1 В. Наличие конечного сопротивления закрытого канала является причиной тока утечки 
. Направление протекания тока утечки через закрытый КМОП - ключ определяется полярностью приложенного напряжения. Типичное значение IQ для широкой номенклатуры аналоговых ключей и мультиплексоров составляет величину порядка 1 нА. Однако выпускаются и ключи со значительно более низким током утечки. Например, у 8-канального ADG715 типичный ток утечки при комнатной температуре 0.01 нА. При очень низких напряжениях на закрытом ключе сопротивление канала уменьшается, но остается все-таки весьма высоким. Ток утечки очень сильно зависит от температуры кристалла. Зависимость эта имеет сложный характер, но, как правило, с ростом температуры ток утечки возрастает. Например, для ADG511 изготовитель гарантирует при температуре +25°С значение тока утечки в пределах 0.1 нА и не более 2.5 нА при изменении температуры в диапазоне -40...+85°С.
Динамические характеристики.
Межэлектродные емкости. На работу МОП - ключей в динамическом режиме оказывает наличие межэлектродных емкостей, в число которых входят (Рис. 16.15): емкость между входом и выходом ( 
), емкости между каналом и общей точкой схемы ( 
), емкость между затвором и каналом ( 
), а также емкости между ключами различных каналов в пределах одного кристалла.
Как правило, наличие этих емкостей ухудшает характеристики ключей.
Рисунок 16.15. Емкости МОП – ключа
(емкость вход - выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению сигнала через разомкнутый ключ, которое на высоких частотах возрастает. На Рис. 16.6 показан этот эффект для микросхемы четырехканального аналогового коммутатора типа МАХ312.
Рисунок 16.6. Частотные характеристики последовательного коммутатора на ИМС МАХ312
Здесь кривая 1 представляет собой амплитудно-частотную характеристику последовательного ключа, нагруженного на резистор 50 Ом в замкнутом состоянии. Кривая 2 - фазочастотная характеристика для этого же случая. Кривая 3 представляет амплитудно-частотную характеристику ключа в разомкнутом состоянии при той же нагрузке. Как видно, даже при нагрузке 50 Ом сквозное прохождение сигнала на высоких частотах становится весьма значительным. С ростом сопротивления нагрузки ситуация со сквозной передачей сигнала только усугубляется. Для сравнения штриховой линией 4 представлена АЧХ цепи, состоящей из конденсатора емкостью 2.5 пФ и сопротивления нагрузки 50 Ом.
В большинстве низкочастотных применений сквозное прохождение сигнала через емкость разомкнутого ключа не создает проблем. Если они все же возникают, хорошим решением является использование пары включенных каскадно ключей (Рис. 16.7 а) или, что еще лучше, использование последовательно-параллельного коммутатора (Рис. 16.7 б).
Рисунок 16.7. Схемы соединения ключей, обеспечивающие улучшенные характеристики коммутаторов в разомкнутом состоянии:
а – с последовательным соединением, б – с последовательно – параллельным соединением, в – с Т – образным соединением
Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибелах) за счет дополнительного делителя напряжения, в то время как последовательно - параллельная схема уменьшает прямое прохождение сигнала, когда последовательный ключ разомкнут, а параллельный замкнут, снижая эффективное сопротивление нагрузки до 
. Многие фирмы выпускают ИМС аналоговых коммутаторов, содержащие по два нормально замкнутых (т. е. замкнутых при низком уровне управляющего сигнала) и два нормально разомкнутых ключа. Это, например, МАХ314, DG413, 590КН4 и др. Эти микросхемы позволяют довольно просто построить последовательно - параллельные коммутаторы. Еще удобнее использовать микросхемы с аналоговым переключателем, такие, как, например, ADG749. И наконец, наименьшее прохождение сигнала через закрытый коммутатор обеспечивает применение так называемых Т-образных переключателей (Рис. 7.20в). ИМС такого переключателя ADG751 обеспечивает сквозную изоляцию - 75 дБ на частоте 100 МГц, в то время как МАХ312 пропускает сигнал на той же частоте с ослаблением всего—12дБ, т.е. работает в 1400 раз хуже!
(емкости относительно общего вывода). Шунтирующая на землю емкость приводит к упомянутому ранее спаду частотной характеристики (кривые 1 и 2 на Рис. 7.19). Совместно с сопротивлением источника сигнала и сопротивлением замкнутого ключа 
эти емкости образуют фильтр нижних частот. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигнала.
Емкость между ключами. Поскольку обычно на кристалле размещается несколько ключей, то не следует удивляться появлению наводок между каналами. Виновницей может быть емкость между каналами, составляющая величину порядка 0.5 пФ. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения импеданса источника сигнала. Например, коэффициент ослабления связи между каналами 4-канальной микросхемы МАХ391 на частоте 1 МГц составляет всего 85 дБ. Поэтому, если перекрестные связи нежелательны, следует применять одноканальные ключи, такие, как ADG741/2.
Динамические помехи. Во время перехода от включенного состояния к выключенному и обратно в аналоговых ключах на полевых транзисторах могут возникать неприятные эффекты. Скачок управляющего напряжения, поданный на затвор, вызывает изменение заряда в цепи канала. Это наиболее существенно при уровнях управляющих сигналов, соответствующих разомкнутому ключу. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала.
Ввиду важности этой проблемы рассмотрим ее более подробно. На Рис. 7.21 изображена форма выходного сигнала, которую можно увидеть на выходе n-канального МОП - ключа, схема которого показана на Рис. 7.3 а при нулевом уровне входного сигнала и нагрузке, состоящей из резистора сопротивлением 10 кОм и параллельного ему конденсатора емкостью 20пФ.
Положительный и отрицательный всплески, соответствующие фронтам управляющего сигнала, вызваны переносом заряда в канал через емкость 
(см. Рис. 7.18), имеющую величину порядка 5 пФ, при изменении напряжения затвора. Это напряжение делает резкий скачок от одного уровня питания к другому, перенося в канал заряд 
.
Заметим, что величина переносимого заряда, называемого зарядом переключения, зависит только от полного изменения напряжения затвора и не зависит от времени, за которое это изменение происходит. Замедление изменения сигнала на затворе вызывает меньшую по амплитуде, но более долгую динамическую помеху (на Рис. 16.8 площадь, ограниченная всплесками 
соответствующая заряду переключения, не меняется).
Рисунок 16.8. Форма выходного напряжения при коммутации ключа
Фильтрация выходного сигнала ключа фильтром нижних частот дает тот же эффект. Такие меры могут помочь в тех случаях, когда важно добиться малого пика амплитуды динамической помехи, однако в смысле исключения пропускания управляющего напряжения с затвора на выход они неэффективны. Можно попробовать частично компенсировать заряд переключения путем добавки инвертированного сигнала затвора через компенсирующий подстроечный конденсатор малой емкости 
(Рис. 16.9).
Рисунок 16.9. Компенсация заряда переключения
Емкость затвор - канал распределена по всей длине канала, а это значит, что часть заряда переключения (помехи) попадает на вход ключа, вызывая переходные процессы на выходе источника сигнала. Эти процессы будут минимальны, если источник сигнала обладает нулевым выходным сопротивлением, т. е. является источником ЭДС. Уменьшение полного сопротивления нагрузки также приводит к снижению динамической помехи, но при этом нагружается источник коммутируемого сигнала и вносятся дополнительные статическая погрешность и нелинейность за счет конечного и нелинейного . Уменьшение емкости затвор - канал за счет сокращения размеров интегрального МОП - транзистора уменьшает переходные помехи при переключении коммутатора, но за это приходится платить увеличением 
.
На Рис. 16.10 приведены кривые переноса заряда для ключа с управляющим p-n-переходом при различных сопротивлениях источника сигнала 
.
Рисунок 16.10. Зависимость заряда переключения коммутатора на полевом транзисторе с управляющим p-n - переходом от входного напряжения
Как видно, для такого типа ключа существует сильная зависимость величины динамической помехи от параметров источника сигнала, поскольку напряжение на затворе пропорционально разности между уровнем входного сигнала и уровнем отрицательного напряжения питания. Хорошо сбалансированные КМОП - ключи имеют относительно малую динамическую помеху, поскольку попадающие в канал заряды у комплементарных МОП -транзисторов стремятся скомпенсировать друг друга (когда на одном затворе напряжение растет, на другом - падает). На Рис. 16.11 приведены зависимости заряда переключения от входного напряжения для интегрального КМОП -коммутатора МАХ312 при двухполярном питании ±15 В (кривая А) и однополярном питании +12 В (кривая В).
Рисунок 16.11. Зависимость заряда переключения КМОП – ключа МАХ312 от входного напряжения
Чтобы дать представление о масштабе этих эффектов, скажем, что заряд 30 пКл создает скачок напряжения в 30 мВ на конденсаторе емкостью 1 нФ. Для многих применений это очень существенная величина.
Быстродействие. Ключи на полевых транзисторах имеют сопротивление в открытом состоянии 
от 10 Ом до сотен Ом. В комбинации с емкостью подложки и паразитными емкостями это сопротивление образует фильтр нижних частот, ограничивающий область частот пропускаемых сигналов значениями порядка 10 МГц и даже ниже. Полевые транзисторы с меньшим имеют обычно большую емкость, так что выигрыша в скорости нарастания выходного сигнала они не дают. Значительная доля в ограничении частотных свойств обусловлена элементами защиты - последовательными токоограничивающими резисторами и шунтирующими диодами, применяемыми почти во всех КМОП - схемах. Специальные быстродействующие коммутаторы, например ADG752 фирмы Analog Devices, имеют типичную полосу пропускания до 250 МГц и предназначены для передачи сигналов видеочастоты амплитудой ±1 В от низкоомных источников (обычно 75 Ом) на согласованную нагрузку.
Время переключения. Длительность переходного процесса включения и выключения ( 
и 
) коммутатора на МОП - транзисторах определяется временем перезаряда емкости затвор - канал. Уменьшение этой емкости приводит к увеличению . Поэтому повышения скорости переключения добиваются снижением выходного сопротивления цепей, осуществляющих управление напряжением на затворе коммутирующего МОП - транзистора. При этом возрастает ток, потребляемый схемой от источника питания. Характерная величина времени переключения для низкочастотных КМОП - коммутаторов составляет около 0.2 мкс, а для быстродействующих, таких, как уже упоминавшиеся ADG751/2, типичны время включения 
=8 нс и время выключения =3 не при токе потребления в статическом режиме менее 1 мкА.
Эксплуатационные параметры.
К эксплуатационным параметрам относятся:
• номинальные значения питающих напряжений;
• токи потребления;
• максимально допустимое значение тока через коммутатор;
• диапазон допустимых значений входного (выходного) напряжения;
• диапазон допустимых значений температуры окружающей среды;
• уровни напряжения управления (как правило, они согласованы с уровнями 0 и 1 ТТЛ и КМОП цифровых микросхем, для чего ИМС аналоговых коммутаторов содержат порой довольно сложные схемы управления собственно ключами).
В Табл. 16.1 приведены основные характеристики некоторых типов аналоговых коммутаторов и мультиплексоров.
Таблица 16.1 . Основные характеристики аналоговых коммутаторов и мультиплексоров
| Коммутатор | Напряжение питания [В ] | Ток потребления [мкА ] | Ток утечки [нА ] | Ron [Ом ] ( тип ) | Время включения [нс ] | Время выключения [нс ] | Заряд переключения [пКл ] | Максимальный выходной ток [мА ] | Особенности |
| Коммутаторы | |||||||||
| DG411 | ±45…±20 10..30 | 1 | 0.25 | 35 | 175 | 145 | 10 | 30 | Счетверенный коммутатор |
| MAX391 | ±2.7..±8 3…15 | <1 | 0.1 | 35 | 130 | 75 | 5 | 30 | То же |
| HI-201HS | ±5…±20 12…20 | 4000 | 1 | 50 | 30 | 40 | 10 | 20 | Быстродействующий |
| MAX326 | ±4.5…±18 10…30 | 100 | 0.01 | 2500 | 1000 | 1000 | 1 | 20 | Минимальный заряд переключения |
| 590KH13 | ±15 | 4000 | 50 | 50 | 50 | 50 | - | 20 | Счетверенный коммутатор |
| ADG451 | ±5…±22 12 | 0.001 | 0.02 | 4 | 70 | 60 | 20 | 100 | Счетверенный коммутатор |
| ADG701 | 1.8…5.5 | 0.5 | 2 | 1 | 20 | 10 | 10 | 30 | Полоса пропускания 250 МГц |
| ADG774 | 3.3…5 | 1 | 100 | 6 | 10 | 5 | - | 100 | 4 – канальный переключатель |
| ADG715 | 2.7…5.5 | 10 | 0.01 | 2.5 | 95 | 85 | 3 | 30 | 8 – Канальный с последовательным управлением по I2C - интерфейсу |
Продолжение таблицы 16.1
| Коммутатор | Напряжение питания [В ] | Ток потребления [мкА ] | Ток утечки [нА ] | Ron [Ом ] ( тип ) | Время включения [нс ] | Время выключения [нс ] | Заряд переключения [пКл ] | Максимальный выходной ток [мА ] | Особенности |
| Мультиплексоры | |||||||||
| 590KH6 | ±15 | - | 70 | 300 | 300 | 300 | - | 20 | 8×1 |
| 591KH3 | ±15 | 1000 | 70 | 270 | 300 | 300 | - | 20 | 16×1 |
| DG528 | ±4.5…±20 5…30 | 2500 | 1 | 450 | 1000 | 1000 | 4 | 20 | 8×1; регистр - защелка |
| МАХ350 | ±2.7…±8 3…15 | 7 | 0.1 | 100 | 275 | 150 | 10 | 30 | Сдвоенный 4×1; последовательный интерфейс |
| ADG527A | ±10.8…±16.5 | 600 | 0.02 | 280 | 200 | 200 | 4 | 20 | Сдвоенный 8×1; последовательный интерфейс |
| ADG509F | ±15 | 50 | 0.02 | 300 | 200 | 200 | 4 | 20 | Сдвоенный 4×1; защита от перенапряжения до±35 В |
| ADG608 | 3,5,±5 | 0.05 | 0.05 | 30 | 50 | 30 | 6 | 20 | 8×1; изоляция ключа 85 дБ на 100 кГц |
| MAX4617 | 2…5.5 | 1 | 2 пА | 8 | 7 | 5 | 3 | 75 | 8×1;THD=0.015% при RL = 600 Ом,VCC = 5 В, VIN = 1 В (размах) |
Дата: 2019-02-19, просмотров: 745.
