Влияние нелинейности аналоговых коммутаторов на искажения передаваемых сигналов

Как уже отмечалось выше, сопротивление КМОП-ключа в открытом состоянии R_ON изменяется в зависимости от величины и полярности коммутируемого напряжения. Графики этой зависимости имеют характерный двугорбый вид, называемый иногда «короной». На Рис. 24 приведены графики зависимости R_ON от напряжения V_D на стоке (или Vs на истоке) для распространенных мультиплексоров семейства ADG5xx для трех различных значений напряжений двухполярного питания: положительного +-Vs и отрицательного —Vs;

Рис. 24. Графики зависимости от напряжения на стоке мультиплексора семейства ADG5xx

а на Рис.25 — изменения этих сопротивлений ATJon относительно минимальных значений. Эта зависимость сопротивления открытого канала от величины входного сигнала известна как модуляция R_ON и указывается в фирменной документации на коммутаторы как неравномерность сопротивления открытого канала R_{FLAT_ON} - Очевидно, что чем больше неравномерность сопротивления открытого канала коммутатора в диапазоне изменения входного сигнала, тем больше нелинейные искажения сигнала на его выходе. Поэтому для уменьшения искажений целесообразно увеличивать напряжение питания коммутатора и снижать диапазон входного сигнала, коммутируемого ключом. Например, для мультиплексора из семейства ADG5xx, работающего при питании +15 В, R_ON не превышает 4 Ом в диапазоне входного сигнала +3 В, увеличиваясь до 12 Ом в диапазоне +5 В и до 30 Ом в диапазоне +7 В . Можно, конечно, соединить ключ с виртуальной землей операционного усилителя. Это обеспечит низкое напряжение на открытом ключе, что в свою очередь устранит проблемы модуляции R_ON, однако во многих случаях требуется коммутировать сигналы относительно высоких напряжений.

Рис. 25. Графики зависимости изменения R_ON о т напряжения на стоке

Рис. 26. Мультиплексор, нагруженный на резистор

Типичный вариант применения мультиплексора, нагруженного на резистор R_SK , иллюстрируется на Рис. 26. Сопротивление R_SK, показанное в каждом канале мультиплексора — это выходное сопротивление к -го источника сигнала. В диапазоне возможного изменения сигналов степень их искажения, обусловленная модуляцией, может быть оценена по формуле

Как следует из формулы , выбирая внешние сопротивления R_L и R_S достаточно большими, можно снизить искажение, вносимое каналом коммутатора, до желаемого уровня, однако высокие значения сопротивлений резисторов увеличивают шум в канале, требуют применения дополнительных усилителей.

В документации на некоторые модели коммутаторов и мультиплексоров приводятся графики зависимости суммарного коэффициента гармоник (THD) от частоты при R_L = R_S = 600 Ом. Интересно, что обычно они приводятся для режима максимально высоких напряжений питания и диапазона входных напряжений 1 В/п-п (означает 1 В от пика до пика напряжения). При этом получается очень красиво — THD не более 0.02% и не зависит от частоты. На практике при увеличении диапазона входных напряжений до оговоренных техническими условиями — Vs < V_IN < +Vs THD резко возрастает.

На Рис. 27 приведена номограмма, которая позволяет быстро оценить в первом приближении искажение, вносимое неравномерностью R_ON мультиплексора, включенного по схеме на Рис. 26. Левая шкала номограммы представляет полное сопротивление канала, включая Ron ключа при V_D (Vs) = 0 В, средняя шкала представляет THD, правая шкала представляет R_ON в выбранном диапазоне изменения сигналов. Для использования номограммы следует провести прямую линию между соответствующими точками внешних шкал. Точка пересечения этой прямой со средней шкалой определяет ожидаемый уровень THD.

Рис. 27 Номограмма для оценки искажения, вносимого неравномерностью R_ON

4.2.

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.28а в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора с четырех направлений в одно (4x1) с параллельным управлением.

Рис. 28.Схемы аналоговог о мультиплексора 4x1: a — функциональная, б — условное обозначение, в — схема включения двух мультиплексоров в режиме 8x 1

Каждый из ключей от S0 до S1 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.28б приведено условное обозначение мультиплексора с параллельным управлением, а на Рис. 28в — 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.

Управление ИМС МАХ349/50 осуществляется по последовательному трехпроводному интерфейсу, совместимому как с SPI/QSPI, так и с MICROWIRE.

Рис. 29 Схема мультиплексора МАХ349 (8x 1) с последовательным управлением по трехпроводному SPI/QSPI, MICROWIRE-совместимому интерфейсу

На Рис.29приведена функциональная схема мультиплексора МАХ349. Блок логики содержит 8-разрядный регистр сдвига, информационный вход которого соединен с выводом DIN микросхемы, а выход последнего разряда — с DOUT. Синхронизация сдвига осуществляется последовательностью импульсов, подаваемых на вывод SCL. Для активизации входов на вывод CS (chip select — выбор кристалла ) необходимо подать сигнал низкого уровня. При этом регистр может принимать данные, поступающие по входу DIN в моменты времени, соответствующие передним фронтам импульсов SCL (Рис.30)Входное слово имеет длину 8 бит, причем каждый бит управляет одним из восьми ключей. Таким образом, в отличие от мультиплексора с дешифратором (см. Рис.28,в данной схеме ключи

Рис. 30. Диаграммы, поясняющие управление мультиплексором МАХ349

по трехпроводному (SPI/QSPI, MICROWIRE-совместимому) интерфейсу

управляются независимыми разрядами, что удобно при использовании МАХ349 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 состояние ключей не меняется. Когда все 8 бит данных записаны 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 I²С (управление ADG715) здесь используется 3-проводный SPI/QSPI, MICROWIRE-совмести- мый 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. 31.

Рис. 31. 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 I²С, допускающего адресацию не более 128 устройств, здесь число управляемых устройств не ограниченно.

Другой вариант управления несколькими мультиплексорами — последовательный интерфейс с параллельной адресацией (Рис. 32).

Рис. 32. 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.

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 применя- ются 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. 33 приведена схема оптореле на МОП-транзисторах.

Рис. 33. Схема опторелена МОП-транзисторах

Силовой ключ образуют два МОП-транзистора с каналом л-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 I_CTRL 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. 34 представлена вольтамперная характеристика оптореле TLV422 в открытом состоянии.

Рис. 34. Вольтамперная характеристика оптореле TLV422 в открытом состоянии

12. Аналоговые коммутаторы: назначение, разновидность, схемные решения механических коммутаторов, способы реализации.

13. Схема коммутатора на полевом транзисторе, принцип действия, особенности применения

14. Промышленные аналоговые коммутаторы: характеристики, применение, преимущество МОП-ключей перед диодными и биполярными.

15. Характеристики аналоговых коммутаторов их особенности.

16. Назначение аналоговых коммутаторов, понятие, примеры применения.

Раздел 2. Схемотехнические решения

Тема 14 (4 час)