Аналоговые ключи

4.8 Аналоговые ключи

Аналоговые ключи предназначены для передачи сигналов с минимальными искажениями в открытом состоянии и отключают цепи источников сигнала от цепей потребления в закрытом состоянии. Аналоговые ключи могут коммутировать ток или напряжение. Для коммутации напряжения можно использовать либо однополюсный последовательный ключ (прерыватель), либо переключатель на два положения (нагрузка подключается к источнику напряжения или к общей точке схемы). При коммутации же тока необходим переключатель на два положения (ток источника никогда не должен прерываться, а лишь переключаться в различные ветви цепи).

Требования к характеру нагрузки должны быть различными для ключей тока и напряжения. В цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала, а для коммутации тока - наоборот. Реальные аналоговые ключи вносят погрешность при передаче сигнала (тока, напряжения) от источника в нагрузку. Основными параметрами ключа, определяющими значение погрешности, являются остаточное напряжение на замкнутом ключе U_ОСТ, сопротивление открытого ключа R_ПР.

Кроме основных параметров, аналоговые ключи характеризуются рядом дополнительных, которые позволяют определить основные режимы работы ключа и его влияние на передаваемый сигнал и сопряженную с ним схему. К таким параметрам относятся:

Ток утечки из цепи управления в сигнальную цепь в замкнутом состоянии ключа, равный разности токов через входной и выходной выводы ключа. Особое значение этот параметр имеет для ключей тока. Для ключей напряжения при значительном токе утечки важно, куда он течет: в источник сигнала или в нагрузку;

Диапазон входных сигналов - диапазон напряжений или токов, который способен переключать данный ключ. Он ограничивается схемой управления, пробивными напряжениями ключа и допустимой погрешностью передачи входных сигналов.

К параметрам разомкнутого ключа относятся токи утечки по входу и выходу разомкнутого ключа и обратные сопротивления. В паспортных данных обычно указывают максимальные значения токов утечки на входе и выходе разомкнутого ключа при нормальной и максимальной температурах.

Времена включения и выключения, которые определяют при заданном полном сопротивлении нагрузки (обычно 10 кОм с параллельно включенной емкостью 15 ... 20 пФ) как задержку между моментом приложения управляющего импульса и концом фронта переключения напряжения (или тока) на нагрузке (по уровню 0,9 или 0,1).

Время установления выходного сигнала - время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью (на заданной нагрузке).

Рекомендуемые материалы

Паразитные емкости ключа, которые определяют паразитные выбросы управляющего сигнала при переключениях ключа, а также сквозное прохождение аналогового сигнала при разомкнутом ключе. Важное значение имеет также развязка (изоляция) на высокой частоте, численно равная отношению входного сигнала к выходному при разомкнутом ключе и при определенной частоте и нагрузке.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС.

Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т. д.

Часто большое значение имеют следующие дополнительные параметры: собственный шум, ограничивающий снизу уровни переключаемых сигналов; перекрестные связи между ключами; коэффициент передачи замкнутого ключа в зависимости от частоты входного сигнала (амплитудно-частотная характеристика). Обычно указывают коэффициент передачи на низкой частоте или постоянном напряжении.

С точки зрения схемного построения аналоговые ключи различают по используемым в них полупроводниковым элементам и способам управления ими. В настоящее время наиболее распространены ключи на диодах, биполярных и полевых транзисторах, оптронах. В ряде случаев аналоговые и цифровые ключи имеют внешне схожие принципиальные схемы, однако различные их предназначения определяют различные режимы и порядок поступления входных сигналов.

Рассмотрим основные схемы аналоговых ключей, выполненных на различных элементах.

Диодные ключи. Применяются для точного переключения токов и быстрого переключения напряжений. Первое применение объясняется высокой точностью диодных токовых ключей и легкостью управления ими. Второе связано с появлением диодов с тонкой базой и диодов Шоттки, в которых слабо выражены эффекты накопления носителей и инерционность в основном определяется процессом перезаряда барьерных емкостей.

Базовые схемы аналоговых диодных ключей для переключения тока и напряжения показаны на рис. 4.8.1.

 Как видно, по конфигурации они сходны с цифровыми диодными ключами, рассмотренными в п. 5.2.

Диодный ключ тока (рис. 4.8.1-а) широко применяется в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), например, микросхемы 2ПД651 и 2ПД652 содержат по 6 диодных ключей с весовыми резисторами R. При высоком уровне управляющего напряжения диод D1 закрыт и ток I=E/R от источника (Е, R) течет через открытый диод D2 в нагрузку R_Н. При низком уровне управляющего напряжения открыт диод D1, а диод D2 закрыт. Схема замещения такого ключа показана на рис. 4.8.1. -б. В качестве низкого уровня сигнала управления используется, как правило, источник отрицательного напряжения (рис. 4.8.1.- в). Задавая при постоянном стабилизированном напряжении Е путем подборки величины сопротивления резистора R требуемый ток, можно подключать его на выход или отключать с помощью управляющего напряжения U_УПР.

Статическая погрешность токовых ключей может быть очень малой, поскольку она определяется малыми токами утечки диодов (порядка 1 нА) и выходным сопротивлением источника тока R, которое можно сделать очень большим (R >>R_Н). Тогда колебания сопротивления резистора R_Н практически не скажутся на величине выходного напряжения U _ВЫХ.

Основным фактором, определяющим нестабильность тока в нагрузке R_Н при этом, является зависимость прямого напряжения на диоде D2 и обратных токов диода от изменения температуры окружающей среды. Прямое напряжение на диоде имеет отрицательный температурный коэффициент (2 ... 4 мВ°С). Обратный ток диодов с увеличением температуры изменяется по экспоненциальному закону, возрастая приблизительно в два раза на каждые 10°С.

Рассмотренный диодный ключ может работать и как ключ напряжения (рис. 4.8.1. -г). В этом случае управляющее напряжение U_УПР подается через резистор R, а входной сигнал U_ВХ поступает на катод диода D1.При низком уровне управляющего напряжения диоды D1 к D2 закрыты и на выходе ключа - потенциал земли. При высоком уровне U_УПР диоды D1 и D2 открываются и U_ВХ ≈U_ВЫХ .Использование согласованных диодных пар в качестве диодов D1 и D2 позволяет уменьшить ошибку от неидеальности диодов до нескольких милливольт.

Наиболее распространенными диодными ключами напряжения являются мостовые ключи, обладающие, как правило, достаточно хорошей развязкой в разомкнутом состоянии и способные пропускать без существенных искажений широкополосные биполярные сигналы с динамическим диапазоном 40 дБ и выше. Скорость их переключения зависит от быстродействия как управляющих транзисторных каскадов, так и используемых диодов. Пример такой схемы приведен на рис. 4.8.2- а.

Входное напряжение U_вх подается в точку А соединения диодов VD1 и VD2, а выходное напряжение снимается с сопротивления нагрузки R_H. Управляющее ключом биполярное напряжение (рис. 4.8.1-в) подается на другую диагональ моста (точки В и Г). Если «_ynpi > >'0 и «у_пр2 > 0, то диоды VD5 и VD6 обратно смещены, а диоды мостовой схемы VD1-VD4 оказываются проводящими. Если при этом схема полностью симметрична, то точки А и Б имеют один и тот же потенциал, т. е входное напряжение подается на выход. При изменении полярности управляющего напряжения на противоположную диоды VD5 и VD6 открываются, а диоды VD1-VD4 закрываются и ключ размыкается.

Коэффициент передачи ключа равен RJ(R_B + Rn + Rup). Для управления ключом необходимо выполнять соотношение | Е > > f/вхтах + и_пр, где U_np - падение напряжения на открытом диоде. Ошибка в передаче напряжения существенно зависит от идентичности диодов мостовой схемы, постоянства Е_см и R_lt диапазона изменения тока нагрузки и температуры. Для уменьшения разброса характеристик диодов их выполняют в виде интегральной схемы. На рис. 4.8.2-б приведены упрощенная схема диодного мостового ключа, выполненного в виде ИС 265КН1. Транзисторная схема управления ключом позволяет осуществлять непосредственное соединение микросхем с ТТЛ-схемами. Отношение выходного напряжения замкнутого и разомкнутого ключей при частоте входного сигнала 15 МГц и сопротивлении нагрузки 300 Ом равно 100, что соответствует развязке между входом и выходом ключа 40 дБ. Коэффициент передачи замкнутого ключа составляет 0,8. Верхний уровень управляющего напряжения 2,5 В, нижний - 0,5 В.

Ключи на биполярных транзисторах. Применяются для переключения как напряжений, так и токов. В ключах напряжения, как правило, используется режим насыщения в инверсном включении транзистора. При этом используются как отдельные транзисторы (последовательные и параллельные), так и согласованные пары встречно включенных двухэмиттерных транзисторов, получивших название интегральных прерывателей. Ключи тока чаще всего строят на согласованных транзисторах. Ключи с одиночными транзисторами обычно имеют управление по постоянному току (рис. 4.8.3- а).

 Транзистор VT1 в этой схеме работает в инверсном режиме, а транзистор VT2 - в нормальном, причем VT1 представляет собой собственно аналоговый ключ, a VT2 - его схему управления. При м_упр = ц£_р транзистор VT2 открыт, напряжение на его коллекторе, а значит, и базе VT2близко нулю. Эмиттерный переход инверсно включенного транзистора VT2 обратно смещен (и_вх >> /7_ОСТ) и VT1 заперт. При м_упр = = упр VT2 закрывается, a VT1 открывается током базы /б. Выходное напряжение принимает значение и_вых » м_вх.

Остаточное напряжение открытого транзистора в инверсном режиме составляет 1 ... 5 мВ, а сопротивление - 10,0 ... 20,0 Ом. Отсюда следует, что такие аналоговые ключи можно применять для коммутации достаточно больших токов и напряжений.

Для уменьшения остаточного напряжения на замкнутом ключе применяют встречное включение двух транзисторов (рис. 4.8.3-б). При таком включении транзисторов остаточное напряжение ключа является разностью остаточных напряжений отдельных транзисторов (£/_ОСт = £/_ОСт1 - f/ocra) и может быть получено очень малым. Основная сложность применения таких ключевых элементов состоит в усложнении схемы цепи управления, которая должна быть изолирована от источника сигнала и нагрузки. Так, у интегрального прерывателя Ю1К.Т1 (рис. 4.8.3-б) U_ост: 50 мкВ. Одновременно растет прямое сопротивление ключа, достигая у прерывателя 101К.Т1 величины 100 Ом, и время переключения (0,5 мкс против 0,1 мкс у одиночных транзисторов).

Эффективная компенсация остаточного напряжения в интегральном прерывателе достигается только тогда, когда через каждый транзистор протекают приблизительно одинаковые токи. Пример схемы, обеспечивающей это условие, приведен на рис. 4.8.3-в [17]. В ней при запирании диодов VD1 и VD2, чему соответствует полярность и_уар (относительно общей шины) без скобок, переключатель на транзисторах VT1, VT2, работающих в инверсном режиме, вводится в насыщение током генераторов G1 и G2, как показано на схеме. Очевидно, что остаточные напряжения на VT1 и VT2 будут противоположных знаков и скомпенсируют друг друга.

При изменении полярности управляющих напряжений диоды VD1 и VD2 открываются, токи генераторов G1 и G2 замыкаются через диоды и источник £/_Упр на общую шину (показано штрихами). Так как а_упр больше падения напряжения на диодах и входного сигнала, то базы VT1, VT2 будут иметь отрицательный потенциал, а инверсные эмиттеры - положительный (относительно общей шины) и, следовательно, VT1, VT2 будут закрыты. Заметим, что обратные токи закрытых переходов /_ко будут протекать через нагрузку и источник сигнала в противоположные стороны, компенсируя друг друга.

Для симметрирования режимов работы транзисторных прерывателей используют также трансформаторные схемы управления, однако в интегральных прерывателях их применение ограничено из-за трудностей микроминиатюризации.

Аналоговые ключи на биполярных транзисторах используются в микросхемах серий 273 и 240.

Ключи тока на биполярных транзисторах в отличие от ключей напряжения работают в ненасыщенном режиме, поэтому их быстродействие (как и быстродействие аналогичных им переключателей тока, используемых для построения логических элементов ТЛЭС) очень велико. Время переключения составляет несколько наносекунд. Однако их применение ограничено из-за того, что ток базы (ток управления) течет в сигнальную цепь. Поэтому входной ток отличается от выходного на значение тока базы.

Ключи на полевых транзисторах. Эти ключи получили преимущественное распространение из-за отсутствия остаточного напряжения на открытом транзисторе, малых токов утечки и управления, хорошей совместимости с интегральной технологией.

Для аналоговых ключей используют полевые транзисторы с управляющим р-п переходами и МОП -транзисторы, причем более предпочтительны транзисторы с n-каналом, поскольку подвижность электронов больше подвижности дырок, что обеспечивает у них меньшие значения прямого сопротивления _Пр. Значение R_np для полевых транзисторов лежит в пределах 5 ... 200 Ом, а температурный коэффициент изменения _пр составляет 0,6 % на 1 °С.

Допустимая статическая погрешность аналоговых ключей на полевых транзисторах в большой степени влияет на их быстродействие. Это объясняется тем, что, несмотря на очень высокое входное сопротивление полевых транзисторов, часть входного сигнала через межэлектродные емкости проходит на выход. Причем с увеличением частоты его составляющая в выходном сигнале растет. Реальная длительность переходных процессов в аналоговых ключах на полевых транзисторах колеблется, как и в импульсных ключах такого же типа, от микросекунды до десятков наносекунд.

Для борьбы с выбросами емкостных токов и предотвращения прохождения входного сигнала на выход можно уменьшать крутизну фронтов управляющих импульсов. Однако это неизбежно приводит к уменьшению быстродействия. Более эффективными являются способы компенсации указанных прохождений, что достигается в параллельно-последовательных ключах, в которых один ключ всегда работает на запирание, а другой - на отпирание, и ключах на комплементарной (дополняющей) паре полевых транзисторов, один из которых имеет канал n-типа, а другой - p-типа. Поскольку прохождение управляющих сигналов на выход ключа зависит от значения этих сигналов, то ключи тока на полевых транзисторах имеют определенные преимущества перед ключами напряжения. В частности, если напряжение отсечки полевого транзистора меньше 3 В, то такими ключами можно непосредственно управлять от ТТЛ - схем. Пример последовательного ключа на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом приведен на рис. 4.8.4-а. Этот ключ пропускает входные сигналы любой полярности. Для управления полевым транзистором VT1 используется биполярный транзистор VT2. Диод VD необходим для того, чтобы напряжение затвор-исток открытого транзистора VT1 оставалось равным нулю при любых входных сигналах. Это устраняет модуляцию _пр входным сигналом. Резистор R подключается для ускорения перезарядки паразитных емкостей при запертом диоде VD. Для этого величина сопротивления R выбирается меньше обратного сопротивления закрытого диода.

Схема управления полевым транзистором с р-п переходом, использующая КМОП-транзисторы, приведена на рис. 4.8.4-б, Положительный управляющий сигнал £/+_упр открывает /г-канальный транзистор VT1 и закрывает р-канальный транзистор VT2. Отрицательное напряжение -Е через небольшое сопротивление открытого транзистора VT1 поступает на затвор ключевого транзистора VT2 и закрывает его. При отрицательном управляющем напряжении V_p Транзистор VT1 закрыт, a VT2 открыт. При этом затвор и исток кистевого транзистора VT3 закорачиваются через малое сопротивление прс -'С 1л^тпего канала транзистора VT2, что обеспечивает ротаое отпирание транзистора VT3 и исключает модуляцию сопротивления какала напряжением затвор-исток.

Последовательно-параллельный ключ на дополняющих транзисторах представлен на рис. 4.8.4- в. В этой схеме при срабатывании ключа сопротивление нагрузки будет либо подключено к источнику сигнала через VT1 (когда VT2 закрыт), либо зашунтировано малым сопротивлением открытого VT2 (когда VT1 закрыт). Таким образом, токи перезаряда паразитных емкостей транзисторов и всей схемы, как и в КМОП логике, будут замыкаться через малые сопротивления источника сигнала и транзисторов, что приведет к быстрому затуханию этих токов и не создаст заметных выбросов напряжения на нагрузке.

Особенностью аналоговых ключей на МОП-транзисторах является сильная зависимость прямого сопротивления _пр от входного аналогового сигнала, что приводит к модуляции проводимости канала входным сигналом и возникновению дополнительных нелинейных искажений (для изменяющихся во времени аналоговых сигналов).

Эффект изменения /?_Пр в зависимости от входного сигнала аналогичен такому же эффекту для полевых транзисторов, однако там с ним было сравнительно легко бороться, так как в открытом состоянии напряжение затвор-исток £/зи полевого транзистора должно быть равно нулю, для обеспечения чего достаточно соединить затвор с источником сигнала (см. рис. 4.8.4-а). Для поддержания в открытом состоянии МОП-транзистора с обогащением (р-канал) необходимо подавать разность потенциалов, большую его порогового напряжения ё/поп- что существенно затрудняет борьбу с указанным эффектом. Уменьшить влияние модуляции проводимости канала можно, например, используя относительно большое сопротивление нагрузки ключа.

Примеры последовательных ключей на p-канальных МОП-транзисторах приведены на рис. 4.8.5. В этих схемах в качестве управляющего элемента используется биполярный транзистор. В схеме рис. рис. 4.8.5-а при отключении питающего напряжения положительное входное напряжение замыкается на землю через открывающиеся переходы сток (исток)-подложка и внутреннее сопротивление источника Е. Схема рис. 4.8.5-б свободна от этого недостатка. В ней диод VD обеспечивает полную изоляцию входа ключа и при отключенном питании ключ полностью размыкается, препятствуя протеканию тока через внутреннее сопротивление источника Е.

Для уменьшения зависимости сопротивления открытого ключа от коммутируемого напряжения и прохождения управляющих сигналов на выход применяют ключи на комплементарных (дополняющих) КМОП-транзисторах, состоящих из параллельно включенных р- и n-канального МOП-транзисторов. На рис. 4.8.5-в показана схема, позволяющая существенно уменьшить влияние изменения входного аналогового напряжения на значение прямого сопротивления замкнутого ключа. Непосредственно ключ содержит два параллельно включенных транзистора VT1 и VT2 с индуцированными каналами различных типов проводимости (один с р-, а другой с n-каналом). Управление ключом осуществляется с помощью инвертора, выполненного на КМОП-транзисторах VT3 и VT4. При управляющем напряжении £/_уПр = -Е транзистор VT4 закрыт, a VT3 открыт и аналоговый ключ разомкнут (VT1 и VT2 закрыты). Ключ замыкается при одновременной подаче отрицательного напряжения на затвор p-канального МOП-транзистора VT1 и положительного напряжения на затвор n-канального МOП-транзистора VT2. Такое состояние ключа будет при подаче управляющего напряжения и_упр =+Е. Диапазон изменения входного напряжения для такого ключа а_вх = ± Е. При U_bx = 0 напряжение затвор-исток VT1 ushi = - Е, а напряжение затвор-исток VT2 t/зш = + Е. Транзисторы VT1 и VT2 открыты, а прямое сопротивление замкнутого ключа равно параллельному соединению сопротивлений открытых транзисторов. Когда м_вх = + Е, транзистор VT2 закрыт, так как напряжение £/₃и2 = 0, а транзистор VT1 открыт под действием напряжения £/зш = - 2£. Прямое сопротивление ключа _пр определяется сопротивлением полностью открытого транзистора VT2 и примерно равно сопротивлению ключа при U_вх = 0. Аналогично, при U_вх = -Е транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт под действием напряжения £/зи2 = + 2£ и прямое сопротивление остается примерно прежним.

Таким образом, изменение входного напряжения м_вх влияет на сопротивление каналов транзисторов VT1 и VT2 противоположным образом, и в результате прямое сопротивление ключа 7?_пр меняется в небольших пределах (рис. 4.8.5-г). Рассматриваемая схема позволяет также уменьшить ошибки, связанные с прохождением перепадов управляющих напряжений через паразитные емкости на выход. Действительно, управляющее напряжение на затворах обоих ключевых транзисторов имеет противоположные знаки и прохождение фронтов его в нагрузку в значительной степени компенсируется.

Ключи на МДП-транзисгорах выпускаются в виде интегральных микросхем, например, пятиканальный переключатель 190КЛ1 или сдвоенный двухканальный переключатель типа 190КТ2. Эти ключи могут коммутировать напряжение до 25 В и имеют прямое сопротивление 300 Ом при £/зи = - 20 В (для ИС 190КТ1) и 50 Ом (для ИС 190КТ2). Ток утечки закрытого канала не превышает 50 нА. Эти ключи не имеют схем управления и поэтому их затруднительно применять в устройствах, где совместно используются низкоуровневые логические схемы (например, ТТЛ). Этот недостаток устранен в двухканальном переключателе напряжения 143КТ1, который содержит ключ на МOП-транзисгоре n-типа и схему управления, которая выполняет функции согласования уровней выходных напряжений ТТЛ-схем и входных МОП-транзисторов.

Ключи на КМОП-транзистор ах также выполняются в виде интегральных микросхем, примерами которых могут служить ИС 176KTI, 564КТЗ. Эти ИС представляют собой четырехканальные ключи, каждый из которых выполнен в виде параллельного соединения МOП-транзисторов различной проводимости, как показано на рис. 4.8.5-в.

Аналоговые ключи на оптронах. В последние годы получают все большее распространение благодаря полной электрической развязке управляющих н информационных цепей и простоте задания одинаковых режимов для обоих транзисторов, включенных в нормальном и инверсном режимах для компенсации остаточного напряжения. В этих схемах оптроны успешно заменят трансформаторные управляющие цепи.

Схема рис. 4.8.6-а содержит однотипные транзисторные оптроны, включенные по компенсационному принципу. Фототранзисторы включены встречно, поэтому остаточный потенциал равен разности потенциалов на освещенных фототранзисторах.

В другом варианте (рис. 4.8.6-б) используется встречно параллельное включение фототранзисторов, которые играют роль ключа, последовательно соединенного с нагрузкой.

Контрольные вопорсы

1. Какой элемент автоматики имеет статическую характеристику, близкую к идеальной?

2. К каким последствиям приводит отличие реальной статической характеристики от идеальной?

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 16 Возрождение волновой теории света.

3. Приведите классификацию электронных ключей.

4. Перечислите основные требования к ЭК.

5. Какими параметрами характеризуются электронные ключи?

6. Какие параметры диода влияютна динамические свойства диодного ключа?

7. В каких устройствах применяют диодные ключи?

8. Какие логические функции реализуют на диодных ключах?