Глава 3. Аналоговые ключи и переключатели
В отличие от цифровых ключей аналоговые ключи коммутируют сигналы с неограниченным множеством значений токов и напряжений. Если аналоговый ключ находится в замкнутом состоянии, его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному, если ключ находится в разомкнутом состоянии, выходное напряжение должно равняться нулю. Формально операция коммутации аналогового сигнала может быть определена как операция умножения аналогового сигнала A(t) на функцию двоичной логики, принимающую значения 0 или 1.
К аналоговым ключам предъявляются такие же требования, как и к цифровым ключам: малое сопротивление в открытом состоянии и большое сопротивление в закрытом состоянии, малое время включения и выключения, небольшая потребляемая цепями управления мощность. Кроме указанных, к аналоговым ключам предъявляются жесткие требования по вносимым нелинейным, частотным и фазовым искажениям, а также динамическому диапазону коммутируемых сигналов.
Существуют различные схемные решения аналоговых ключей. Их принцип действия на примере механических переключателей приведен на рис. 3.1.
На рис. 3.1 а показан последовательный ключ. Пока контакт замкнут, Uвых=Uвх. Когда контакт размыкается, выходное напряжение становится равным нулю. Все это справедливо только для идеального ненагруженного ключа. Для неидеального нагруженного ключа имеет место статическая погрешность, вносимая конечными сопротивлениями ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях, и динамическая погрешность, обусловленная наличием различных емкостей, в результате чего статические состояния Uвых=Uвх и Uвых=0 достигаются не мгновенно.
У схемы параллельного ключа (рис. 3.1 б) отсутствует статическая погрешность и значительно меньше динамическая погрешность.
Последовательно-параллельный ключ (рис. 3.1 в) обладает преимуществами обеих схем.
На рис. 3.2 представлена схема последовательного аналогового ключа, выполненная на биполярном транзисторе. Чтобы перевести этот транзистор в режим отсечки, необходимо приложить отрицательное управляющее напряжение. Оно должно быть большим по абсолютной величине, чем максимальное напряжение отсечки.
Чтобы открыть транзистор, на его вход надо подать управляющее напряжение большее, чем напряжение отсечки на величину ΔU=IбRб. При этом переход коллектор-база откроется, и транзистор будет работать как ключ в инверсном включении. Недостатком схемы является протекание базового тока транзистора через цепь источника входного сигнала. Чтобы это не сказывалось на работе схемы, внутреннее сопротивление источника входного сигнала должно быть достаточно малым. Если выполняется это условие, то схема оказывается пригодной и для положительного входного напряжения. При этом ток эмиттера открытого транзистора будет положительным, что уменьшает напряжение смещения. При определенном значении тока эмиттера оно может даже равняться нулю. В этом режиме работы схема представляет собой насыщенный эмиттерный повторитель. Для управляющего напряжения, величина которого лежит в пределах от нуля до Uвх, она работает как эмиттерный повторитель сигнала Uупр.
Применение биполярного транзистора в качестве параллельного ключа показано на рис. 3.3 и 3.4.
В схеме на рис. 3.3 транзистор работает в прямом включении, а в схеме на рис. 3.4 – в инверсном включении.
Чтобы транзисторная цепь была достаточно низкоомной, необходимо поддерживать базовый ток в пределах нескольких миллиампер. Токи коллектора и эмиттера не должны превышать этих значений, тогда остаточные напряжения будут малы.
Если совместить насыщенный эмиттерный повторитель (рис. 3.2) и параллельный ключ, представленный на рис. 3.4, получится последовательно-параллельный ключ, имеющий в обоих рабочих состояниях малое напряжение смещения. Недостатком его является необходимость наличия комплементарных управляющих сигналов.
Более простое управление можно обеспечить, если применить комплементарный эмиттерный повторитель (рис. 3.5), который работает в режиме насыщения в обоих направлениях. Для этого необходимо обеспечить выполнение условий Uупр макс>Uвх и Uупр мин.
Благодаря низкому выходному сопротивлению в обоих режимах схема реализует высокую скорость коммутации выходного напряжения.
С целью уменьшения статической погрешности (падения напряжения на открытом ключе) используется последовательное включение одинаковых транзисторов.
Промышленность выпускает интегральные схемы, содержащие пары транзисторов, предназначенные для такого использования. Принципиальная схема интегральной микросхемы 101КТ1 приведена на рис. 3.6.
Схема аналогового ключа на основе такой микросхемы приведена на рис. 3.7
В этой схеме входной сигнал может быть постоянным любой полярности или переменным. Управляющий сигнал подается через трансформатор. Пусть в некоторый момент времени имеют место те полярности входного напряжения
Полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как омическое сопротивление, величина которого может изменяться в десятки раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток. На рис. 3.8 изображена схема последовательного ключа на полевом транзисторе.
Если в этой схеме управляющее напряжение установить меньшим, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере, на величину порогового напряжения, полевой транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю.
Если необходимо, чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор-исток следует поддерживать равным нулю. Это условие не так просто реализовать, так как потенциал истока не является неизменным. Один из возможных методов иллюстрируется на рис. 3.9.
Если управляющее напряжение установить большим, чем максимально возможное входное напряжение ключа, диод VD закроется и напряжение затвор-исток будет, как это и требуется, равным нулю.
При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод VDбудет открыт, а полевой транзисторVТзакрыт. В таком режиме работы через резисторR1течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение ключа в этом режиме равно нулю. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в том случае, если источник входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе ключа зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.
Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа использовать МОП-транзистор. Его можно перевести в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвор-канал будет равен нулю. Таким образом, в схеме ключа с МОП-транзистором отпадает необходимость в диоде VD и резисторе R1.
Чтобы охватить возможно больший диапазон входных напряжений, как в положительной, так и в отрицательной области, вместо одного МОП-транзистора лучше использовать КМОП-схему, состоящую из двух комплементарных МОП-транзисторов, включенных параллельно (рис. 3.10).
Для того чтобы перевести ключ в состояние «включено», нужно приложить к затвору нормально открытого МОП-транзистора VT1положительное управляющее напряжение, равное, по меньшей мере, удвоенному пороговому напряжению, а к затвору транзистораVT2– такое же напряжение, но противоположное по знаку. При малых величинах входного напряжения оба МОП-транзистора будут открыты. Если входное напряжение вырастет до значительного положительного уровня, величина напряжения затвор-истокVT1уменьшится, а внутреннее сопротивлениеVT1увеличится. Это обстоятельство, однако, несущественно, поскольку одновременно увеличится напряжение затвор-истокVT2и уменьшится внутреннее сопротивлениеVТ2. При отрицательных значениях входного напряжения транзисторыVT1иVT2меняются ролями. Для того, чтобы перевести ключ в состояние «выключено», необходимо изменить полярность управляющего напряжения.
При смене полярности управляющего напряжения через проходную емкость затвор-канал на выход схемы ключа передается короткий импульс напряжения, который представляет собой помеху особенно при малых уровнях коммутируемого напряжения. Чтобы амплитуда импульса помехи была незначительной, управляющее напряжение не должно быть слишком большим. Кроме того, желательно ограничить скорость изменения управляющего напряжения. Полезно также использовать низкоомные источники входного сигнала. Частоты переключения рассматриваемого ключа невелики.
Аналоговые ключи Texas Instruments
Важным параметром аналоговых ключей является динамика сопротивления канала. Эта величина представляет собой разницу между минимальным и максимальным значением сопротивления канала ключа. Вторым важным параметром является коэффициент вносимых гармонических искажений.
Характеристики аналоговых ключей Texas Instruments из нового поступления приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Сравнение основных характеристик аналоговых переключателей TI
Карточки упомянутых в новости товаров приведены в таблице ниже. На страницах товаров доступны даташиты от производителя.
Использование полупроводниковых переключателей для коммутации аудио-видео сигналов
Переключение аудио- и видеосигналов представляется простой конструкторской задачей, но если приоритет состоит в том, чтобы делать это без помех, обеспечивая при этом небольшие потери из-за наличия емкости или сопротивлений, оказывается, что существует много проблем, которые необходимо решить. Хотя популярные аналоговые CMOS-переключатели имеют хорошие параметры, разработчики должны знать, как правильно их использовать.
Механические переключатели или электромагнитные реле не подходят для переключения аудио / видео сигналов, поскольку коммутация с ними создает помехи, такие как потрескивание или видимые помехи в содержимом изображения. Для этого используются специализированные полупроводниковые коммутационные системы, изготовленные по технологии CMOS, в которых за переключение отвечают транзисторы MOSFET.
Они обеспечивают двусторонний поток тока с небольшими вносимыми потерями, и обеспечивает процесс подключения выходной цепи до отключения входа, что обеспечивает возможность избежать помех.
Основы коммутации аналоговых сигналов
Рис. 1. Блок-схема простого аналогового переключателя типа SPST (с одной парой контактов), управляемого логическим состоянием на входе IN
В полупроводниковом аналоговом коммутаторе используется пара полевых МОП-транзисторов: N-канал, подключенный параллельно второму P-каналу, что позволяет реализовать двунаправленный коммутатор. Примером такого решения, выполненного в технологии CMOS, является NS5B1G384 SPST от ON Semiconductor (рис. 1) с выходом NC (нормально замкнутый). Схема управления транзистором в нем генерирует соответствующие инвертирующие и неинвертирующие сигналы для затворов MOSFET, вызывая соответствующее открытие или закрытие каналов в обоих переключающих транзисторах.
В идеале аналоговый переключатель должен иметь как можно меньшее сопротивление, когда он включен (RON ). Это достигается путем выполнения структуры КМОП, чтобы области стока и истока в полевых МОП-транзисторах были как можно большими, чтобы сопротивление канала в проводимости было минимальным. Однако увеличение размера поверхности конструкции также приводит к увеличению паразитных способностей.
На более высоких частотах этот дополнительный конденсатор может стать проблемой, потому что он создает фильтр нижних частот, который вызывает искажение частотной характеристики. Конденсатор также вызывает задержку распространения сигнала из-за времени его зарядки и разрядки, и величина этой задержки зависит от сопротивления нагрузки и R ON и определяется как t = (R ON + R L ) · C, где R L — сопротивление нагрузки.
Следовательно, поддержание компромисса между RON и паразитной емкостью имеет решающее значение при выборе переключателя CMOS для данного приложения. Низкое последовательное значение сопротивления не всегда требуется, и в некоторых случаях аналоговый переключатель включается последовательно с резистивной нагрузкой с высоким сопротивлением, в результате чего его R ON является незначительным.
Однако в случае видеосигналов большая паразитная емкость обрезает высокие частоты, что приводит к меньшей полосе пропускания или искажениям. Следовательно, переключатель с более высоким сопротивлением будет работать лучше в этом случае .
В случае системы NS5B1G384, показанной на рисунке 1, значение RON является умеренно низким 4,0 Ом (типичное значение), а паразитная емкость очень мала — 12 пФ. Это означает, что этот переключатель можно использовать для сигналов с полосой пропускания до 330 МГц.
Переключение аудиосигналов
Рис. 2. Иллюстративная схема использования переключателя ADG884 для переключения между двумя аудиовыходами
Типичное решение для переключения двух аудиоисточников требует использования двух переключателей NS5B1G384, каждый из которых поддерживает один источник, например громкоговоритель или гарнитуру. Управление состоит в выборе одного входного контакта за раз, но в этой конфигурации правильный порядок включения и выключения аналоговых переключателей становится важным, чтобы предотвратить включение второй цепи перед отключением первой и, таким образом, избежать сбоев.
Альтернативное решение для переключения между двумя выходами аудиосигнала состоит в использовании двух аналоговых переключателей SPDT (с переключающим выходом).
Пример ADG-884BCPZ-REEL этого типа от Analog Devices включает два аналоговых SPDT-переключателя в одной микросхеме. При питании от 5 В они обеспечивают очень низкое значение R ON от 0,28 Ω (обычно) до 0,41 Ω (макс.), Что делает их пригодными для переключения аудиосигналов с низкими потерями.
Однако низкая RON имеет свою цену — паразитная емкость между контактами аналогового переключателя с включенным переключателем достигает 295 пФ. Стоит отметить, что ADG884 способен переключать сигналы до 400 мА, что делает его пригодным для переключения непосредственно на динамики на выходе аудиоусилителя (Рисунок 2).
Чтобы свести к минимуму возможность возникновения помех EMI, аудиоусилитель должен быть размещен на печатной плате как можно ближе к переключателю ADG884. Гнездо для наушников также должно быть расположено как можно ближе к ADG884, или следует использовать экранированный кабель между ADG884 и другими компонентами на пути прохождения сигнала.
В случае, когда аудиосигналы передаются в дифференциальной форме, отдельные пары S1A-B, S2A-B и D1-2 должны располагаться близко друг к другу, чтобы исключить любые общие шумы, например те, которые возникают от громкоговорителя рядом с ним.
Устранение помех на звуковой дорожке при переключении
Рис. 3. MAX14594E имеет два внутренних шунтирующих резистора на 500 Ом, которые разряжают выходные конденсаторы аудиоусилителя на выводах NO1 и NO2, чтобы не было срабатываний. Положения переключателей в этом примере показаны для низкого состояния сигнала управления CB
Для дальнейшего улучшения качества коммутируемых аудиосигналов и, следовательно, обычно, когда усилители высокой мощности подключены к их выходам, используйте шунтирующие резисторы для устранения накопленных зарядов в емкостях, содержащихся в тракте сигнала. Чтобы упростить эту задачу, некоторые аналоговые переключатели уже имеют встроенные шунтирующие резисторы. Хорошим примером является Maxim Integrated MAX14594EEWL + T DPDT.
Чтобы устранить потрескивание при переключении, MAX14594E имеет внутренние шунтирующие резисторы для разрядки входных конденсаторов аудиоусилителя после размыкания переключателей (рисунок 3).
MAX14594E имеет выход типа DPDT (два переключающих контакта), что позволяет использовать его для одновременного переключения обеих сигнальных линий с одним управляющим входом CB. RON составляет 0,25 Ом, а паразитная емкость составляет 50 пФ. По сравнению с NS5B1G384, R ON значительно ниже, но за счет увеличения паразитной емкости.
Как показано на рисунке 3, состояние низкого CB связывает NC1 и NC2 с COM1 и COM2 соответственно. В то же время он сочетает в себе выход усилителя звука NO1 и NO2 с шунтирующими резисторами. Для CB с высоким состоянием NO1 и NO2 подключены к COM1 и COM2 соответственно, что также приводит к отключению резисторов байпаса.
MAX14594E может управляться микроконтроллером, где логическое напряжение GPIO составляет 1,8 В или более, поскольку управляющий вход CB имеет высокий логический порог 1,4 В. Контакты GPIO должны быть подключены с использованием конденсатора емкостью около 0,1 мкФ между CB и землей, что сгладит любые переходные процессы.
Переключение видеосигнала
Рис. 4. QS4A110 — это встроенный двойной аналоговый переключатель в конфигурации 5PST, обеспечивающий переключение видеосигналов в полосе частот 1,8 ГГц.
Эта проблема усложняется в случае переключения видеосигналов , потому что здесь низкое значение RON важно из-за согласования импедансов и малой емкости емкости из-за ограничений полосы пропускания, которые снижают качество передаваемого материала.
Поэтому рекомендуется использовать системы с более высоким значением RON и соответственно более низкой паразитной емкостью. Однако это уменьшает амплитуду видеосигнала, что должно быть компенсировано путем добавления дополнительных усилителей и привлечения внимания к хорошей форме сигнала. В этой области ценны системы интеграции большого масштаба, потому что обычно переключаются многие сигналы , и это позволяет сделать конструкцию печатной платы как можно меньше и минимизировать потери сигнала.
Примером этого решения является QS4-A110QG от Integrated Device Technology (IDT). Это двойной аналоговый переключатель в конфигурации 5PST, предназначенный для коммутации видеосигналов . Он имеет умеренно низкое значение RON = 5 Ом и чрезвычайно низкую паразитную емкость — всего 10 пФ, что обеспечивает поддержку видеосигнала в полосе 1,8 ГГц (рисунок 4).
Глядя на рисунок 4, мы видим, что он может быть легко преобразован в один 5PDT, объединяя сигналы A (x) и B (x) друг с другом, так что переключающие выходы имеют C или D. Оба управляющих сигнала E1 # и E2 # активны в состоянии низкий, следовательно, второй вход должен быть задан инвертором. В системах, где должна быть обеспечена высокая скорость переключения, следует также обратить внимание на время распространения управляющих сигналов, чтобы не было ситуации коммутации (гонки) между выходами коммутатора. В этом случае дополнительный неинвертирующий буфер на втором входе будет компенсировать время распространения.
QS4A110 имеет время включения 6 нс и время выключения до 6,5 нс. Поэтому время включения и выключения в цепи определяется сопротивлением переключателя во включенном состоянии и емкостями, присутствующими в цепи.
ВЫВОД
Аналоговые переключатели кажутся простыми в использовании, но они не универсальны. Они требуют, чтобы конструктор находил компромисс между наименьшим возможным значением RON и более высокой паразитной емкостью, или более высоким RON, и меньшей емкостью. Оба непосредственно влияют на пропускную способность коммутируемых сигналов. Поэтому выбор конфигурации и макета определяют параметры проектируемого приложения в наибольшей степени.
Что надо знать об аналоговых ключах и мультиплексорах
Около двадцати пяти лет интегральные полупроводниковые аналоговые ключи и созданные на их основе мультиплексоры, верой и правдой служат разработчикам электронных изделий. Совершенствовался процесс изготовления, изменялась конструкция микросхем – все это позволило снизить напряжение питания, потребляемую мощность, сопротивление открытого ключа, инжектируемый заряд, время переключения. Что же интересного предлагает фирма Maxim в этой группе из 325 приборов.
Архитектура ключей и мультиплексоров не сильно изменилась за многие годы, но постоянный спрос на улучшенные характеристики заставляет производителей разрабатывать все новые и новые приборы для удовлетворения запросов разработчиков. Достаточно длительное время в качестве аналоговых ключей использовали МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторы. Обладая малым сопротивлением в проводящем состоянии и крайне высоким сопротивлением в состоянии отсечки, с малыми точками утечки и небольшой емкостью, они были почти идеальными аналоговыми ключами, управляемые напряжением. Необходимость коммутировать сигналы, равные или близкие по величине к напряжению питания, заставила решать эту проблему с помощью переключателей на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП). Известная схема 4066 – классическая схема аналогового ключа для сигналов в диапазоне от «земли» до положительного напряжения питания (фирма Maxim выпускает эту микросхему под названием MAX4066). Управляется однополярным сигналом от логических микросхем. Одиночный п-канальный или р-канальный полевой транзистор, работающий в режиме обогащения, может служить аналоговым ключом, но его сопротивление в открытом состоянии будет значительно зависеть от величины коммутируемого сигнала.
Соединение n-канального и p-канального МОП-транзистора в параллель резко снижает эту зависимость. Необходимо только одно условие – включение и выключение этих транзисторов должно осуществляться одновременно. Многолетние совершенствования аналогового ключа на основе КМОП-транзисторов понизили порог напряжения включения до 2,5-5,0 В. Добавление преобразователя уровня позволило получить сигналы управления затворами комплементарных МОП-транзисторов от входных сигналов логического уровня. При этом, аналоговый ключ теперь может коммутировать аналоговый сигнал уровнем ±15 В. Схема современного ключа представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема современного КМОП-ключа
Управляющий сигнал имеет уровень TTL-логики. При этом КМОП-ключ на транзисторах Q9 и Q10 может пропускать аналоговые сигналы уровнем ±Uпит. Показанные на схеме транзисторы Q11 и Q12 улучшают работу ключа, снижая утечки ключа и уменьшая модуляцию сопротивления открытого канала. Эти два транзистора никогда не должны включаться одновременно. Иначе отрицательная шина питания будет подключена к нагрузке и увеличится время включения/выключения. Режим безопасности работы транзисторов Q11 и Q12 должен обеспечиваться конструктивно. Достаточно хорошие параметры по значению сопротивления открытого ключа, по токам утечки и динамическим искажениям передачи большого сигнала на частоте до 500 КГц реализованы в ключах MAX3ХХ. Наиболее простой способ улучшения вышеуказанных параметров – это соединение в параллель имеющихся на чипе ключей. Так MAX351, имеющий 4 ключа, при параллельном соединении имеет типовое сопротивление в открытом состоянии 5,5 Ом и максимальное – 11,25 Ом. При этом, максимальное изменение сопротивления ключа от изменения значения коммутируемого сигнала, не превышает ΔRоткр ≤ 1,25 Ом.
Через открытые транзисторы ключа течет ток коммутируемого сигнала. От источников питания ток в ключ практически не течет. А вот для смещения уровней и для управления ключом ток необходим.
Увеличение тока происходит при напряжении около 0,8 В и 2,4 В, что связано с переходом транзисторов из открытого состояния в закрытое (и обратно) и переходом их на это время в линейный режим. Если логические и аналоговые напряжения источников питания равны, то токи через микросхему протекают на уровне тока утечки – менее 1 мкА. Для нормальной работы ключа с разными напряжениями (например +5 В и ±15 В) необходимо к каждому терминалу источника ставить шунтирующие конденсаторы 10 мкФ параллельно с 100 нФ.
Динамические погрешности ключей определяются тем, что сигнал управления проходит через несколько каскадов, и на каждом имеет задержку. Особенно это важно в многоканальных мультиплексорах, например, 8 в 1. Здесь нельзя реализовать включение канала, если не выключен предыдущий. Вот поэтому, в микросхеме MAX338 конструктивно вносится гарантированное время задержки на переключение – минимум 10 нсек. При включении и выключении ключа управляющий сигнал через емкость транзисторов предварительных каскадов инжектирует некоторый заряд в проводящий канал ключа. Это приводит к ошибке при передаче сигнала через ключ. Величина инжектируемого заряда тем меньше, чем меньше сопротивление открытого канала. По этим же соображениям, время подъема и спада логического сигнала на входе для большинства ключевых схем MAXIM не должно превышать 20 нсек.
Зная тонкости построения ключей, их сильные и слабые стороны, можно найти самое широкое применение полупроводниковых ключей и мультиплексоров в радиоэлектронной аппаратуре. Они могут оперировать с радиочастотами до 1 МГц и выше. Большинство аналоговых ключей выделяют небольшую мощность рассеяния и требуют простого логического интерфейса. Функционирование ключей зависит от тока сигнала в элементе переключения и для снижения потерь при передаче, обычно, ограничиваются миллиамперами.
Для снижения перекрестных помех на частотах порядка 10 МГц и выше можно использовать ключи (стандартные MAX312, MAX383, видео Т-ключи MA4545), соединенные по Т-образной схеме (рис. 2). Один или два ключа соединяются на землю с низким сопротивлением (типовое -40 Ом) и отличным коэффициентом развязки (-80 дБ на 10 МГц). Однако, надо помнить, что с увеличением рабочей частоты сигнала, перекрестные помехи и развязка становятся неудовлетворительными.
Рис. 2. Т-образная схема включения ключа для сигнала частотой 10 МГц
Простая схема генератора на 2 частоты, стабилизируемые кварцевыми резонаторами, получается при использовании микросхемы с четырьмя ключами (MAX 383) при питании ±8 В или, при использовании MAX 411, ±18 В.
Очень полезными могут быть интегральные схемы ключей и мультиплексоров при автоматической установке коэффициента усиления, частоты, фазы или напряжения. Например, если подать сигнал на неинвертирующий вход операционного усилителя, а на выходе установить последовательную резистивную матрицу, то с помощью 16-канального мультиплексора типа MAX 306, можно выбрать один из 16 уровней коэффициента усиления. При этом, каждый ключ с одной стороны подключается к «своему» резистору, а вторая сторона всех ключей объединяется и подключается к инвертирующему входу операционного усилителя.
Широкое применение нашли аналоговые ключи в звуковых системах. При прохождении сигнала через ключ не должно происходить ухудшение сигнала, введение в него любой новой информации, искажение формы и фазы волн. Полностью избежать этого не удается. Очевидно, что все искажения должны быть миниминизированы. Суммарное значение коэффициента нелинейных искажений (ТHD) определяется как отношение квадратного корня суммы квадратов второй, третьей и более высоких гармоник к величине основной (первой) гармоники. Выбор аналогового ключа с минимумом ТHD требует одного – низкого сопротивления в открытом состоянии (Ron) и, следовательно, незначительной неравномерности сопротивления Ron или плоскостности.
Плоскостность определяется как разность между максимальными и минимальными значениями сопротивления в открытом состоянии, измеренными в заданном диапазоне аналогового сигнала. Часто, (если нет иных указаний в документации), плоскостность принимают равной 10% от сопротивления открытого канала. Искажения являются результатом параллельного соединения р- и n-канальных транзисторов, которые имеют нелинейные характеристики сопротивления в открытом состоянии.
Практически, максимум нелинейных искажений определяется следующим соотношением:
где Rнагр. – нагрузка, включенная последовательно с ключом.
Рис. 3. Зависимость суммарного коэффициента нелинейных искажений (THD) для частоты
На рис. 3 представлена зависимость THD от частоты для трех ключей MAX 4501, MAX4544, и MAX4621 с испытательной нагрузкой Rнагр.= 10 кОм.
Эти графики показывают, что в звуковых системах для минимизации суммарных нелинейных искажений необходимо выбирать ключи с очень низким сопротивлением в открытом состоянии.
КМОП аналоговые ключи обладают, несомненно, многими полезными качествами, так что большинство разработчиков считает их как норму и использует в самых разнообразных применениях.
Обратим внимание на некоторые технические параметры ключей. Сегодня имеется много аналоговых ключей, работающих с одним низковольтным источником питания. Применяются и низковольтные ключи с однополярным питанием и логическими сигналами по стандартам КМОП и уровнями ТТЛ. Но имеются еще ключи, которые работают от питания ±15 В или ±12 В. Для управления ими требуется еще один источник питания, маркируемый VL, который обычно бывает 5 В или 3,3 В.
Если логический сигнал находится на уровне V+ (или VL, если имеется), то через аналоговые ключи по существу не течет ток от источника питания. Применяя ТТЛ-уровни при пятивольтовом напряжении VL, можно увеличить ток от источника питания более чем в 1000 раз. Чтобы избежать ненужного потребления тока от источника питания, Вы должны избегать использования ТТЛ-уровней – наследства 1980-х годов.
Время переключений (t-вкл. и t-выкл.) для большинства аналоговых ключей находится в пределах от 60 нсек. до 1 мсек.
Для «бесщелчковых» звуковых переключателей фирмы MAXIM время переключения увеличено до миллисекундного диапазона, что позволят устранить слышимые звуковые щелчки.
Итак, мы видим, что для передачи сигнала с минимальными искажениями нужно либо минимальное сопротивление ключа в открытом состоянии, либо максимально возможная нагрузка на выходе ключа. Рассмотрим еще один аспект при переключении – эффект инжекции заряда. Для получения низкого значения RON требуется расширение области канала. Результатом является большая входная емкость и соответствующая плата: увеличение рассеиваемой мощности от тока заряда – разряда в каждом цикле переключения. Постоянное время заряда t = R×C зависит от сопротивления (RON) и емкости (С) нагрузки. Обычно это продолжается несколько десятков наносекунд, но низкоомные ключи имеют более длительную продолжительность периода включения и выключения. Ключи с высоким RON более быстрые. MAXIM предлагает оба типа ключей – с одинаковой цоколевкой и в одинаковом корпусе SOT-23. MAX4501 и MAX4502 имеют более высокое сопротивление RON, но короткое время включения/выключения MAX4514 имеют более низкое сопротивление RON, но более длинное время переключения.
Еще одно отрицательное последствие низкоомных ключей – более высокий уровень инжекции заряда, вызванный увеличенным уровнем тока через емкость затвора. Особенно это важно при использовании ключей в устройствах выборки/хранения для точного преобразования в АЦП.
Защита ключей от электростатического заряда (ESD) основывается на достижениях MAXIM’а в этой области. Они позволили увеличить защиту новых аналоговых ключей до ±15 кВт по рекомендациям IEC 1000-4-2 уровня 4 (самый высокий уровень). Все аналоговые входы для ESD-тестов используют модель человеческого тела, а также контакт и разряд через воздушный зазор, указанные в методике IEC 1000-4-2.
Так, выпускаемые ключи MAX4551 – MAX4553, совместимы по выводам с большинством стандартных четырех ключевых микросхем таких, как DS201/211, MAX391 и др. Теперь не требуется делать защиту аналоговых входов с помощью дорогих ограничительных диодов, так как защита от электростатических разрядов (до 15 кВ) заложена в схему ключей и мультиплексоров.
Следующую важную характеристику необходимо отметить у современных ключей. Обычно допустимый диапазон входного сигнального напряжения ограничивается напряжением на шинах источника питания. Если аналоговый сигнал превышает напряжение источника питания, то через обратносмещенные паразитные диоды течет ток. В случае, когда этот ток не имеет ограничения, микросхема из-за перегрева выходит из строя. Поэтому, большинство старых ключей и мультиплексоров могли работать с токами, не превышающими 10÷20 mA.
Новые ключи MAXIM’а имеют встроенную защиту от пробоя, когда они сохраняют работоспособность до ±25 В (некоторые до 36 В) входного сигнала при питании 15 В и ±40 В при отключенном питании. В этом случае (при перенапряжении) по входу аналогового сигнала ключ принимает высокое полное сопротивление независимо от состояния ключа или сопротивления нагрузки. Только ток утечки, составляющей наноамперы, может вытекать из источника сигнала. Здесь очень важно одно обстоятельство: эти ключи не требуют определенного порядка подачи напряжения питания и напряжения аналогового сигнала. Даже при снятом питании не происходит пробоя ключа от аналогового сигнала. Защищенные от пробоя ключи MAX4511÷MAX4513 по выводам совместимы с DS411÷DS413.