Що треба знати про аналогових ключах і мультиплексорах

Близько двадцяти п'яти років інтегральні напівпровідникові аналогові ключі і створені на їх основі мультиплексори, вірою і правдою служать розробникам електронних виробів. Удосконалювався процес виготовлення, змінювалася конструкція мікросхем - все це дозволило знизити напругу харчування, споживану потужність, опір відкритого ключа, інжектіруемого заряд, час перемикання. Що ж цікавого пропонує фірма Maxim в цій групі з 325 приладів.

Архітектура ключів і мультиплексорів не сильно змінилася за багато років, але постійний попит на поліпшені характеристики змушує виробників розробляти все нові і нові прилади для задоволення запитів розробників. Досить тривалий час як аналогових ключів використовували МОП (метал-окисел-напівпровідник) транзистори. Володіючи малим опором в провідному стані і вкрай високим опором в стані відсічення, з малими точками витоку і невеликою ємністю, вони були майже ідеальними аналоговими ключами, керовані напругою. Необхідність комутувати сигнали, рівні або близькі за величиною до напруги харчування, змусила вирішувати цю проблему за допомогою перемикачів на комплементарних МОП-транзисторах (КМОП). Відома схема 4066 - класична схема аналогового ключа для сигналів в діапазоні від «землі» до позитивного напруги харчування (фірма Maxim випускає цю мікросхему під назвою MAX4066). Управляється однополярним сигналом від логічних мікросхем. Одиночний п-канальний або р-канальний польовий транзистор, що працює в режимі збагачення, може служити аналоговим ключем, але його опір у відкритому стані буде значно залежати від величини комутованого сигналу.

З'єднання n-канального і p-канального МОП-транзистора в паралель різко знижує цю залежність. Необхідно тільки одна умова - включення і виключення цих транзисторів повинно здійснюватися одночасно. Багаторічні вдосконалення аналогового ключа на основі КМОП-транзисторів знизили поріг напруги включення до 2,5-5,0 В. Додавання перетворювача рівня дозволило отримати сигнали управління затворами комплементарних МОП-транзисторів від вхідних сигналів логічного рівня. При цьому, аналоговий ключ тепер може комутувати аналоговий сигнал рівнем ± 15 В. Схема сучасного ключа представлена ​​на рис. 1.

Мал. 1. Схема сучасного КМОП-ключа

Керуючий сигнал має рівень TTL-логіки. При цьому КМОП-ключ на транзисторах Q9 і Q10 може пропускати аналогові сигнали рівнем ± U _піт. Показання на схемі транзистори Q11 і Q12 покращують роботу ключа, знижуючи витоку ключа і зменшуючи модуляцію опору відкритого каналу. Ці два транзистора ніколи не повинні включатися одночасно. Інакше негативна шина живлення буде підключена до навантаження і збільшиться час включення / вимикання. Режим безпеки роботи транзисторів Q11 і Q12 повинен забезпечуватися конструктивно. Досить хороші параметри за значенням опору відкритого ключа, за струмів витоку і динамічним спотворень передачі великого сигналу на частоті до 500 КГц реалізовані в ключах MAX3ХХ. Найбільш простий спосіб поліпшення вищевказаних параметрів - це з'єднання в паралель наявних на чіпі ключів. Так MAX351, який має 4 ключа, при паралельному з'єднанні має типове опір у відкритому стані 5,5 Ом і максимальне - 11,25 Ом. При цьому, максимальна зміна опору ключа від зміни значення комутованого сигналу, не перевищує ΔR _відкр ≤ 1,25 Ом.

Через відкриті транзистори ключа тече струм комутованого сигналу. Від джерел живлення струм в ключ практично не тече. А ось для зсуву рівнів і для управління ключем струм необхідний.

Збільшення струму відбувається при напрузі близько 0,8 В і 2,4 В, що пов'язано з переходом транзисторів з відкритого стану в закрите (і назад) і переходом їх на цей час в лінійний режим. Якщо логічні та аналогові напруги джерел живлення рівні, то струми через мікросхему протікають на рівні струму витоку - менше 1 мкА. Для нормальної роботи ключа з різними напругами (наприклад +5 В і ± 15 В) необхідно до кожного терміналу джерела ставити шунтуючі конденсатори 10 мкФ паралельно з 100 нФ.

Динамічні похибки ключів визначаються тим, що сигнал управління проходить через кілька каскадів, і на кожному має затримку. Особливо це важливо в багатоканальних мультиплексорах, наприклад, 8 в 1. Тут не можна реалізувати включення каналу, якщо не вимкнений попередній. Ось тому, в мікросхемі MAX338 конструктивно вноситься гарантований час затримки на перемикання - мінімум 10 нсек. При включенні і виключенні ключа керуючий сигнал через ємність транзисторів попередніх каскадів інжектується деякий заряд в провідний канал ключа. Це призводить до помилки при передачі сигналу через ключ. Величина інжектіруемого заряду тим менше, чим менше опір відкритого каналу. За цих же міркувань, час підйому і спаду логічного сигналу на вході для більшості ключових схем MAXIM не повинно перевищувати 20 нсек.

Знаючи тонкощі побудови ключів, їх сильні і слабкі сторони, можна знайти найширше застосування напівпровідникових ключів і мультиплексорів в радіоелектронній апаратурі. Вони можуть оперувати з радіочастотами до 1 МГц і вище. Більшість аналогових ключів виділяють невелику потужність розсіювання і вимагають простого логічного інтерфейсу. Функціонування ключів залежить від струму сигналу в елементі перемикання і для зниження втрат при передачі, зазвичай, обмежуються міліампер.

Для зниження перехресних перешкод на частотах порядку 10 МГц і вище можна використовувати ключі (стандартні MAX312, MAX383, відео Т-ключі MA4545), з'єднані по Т-образної схемою (рис. 2). Один або два ключа з'єднуються на землю з низьким опором (типове -40 Ом) і відмінним коефіцієнтом розв'язки (-80 дБ на 10 МГц). Однак, треба пам'ятати, що зі збільшенням робочої частоти сигналу, перехресні перешкоди і розв'язка стають незадовільними.

Мал. 2. Т-подібна схема включення ключа для сигналу частотою 10 МГц

Проста схема генератора на 2 частоти, що стабілізується кварцовими резонаторами, виходить при використанні мікросхеми з чотирма ключами (MAX 383) при харчуванні ± 8 В або, при використанні MAX 411, ± 18 В.

Дуже корисними можуть бути інтегральні схеми ключів і мультиплексорів при автоматичній установці коефіцієнта посилення, частоти, фази або напруги. Наприклад, якщо подати сигнал на неінвертуючий вхід операційного підсилювача, а на виході встановити послідовну резистивную матрицю, то за допомогою 16-канального мультиплексора типу MAX 306, можна вибрати один з 16 рівнів коефіцієнта посилення. При цьому, кожен ключ з одного боку підключається до «свого» резистору, а друга сторона всіх ключів об'єднується і підключається до інвертується входу операційного підсилювача.

Широке застосування знайшли аналогові ключі в звукових системах. При проходженні сигналу через ключ не повинно відбуватися погіршення сигналу, введення в нього будь-якої нової інформації, спотворення форми і фази хвиль. Повністю уникнути цього не вдається. Очевидно, що всі спотворення повинні бути мінімінізіровани. Сумарне значення коефіцієнта нелінійних спотворень (ТHD) визначається як відношення квадратного кореня суми квадратів другої, третьої і більше високих гармонік до величини основної (першої) гармоніки. Вибір аналогового ключа з мінімумом ТHD вимагає одного - низького опору у відкритому стані _(R on) і, отже, незначною нерівномірності опору _R on або площинності.

Площинність визначається як різниця між максимальними та мінімальними значеннями опору у відкритому стані, виміряними в заданому діапазоні аналогового сигналу. Часто, (якщо немає інших вказівок в документації), площинність приймають рівною 10% від опору відкритого каналу. Спотворення є результатом паралельного з'єднання р-і n-канальних транзисторів, які мають нелінійні характеристики опору у відкритому стані.

Практично, максимум нелінійних спотворень визначається наступним співвідношенням:

де R _нагр. - Навантаження, включена послідовно з ключем.

Мал. 3. Залежність сумарного коефіцієнта нелінійних спотворень (THD) для частоти

На рис. 3 представлена залежність THD від частоти для трьох ключів MAX 4501, MAX4544, і MAX4621 з випробувальною навантаженням R _нагр. = 10 кОм.

Ці графіки показують, що в звукових системах для мінімізації сумарних нелінійних спотворень необхідно вибирати ключі з дуже низьким опором у відкритому стані.

КМОП аналогові ключі мають, безсумнівно, багатьма корисними якостями, так що більшість розробників вважає їх як норму і використовує в найрізноманітніших застосуваннях.

Звернемо увагу на деякі технічні параметри ключів. Сьогодні є багато аналогових ключів, що працюють з одним низьковольтних джерелом харчування. Застосовуються і низьковольтні ключі з однополярним живленням і логічними сигналами за стандартами КМОП і рівнями ТТЛ. Але є ще ключі, які працюють від харчування ± 15 В або ± 12 В. Для управління ними потрібно ще одне джерело живлення, маркується _V L, який зазвичай буває 5 У або 3,3 В.

Якщо логічний сигнал знаходиться на рівні V + (або _V L, якщо є), то через аналогові ключі по суті не тече струм від джерела живлення. Застосовуючи ТТЛ-рівні при пятівольтового напрузі _V L, можна збільшити струм від джерела живлення більш ніж в 1000 разів. Щоб уникнути непотрібного споживання струму від джерела живлення, Ви повинні уникати використання ТТЛ-рівнів - спадщини 1980-х років.

Час перемикань (t-вкл. І t-викл.) Для більшості аналогових ключів знаходиться в межах від 60 нсек. до 1 мсек.

Для «бесщелчкових» звукових перемикачів фірми MAXIM час перемикання збільшено до мілісекундного діапазону, що дозволять усунути чутні звукові клацання.

Отже, ми бачимо, що для передачі сигналу з мінімальними спотвореннями потрібно або мінімальний опір ключа у відкритому стані, або максимально можливе навантаження на виході ключа. Розглянемо ще один аспект при перемиканні - ефект інжекції заряду. Для отримання низького значення _R ON потрібне розширення області каналу. Результатом є велика вхідна ємність і відповідна плата: збільшення потужності, що розсіюється від струму заряду - розряду в кожному циклі перемикання. Постійне час заряду t = R × C залежить від опору _(R ON) і ємності (С) навантаження. Зазвичай це триває кілька десятків наносекунд, але низькоомні ключі мають більш тривалу тривалість періоду включення і виключення. Ключі з високим _R ON більш швидкі. MAXIM пропонує обидва типи ключів - з однаковою цоколевкой і в однаковому корпусі SOT-23. MAX4501 і MAX4502 мають більш високий опір _R ON, але короткий час включення / вимикання MAX4514 мають більш низький опір _R ON, але довший час перемикання.

Ще одне негативне наслідок низькоомних ключів - більш високий рівень інжекції заряду, викликаний збільшеним рівнем струму через ємність затвора. Особливо це важливо при використанні ключів в пристроях вибірки / зберігання для точного перетворення в АЦП.

Захист ключів від електростатичного заряду (ESD) грунтується на досягненнях MAXIM'а в цій області. Вони дозволили збільшити захист нових аналогових ключів до ± 15 кВт за рекомендаціями IEC 1000-4-2 рівня 4 (найвищий рівень). Всі аналогові входи для ESD-тестів використовують модель людського тіла, а також контакт і розряд через повітряний зазор, зазначені в методиці IEC 1000-4-2.

Так, що випускаються ключі MAX4551 - MAX4553, сумісні за висновками з більшістю стандартних чотирьох ключових мікросхем таких, як DS201 / 211, MAX391 та ін. Тепер не потрібно робити захист аналогових входів за допомогою дорогих обмежувальних діодів, так як захист від електростатичних розрядів (до 15 кВ) закладена в схему ключів і мультиплексорів.

Наступну важливу характеристику необхідно відзначити у сучасних ключів. Зазвичай допустимий діапазон вхідного сигнального напруги обмежується напругою на шинах джерела живлення. Якщо аналоговий сигнал перевищує напруга джерела живлення, то через обратносмещенного паразитні діоди тече струм. У разі, коли цей струм не має обмеження, мікросхема через перегрів виходить з ладу. Тому, більшість старих ключів і мультиплексорів могли працювати з струмами, що не перевищують 10 ÷ 20 mA.

Нові ключі MAXIM'а мають вбудований захист від пробою, коли вони зберігають працездатність до ± 25 В (деякі до 36 В) вхідного сигналу при харчуванні 15 В і ± 40 В при відключеному харчуванні. У цьому випадку (при перенапруженні) по входу аналогового сигналу ключ приймає високе повний опір незалежно від стану ключа або опору навантаження. Тільки струм витоку, складовою наноампер, може випливати з джерела сигналу. Тут дуже важливо одна обставина: ці ключі не вимагають певного порядку подачі напруги харчування і напруги аналогового сигналу. Навіть при знятому харчуванні не відбувається пробою ключа від аналогового сигналу. Захищені від пробою ключі MAX4511 ÷ MAX4513 за висновками сумісні з DS411 ÷ DS413.

У короткій журнальній статті неможливо зробити докладний опис всіх властивостей ключів і мультиплексорів. Всім, кому цікава така інформація, пропоную відвідати сайт www.maxim-ic.cоm або сайт офіційного дистриб'ютора МАХIM - компанії Rainbow Technologies. За цими адресами Ви знайдете багато корисного для правильного вибору і використання даного типу приладів.