Цифрові комутатори забезпечують перемикання і передачу двійкових (бінарних) сигналів. Незважаючи на функціональну подібність між цифровими і аналоговими ключами, вимоги до останніх сильно відрізняються від вимог до цифрових перемикачів, що призводить до зовсім інших підходів, за допомогою яких слід розробляти і вибирати аналогові ключі та мультиплексори.
Основним ключовим елементом цих пристроїв є МДП-транзистор (MOSFET). Завдяки низькому опору в замкнутому стані, високому опору в режимі відсічення, низьким струмів витоку і малим паразитних ємностей, МДП-транзистори з успіхом використовуються в якості аналогових ключів, керованих напругою. Деякі застосування аналогових ключів і мультиплексорів показані на малюнку 1.
Мал. 1. Можливі застосування аналогових ключів і мультиплексорів
У портативних пристроях аналогові перемикачі використовуються для комутації вхідних і вихідних сигналів. За допомогою аналогового мультиплексора можна з одноканального АЦП зробити багатоканальний. Два аналогових мультиплексора, наприклад, DG408 дозволяють створити підсилювач з керованим коефіцієнтом передачі і декількома входами для комутації сигналів з декількох джерел сигналу, наприклад, датчиків.
Аналоговий комутатор з ідеальними характеристиками повинен вести себе як вимикач або перемикач, тобто передавати сигнал в навантаження без втрат і нелінійних спотворень в широкій смузі частот. Забезпечити близькі до ідеальних передавальні характеристики у аналогових ключів непросто (див. Рисунок 2). Одиночний N-канальний або P-канальний МДП-транзистори можуть використовуватися в якості аналогового ключа, однак опір одиночних транзисторів у включеному стані Ron буде сильно залежати від величини комутованого сигналу. Опір Ron можна істотно зменшити, якщо включити комплементарні польові транзистори паралельно і управляти ними парафазного сигналами зі входу і виходу інвертора, що забезпечує практично одночасне вмикання та вимикання цих ключів. Залежно опорів Ron від рівня вхідного сигналу показані в нижній частині малюнка 2.
Мал. 2. Механічний і аналоговий ключі і залежності опорів аналогових ключів від Uвх.
Спотворення при передачі сигналу в аналогових ключах визначаються наступними факторами:
- ненульове опір ключа у включеному стані і його кінцеве значення в вимкненому режимі;
- нелінійна залежність опору ключа від напружень на керуючому і інформаційному входах;
- обмеження по амплітуді і полярності комутованого сигналу на вході;
- взаємозв'язок між комутованих і керуючим сигналом (свій внесок в це вносять паразитні ємності і струми витоку).
Динамічні похибки аналогових ключів виникають через затримку сигналів управління, що проходять через кілька каскадів. Цей фактор особливо важливий в мультиплексорах, так як не можна допустити включення каналу поки не вимкнений попередній. Тому в багатоканальних аналогових комутаторах схемними методами забезпечують гарантовану затримку для неможливості одночасного включення двох або більше каналів. При перемиканні аналогового комутатора сигнал управління через паразитні ємності ключа інжектується деякий заряд (charge injection) в провідний канал ключа. Це призводить до викривлення сигналу при передачі сигналу через ключ, що особливо відчутно для високочастотного спектра вхідного сигналу. Величину інжектіруемого заряду для кожного аналогового ключа виробники обов'язково вказують у своїй документації.
На малюнку 3 показані основні конфігурації аналогових ключів фірми Vishay.
Мал. 3. Основні конфігурації аналогових ключів і мультиплексорів Vishay
Найбільшою популярністю у розробників користуються поодинокі аналогові мультиплексори 8: 1 і здвоєні мультиплексори 4: 1. Серед аналогових ключів найбільш затребувані конфігурації SPSTx4, NO (зчетверені нормально розімкнуті - схеми і розшифровки наведені на малюнку 3), зчетверені нормально замкнуті SPSTx4, NC, одиночні і здвоєні перемикачі SPDTx1 і SPDTx2. Серії аналогових ключів і їх основні властивості наведені в таблиці 1, а основні параметри найбільш популярних і перспективних аналогових комутаторів зведені в таблицю 2.
Таблиця 1. Серії аналогових ключів і мультиплексорів VISHAY і їх основні властивості
Найменування Основні параметри і властивості DG2xx, DG3xx, DG4xx Напруга живлення від ± 5 до ± 15 В (44 В максимум), КМОП, Rail-to-Rail, широка номенклатура DG4xxL Напруга живлення від ± 2,7 до ± 6 В або від 2 , 7 до 12 В (низьковольтна версія серії DG4xx) DG6xx ультранизьким значення паразитних ємностей, високу швидкодію і широка смуга пропускання DG94xx Висока точність, низька Ron (від 2 до 4 Ом); однополярної і двуполярное харчування; оптимізовані для живлення ± 5 В, можливо управління від низьковольтної логіки DG20xx / DG25xx Напруга живлення від 1,8 до 5,5 В; високу швидкодію; низькі Ron, струм витоку і шум при перемиканні; широка смуга пропускання DG27xx Для самих низьковольтних додатків, напруги харчування від 1,6 до 3,6 В; ультранизьким Ron (<0,5 Ом при 2,7 В); високу швидкодію DG23xx Швидкісні шинні перемикачі
Таблиця 2. Популярні і перспективні аналогові ключі та мультиплексори VISHAY
Серії DG2xx, DG3xx, DG4xx можуть працювати при широких діапазонах напруги харчування аж до 44 В (повний розмах напруг живлення). Ключі цих серій мають Rail-to-Rail входи і виходи, мають дуже широку номенклатуру і користуються широкою популярністю у розробників.
Серія DG4xxL - це низьковольтна версія серії DG4xx. Буква «L» (Low - низький) інформує про низьковольтному харчуванні цих ключів від ± 2,7 до ± 6 В при двополярної харчуванні або від 2,7 до 12 В при однополярному включенні.
Серія DG6xx призначена для комутації високочастотних сигналів завдяки ультранизьким значенням паразитних ємностей і широкій смузі пропускання, ніж забезпечується дуже високу швидкодію. Зацікавити розробників можуть нові аналогові ключі з цього сімейства DG636 з інжектіруемого зарядом всього 0,5 пКл (параметри цих ключів наведені в таблиці 2).
Серія DG94xx характеризується високою точністю передавальної характеристики при низькому опорі у включеному стані (від 2 до 4 Ом). Ключі цієї серії оптимізовані для роботи від напруги ± 5 В, але завдяки вбудованим перетворювачів рівнів можуть працювати і від харчування однієї полярності з керуванням від низьковольтної логіки.
Серії DG20xx / DG25xx оптимізовані для низьковольтних додатків при харчуванні від 1,8 до 5,5 В. Не дивлячись на напруга живлення від 1,8 В, серії характеризуються малими опорами Ron і струмами витоку, низькими шумами при перемиканні і широкою смугою пропускання.
Серія DG27xx призначена для самих низьковольтних додатків з діапазоном напруг живлення від 1,6 до 3,6 В. Це не завадило цій серії ключів досягти низького опору у включеному стані (менше 0,5 Ом при 2,7 В) і забезпечити достатньо високу швидкодію .
При виборі аналогових ключів до деяких параметрів, наведених в таблицях документації виробника, потрібно ставитися з особливою увагою. Справа в тому, що в таблицях наводяться характеристики при певних умовах вимірювання, але в реальному пристрої мікросхема працює при зміні параметрів в деяких діапазонах. З цього випливає, що необхідно уважно вивчати графічні залежності, наведені виробником в документації (datasheet). Наприклад, у багатьох випадках для аналогових ключів дуже важливі вносяться втрати і гармонійні спотворення, ізоляція між каналами при відключеному стані і проникнення перехресних перешкод між каналами. Ці параметри дуже важливі для високоякісної звукової апаратури і прецизійних вимірювальних приладів.
Розглянемо ці графіки на прикладі нових аналогових перемикачів з конфігурацією SPDTx1 - DG469 / DG470. Нові ключі характеризуються низькими гармонійними спотвореннями і малими значеннями опору в замкнутому стані 3,6 Ом при відносно широкій смузі пропускання і прийнятні параметри, що характеризують ізоляцію між каналами (див. Малюнок 4).
Мал. 4. Частотні залежності параметрів ізоляції і гармонійних спотворень для нових аналогових ключів DG469 / DG470
OIRR - Off Isolation - параметр, що характеризує ізоляцію в відключеному режимі, XTALK - Channel-to-Channel Crosstalk - параметр для оцінки проникнення перехресних перешкод між каналами. Необхідно враховувати, що при однополярному харчуванні гармонійні спотворення набагато вище в порівнянні з Двуполярность включенням аналогових ключів. З ростом частоти істотно погіршуються параметри ізоляції і зростає проникнення перехресних перешкод між каналами, тому при виборі ключів необхідно враховувати діапазон частот комутованих сигналів.
Кілька слів про коректне підході до вибору аналогового ключа по опору каналу Ron у включеному стані. На першій сторінці документації зазвичай наводиться типове значення цього параметра при певних умовах вимірювання. Однак при роботі ключів в умовах зміни вхідного напруги в діапазоні Rail-to-Rail і широкому діапазоні робочих температур опір Ron змінюється в досить широких межах, що обов'язково потрібно враховувати при конструюванні апаратури, що працює в жорстких умовах експлуатації. Крім того, Ron при двополярної харчуванні істотно менше в порівнянні з режимом однополярного харчування. Ці моменти показані на прикладі нових ключів DG451 / DG452 / DG453, що складаються з чотирьох незалежних високовольтних ключів з напругою живлення до 44 В (див. Рисунок 5).
Мал. 5. Залежності Ron від комутованого напруги, температури навколишнього середовища для DG451 / DG452 / DG453 при двополярної або однополярний режимах харчування
Зверніть увагу, що при двополярної харчуванні у всьому діапазоні робочих температур від -40 до 125 ° С опір Ron змінюється приблизно в два рази, а при однополярному харчуванні - в три рази. Таким чином, для додатків, де на першому місці точність вимірювань, двуполярное харчування краще. Однак в сучасних умовах все частіше в автономних приладах використовується однополярної харчування, тому тим більш акуратно потрібно ставитися до параметрів, наведених у заголовку перших сторінок документації виробника. Необхідно відзначити, що нові аналогові ключі DG469 / DG470 сумісні за висновками з популярними комутаторами DG411, DG412 і DG413 при меншому опорі Ron і більш високу швидкодію.
На малюнку 6 показані графічні залежності основних параметрів для нових аналогових ключів DG636 з ультранизьким значенням інжектіруемого заряду і низькими гармонійними спотвореннями в широкій смузі частот. Необхідно врахувати, що інжектіруемого заряд досить сильно залежить від рівня комутованого сигналу і напруги живлення (див. Рисунок 6).
Мал. 6. Залежності основних параметрів аналогових ключів DG636 з ультранизьким інжектіруемого зарядом
Знову ж при двополярної харчуванні лінійність цієї залежності значно краще. При однополярному включенні DG636 абсолютне значення величини інжектіруемого заряду також істотно більше, ніж при двополярної харчуванні. Істотно нижче при двополярної харчуванні і гармонійні спотворення (коефіцієнт гармонік) у всьому діапазоні робочих частот. Одним словом, при двополярної харчуванні завжди досягаються значно кращі характеристики, але нічого не дається безкоштовно: потрібні два джерела живлення, що ускладнює схему. Однак якщо пристрій вже містить джерело живлення з двома полярностями, то краще використовувати двуполярное включення аналогових комутаторів.
SiP4282 - Р-канальні ключі з керованою швидкістю наростання і комутованих струмом 1 А
Серед випускаються компанією Vishay аналогових ключів є прилади SiP4282 з комутованим струмом до 1 А і керованою швидкістю наростання вихідної напруги при включенні. Ці ключі використовуються для включення і виключення живлення в приладах портативної електроніки: цифрових фотоапаратів, мобільних телефонів і т.д. Для SiP4282-1 час наростання вихідної напруги становить 1 мс, а для SiP4282-3 затримка включення в десять разів менше і знаходиться в межах 100 мкс, що різко знижує величину пускового струму при включенні. Мікросхеми призначені для роботи в пристроях з діапазоном харчування від 1,8 до 5,5 В і мають схему блокування при зниженні напруги живлення, що забезпечує відключення комутаторів при неприпустимо низькому вхідній напрузі. Ключі мають опір у відкритому стані 140 мОм при 5 В і 175 мОм при 3 В (типові значення), низький власний струм споживання 2,5 мкА і струм споживання при відключеному стані (режим Shutdown) менше 1 мкА. Мікросхеми випускаються в мініатюрному корпусі SC75-6. Структурна схема SiP4282 показана на малюнку 7.
Мал. 7. Структурна схема аналогових ключів SiP4282
Головний ключовий елемент мікросхеми SiP4282 - P-канальний польовий транзистор. Схема управляється логічними ТТЛ або КМОП-рівнями, працює в діапазоні робочих температур від -40 до 85 ° С.
На малюнку 8 показані залежності Ron від вхідної напруги при різних токах навантаження.
Мал. 8. Залежності опору у включеному стані Ron від вхідної напруги і струму навантаження, а також струму витоку від температури для SiP4282
Найкращі режими для мікросхеми SiP4282 досягаються при напрузі живлення близько 5 В. У цьому випадку опір відкритого транзистора Ron становить менше 150 Ом. При температурі близько 85 ° С значно зростає струм витоку, що необхідно враховувати в деяких додатках.
У статті розглянута лише мала частина випускаються фірмою Vishay аналогових ключів і мультиплексорів. Основний перелік цієї продукції представлений в PDF-файлі «Analog Switch Selector Guide», який можна знайти на сайті виробника http://www.vishay.com/ . Детальну інформацію для аналогових ключів, що не увійшли в цей файл (новинки), можна також легко знайти на сайті Vishay. Залишається тільки побажати читачеві, щоб він завжди знаходив відповідний компонент для своїх нових розробок, і результати завжди виправдовували розрахунки і очікування.
Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]
Про компанію Vishay
Vishay Intertechnology є одним з найбільших в світі виробників дискретних напівпровідників і пасивних електронних компонентів, в тому числі діодів, транзисторів, оптико-електронних продуктів, інтегральних схем (ІС), резисторів, котушок індуктивності і конденсаторів. Компанія має в своєму розпорядженні заводами в шістнадцяти країнах, із загальним числом службовців більш ніж 25 000 чоловік. Компанія Vishay зросла за рахунок придбань, що включають такі імена торгових марок в області дискретних електронних ... читати далі