Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательноеучреждение высшего профессионального образования
Самарский государственный техническийуниверситет
РЕФЕРАТ
по теме
Коммутаторы аналоговых сигналов.Устройство и принцип действия
Выполнила: студентка 3-ИТ-5
Вахнина Н.А.
Проверил: главный инженер к.т.н
Четаев В.Г.
Самара 2010
Содержание
Устройство коммутаторов аналоговыхсигналовСтатические характеристики аналоговых коммутаторов
Многоканальные коммутаторы илимультиплексоры
Матричные коммутаторы
Список используемых источников
Устройство коммутаторов аналоговыхсигналов
Коммутация сигналов — этометод, с помощью которого сигналы, поступающие от нескольких источников,объединяются в определенном порядке в одной линии. Затем происходитсоответствующая их обработка, и сигналы при помощи другого коммутатора могутбыть направлены в различные исполнительные устройства. Упорядоченный ввод ивывод сигналов осуществляется, как правило, при помощи адресации источников иприемников сигналов, а также связанных с передачей сигналов коммутаторов.
Общая структурная схемасвязи источников и приемников через коммутатор представлена на рисунке 1.
/>
Рисунок 1. Структурная схема связи источников и приемниковчерез коммутатор
Коммутатор состоит изэлектронных ключей, связанных определенным образом. Ключи аналоговых сигналовдолжны обеспечить неискаженную передачу сигналов от источников к приемникам,однако в процессе передачи могут возникнуть и помехи, которые зависят от самихключей и сигнала управления, например наложение одного сигнала на другой.
Обычно устройствоуправления коммутатором является цифровым и действует либо по заранееустановленной программе, либо под управлением микропроцессоров или мини-ЭВМ (вэтом случае программа управления коммутатором может быть изменена). Для выбораопределенного ключа и назначения его функции (т.е. включения или отключения)используется адресный дешифратор команд. Кроме того при передаче сигналоввозможны временные задержки, связанные или с быстродействием самих ключей, илис быстродействием устройства управления. И в том и в другом случае возможныпотери частей передаваемых сигналов или их искажение.
Для исключения потерь припередаче сигналов, а также для согласования сопротивлений источников иприемников сигналов в состав коммутаторов могут входить различные согласующие инормирующие усилители.
Если источники иприемники могут меняться местами, то коммутатор должен быть двунаправленным,т.е. обеспечивать передачу сигналов в обоих направлениях.
При коммутации сигнала и нагрузкиможно использовать как одиночные ключи, так и их различные комбинации. Еслиисточник сигнала имеет характеристики, близкие к характеристикам идеальногоисточника напряжения (т.е. имеет малое внутреннее сопротивление), то для егокоммутации целесообразно использовать последовательный (рисунок 2а) илипоследовательно-параллельный (рисунок 2б) ключ. Последовательно-параллельныйкоммутатор в любом рабочем состоянии он имеет выходное сопротивление, близкое кнулю.
/>
а) б)
Рисунок 2. Схемыподключения источника к нагрузке при помощи: а – последовательного ключа; б –последовательно-параллельного ключа
Если же источник сигналаимеет характеристики, близкие к характеристикам идеального источника тока (т.е.малую внутреннюю проводимость), то для его коммутации лучше использоватьпараллельный (рисунок 3а) или параллельно-последовательный (рисунок 3б) ключ.
/>
а) б)
Рисунок 3. Схемыподключения источника к нагрузке при помощи: а – параллельного ключа; б –параллельно-последовательного ключа
Разновидности аналоговыхкоммутаторов могут быть реализованы на электронных элементах с управляемымсопротивлением, имеющим малое минимальное и высокое максимальное значения. Дляэтих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевыетранзисторы.
Диодные ключи применяютсядля точного и быстрого переключения напряжений и токов. Схемы различных диодныхключей приведены на рисунке 4. Двухдиодный ключ (рисунок 4а) при отсутствииуправляющего напряжения заперт. При подаче на аноды диодов управляющего напряжениядиоды отпираются и ключ замыкается. Напряжение смещения такого диодного ключаопределяется разностью прямых напряжений на диодах D1 и D2. При подобранныхдиодах напряжение смещения лежит в пределах от 1 до 5 мВ. Время коммутацииопределяется быстродействием диодов. Для диодных ключей обычно используют диодыШотки или кремниевые эпитаксиальные диоды с тонкой базой. В этих диодах слабовыражены эффекты накопления носителей, и их инерционность в основномопределяется перезарядом барьерной емкости. Дифференциальное сопротивлениеоткрытого диодного ключа равно сумме дифференциальных сопротивлений диодов иможет лежать в пределах от 1 до 50 Ом.
Основным недостаткомтакого ключа является прямое прохождение тока управляющего сигнала черезнагрузку Rн и источник сигнала ес. Эту схему целесообразно использовать прималых сопротивлениях источника сигнала и сопротивления нагрузки, кроме того,желательно увеличивать сопротивление Rу для снижения тока в цепи управления. Однакоследует учесть, что снижение тока управления приведет к увеличениюдифференциального сопротивления диодов.
Для снижения помех изцепи управления можно использовать мостовую схему, приведенную на рисунке 4б. вэтой схеме цепь управления развязана от цепи передачи сигнала. Если напряжениеуправления равно нулю, или имеет полярность, запирающую мост, то ключразомкнут. При положительной полярности источника управляющего сигнала ключзамыкается, а ток управления проходит только через диоды и сопротивление Rу. Напряжениесмещения будет равно разности прямых падений напряжений на диодах.
Недостатком этой схемы(рис. 4б) является отсутствие общей точки у источника сигнала и источникауправления.
Схема, изображенная нарисунке 4в лишена этого недостатка, в ней используется 2 симметричных источникасигналов управления еу1 и еу2. Сигналы этих источников подводятся к диодномумосту через разделительные диоды D5 и D6. Для поддержания диодного моста взапертом состоянии при отсутствии сигналов управления на него подается черезрезисторы Rу1 и Rу2 запирающее напряжение от источников постоянного напряжения ±Е.в этой схеме обеспечивается развязка источника управления от цепи источникасигнала.
/>
Рисунок 4. Схемы диодныхключей. а — на двух диодах; б — мостового диода; в – на шести диодах
Ключи на биполярныхтранзисторах более совершенны, чем диодные и значительно чаще используются вэлектронных схемах. Простейший ключ на одном биполярном транзисторе изображенна рисунке 5. он состоит из ключевого транзистора Т1 и схемы управления натранзисторе Т2. По структуре транзисторный ключ похож на двухдиодный ключ,изображенный на рисунке 4а. При отсутствии тока базы Т1 закрыт и ключразомкнут, а при протекании через базу тока управления iб>iб.нас ключ разомкнут.В этом случае коллекторный и эмиттерный переходы открыты и действуют так же,как открытые диоды (рис 4а).
/>
Рисунок 5. Схема простоготранзисторного ключа
Ключи на полевыхтранзисторах с управляющими p-n переходами и с изолированным затвором внастоящее время получили преимущественное распространение в интегральныхмикросхемах. Прежде всего это связано с их следующими преимуществами: малыетоки утечки, низкое потребление по цепи управления, отсутствие напряжениясмещения, технологичность производства.
В аналоговых ключах используютсяполевые транзисторы с каналами p- и n-типа. Однако, поскольку подвижностьэлектронов больше подвижности дырок, то сопротивление канала во включенномсостоянии у транзисторов с n-каналом ниже. На быстродействие ключейсущественным образом влияют переходные процессы в транзисторах. В этомотношении преимущественное применение находят полевые транзисторы сизолированным затвором, паразитные емкости у которых меньше. Наибольшеераспространение получили ключи на комплементарной (согласованной) паре полевыхтранзисторов, один из которых имеет канал р-типа, а другой n-типа.
Особенностью ключей наполевых транзисторах с изолированным затвором является сильная зависимостьсопротивления открытого канала от коммутируемого сигнала, что приводит кмодуляции проводимости канала входным сигналом и возникновению дополнительныхнелинейных искажений. Для снижения таких искажений в ключах ограничиваютуровень входных сигналов и используют сравнительно большое сопротивлениенагрузки ключа.
На рисунке 6 приведенасхема ключа на полевом транзисторе Т1 с управляющим p-n-переходом и каналомp-типа. Схема управления ключом выполнена на транзисторе Т2, а ее питаниепроизводится от источника напряжения Е. Диод D необходим для того, чтобынапряжение затвор-исток оставалось равным нулю при любых значениях входныхсигналов. Для исключения модуляции проводимости канала входным сигналом затворчерез сопротивление Rз связан с напряжением источника сигнала ес. Устройствоуправления работает следующим образом: если напряжение управления равно нулю,то транзистор Т2 заперт и напряжение +Е через сопротивление R2 и диод Dподводится к затвору транзистора Т1, запирая его. В результате этого ключ будетзамкнут. Если напряжение управления включает транзистор Т2, то анод диода Dчерез насыщенный транзистор Т2 соединяется с общей шиной, в результате чегонапряжение на затворе Т1 снижается почти до нуля и транзистор Т1 отпирается,что эквивалентно замыканию ключа.
Ключи на полевыхтранзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом p- и n- типаполучили самое широкое распространение при создании коммутаторов. Основнойособенностью этих ключей является то, что в исходном состоянии при нулевомнапряжении на затворе они заперты. Обогащение канала носителями зарядапроисходит только при подаче на затвор напряжения, превышающего пороговое напряжение.Токи утечки ПТИЗ определяются токами, которые протекают в закрытом транзистореот истока и стока к подложке и имеют значение от 1 до 10 нА при нормальнойтемпературе. С повышением температуры они ведут себя как обратные токиp-n-переходов, то есть экспоненциально увеличиваются. Сопротивление междузатвором и другими электродами в ПТИЗ достигает очень большого значения: 10 …10Ом, что при малой толщине диэлектрика под затвором (около 1мкм) приводит кнеобходимости защиты от статического электричества.
Схема простейшего ключана полевом транзисторе с изолированным затвором р-типа изображена на рисунке 6.Для отпирания ключевого транзистора Т на его затвор необходимо податьнапряжение отрицательной полярности, превышающее пороговое напряжение Uпор. Длязапирания ключевого транзистора Т напряжение на затворе должно бытьположительным или равным нулю. Устройство управления для этой схемы выполненона компараторе напряжения К (или операционном усилителе). Если напряжениеуправления равно нулю, то на выходе компаратора будет положительное напряжение,близкое по значению к напряжению питания Е. при положительном управляющемнапряжении компаратор переключается и на его выходе появляется отрицательноенапряжение, также близкое к напряжению питания Е.
/>
Рисунок 6. Схема ключа наполевом транзисторе с управляющим p-n-переходом (а) и с изолированным затвором(б)
Кроме отдельныхтранзисторов в качестве ключей широкое распространение получили схемы, содержащиепараллельное соединение двух ПТИЗ с разным типом проводимости канала(комплементарные транзисторы). Это позволило избавиться от многих недостатковключей на одиночных транзисторах: устранена модуляция сопротивления каналавходным сигналом, снижены помехи из цепи управления, снижено сопротивлениеключа в открытом состоянии и уменьшен ток утечки. Схема ключа накомплементарных транзисторах показана на рисунке 7а. для одновременногопереключения транзисторов из включенного состояния в выключенное сигналуправления подается на затвор одного транзистора непосредственно, а на затвордругого – через инвертор.
При увеличении входногонапряжения сопротивление р-канального транзистора увеличивается, а n-канальногоуменьшается. В результате параллельное соединение этих транзисторов имеет почтинеизменное сопротивление r0 в открытом состоянии, как показано на рисунке 7б.поскольку транзисторы ключа управляются сигналами противоположной полярности,то импульсы помех взаимно компенсируются, что позволяет снизить уровень входныхсигналов.
/>
Рисунок 7. Схема ключа накомплементарных транзисторах (а) и зависимость его сопротивления в открытомсостоянии от входного напряжения (б).
Вследствие неидеальности, онивносят погрешности в обрабатываемые сигналы. Источниками погрешностейэлектронных аналоговых коммутаторов являются:
· ненулевоепроходное сопротивление электронного ключа во включенном состоянии и конечнаяего величина в выключенном;
· остаточноепадение напряжения на замкнутом ключе, т.е. наличие напряжения на ключе приотсутствии через него тока;
· нелинейнаязависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) на информационном иуправляющем входах;
· взаимодействиеуправляющего и коммутируемого сигналов;
· ограниченныйдинамический диапазон (по амплитуде и по знаку) коммутируемых токов инапряжений.
Ключи на биполярных транзисторах и, в особенности, на диодныхмостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеютсравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы милливольт,что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов (менее 100 мВ).Такие ключи имеют высокое быстродействие (время переключения диодных ключей,выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нс) и применяются для построениясверхскоростных коммутаторов.
Статическиехарактеристики аналоговых коммутаторов
Сопротивление в открытом(включенном) состоянии. Ключи КМОП,работающие от относительно высокого напряжения питания (например, +15 В), будутиметь малые значения Ro во всем диапазоне значений входного сигнала,так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещениезатвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания. Но при меньшемнапряжении питания сопротивление ключа Ro будет расти, и максимумего имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениямипитания.
На рисунке 8 приведены зависимостиRo ключа микросхемы коммутатора MAX312 от напряжения входногосигнала при однополярном питании. При уменьшении Uпит сопротивлениеполевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается(особенно вблизи точки Uвх = Uпит/2). Это объясняетсятем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжениесоставляет несколько вольт, и для достижения малых значений Roтребуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 5...10 В. Как видно из рисунка8, сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близкое к10 Ом, при Uпит=2,7 В достигает 700 Ом.
/>
Рисунок8. Зависимости Ro КМОП-ключа от входного напряжения при однополярном включениидля различных значений питающего напряжения
Имеютсяразличные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых коммутаторов применяют,чтобы сохранить значение Ro малым и примерно постоянным во всем диапазонеизменения входных сигналов. Это нужно для уменьшения нелинейных искаженийвходного сигнала. Для этого схему управления ключом выполняют таким образом,чтобы напряжение n-подложки «следило» за напряжением входногосигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышеннойкрутизной позволяет построить коммутаторы с весьма малым Ro при низком питающемнапряжении. Так например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5В имеет сопротивление Ro не более 2,5 Ом. На рисунке 9 приведенызависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 отнапряжения входного сигнала для различных питающих напряжений при однополярном(а) и разнополярном (б) питании.
/>(a)/>(б)
Рисунок9. Графики зависимостей Ro ключа ИМС MAX391 от входного напряжения приоднополярном (а) и разнополярном (б) включении для различных значений питающегонапряжения
Применение КМОП логики дляуправления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект — впокое эти микросхемы практически не потребляют энергии.
Ток утечки канала. В закрытом состоянии канал МОП-ключа обладает очень высокимдинамическим сопротивлением (до сотен ГОм) при напряжении сток-исток более 0,1В. Поэтому его принимают источником тока с током Iут. Направлениепротекания тока утечки через закрытый КМОП-ключ определяется полярностьюприложенного напряжения. Типичное значение Iут для широкой номенклатурыаналоговых ключей и мультиплексоров составляет величину порядка 1 нА. Однаковыпускаются и ключи с пониженным током утечки. Например, у одноканальногоADG431 типичный ток утечки — 0,05 нА. При очень низких напряжениях на закрытомключе сопротивление канала уменьшается, но остается все-таки весьма высоким.
Многоканальныекоммутаторы или мультиплексоры
Многоканальныекоммутаторы или мультиплексоры представляют собой интегральные микросхемы,имеющие много выходов для аналоговых сигналов и один выход, на который можноподать последовательно во времени любой из входных сигналов. Мультиплексорысостоят из набора ключей, устройства управления этими ключами и выходного согласующегокаскада. Упрощенная схема мультиплексора изображена на рисунке 8. Такиемультиплексоры выпускаются в виде самостоятельных микросхем или входят в составболее крупных микросхем, называемых системами сбора данных. Кромемультиплексора в систему сбора данных входят устройства, обеспечивающиеобработку поступающей информации.
/>
Рисунок 10. Упрощеннаясхема мультиплексора
Если имеются группыразличных датчиков сигналов, то в состав микросхем могут входить несколькомультиплексоров, объединенных в группы. Такие микросхемы предназначены дляработы с источниками потенциальных сигналов, например, температурнымидатчиками. Аналоговый сигнал с выбранного входа будет прямо проходить на выход.
Матричныекоммутаторы
Еще одним видоманалоговых коммутаторов являются матричные коммутаторы. Существенное отличие ихот обычных коммутаторов аналоговых сигналов состоит в том, что коммутаторвсегда имеет один выход и несколько входов, переключая которые, мы выводимнужный нам входной сигнал на средство отображения. А матричные коммутаторыимеют произвольное количество входов и выходов, и переключение входных сигналовпроисходит в любой заданной последовательности, с любого входа на любой выходили с одного входа на все выходы.
Списокиспользуемых источников
1. В.А. Прянишников.Электроника. Курс лекций. Учебник для высших и средних учебных заведений. — «Корона-принт» 1998г, 400с.