Аналогові ключі та мультиплексори VISHAY

Євген Звонарьов (КОМПЕЛ)

Цифрові комутатори забезпечують перемикання та передачу двійкових (бінарних) сигналів. Незважаючи на функціональну схожість між цифровими та аналоговими ключами, вимоги до останніх сильно відрізняються від вимог до цифрових перемикачів, що призводить до зовсім інших підходів, за допомогою яких слід розробляти та вибирати аналогові ключі та мультиплексори.

Основним елементом цих пристроїв є МДП-транзистор (MOSFET). Завдяки низькому опору в замкнутому стані, високому опору в режимі відсікання, низьким струмам витоку та малим паразитним ємностям, МДП-транзистори з успіхом використовуються як аналогові ключі, керовані напругою. Деякі застосування аналогових ключів та мультиплексорів показані на малюнку 1.

Мал. 1.Можливі застосування аналогових ключів та мультиплексорів

У портативних пристроях аналогові перемикачі використовуються для комутації вхідних та вихідних сигналів. З допомогою аналогового мультиплексора можна з одноканального АЦП зробити багатоканальний. Два аналогових мультиплексора, наприклад, DG408 дозволяють створити підсилювач з керованим коефіцієнтом передачі та кількома входами для комутації сигналів з кількох джерел сигналу, наприклад датчиків.

Аналоговий комутатор з ідеальними характеристиками повинен поводитися як вимикач або перемикач, тобто передавати сигнал у навантаження без втрат та нелінійних спотворень у 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 як аналоговий ключ, однак опір одиночних транзисторів у включеномустані Ron сильно залежатиме від величини комутованого сигналу. Опір Ron можна суттєво зменшити, якщо включити комплементарні польові транзистори паралельно і керувати ними парафазними сигналами зі входу та виходу інвертора, що забезпечує практично одночасне включення та вимкнення цих ключів. Залежність опорів Ron від рівня вхідного сигналу показані в нижній частині малюнка 2.

Мал. 2.Механічний та аналоговий ключі та залежності опорів аналогових ключів від Uвх.

Спотворення при передачі сигналу в аналогових ключах визначаються такими факторами:

ненульовий опір ключа у включеному стані та його кінцеве значення у вимкненому режимі;
нелінійна залежність опору ключа від напруги на керуючому та інформаційному входах;
обмеження по амплітуді та полярності комутованого сигналу на вході;
взаємозв'язок між комутованим і управляючим сигналом (свій внесок у це вносять паразитні ємності та струми витоку).

Динамічні похибки аналогових ключів виникають через затримку сигналів керування, що проходять через кілька каскадів. Цей чинник особливо важливий у мультиплексорах, оскільки не можна допустити включення каналу доки вимкнено попередній. Тому багатоканальних аналогових комутаторах схемними методами забезпечують гарантовану затримку для неможливості одночасного включення двох або більше каналів. При перемиканні аналогового комутатора сигнал керування через паразитні ємності ключа інжектує деякий заряд (charge injection) у провідний канал ключа. Це призводить до спотворень сигналу передачі сигналу через ключ, що особливо відчутно для високочастотного спектра вхідного сигналу. Величинуинжектируемого заряду кожного аналогового ключа виробники обов'язково вказують у своїй документації.

На малюнку 3 показано основні зміни аналогових ключів фірми Vishay.

Мал. 3.Основні конфігурації аналогових ключів та мультиплексорів Vishay

Найбільшою популярністю у розробників користуються одиночні аналогові мультиплексори 8:1 та здвоєні мультиплексори 4:1. Серед аналогових ключів найбільш затребувані конфігурації SPSTx4, NO (четверкі нормально розімкнені - схеми і розшифровки наведені на малюнку 3), чотиривірні нормально замкнуті SPSTx4, NC, одиночні та здвоєні перемикачі SPDTx1 і SPDTx2. Серії аналогових ключів та їх основні властивості наведені у таблиці 1, а основні параметри найбільш популярних та перспективних аналогових комутаторів зведені до таблиці 2.

Таблиця 1.Серії аналогових ключів та мультиплексорів VISHAY та їх основні властивості