Analog Devices ADG5419BRMZ — аналоговый переключатель устойчивый к эффекту защелкивания
ADG5419BRMZ — это КМОП аналоговый переключатель с одной группой контактов (SPDT) устойчивый к эффекту защелкивания. Каждый из ключей в замкнутом состоянии хорошо проводит сигнал в обоих направлениях и работает с диапазоном входных сигналов, ограниченным напряжением питания. В разомкнутом состоянии ключи блокируют сигнал вплоть до напряжения питания.
ADG5419 осуществляет коммутацию по принципу break-before-make (прерывает одну цепь перед замыканием другой), что позволяет использовать микросхему для построения мультиплексоров. Низкое сопротивление во включенном состоянии и малая неравномерность делают данную микросхему идеальным выбором для задач сбора данных и переключения коэффициентов усиления, где критически важны низкие искажения. Устойчивость к эффекту защелкивания и высокая устойчивость к электростатическому разряду повышают надежность при работе в жестких условиях эксплуатации.
Типичными областями применения аналоговых переключателей ADG5419 являются: высоковольтная маршрутизация сигналов, автоматическое испытательное оборудование, установка в аналоговые входные цепи, точный сбор данных, промышленное приборостроение, замена реле.
Функциональная схема
Особенности
- Устойчивость к эффекту защелкивания при любых обстоятельствах;
- HBM ESD рейтинг: 8кВ;
- Низкое сопротивление во включенном состоянии: 13.5Ом.
- Двухполярное питание: ±9…22В;
- Однополярное питание:+9…40В;
- Цифровой вход, совместим с 3-вольтовой логикой: VINH = 2.0В, VINL = 0.8В.
- Не требует применения напряжения питания цифровой логики.
Аналоговый переключатель — Analogue switch
Аналоговый переключатель: Maxim MAX313
аналог (или PETR ) переключатель, также называемый двусторонний переключатель, представляет собой электронный компонент, который ведет себя аналогично реле , но не имеет движущихся частей. Переключающий элемент обычно представляет собой пару MOSFET транзисторов, один из которых является N-канальным устройством, а другой — P-канальным устройством. Устройство может передавать аналоговые или цифровые сигналы в любом направлении, когда оно включено, и изолирует переключенные клеммы, когда выключено. Аналоговые переключатели обычно производятся в виде интегральных схем в корпусах, содержащих несколько переключателей (обычно два, четыре или восемь). К ним относятся 4016 и 4066 из серии 4000.
. Управляющий вход устройства может быть сигналом, который переключается между положительным и отрицательным напряжениями питания, при этом более положительное напряжение включает устройство, а более отрицательное — переключение. устройство выключено. Другие схемы предназначены для связи через последовательный порт с хост-контроллером для включения или выключения переключателей.
Коммутируемый сигнал должен оставаться в пределах положительных и отрицательных шин питания, подключенных к выводам корпуса P-MOS и N-MOS. Переключатель обычно обеспечивает хорошую изоляцию между управляющим сигналом и входными / выходными сигналами. Они не используются для переключения высокого напряжения.
Важными параметрами аналогового переключателя являются:
- сопротивление при включении: сопротивление при включении. Обычно это значение составляет от 5 Ом до нескольких сотен Ом.
- сопротивление в выключенном состоянии: сопротивление в выключенном состоянии. Обычно это количество мегаом или гигаом.
- диапазон сигнала: минимальное и максимальное напряжения, разрешенные для прохождения сигнала. Если они превышены, переключатель может выйти из строя из-за чрезмерных токов. Старые типы переключателей могут даже зафиксировать, что означает, что они продолжают проводить чрезмерные токи даже после удаления ошибочного сигнала.
- инжекция заряда. Этот эффект заставляет коммутатор вводить небольшой электрический заряд в сигнал при включении, вызывая небольшой выброс или сбой. Инжекция заряда указана в кулонах.
См. Также
- Аналого-цифровой преобразователь
- Телекоммуникационное оборудование
- Передаточный вентиль
Ссылки
- Хорн, Элтон Т. Приложения и проекты аналоговых коммутаторов. ISBN 0-8306-3445-2.
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.
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.
