ОЭиЦСТ (Коммутаторы аналоговых сигналов)

Устройство аналоговых ключей и коммутаторов сигналов Коммутация сигналов является распространенным методом, с помощью которого сигналы, поступающие от нескольких источников, объединяются в определенном порядке в одной линии. После соответствующей обработки эти сигналы при помощи другого коммутатора могут быть направлены в различные исполнительные устройства.

Кирпичики Коммутатор состоит из определенным образом связанных электронных ключей, выполненных на диодах или транзисторах.

Структурная схема коммутации

Искажения и помехи Ключи аналоговых сигналов должны обеспечить неискаженную передачу сигналов от источников к приемникам. Однако в процессе передачи ключи могут исказить передаваемый сигнал. Эти искажения в первую очередь зависят от свойств самих ключей, но также и от сигналов управления. Сигналы из цепи управления могут наложиться на передаваемый сигнал, иначе говоря, возможны помехи из цепи управления на линии передачи сигналов.

Адресный дешифратор команд Упорядоченный ввод и вывод сигналов осуществляется, как правило, при помощи адресации источников и приемников сигналов, а также связанных с передачей сигналов коммутаторов. Обычно устройство управления коммутатором является цифровым и действует либо по заранее установленной программе, либо под управлением микро­процессоров или мини-ЭВМ. Для выбора определенного ключа и назначения его функции (т. е. включения или отключения) используется адресный дешифратор команд. Адрес - адрес конкретного устройства; Дешифратор команд – команда это цифровой код, а код должен быть раскодирован

Задержки При передаче сигналов возможны временные задержки, связанные или с быстродействием самих ключей, или с быстродействием устройства управления. И в том, и в другом случае возможны потери частей передаваемых сигналов или их искажение, например, растягивание фронтов сигналов или изменение их длительности.

Коэффициент передачи Для исключения потерь при передаче сигналов, а также для согласования сопротивлений источников и приемников сигналов в состав коммутаторов могут входить различные согласующие или нормирующие усилители. Коэффициент передачи этих усилителей может быть или фиксированным, или устанавливаемым при помощи устройства управления.

Двунаправленность Если источники и приемники сигналов могут меняться местами, то коммутатор должен быть двунаправленным, т. е. обеспечивать передачу сигналов в обоих направлениях. Такая проблема возникает, например, при записи аналоговых сигналов в устройстве памяти, которое в этом случае является приемником информации, и считыванием сигналов из устройства памяти, которое становится тогда источником сигнала.

Упрощенные схемы (примечание) Упрощенные схемы идеальных и реальных ключей в замкнутом и разомкнутом состояниях приведены на рис Эти схемы отражают работу ключей в статическом режиме и не могут быть использованы для анализа помех из цепи управления или динамических режимов самих ключей.

Схемы замещения ключа

Замкнутый ключ Замкнутый ключ (рис а) имеет некоторое внутреннее сопротивление r 0, которое не является постоянным, а сложным образом может зависеть от тока i K через ключ. Последовательно с сопротивлением действует источник остаточного напряжения е 0, который в общем случае также зависит от тока.

Разомкнутый ключ Разомкнутый ключ (рис б) можно заменить сопротивлением утечки г, и источником тока утечки I 3, которые в общем случае могут зависеть от напряжения на разомкнутом ключе U K.

Динамические модели ключей (способные показать в действии) Динамические модели ключей могут включать различные паразитные ёмкости и индуктивности. С помощью этих схем замещения возможен анализ быстродействия ключей или расчет коммутационных помех из цепи управления. Индуктивности ключей могут сказываться на довольно высоких частотах и, в основном, обусловлены их выводами.

Схема ключа на полевом транзисторе с изолированным затвором В качестве примера на рис приведена схема ключа на полевом транзисторе с изолированным затвором. При подаче на затвор ключа импульсного сигнала управления U y помехи через паразитные ёмкости ключа С зс и С зн будут появляться на сопротивлении открытого ключа. Кроме того, на прохождение сигнала через ключ будут влиять переходные процессы в транзисторном ключе.

Схема ключа на полевом транзисторе

Способы подключения источника сигнала к нагрузке При коммутации источника сигнала и нагрузки можно использовать как одиночные ключи, так и их различные комбинации. Способы подключения источника сигнала к нагрузке зависят от свойства источника сигнала и нагрузки. На рис приведены четыре различных способа подключения сигнала к нагрузке. Штриховыми линиями на схемах показаны элементы неидеального ключа, соответствующие схемам замещения, приведенным на рис

Погрешности Погрешности, вносимые конечными значениями сопротивлений ключа в замкнутом и разомкнутом состоянии для схемы, изображенной на рис а, конечно имеются и определяются по специальным формулам.

Диодные ключи Диодные ключи применяются для точного и быстрого переключения напряжений и токов. Схемы различных диодных ключей приведены на рис Двух-диодный ключ, приведенный на рис а, при отсутствии управляющего напряжения заперт. При подаче на аноды диодов положительного управляющего на­пряжения диоды отпираются и ключ замыкается. Напряжение смещения такого диодного ключа определяется разностью прямых напряжений на диодах DI и D2. При подобранных диодах напряжение смещения лежит в пределах мВ. Время коммутации определяется быстродействием диодов.

Диоды Шотки Для диодных ключей обычно используются диоды Шотки или кремниевые эпитаксиальные диоды с тонкой базой. В этих диодах слабо выражены эффекты накопления носителей и их инерционность в основном определяется перезарядом барьерной ёмкости. Дифференциальное сопротивление открытого диодного ключа равно сумме дифференциальных сопротивлений диодов и может лежать в пределах от 1 до 50 Ом.

Схемы диодных ключей

Для снижения помех Для снижения помех из цепи управления можно использовать мостовую схему, приведенную на рис б. В этой схеме цепь управления развязана от цепи передачи сигнала. Если напряжение управления равно нулю или имеет полярность, запирающую диодный мост, то ключ разомкнут. При положительной полярности источника управляющего сигнала ключ замыкается, а ток управления проходит только через диоды и сопротивление R y.

Схемы диодных коммутаторов

Двух-эмиттерные транзисторы Иногда для создания компенсированных ключей используют так называемые двух- эмиттерные транзисторы. Такие транзисторы во включенном состоянии имеют достаточно малое остаточное напряжение. Так, например, двух-эмиттерный транзистор КТ118 имеет остаточное напряжение 0,1...0,2мВ, а компенсированный транзисторный ключ КР162КТ1 имеет остаточное напряжение 0,3 мВ.

Особенность ключа Следует отметить еще одну особенность ключа, приведенного на рис а. Если напряжение управления равно нулю, то транзистор Т2 заперт и напряжение источника +Е через резистор R 2 запирает транзистор Т1. При положительном напряжении на базе транзистора Т2 база транзистора Т1 через насыщенный транзистор Т2 соединяется с общей шиной. В этом случае переход коллектор-база может быть открыт только при положительном напряжении на коллекторе и, следовательно, такой ключ является однополярным.

В схеме компенсированного транзисторного ключа В схеме компенсированного транзисторного ключа, приведенного на рис , в исходном состоянии, когда управляющие напряжения U vX и U y2 равны нулю, источники постоянного напряжения Е х и Е 2 отпирают транзисторы Т3, Т4 и диоды D1 и D2 соответственно. При этом через диоды D1 и D2 базы транзисторов T1 и T2 замкнуты с их коллекторами и ключ оказывается разомкнутым.

Ключи на биполярных транзисторах Ключи на биполярных транзисторах более совершенны, чем диодные ключи и значительно чаще используются в электронных схемах. Простейший ключ на одном биполярном транзисторе приведен на рис а. Он состоит из ключевого транзистора Т1 и схемы управления на транзисторе Т2.

Схемы транзисторных ключей

Схема на полевом транзисторе

Пример двунаправленного транзисторного коммутатора Пример двунаправленного транзисторного коммутатора с нормирующими усилителями приведен на рис На нем изображен фрагмент микросхемы КС1054ХА4, предназначенной для двусторонней передачи телевизионных видео­сигналов. Направление передачи определяется устройством управления коммутирующими ключами.

Использование транзисторных ключей

Получили преимущественное распространение Ключи на полевых транзисторах с управляющими р-n-переходами и с изолированным затвором в настоящее время получили преимущественное распространение в различных интегральных микросхемах. Прежде всего это связано с такими достоинствами этих ключей, как малые токи утечки, низкое потребление по цепи управления, отсутствие напряжения смещения, технологичность производства.

Переходные процессы в транзисторах В аналоговых ключах используются полевые транзисторы с каналами р- и n-типа. Однако, поскольку подвижность электронов больше подвижности дырок, то сопротивление канала во включенном состоянии у транзисторов с n-каналом ниже. На быстродействие ключей существенным образом влияют переходные процессы в транзисторах. В этом отношении преимущественное применение находят полевые транзисторы с изолированным затвором, паразитные ёмкости у которых меньше. Наибольшее распространение получили ключи на комплементарной (согласованной) паре полевых транзисторов.

Особенностью ключей на полевых транзисторах Особенностью ключей на полевых транзисторах с изолированным затвором является сильная зависимость сопротивления открытого канала от коммутируемо­го сигнала, что приводит к модуляции проводимости канала входным сигналом и возникновению дополнительных нелинейных искажений. Для снижения искажений, вызванных модуляцией проводимости канала, в таких ключах ограничивают уровень входных сигналов и используют сравнительно большое сопротивление нагрузки ключа.

Устранены многие недостатки Кроме отдельных транзисторов в качестве ключей широкое распространение получили схемы, содержащие параллельное соединение двух ПТИЗ с разным типом проводимости канала (комплементарные транзисторы). В таких ключах устранены многие недостатки ключей на одиночных транзисторах: устранена модуляция сопротивления канала входным сигналом, снижены помехи из цепи управления, снижено сопротивление ключа в открытом состоянии и уменьшен ток утечки. Схема ключа на комплементарных транзисторах приведена на рис а. Для одновременного переключения транзисторов из включенного состояния в выключенное сигнал управления подается на затвор одного транзистора непосредственно, а на затвор другого через инвертор.

Схема ключа на комплементарных транзисторах

Упрощённая схема

Ключи на комплементарных транзисторах Ключи на комплементарных транзисторах широко используются в интегральных микросхемах. Они входят в состав микросхем серии К590, К591, К176, К561 и Их сопротивление в открытом состоянии лежит в пределах Ом, они имеют время включения от 10 до 100 нс, обеспечивают выходной ток до 10мА и потребляют по цепи питания мощность менее 1 мкВт.

Многоканальные коммутаторы или мультиплексоры Многоканальные коммутаторы или мультиплексоры представляют собой ин­тегральные микросхемы, имеющие много входов для аналоговых сигналов и один выход, на который можно подать последовательно во времени любой из входных сигналов. Мультиплексоры состоят из набора ключей, устройства управления эти­ми ключами и выходного согласующего каскада. Упрощенная схема мультиплек­сора приведена на рис а. Такие мультиплексоры выпускаются в виде само­стоятельных микросхем или входят в состав более крупных микросхем, называе­мых системами сбора данных. Кроме мультиплексоров в состав систем сбора данных входят устройства, обеспечивающие обработку поступающей информации.

Современные системы сбора данных Практически все современные системы сбора данных ориентированы на совместную работу с микропроцессорами и содержат элементы интерфейса (т. е. сопряжения): устройства выборки и хранения сигналов, дешифратор адреса, регистры и др. Если имеются группы различных датчиков сигналов, то в состав таких микросхем могут входить несколько мультиплексоров, объединенных в группы. Такие микросхемы предназначены для работы с источниками потенциальных сигналов, например, температурными датчиками, датчиками промышленных установок различных аналитических приборов.

Пример В качестве примера на рис б приведена структурная схема системы сбора данных AD7890 фирмы «Analog devices)). Она содержит: устройства масштабирования сигналов (МУ), восьмиканальный мультиплексор, устройство выборки и хранения (УВХ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), источник опорного напряжения (ИОН) и быстрый последовательный интерфейс сопряжения с микро­процессором.

Упрощённая схема мультиплексора

Мультиплексор (определение) Mультиплексор устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.

Мультиплексор Мультиплексор, входящий в систему, работает под управлением микропроцессора через систему последовательного интерфейса. Поскольку выход мультиплексора не подключен к остальным узлам микросхемы, то между выходом мультиплексора и входом УВХ можно включать различные устройство, например, фильтры или формирователи сигналов.

Схема мультиплексора 2-к-1

Аналоговые и цифровые мультиплексоры Аналоговые и цифровые мультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрически соединяют выбранный вход с выходом (при этом сопротивление между ними невелико - порядка единиц/десятков ом). Вторые же не образуют прямого электрического соединения между выбранным входом и выходом, а лишь "копируют" на выход логический уровень ('0' или '1') с выбранного входа. Аналоговые мультиплексоры иногда называют ключами.

Демультиплексор Устройство, противоположное мультиплексору по своей функции, называется демультиплексором.

Устройство Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Коммутатор обслуживает управляющая схема, в которой имеются адресные входы и, как правило, разрешающие (стробирующие). Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов и числом адресных входов действует соотношение, то такой мультиплексор называют полным. Если, то мультиплексор называют неполным. Разрешающие входы используют для расширения функциональных возможностей мультиплексора. Они используются для наращивания разрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов. Сигналы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и запрещать подключение определенного входа к выходу, то есть могут блокировать действие всего устройства. В качестве управляющей схемы обычно используется дешифратор. В цифровых мультиплексорах логические элементы коммутатора и дешифратора обычно объединяются.

Обобщённая схема мультиплексора

Описание работы схемы Входные логические сигналы Xi поступают на входы коммутатора и через коммутатор передаются на выход Y. На вход управляющей схемы подаются адресные сигналы Ak (от англ. Address). Мультиплексор также может иметь дополнительный управляющий вход E (от англ. Enable), который разрешает или запрещает прохождение входного сигнала на выход Y. Кроме этого, некоторые мультиплексоры могут иметь выход с тремя состояниями: два логических состояния 0 и 1, и третье состояние - отключённый выход (выходное сопротивление равно бесконечности, высокоимпедансное Z-состояние). Перевод мультиплексора в третье состояние производится снятием управляющего сигнала OE (от англ. Output Enable).

Использование Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др. Мультиплексоры часто используют для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный. Для такого преобразования достаточно подать на информационные входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такой последовательности, чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная с первого и заканчивая последним.

Обозначение Мультиплексоры обозначают сочетанием MUX (от англ. multiplexer), а также MS (от англ. multiplexer selector).

ФИНИШ