Цифровые коммутаторы обеспечивают переключение и передачу двоичных (бинарных) сигналов. Несмотря на функциональное сходство между цифровыми и аналоговыми ключами, требования к последним сильно отличаются от требований к цифровым переключателям, что приводит к совершенно другим подходам, с помощью которых следует разрабатывать и выбирать аналоговые ключи и мультиплексоры.

Основным ключевым элементом этих устройств является МДП-транзистор (MOSFET). Благодаря низкому сопротивлению в замкнутом состоянии, высокому сопротивлению в режиме отсечки, низким токам утечки и малым паразитным емкостям, МДП-транзисторы с успехом используются в качестве аналоговых ключей, управляемых напряжением. Некоторые применения аналоговых ключей и мультиплексоров показаны на рисунке 1.

 

 

Рис. 1. Возможные применения аналоговых ключей и мультиплексоров

В портативных устройствах аналоговые переключатели используются для коммутации входных и выходных сигналов. С помощью аналогового мультиплексора можно из одноканального АЦП сделать многоканальный. Два аналоговых мультиплексора, например, DG408 позволяют создать усилитель с управляемым коэффициентом передачи и несколькими входами для коммутации сигналов с нескольких источников сигнала, например, датчиков.

Аналоговый коммутатор с идеальными характеристиками должен вести себя как выключатель или переключатель, то есть передавать сигнал в нагрузку без потерь и нелинейных искажений в широкой полосе частот. Обеспечить близкие к идеальным передаточные характеристики у аналоговых ключей непросто (см. рисунок 2). Одиночный N-канальный или P-канальный МДП-транзисторы могут использоваться в качестве аналогового ключа, однако сопротивление одиночных транзисторов во включенном состоянии Ron будет сильно зависеть от величины коммутируемого сигнала. Сопротивление Ron можно существенно уменьшить, если включить комплементарные полевые транзисторы параллельно и управлять ими парафазными сигналами со входа и выхода инвертора, что обеспечивает практически одновременное включение и выключение этих ключей. Зависимости сопротивлений Ron от уровня входного сигнала показаны в нижней части рисунка 2.

 

 

Рис. 2. Механический и аналоговый ключи и зависимости сопротивлений аналоговых ключей от Uвх.

Искажения при передаче сигнала в аналоговых ключах определяются следующими факторами:

• ненулевое сопротивление ключа во включенном состоянии и его конечное значение в выключенном режиме;
• нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжений на управляющем и информационном входах;
• ограничение по амплитуде и полярности коммутируемого сигнала на входе;
• взаимосвязь между коммутируемым и управляющим сигналом (свой вклад в это вносят паразитные емкости и токи утечки).

Динамические погрешности аналоговых ключей возникают из-за задержки сигналов управления, проходящих через несколько каскадов. Этот фактор особенно важен в мультиплексорах, так как нельзя допустить включение канала пока не выключен предыдущий. Поэтому в многоканальных аналоговых коммутаторах схемными методами обеспечивают гарантированную задержку для невозможности одновременного включения двух или более каналов. При переключении аналогового коммутатора сигнал управления через паразитные емкости ключа инжектирует некоторый заряд (charge injection) в проводящий канал ключа. Это приводит к искажениям сигнала при передаче сигнала через ключ, что особенно ощутимо для высокочастотного спектра входного сигнала. Величину инжектируемого заряда для каждого аналогового ключа производители обязательно указывают в своей документации.

На рисунке 3 показаны основные конфигурации аналоговых ключей фирмы Vishay.

 

 

Рис. 3. Основные конфигурации аналоговых ключей и мультиплексоров Vishay

Наибольшей популярностью у разработчиков пользуются одиночные аналоговые мультиплексоры 8:1 и сдвоенные мультиплексоры 4:1. Среди аналоговых ключей наиболее востребованы конфигурации SPSTx4, NO (счетверенные нормально разомкнутые - схемы и расшифровки приведены на рисунке 3), счетверенные нормально замкнутые SPSTx4, NC, одиночные и сдвоенные переключатели SPDTx1 и SPDTx2. Серии аналоговых ключей и их основные свойства приведены в таблице 1, а основные параметры наиболее популярных и перспективных аналоговых коммутаторов сведены в таблицу 2.

Таблица 1. Серии аналоговых ключей и мультиплексоров VISHAY и их основные свойства

Наименование	Основные параметры и свойства
DG2xx, DG3xx, DG4xx	Напряжения питания от ±5 до ±15 В (44 В максимум), КМОП, Rail-to-Rail, широкая номенклатура
DG4xxL	Напряжения питания от ±2,7 до ±6 В или от 2,7 до 12 В (низковольтная версия серии DG4xx)
DG6xx	Ультранизкие значения паразитных емкостей, высокое быстродействие и широкая полоса пропускания
DG94xx	Высокая точность, низкое Ron (от 2 до 4 Ом); однополярное и двуполярное питание; оптимизированы для питания ±5 В, возможно управление от низковольтной логики
DG20xx/DG25xx	Напряжения питания от 1,8 до 5,5 В; высокое быстродействие; низкие Ron, ток утечки и шум при переключении; широкая полоса пропускания
DG27xx	Для самых низковольтных приложений, напряжения питания от 1,6 до 3,6 В; ультранизкое Ron (<0,5 Ом при 2,7 В); высокое быстродействие
DG23xx	Скоростные шинные переключатели

Таблица 2. Популярные и перспективные аналоговые ключи и мультиплексоры VISHAY

 

Серии DG2xx, DG3xx, DG4xx могут работать при широких диапазонах напряжений питания вплоть до 44 В (полный размах напряжений питания). Ключи этих серий имеют Rail-to-Rail входы и выходы, имеют очень широкую номенклатуру и пользуются широкой популярностью у разработчиков.

Серия DG4xxL - это низковольтная версия серии DG4xx. Буква «L» (Low - низкий) информирует о низковольтном питании этих ключей от ±2,7 до ±6 В при двуполярном питании или от 2,7 до 12 В при однополярном включении.

Серия DG6xx предназначена для коммутации высокочастотных сигналов благодаря ультранизким значениям паразитных емкостей и широкой полосе пропускания, чем обеспечивается очень высокое быстродействие. Заинтересовать разработчиков могут новые аналоговые ключи из этого семейства DG636 с инжектируемым зарядом всего 0,5 пКл (параметры этих ключей приведены в таблице 2).

Серия DG94xx характеризуется высокой точностью передаточной характеристики при низком сопротивлении во включенном состоянии (от 2 до 4 Ом). Ключи этой серии оптимизированы для работы от напряжения ±5 В, но благодаря встроенным преобразователям уровней могут работать и от питания одной полярности с управлением от низковольтной логики.

Серии DG20xx/DG25xx оптимизированы для низковольтных приложений при питании от 1,8 до 5,5 В. Несмотря на напряжение питания от 1,8 В, серии характеризуются малыми сопротивлениями Ron и токами утечки, низкими шумами при переключении и широкой полосой пропускания.

Серия DG27xx предназначена для самых низковольтных приложений с диапазоном напряжений питания от 1,6 до 3,6 В. Это не помешало этой серии ключей достичь низкого сопротивления во включенном состоянии (менее 0,5 Ом при 2,7 В) и обеспечить достаточно высокое быстродействие.

При выборе аналоговых ключей к некоторым параметрам, приведенным в таблицах документации производителя, нужно относиться с особым вниманием. Дело в том, что в таблицах приводятся характеристики при определенных условиях измерения, но в реальном устройстве микросхема работает при изменении параметров в некоторых диапазонах. Из этого следует, что необходимо внимательно изучать графические зависимости, приводимые производителем в документации (datasheet). Например, во многих случаях для аналоговых ключей очень важны вносимые потери и гармонические искажения, изоляция между каналами при отключенном состоянии и проникновение перекрестных помех между каналами. Эти параметры очень важны для высококачественной звуковой аппаратуры и прецизионных измерительных приборов.

Рассмотрим эти графики на примере новых аналоговых переключателей с конфигурацией SPDTx1 - DG469/DG470. Новые ключи характеризуются низкими гармоническими искажениями и малыми значениями сопротивления в замкнутом состоянии 3,6 Ом при относительно широкой полосе пропускания и приемлемых параметрах, характеризующих изоляцию между каналами (см. рисунок 4).

 

 

Рис. 4. Частотные зависимости параметров изоляции и гармонических искажений для новых аналоговых ключей DG469/DG470

OIRR - Off Isolation - параметр, характеризующий изоляцию в отключенном режиме, XTALK - Channel-to-Channel Crosstalk - параметр для оценки проникновения перекрестных помех между каналами. Необходимо учитывать, что при однополярном питании гармонические искажения гораздо выше по сравнению с двуполярным включением аналоговых ключей. С ростом частоты существенно ухудшаются параметры изоляции и возрастает проникновение перекрестных помех между каналами, поэтому при выборе ключей необходимо учитывать диапазон частот коммутируемых сигналов.

Несколько слов о корректном подходе к выбору аналогового ключа по сопротивлению канала Ron во включенном состоянии. На первой странице документации обычно приводится типовое значение этого параметра при определенных условиях измерения. Однако при работе ключей в условиях изменения входного напряжения в диапазоне Rail-to-Rail и широком диапазоне рабочих температур сопротивление Ron меняется в довольно широких пределах, что обязательно нужно учитывать при конструировании аппаратуры, работающей в жестких условиях эксплуатации. Кроме того, Ron при двуполярном питании существенно меньше по сравнению с режимом однополярного питания. Эти моменты показаны на примере новых ключей DG451/DG452/DG453, состоящих из четырех независимых высоковольтных ключей с напряжением питания до 44 В (см. рисунок 5).

 

 

Рис. 5. Зависимости Ron от коммутируемого напряжения, температуры окружающей среды для DG451/DG452/DG453 при двуполярном или однополярном режимах питания

Обратите внимание, что при двуполярном питании во всем диапазоне рабочих температур от -40 до 125°С сопротивление Ron изменяется примерно в два раза, а при однополярном питании - в три раза. Таким образом, для приложений, где на первом месте точность измерений, двуполярное питание предпочтительнее. Однако в современных условиях все чаще в автономных приборах используется однополярное питание, поэтому тем более аккуратно нужно относиться к параметрам, приведенных в заголовке первых страниц документации производителя. Необходимо отметить, что новые аналоговые ключи DG469/DG470 совместимы по выводам с популярными коммутаторами DG411, DG412 и DG413 при меньшем сопротивлении Ron и более высоком быстродействии.

На рисунке 6 показаны графические зависимости основных параметров для новых аналоговых ключей DG636 с ультранизким значением инжектируемого заряда и низкими гармоническими искажениями в широкой полосе частот. Необходимо учесть, что инжектируемый заряд довольно сильно зависит от уровня коммутируемого сигнала и напряжения питания (см. рисунок 6).

 

 

Рис. 6. Зависимости основных параметров аналоговых ключей DG636 с ультранизким инжектируемым зарядом

Опять же при двуполярном питании линейность этой зависимости значительно лучше. При однополярном включении DG636 абсолютное значение величины инжектируемого заряда также существенно больше, чем при двуполярном питании. Существенно ниже при двуполярном питании и гармонические искажения (коэффициент гармоник) во всем диапазоне рабочих частот. Одним словом, при двуполярном питании всегда достигаются значительно лучшие характеристики, но ничего не дается бесплатно: нужны два источника питания, что усложняет схему. Однако если устройство уже содержит источник питания с двумя полярностями, то лучше использовать двуполярное включение аналоговых коммутаторов.

 

SiP4282 - Р-канальные ключи с управляемой скоростью нарастания и коммутируемым током 1 А

Среди выпускаемых компанией Vishay аналоговых ключей есть приборы SiP4282 с коммутируемым током до 1 А и управляемой скоростью нарастания выходного напряжения при включении. Эти ключи используются для включения и выключения питания в приборах портативной электроники: цифровых фотоаппаратов, мобильных телефонов и т.д. Для SiP4282-1 время нарастания выходного напряжения составляет 1 мс, а для SiP4282-3 задержка включения в десять раз меньше и находится в пределах 100 мкс, что резко снижает величину пускового тока при включении. Микросхемы предназначены для работы в устройствах с диапазоном питания от 1,8 до 5,5 В и имеют схему блокировки при понижении напряжении питания, что обеспечивает отключение коммутаторов при недопустимо низком входном напряжении. Ключи имеют сопротивление в открытом состоянии 140 мОм при 5 В и 175 мОм при 3 В (типовые значения), низкий собственный ток потребления 2,5 мкА и ток потребления при отключенном состоянии (режим Shutdown) менее 1 мкА. Микросхемы выпускаются в миниатюрном корпусе SC75-6. Структурная схема SiP4282 показана на рисунке 7.

 

 

Рис. 7. Структурная схема аналоговых ключей SiP4282

Главный ключевой элемент микросхемы SiP4282 - P-канальный полевой транзистор. Схема управляется логическими ТТЛ- или КМОП-уровнями, работает в диапазоне рабочих температур от -40 до 85°С.

На рисунке 8 показаны зависимости Ron от входного напряжения при разных токах нагрузки.

 

 

Рис. 8. Зависимости сопротивления во включенном состоянии Ron от входного напряжения и тока нагрузки, а также тока утечки от температуры для SiP4282

Наилучшие режимы для микросхемы SiP4282 достигаются при напряжении питания около 5 В. В этом случае сопротивление открытого транзистора Ron составляет менее 150 Ом. При температуре около 85°С значительно растет ток утечки, что необходимо учитывать в некоторых приложениях.

В статье рассмотрена лишь малая часть выпускаемых фирмой Vishay аналоговых ключей и мультиплексоров. Основной перечень этой продукции представлен в PDF-файле «Analog Switch Selector Guide», который можно найти на сайте производителя http://www.vishay.com/ . Подробную информацию для аналоговых ключей, не вошедших в этот файл (новинки), можно также легко найти на сайте Vishay. Остается только пожелать читателю, чтобы он всегда находил подходящий компонент для своих новых разработок, и результаты всегда оправдывали расчеты и ожидания.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка -
e-mail: standart.vesti@compel.ru