Элементы аналого-цифровых устройств и систем. Аналоговые электронные ключи и коммутаторы. Величина напряжения на выходе АЭК

7.  ЭлЕМЕНТЫ Аналого-ЦИФРОВЫХ

УСТРОЙСТВ  И СИСТЕМ

7.1. Аналоговые электронные ключи

       и коммутаторы

Классификация и основные параметры.  Аналоговые электронные ключи (АЭК) предназначены для передачи аналоговых сигналов от источников к приемникам под действием управляющих сигналов. АЭК являются основой для построения аналоговых коммутаторов и  образуют  коммутирующие цепи (аналоговые каналы). Кроме коммутирующих цепей аналоговый коммутатор содержит  устройство управления, входными сигналами которого, как правило, являются цифровые сигналы (рис. 7. 1). При наличии нескольких аналоговых каналов выбор и порядок коммутации определяется адресом канала, который задается устройством управления.

Рис. 7. 1. Структурная схема коммутации аналоговых сигналов

Механический аналог АЭК показан на рис. 7. 2. В зависимости от состояния сигнала управления U_У производится замыкание или размыкание цепи. В АЭК в качестве коммутирующего элемента используются полупроводниковые приборы. Эквивалентная схема АЭК в замкнутом состоянии показана на рис. 7. 3, а.  В замкнутом состоянии через ключ протекает ток I_З, который создает на сопротивлении R₃ падение напряжения U₀=I_ЗR₃, называемое остаточным напряжением.       Под сопротивлением нагрузки R_н понимается входное сопротивление приемника сигнала.

Рис. 7. 2. Механический              Рис. 7. 3. Схемы замещения АЭК

                аналог АЭК 

Величина напряжения на выходе АЭК равна

Абсолютная погрешность передачи сигнала со входа на выход ключа равна

Относительная погрешность коммутации определяется формулой:

из которой следует, что для снижения погрешности передачи сигнала должно выполняться соотношение R_Н >> R₃.

В разомкнутом состоянии АЭК имеет эквивалентную схему замещения, показанную на рис. 7. 3, б. В разомкнутом состоянии ключ имеет сопротивление R_Р и через него протекает ток утечки I_УТ. Из-за тока утечки напряжение на выходе ключа не равно нулю, а определяется выражением

Для снижения погрешности ключа в разомкнутом состоянии должно выполняться условие R_Р >> R_Н.

Таким образом, для снижения погрешности коммутации в обеих состояниях должно выполняться соотношение

R_Р >> R_Н >> R₃.

На практике для снижения погрешности коммутации АЭК подключается к приемнику сигнала через буферный усилитель с заданным входным сопротивлением. В ряде случаев для уменьшения погрешности ключа в разомкнутом состоянии применяется ключ на    переключение (рис. 7. 4).

Коммутация источников токовых сигналов имеет свою специфику. Так как источники тока имеют высокое внутреннее сопротивление, то при разрыве цепи на разомкнутом ключе возникает высокое напряжение равное J_ГR_Г, которое может вывести его из строя (рис. 7. 5, а).

  Рис. 7. 4. Переключатель                 Рис. 7. 5. К коммутации токов

Поэтому при коммутации тока применяются токовые ключи, работающие на переключение (рис. 7. 5, б). При отключении нагрузки от источника тока, последний замыкается на «землю».

К основным параметрам АЭК и аналоговых коммутаторов относятся:

-  диапазоны коммутируемых напряжений и токов;

-  параметры замкнутого состояния R_З и U₀;

-  параметры разомкнутого состояния R_Р и I_УТ;

-  параметры управляющего сигнала U_У и I_У;

-  динамические параметры, характеризующие скорость коммутации.

Классификация АЭК и аналоговых коммутаторов может быть произведена по ряду признаков:

1)  по типу коммутируемых сигналов:

-  ключи напряжения;

-  токовые ключи;

2)  по типу полупроводниковых приборов, используемых в цепях коммутации:

-  диодные ключи;

-  ключи на биполярных транзисторах;

-  ключи на полевых транзисторах с управляющим pn-переходом;

-  ключи на МОП-транзисторах.

3)  по числу коммутируемых каналов:

-  одноканальные;

-  переключатели;

-  многоканальные.

4)  по направлению передачи сигналов:

-  однонаправленные;

-  двунаправленные.

Диодные АЭК.  Простейшие быстродействующие АЭК строятся на полупроводниковых диодах. Один из вариантов схемы диодного ключа показан на рис. 7. 6.

Рис. 7. 6. Диодный ключ напряжения           Рис. 7. 7. Диодный ключ тока

Пусть диапазон изменения входного напряжения находится в пределах от U_min до U_max. При подаче управляющего сигнала U_У > U_max оба диода открываются и напряжение на выходе будет равно:

где U_пр1 и U_пр2 - прямое падение напряжения на диодах VD1 и VD2.

При подаче U_У < U_min диоды закрываются и U_вых » 0.