Электронные ключи в аналоговых устройствах. Устройства выборки-хранения и пиковые детекторы

Лекция 29

8. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

В АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВАХ

8.1. Аналоговые ключи

Аналоговые ключи предназначены для коммутации знакопеременных сигналов, напряжения и токи которых могут изменяться в широких пределах. Идеальный аналоговый ключ должен иметь нулевое сопротивление в состоянии “замкнуто” () и бесконечное сопротивление в состоянии “разомкнуто” (). Кроме  и  реальный аналоговый ключ характеризуется и другими параметрами: быстродействием (временем задержки включения и выключения ключа); напряжениями управления; максимальными и минимальными напряжениями и токами цепи коммутации; уровнем паразитного сигнала, проникающим из цепи управления в цепь коммутации.

                Простейшая эквивалентная схема реального ключа  (рис. 8.1) состоит из идеального ключа  и сопротивлений  и . В зависимости от соотношения между сопротивлениями ключа (,) и сопротивлениями источника сигнала и нагрузки (,) ключи по отношению к источнику сигнала и нагрузке могут включаться последовательно, параллельно или последовательно-параллельно (рис. 8.2). Ключи управляются прямоугольными импульсами, причем в случае последовательно-параллельного включения – в противофазе.

                При построении аналоговых ключей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, причем близкими к идеальным являются ключи на МДП-транзисторах, у которых цепь управления (затвор) и цепь коммутации (канал) разделены диэлектриком. На рис. 8.3 приведена схема последовательного ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа. Напряжение , поданное на подложку, выбирается из условия надежного запирания p-n-перехода транзистора при действии сигнала отрицательной полярности: . При нулевом управляющем напряжении транзистор закрыт, однако, поскольку напряжение  приложено между истоком и затвором, при больших отрицательных напряжениях , превышающих (по модулю) пороговое напряжение транзистора  (см. рис. 1.17,д), транзистор открывается, поэтому для надежного запирания транзистора может понадобиться подача на затвор отрицательного управляющего импульса. Чтобы открыть транзистор, на затвор подается положительное напряжение . При правильном выборе параметров управляющего сигнала удается достичь большого отношения между сопротивлениями разомкнутого и замкнутого ключа (Ом; Ом). Аналоговые ключи на МДП-транзисторах с индуцированным каналом находят применение в многоканальных коммутаторах, изготавливаемых в виде микросхем (143КТ1, 168КТ2, 190КТ1, 190КТ2).

                Недостатком МДП-ключей является то, что высокочастотные управляющие импульсы через межэлектродные емкости  и  проникают в цепь коммутации, создавая на сопротивлении нагрузки паразитное напряжение, маскирующее слабые коммутируемые сигналы. В комплементарных МДП-ключах (КМДП-ключах) паразитный сигнал ослаблен за счет взаимной компенсации паразитных сигналов от положительного и отрицательного управляющих напряжений, подаваемых на затворы транзисторов с разным типом проводимости каналов (рис. 8.4). Если транзисторы  и  идентичны и амплитуды управляющих напряжений разной полярности строго одинаковы, то теоретически должна быть полная компенсация паразитных сигналов. Требование  в микросхемах 176КТ1, 561КТ1, 564КТ1 обеспечивается за счет встроенных в микросхему формирователей управляющих импульсов, при этом внешнее управляющее напряжение однополярное.

8.2. Ключевые перемножители

Если требуется умножить сигнал произвольной формы на периодическую последовательность импульсов, то эту операцию с гораздо меньшей погрешностью (по сравнению с аналоговыми перемножителями) можно выполнить ключевым перемножителем, одна из возможных схем которого изображена на рис. 8.5,а. Здесь имеет место параллельное соединение двух двухквадрантных перемножителей, один из которых неинвертирующий (ключ ), а другой инвертирующий (инвертирующий усилитель совместно с ключом ). Этим обеспечивается работа ключевого перемножителя в четырех квадрантах: если ключ  замкнут, а  разомкнут, то напряжение на выходе перемножителя , если же замкнут , а разомкнут , то . Временные диаграммы напряжений изображены на рис. 8.5,в, где положительные импульсы напряжений  и  соответствуют в схеме замкнутому состоянию соответствующего ключа.

В схеме рис. 8.5,б реализуется дифференциальный вход  x, при этом дифференциальный усилитель ДУ имеет небольшой коэффициент усиления . В остальном схема аналогична схеме рис. 8.5,а: при замкнутых ключах  выходное напряжение , а при замкнутых ключах  –  (управление  ключами   и  здесь  точно  такое,  как  и  в  схеме  рис. 8.5,а).

8.3. Устройства выборки-хранения и пиковые детекторы

При преобразовании аналогового сигнала в цифровой код требуется в определенный момент времени выбрать мгновенное значение напряжения этого сигнала и запомнить его на некоторое время, в течение которого производится преобразование. Для этих целей используется устройство выборки-хранения (УВХ), простейшая схема которого имеет вид, показанный на рис. 8.6,а. Если ключ  замкнут, то происходит заряд конденсатора  от источника входного сигнала  с постоянной времени . При разомкнутом ключе  конденсатор  хранит какое-то время мгновенное значение входного напряжения. Чтобы в режиме хранения напряжение на конденсаторе изменялось мало, должна быть достаточно большой постоянная времени разряда конденсатора, т.е. должны быть большими сопротивление разомкнутого ключа () и входное сопротивление буферного усилителя (). Напряжение на конденсаторе в режиме хранения изменяется не только