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Was Sie über Analogschlüssel und Multiplexer wissen müssen

Seit etwa fünfundzwanzig Jahren dienen integrierte analoge Halbleiterschalter und Multiplexer auf deren Basis den Entwicklern elektronischer Produkte treu. Der Herstellungsprozess wurde verbessert, das Design der Mikroschaltkreise wurde geändert - all dies erlaubte es, die Versorgungsspannung, den Stromverbrauch, den Widerstand des öffentlichen Schlüssels, die injizierte Ladung und die Schaltzeit zu reduzieren. Welche interessanten Dinge bietet Maxim in dieser Gruppe von 325 Geräten?

Die Architektur von Schlüsseln und Multiplexern hat sich im Laufe der Jahre nicht wesentlich geändert. Aufgrund der ständigen Nachfrage nach verbesserter Leistung müssen Hersteller jedoch immer mehr neue Geräte entwickeln, um den Anforderungen der Entwickler gerecht zu werden. MOS-Transistoren (Metalloxid-Halbleiter-Transistoren) wurden lange Zeit als Analogschalter verwendet. Sie hatten einen niedrigen Widerstand im leitenden Zustand und einen extrem hohen Widerstand im abgeschalteten Zustand mit kleinen Leckstellen und einer geringen Kapazität. Sie waren nahezu ideale analoge spannungsgesteuerte Schalter. Die Notwendigkeit, Signale zu schalten, die in der Größenordnung der Versorgungsspannung liegen oder sich dieser nähern, ist gezwungen, dieses Problem mit Hilfe von komplementären MOSFET-Schaltern (CMOS) zu lösen. Die bekannte Schaltung 4066 ist die klassische analoge Schlüsselschaltung für Signale, die von "Masse" bis zu einer positiven Versorgungsspannung reichen (Maxim stellt diesen Chip mit der Bezeichnung MAX4066 her). Es wird durch ein unipolares Signal von Logikchips gesteuert. Ein einzelner p-Kanal- oder p-Kanal-Feldeffekttransistor, der im Anreicherungsmodus arbeitet, kann als analoger Schalter dienen, aber sein Widerstand im offenen Zustand hängt wesentlich von der Größe des geschalteten Signals ab.

Die Parallelschaltung des n-Kanal- und des p-Kanal-MOS-Transistors verringert diese Abhängigkeit drastisch. Es ist nur eine Bedingung erforderlich - diese Transistoren müssen gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Langfristige Verbesserungen des auf CMOS-Transistoren basierenden analogen Schlüssels senkten die Einschaltspannungsschwelle auf 2,5 bis 5,0 V. Durch das Hinzufügen eines Pegelwandlers konnten Gate-Steuersignale für komplementäre MOS-Transistoren aus Eingangssignalen mit logischem Pegel erhalten werden. Gleichzeitig kann der Analogschlüssel jetzt das Analogsignal auf ± 15 V umschalten. Ein Diagramm des modernen Schlüssels ist in Abb. 1 dargestellt. 1


Abb. 1. Schema des modernen CMOS-Schlüssels

Das Steuersignal hat einen TTL-Logikpegel. In diesem Fall kann der CMOS-Schalter der Transistoren Q9 und Q10 Analogsignale mit einem ± U-Pegel durchlassen. Die im Diagramm dargestellten Transistoren Q11 und Q12 verbessern die Schlüsselleistung, indem sie den Schlüsselverlust reduzieren und die Modulation des Widerstands des offenen Kanals reduzieren. Diese beiden Transistoren sollten niemals gleichzeitig eingeschaltet sein. Andernfalls wird der negative Leistungsbus an die Last angeschlossen und die Ein / Aus-Zeit verlängert sich. Der Sicherheitsmodus der Transistoren Q11 und Q12 sollte konstruktiv bereitgestellt werden. In den MAX3XX-Schlüsseln werden relativ gute Parameter für den Widerstandswert des öffentlichen Schlüssels, für Leckströme und dynamische Verzerrungen der Übertragung eines großen Signals mit einer Frequenz von bis zu 500 KHz implementiert. Der einfachste Weg, die oben genannten Parameter zu verbessern, ist die parallele Verbindung mit den Tasten auf dem Chip. So hat der MAX351 mit 4 Tasten und einer Parallelschaltung einen typischen offenen Widerstand von 5,5 Ohm und das Maximum - 11,25 Ohm. Gleichzeitig überschreitet die maximale Änderung des Schlüsselwiderstandes aus einer Änderung des Wertes des geschalteten Signals nicht ΔR open ≤ 1,25 Ohm.

Durch die offenen Transistoren des Schlüsselstroms fließt das geschaltete Signal. Aus den Stromquellen fließt der Strom im Schlüssel praktisch nicht. Um die Pegel auszugleichen und den Schlüsselstrom zu steuern, ist es jedoch erforderlich.

Die Stromerhöhung erfolgt bei einer Spannung von etwa 0,8 V und 2,4 V, die mit dem Übergang der Transistoren vom offenen in den geschlossenen Zustand (und umgekehrt) und ihrem Übergang zu dieser Zeit im linearen Modus verbunden ist. Wenn die logischen und analogen Spannungen der Stromversorgungen gleich sind, fließen die Ströme durch die Mikroschaltung mit einem Leckstromwert von weniger als 1 μA. Für den normalen Betrieb eines Schalters mit unterschiedlichen Spannungen (z. B. +5 V und ± 15 V) ist es erforderlich, parallel zu jedem Anschluss der Source 10 µF-Kondensatoren parallel zu 100 nF zu installieren.

Dynamische Schlüsselfehler werden dadurch bestimmt, dass das Steuersignal mehrere Stufen durchläuft und jeweils eine Verzögerung hat. Dies ist besonders wichtig bei Mehrkanal-Multiplexern, z. B. 8 in 1. Das Einschalten des Kanals ist hier nicht möglich, wenn der vorherige nicht ausgeschaltet ist. Deshalb wird beim MAX338-Chip die garantierte Schaltverzögerungszeit strukturell eingeführt - mindestens 10 ns. Wenn die Taste ein- und ausgeschaltet wird, injiziert das Steuersignal durch die Kapazität der Transistoren der Vorstufen etwas Ladung in den leitenden Kanal der Taste. Dies führt zu einem Fehler bei der Übertragung des Signals über die Taste. Der Wert der injizierten Ladung ist umso kleiner, je geringer der Widerstand des offenen Kanals ist. Aus den gleichen Gründen sollten die Anstiegs- und Abfallzeiten des Logiksignals am Eingang für die meisten MAXIM-Schlüsselschemen 20 ns nicht überschreiten.

Wenn man die Feinheiten der Gebäudeschlüssel, ihre Stärken und Schwächen kennt, kann man Halbleiterschalter und Multiplexer in elektronischen Geräten am umfassendsten einsetzen. Sie können mit Funkfrequenzen bis 1 MHz und höher arbeiten. Die meisten analogen Switches bieten nur eine geringe Verlustleistung und erfordern eine einfache logische Schnittstelle. Die Betätigung der Tasten hängt von dem Signalstrom im Schaltelement ab und ist zur Verringerung von Übertragungsverlusten üblicherweise auf einige Milliampere beschränkt.

Um das Übersprechen bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 MHz und darüber zu reduzieren, können Sie Tasten (Standard MAX312, MAX383, Video-T-Tasten MA4545) verwenden, die in einem T-förmigen Muster verbunden sind (Abb. 2). Ein oder zwei Tasten sind mit einer niedrigen Impedanz (typisch -40 Ohm) und einem ausgezeichneten Entkopplungsfaktor (-80 dB bei 10 MHz) an Erde angeschlossen. Wir müssen jedoch bedenken, dass mit einer Erhöhung der Betriebsfrequenz des Signals das Übersprechen und die Entkopplung unbefriedigend werden.


Abb. 2. T-förmiger Schlüsselschaltkreis für ein 10 MHz-Signal

Eine einfache Oszillatorschaltung für 2 Frequenzen, stabilisiert durch Quarzresonatoren, erhält man mit einem Chip mit vier Tasten (MAX 383) mit einer Versorgung von ± 8 V oder bei Verwendung von MAX 411 mit ± 18 V.

Integrierte Schaltkreise von Schaltern und Multiplexern können für die automatische Einstellung der Verstärkung, Frequenz, Phase oder Spannung sehr nützlich sein. Wenn Sie beispielsweise ein Signal an einen nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers senden und am Ausgang eine serielle resistive Matrix einrichten, können Sie mit einem 16-Kanal-Multiplexer wie dem MAX 306 einen von 16 Verstärkungspegeln wählen. Gleichzeitig ist jede Taste von einer Seite mit ihrem "eigenen" Widerstand verbunden, und die zweite Seite aller Tasten ist kombiniert und mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden.

Weit verbreitete Verwendung fanden analoge Tasten in Soundsystemen. Wenn ein Signal eine Taste durchläuft, sollte sich das Signal nicht verschlechtern, keine neuen Informationen hinzufügen, Wellenform und Phase verzerren. Ganz zu vermeiden, kann dies nicht sein. Natürlich sollten alle Verzerrungen minimiert werden. Der Gesamtwert des nichtlinearen Verzerrungskoeffizienten (ТHD) ist definiert als das Verhältnis der Quadratwurzel der Quadratsumme der zweiten, dritten und höheren Harmonischen zum Wert der (ersten) Oberwelle. Die Wahl eines analogen Schlüssels mit einem Minimum an THD erfordert einen geringen Widerstand im geöffneten Zustand (R on ) und daher eine geringe Ungleichmäßigkeit des Widerstands R on oder der Ebenheit.

Ebenheit ist definiert als die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Widerstandswerten im offenen Zustand, gemessen in einem bestimmten Bereich eines analogen Signals. Die Flachheit wird (sofern in der Dokumentation nicht anders angegeben) oft mit 10% des Widerstands des offenen Kanals angenommen. Verzerrungen sind das Ergebnis einer Parallelschaltung von p- und n-Kanal-Transistoren, die im offenen Zustand nichtlineare Widerstandseigenschaften aufweisen.

In der Praxis wird die maximale nichtlineare Verzerrung durch die folgende Beziehung bestimmt:


wo r ist Wärme - die mit dem Schlüssel in Reihe geschaltete Last.


Abb. 3. Die Abhängigkeit des gesamten nichtlinearen Verzerrungskoeffizienten (THD) für die Frequenz

In fig. 3 zeigt die Abhängigkeit von THD von der Frequenz für die drei Tasten MAX 4501, MAX4544 und MAX4621 mit einer Testlast R load . = 10 kΩ

Diese Diagramme zeigen, dass in Soundsystemen zur Minimierung der nichtlinearen Gesamtverzerrung Tasten mit sehr niedrigem Widerstand im geöffneten Zustand ausgewählt werden müssen.

Analoge CMOS-Schlüssel haben zweifellos viele nützliche Eigenschaften. Daher werden sie von den meisten Entwicklern als Standard betrachtet und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.

Lassen Sie uns einige technische Parameter der Tasten beachten. Heutzutage gibt es viele analoge Schalter, die mit einem einzigen Niederspannungsnetzteil arbeiten. Außerdem werden Niederspannungsschalter mit unipolarer Stromversorgung und Logiksignalen nach CMOS-Standards und TTL-Pegeln verwendet. Es gibt jedoch auch Tasten, die mit einer Versorgung von ± 15 V oder ± 12 V arbeiten. Zur Steuerung ist eine andere Stromquelle erforderlich, die mit V L bezeichnet wird und normalerweise 5 V oder 3,3 V beträgt.

Wenn sich das Logiksignal auf dem Pegel von V + (oder V L , falls vorhanden) befindet, fließen die Analogtasten im Wesentlichen nicht von der Stromversorgung. Durch Anlegen von TTL-Pegeln bei einer Spannung von fünf Volt V L ist es möglich, den Strom von der Stromquelle um mehr als das 1000-fache zu erhöhen. Um unnötigen Stromverbrauch von einer Stromquelle zu vermeiden, sollten Sie die Verwendung von TTL-Pegeln vermeiden, die aus den 80er Jahren stammen.

Die Schaltzeit (t-on und t-off) für die meisten analogen Schalter liegt im Bereich von 60 ns. bis zu 1 ms

Bei MAXIM "Clickless" -Soundschaltern wird die Schaltzeit auf den Millisekundenbereich erhöht, wodurch die hörbaren Klicks eliminiert werden.

Wir sehen also, dass Sie zur Übertragung eines Signals mit minimaler Verzerrung entweder den minimalen Schlüsselwiderstand im geöffneten Zustand oder die maximal mögliche Last am Tastenausgang benötigen. Berücksichtigen Sie beim Schalten einen weiteren Aspekt - den Effekt der Ladungsinjektion. Um einen niedrigen R ON- Wert zu erhalten, ist eine Kanalbereichserweiterung erforderlich. Das Ergebnis ist eine große Eingangskapazität und die entsprechende Ladung: eine Erhöhung der Verlustleistung aus dem Lade-Entlade-Strom in jedem Schaltzyklus. Die konstante Ladezeit t = R × C hängt vom Widerstand (R ON ) und der Kapazität (C) der Last ab. Dies dauert normalerweise einige zehn Nanosekunden, aber Tasten mit niedrigem Widerstand haben eine längere Ein / Aus-Periode. Tasten mit hohem R ON sind schneller. MAXIM bietet beide Schlüsseltypen an - mit derselben Basis und im selben SOT-23-Paket. MAX4501 und MAX4502 haben einen höheren Widerstand R ON , aber eine kurze Ein / Aus-Zeit MAX4514 hat einen niedrigeren Widerstand R ON , aber eine längere Schaltzeit.

Eine andere negative Folge von Schaltern mit niedriger Impedanz ist eine höhere Ladungsinjektion, die durch einen erhöhten Strom durch die Gate-Kapazität verursacht wird. Dies ist besonders wichtig, wenn Sie Schlüssel in einem Sample / Hold-Gerät verwenden, um eine genaue Umwandlung in ADC zu erreichen.

Der Schutz der Schlüssel gegen elektrostatische Aufladung (ESD) basiert auf den Errungenschaften von MAXIM in diesem Bereich. Sie erlaubten den Schutz neuer analoger Schalter auf bis zu ± 15 kW gemäß den Empfehlungen von IEC 1000-4-2, Ebene 4 (höchste Stufe). Alle analogen Eingänge für ESD-Tests verwenden ein Modell des menschlichen Körpers sowie Kontakt und Entladung durch den in der IEC 1000-4-2-Methodik angegebenen Luftspalt.

Daher sind die freigegebenen Tasten MAX4551 - MAX4553 mit den meisten der vier Standardschlüsselchips wie DS201 / 211, MAX391 usw. pin-kompatibel. Jetzt müssen Sie die analogen Eingänge nicht mit teuren restriktiven Dioden schützen, da sie vor elektrostatischen Entladungen geschützt sind (bis zu 15) kV) in das Schema der Schlüssel und Multiplexer eingebaut.

Das folgende wichtige Merkmal sollte bei modernen Tasten beachtet werden. Normalerweise ist der zulässige Bereich der Eingangssignalspannung durch die Spannung an den Stromversorgungsbussen begrenzt. Wenn das Analogsignal die Spannung der Stromquelle überschreitet, fließt Strom durch die in Sperrrichtung vorgespannten parasitären Dioden. In dem Fall, in dem dieser Strom keine Begrenzung hat, fällt die Mikroschaltung aufgrund von Überhitzung aus. Daher könnten die meisten der alten Tasten und Multiplexer mit Strömen arbeiten, die 10 ÷ 20 mA nicht überschreiten.

Die neuen MAXIM-Tasten verfügen über einen eingebauten Schutz gegen Durchschlag, wenn sie bei 15 V-Spannungsversorgung bis ± 25 V (einige bis 36 V) des Eingangssignals bleiben und bei ausgeschalteter Spannungsversorgung ± 40 V. In diesem Fall (im Falle einer Überspannung) nimmt der Schlüssel unabhängig vom Zustand des Schalters oder des Lastwiderstandes am Eingang des Analogsignals eine hohe Impedanz an. Nur der Leckstrom, aus dem die Nanoampere besteht, kann von der Signalquelle fließen. Ein Umstand ist hier sehr wichtig: Diese Tasten erfordern keine bestimmte Reihenfolge der Bereitstellung der Versorgungsspannung und der Spannung des Analogsignals. Selbst wenn die Stromversorgung unterbrochen ist, bricht der Schlüssel nicht vom analogen Signal ab. Die pannensicheren Tasten MAX4511 ÷ MAX4513 sind mit DS411 ÷ DS413 pin-kompatibel.

In einem kurzen Zeitschriftenartikel ist es nicht möglich, alle Eigenschaften von Schlüsseln und Multiplexern detailliert zu beschreiben. Wenn Sie an solchen Informationen interessiert sind, empfehle ich Ihnen, die Website www.maxim-ic.com oder die Website des offiziellen MAXIM-Händlers - Rainbow Technologies - zu besuchen. Unter diesen Adressen finden Sie viele nützliche Informationen für die richtige Auswahl und Verwendung dieser Art von Geräten.