This page has been robot translated, sorry for typos if any. Original content here.

Was Sie über analoge Tasten und Multiplexer wissen müssen

Seit etwa fünfundzwanzig Jahren sind die integrierten Halbleiter-Analog-Tasten und Multiplexer, die auf ihrer Basis erstellt wurden, den Entwicklern von elektronischen Produkten treu. Der Herstellungsprozess wurde verbessert, das Chipdesign wurde geändert - all dies erlaubte es, die Versorgungsspannung, den Leistungsverbrauch, den Widerstand des öffentlichen Schlüssels, die eingespeiste Ladung, die Schaltzeit zu reduzieren. Was interessant ist, ist die Firma Maxim in dieser Gruppe von 325 Geräten.

Die Architektur der Schlüssel und Multiplexer hat sich nicht viel über viele Jahre verändert, aber die ständige Nachfrage nach verbesserten Leistung zwingt die Hersteller, mehr und mehr Geräte zu entwickeln, um die Bedürfnisse der Entwickler zu erfüllen. Für eine lange Zeit wurden MOS (Metalloxid-Halbleiter) -Transistoren als analoge Tasten verwendet. Mit niedrigem Widerstand im leitenden Zustand und extrem hohem Widerstand im Cutoff-Zustand, mit kleinen Leckstellen und kleiner Kapazität, waren sie fast ideale analoge spannungsgesteuerte Tasten. Die Notwendigkeit, Signale gleich oder nahe an der Versorgungsspannung zu schalten, machte es notwendig, dieses Problem zu lösen, indem man die komplementären MOSFETs (CMOS) schaltet. Die bekannte Schaltungsanordnung 4066 ist eine klassische Analogschaltung für Signale im Bereich von Masse zu positiver Versorgungsspannung (Maxim stellt diesen Mikrochip namens MAX4066 her). Es wird durch ein unipolares Signal von Logikchips gesteuert. Ein einzelner p-Kanal- oder p-Kanal-FET, der im Anreicherungsmodus arbeitet, kann als analoger Schlüssel dienen, sein Widerstand im offenen Zustand hängt jedoch wesentlich vom Wert des geschalteten Signals ab.

Die Verbindung der n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs parallel schränkt diese Abhängigkeit stark ein. Es ist nur eine Bedingung erforderlich - Einschalten und Ausschalten dieser Transistoren sollten gleichzeitig durchgeführt werden. Langzeitverbesserungen in der analogen Taste auf der Basis von CMOS-Transistoren haben die Schaltspannungsschwelle auf 2,5-5,0 V gesenkt. Die Addition eines Pegelwandlers hat es ermöglicht, Gate-Steuersignale komplementärer MOSFETs aus Eingangssignalen eines Logikpegels zu erhalten. Gleichzeitig kann die analoge Taste nun das analoge Signal um ± 15 V umschalten. Das Schema der modernen Taste ist in Abb. 1


Abb. 1. Diagramm eines modernen CMOS-Schlüssels

Das Steuersignal hat einen TTL-Logikpegel. In diesem Fall können die CMOS-Schalter-Transistoren Q9 und Q10 analoge Signale mit einem Pegel von ± U- Pit übertragen . Die in dem Diagramm dargestellten Transistoren Q11 und Q12 verbessern den Betrieb des Schlüssels, wodurch das Lecken des Schlüssels verringert und die Modulation des Widerstandes des offenen Kanals verringert wird. Diese beiden Transistoren sollten niemals gleichzeitig eingeschaltet werden. Andernfalls wird der negative Strombus an die Last angeschlossen und die Ein- / Ausschaltzeit wird erhöht. Die Sicherheitsbetriebsart der Transistoren Q11 und Q12 sollte konstruktiv vorgesehen sein. Für MAX3XX-Schlüssel sind ziemlich gute Parameter für den Wert des Public Key Resistance, für Leckströme und dynamische Verzerrungen der Übertragung eines großen Signals mit einer Frequenz von bis zu 500 KHz implementiert. Der einfachste Weg, um die oben genannten Parameter zu verbessern, besteht darin, die Parallele mit den Tasten auf dem Chip zu verbinden. So MAX351, mit 4 Tasten, mit Parallelschaltung hat typischen Widerstand im offenen Zustand von 5,5 Ohm und maximal - 11,25 Ohm. In diesem Fall überschreitet die maximale Änderung des Tastenwiderstandes aus der Änderung des Wertes des geschalteten Signals nicht ΔR offen ≤ 1,25 Ohm.

Durch die offenen Transistoren des Schalters fließt der Strom des geschalteten Signals. Von den Stromquellen fließt praktisch kein Strom in den Schlüssel. Um den Level zu verschieben und den Schlüssel zu steuern, wird der Strom benötigt.

Die Stromerhöhung tritt bei einer Spannung von etwa 0,8 V und 2,4 V auf, was auf den Übergang von Transistoren vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand (und umgekehrt) und deren Übergang zu dieser Zeit in ein lineares Regime zurückzuführen ist. Wenn die logische und analoge Spannung der Stromversorgungen gleich ist, dann fließen die Ströme durch die Mikroschaltung bei einem Leckstrompegel von weniger als 1 μA. Für den normalen Betrieb eines Schalters mit unterschiedlichen Spannungen (z. B. +5 V und ± 15 V) ist es notwendig, Shunt-Kondensatoren von 10 μF parallel zu 100 nF zu jedem Source-Terminal zu platzieren.

Die dynamischen Fehler der Tasten werden durch die Tatsache bestimmt, dass das Steuersignal mehrere Stufen durchläuft und jeweils eine Verzögerung aufweist. Dies ist besonders wichtig bei Mehrkanal-Multiplexern, z. B. 8 in 1. Es ist nicht möglich, den Kanal einzubauen, es sei denn, der vorherige ist ausgeschaltet. Deshalb wird im MAX338-Chip eine garantierte Verzögerungszeit für das Umschalten strukturell eingeführt - mindestens 10 ns. Wenn die Taste ein- und ausgeschaltet wird, spritzt das Steuersignal durch die Kapazität der Transistoren der Vorkaskaden etwas Ladung in den leitenden Kanal des Schlüssels ein. Dies führt zu einem Fehler bei der Übertragung des Signals durch den Schlüssel. Die Größe der eingespritzten Ladung ist umso kleiner, je kleiner der Widerstand des offenen Kanals ist. Aus den gleichen Gründen sollte die Anstiegs- und Abfallzeit des logischen Eingangssignals für die meisten Schlüssel-MAXIM-Schaltungen 20 ns nicht überschreiten.

Wenn man die Feinheit der Schlüsselkonstruktion, ihre Stärken und Schwächen kennt, kann man die breiteste Anwendung von Halbleiterschlüsseln und Multiplexern in Funkgeräte finden. Sie können mit Funkfrequenzen bis zu 1 MHz und höher arbeiten. Die meisten analogen Tasten weisen eine geringe Verlustleistung zu und erfordern eine einfache logische Schnittstelle. Die Betätigung der Tasten hängt vom Signalstrom im Schaltelement ab und ist zur Verringerung der Übertragungsverluste in der Regel auf Milliampere begrenzt.

Um das Übersprechen bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 MHz und höher zu reduzieren, können Sie im T-Modus die Tasten (Standard MAX312, MAX383, Video T-Tasten MA4545) verwenden (Bild 2). Ein oder zwei Schalter sind mit Erde mit niedrigem Widerstand (typisch -40 Ohm) und einem hervorragenden Entkopplungsfaktor (-80 dB pro 10 MHz) verbunden. Es muss jedoch daran erinnert werden, dass bei einer Erhöhung der Betriebsfrequenz des Signals das Übersprechen und die Isolation unbefriedigend werden.


Abb. 2. T-förmige Schaltung zum Einschalten der Taste für ein 10-MHz-Signal

Eine einfache Oszillatorschaltung für 2 durch Quarzresonatoren stabilisierte Frequenzen wird durch Verwendung eines Chips mit vier Tasten (MAX 383) mit einer Versorgung von ± 8 V oder mit MAX 411 ± 18 V erhalten.

Sehr nützlich können integrierte Schaltungen von Tasten und Multiplexern mit automatischer Einstellung von Verstärkung, Frequenz, Phase oder Spannung. Wenn Sie zum Beispiel ein Signal an den nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers anwenden und eine Serienwiderstandsmatrix ausgeben, können Sie mit einem 16-Kanal-MAX 306-Multiplexer einen von 16 Verstärkungspegeln auswählen. In diesem Fall ist jede Taste auf einer Seite mit ihrem "eigenen" Widerstand verbunden, und die zweite Seite aller Tasten ist kombiniert und mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden.

Für analoge Tasten in Sound-Systemen wurde ein breiter Einsatz gefunden. Beim Durchgang eines Signals durch den Schlüssel sollte es keine Verschlechterung des Signals geben, die Einführung neuer Nachrichten in diese, Verzerrung der Form und Phase der Wellen. Völlig vermeiden das kann nicht. Offensichtlich müssen alle Verzerrungen minimiert werden. Der Gesamtwert des Koeffizienten der nichtlinearen Verzerrung (THD) ist definiert als das Verhältnis der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der zweiten, dritten und höheren Harmonischen zum Wert der fundamentalen (ersten) Harmonischen. Die Wahl eines Analogschlüssels mit einem Minimum an THD erfordert einen - einen niedrigen Widerstand im offenen Zustand (R on ) und folglich eine leichte Unebenheit des Widerstandes R an oder Planheit.

Die Ebenheit ist definiert als die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten des Widerstandes im offenen Zustand, gemessen im angegebenen Bereich des analogen Signals. Oft wird (wenn nicht anders in der Dokumentation angegeben) die Flachheit als 10% des Widerstandes des offenen Kanals angenommen. Verzerrungen sind das Ergebnis einer Parallelschaltung der p- und n-Kanal-Transistoren, die im offenen Zustand nichtlineare Widerstandseigenschaften aufweisen.

In der Praxis wird das Maximum der nichtlinearen Verzerrungen durch die folgende Beziehung bestimmt:


Wo R die Last ist. - die in der Reihe mit dem Schlüssel enthaltene Last.


Abb. 3. Abhängigkeit des Gesamtkoeffizienten der nichtlinearen Verzerrung (THD) für die Frequenz

In Fig. 3 zeigt die Frequenzabhängigkeit von THD für drei MAX 4501, MAX4544 und MAX4621 mit der Testlast R der Last . = 10 kOhm.

Diese Graphen zeigen, dass in Klangsystemen, um die gesamte nichtlineare Verzerrung zu minimieren, es notwendig ist, Schlüssel mit sehr niedrigem Widerstand im offenen Zustand auszuwählen.

CMOS-Analog-Tasten haben zweifellos viele nützliche Qualitäten, so dass die meisten Entwickler sie als die Norm betrachten und sie in einer Vielzahl von Anwendungen verwenden.

Lassen Sie uns auf einige technische Parameter der Schlüssel achten. Heute gibt es viele analoge Tasten, die mit einer Niederspannungsquelle arbeiten. Niederspannungsschalter mit unipolaren Stromversorgungs- und Logiksignalen nach CMOS-Normen und TTL-Pegeln werden ebenfalls verwendet. Aber es gibt auch Tasten, die auf ± 15 V oder ± 12 V betrieben werden. Um sie zu steuern, ist eine weitere Stromversorgung erforderlich, die mit V L bezeichnet ist und in der Regel 5 V oder 3,3 V beträgt.

Wenn das Logiksignal auf dem Pegel von V + (oder V L , falls vorhanden) liegt, dann fließt der Strom von der Stromversorgung nicht wesentlich durch die analogen Tasten. Wenn man TTL-Pegel bei einer Fünf-Volt-Spannung V L anwendet, ist es möglich, den Strom von der Stromversorgung um mehr als das 1000-fache zu erhöhen. Um unnötigen Stromverbrauch von der Stromquelle zu vermeiden, sollten Sie die Verwendung von TTL-Ebenen vermeiden - Vererbung der 80er Jahre.

Schaltzeiten (t-on und t-off) für die meisten analogen Tasten sind innerhalb von 60 ns. Bis zu 1 ms

Für MAXIM "bezchelchechkovyh" Tonschalter wird die Schaltzeit auf einen Millisekundenbereich erhöht, wodurch hörbare Klangklicks eliminiert werden.

So sehen wir, dass man ein Signal mit minimaler Verzerrung überträgt, man braucht entweder einen minimalen Schlüsselwiderstand im offenen Zustand oder die maximal mögliche Last am Tastenausgang. Betrachten wir einen weiteren Aspekt beim Umschalten - die Wirkung der Ladungsinjektion. Um einen niedrigen Wert von R ON zu erhalten , ist eine Erweiterung des Kanalbereichs erforderlich. Das Ergebnis ist eine große Eingangskapazität und eine entsprechende Platine: eine Zunahme der Verlustleistung aus dem Ladungsentladungsstrom in jedem Schaltzyklus. Die konstante Ladezeit t = R × C hängt vom Widerstand (R ON ) und der Kapazität (C) der Last ab. Dies dauert in der Regel ein paar Dutzend Nanosekunden, aber niederohmige Tasten haben eine längere Dauer von Ein- und Aus-Zeiten. Tasten mit hohem R ON sind schneller. MAXIM bietet beide Arten von Tasten - mit der gleichen Pinbelegung und im selben SOT-23 Paket. Die MAX4501 und MAX4502 haben einen höheren Widerstand R ON , aber die kurze Ein- / Ausschaltzeit des MAX4514 hat einen niedrigeren Widerstand R ON , aber eine längere Schaltzeit.

Eine weitere negative Konsequenz von niederohmigen Tasten ist eine höhere Ladungseinspritzung, die durch einen erhöhten Strompegel durch die Gate-Kapazität verursacht wird. Dies ist besonders wichtig bei der Verwendung von Tasten in Sampling / Storage-Geräten für die genaue Umstellung auf einen ADC.

Der Schutz der elektrostatischen Ladungstasten (ESD) basiert auf den Errungenschaften von MAXIM in diesem Bereich. Sie erlaubten es, den Schutz neuer analoger Tasten auf ± 15 kW nach den Empfehlungen der IEC 1000-4-2 Stufe 4 (dem höchsten Niveau) zu erhöhen. Alle analogen Eingänge für ESD-Tests verwenden das menschliche Körpermodell sowie Kontakt und Entladung durch den Luftspalt, der in der IEC 1000-4-2 Methodik spezifiziert ist.

So sind die mitgelieferten MAX4551-MAX4553-Tasten mit den meisten Standard-Vier-Tasten-Chips wie dem DS201 / 211, MAX391, etc. kompatibel. Jetzt ist es nicht notwendig, die analogen Eingänge mit teuren Begrenzungsdioden zu schützen, als Schutz gegen elektrostatische Entladungen (bis zu 15 KV) ist in das Schema der Tasten und Multiplexer eingebettet.

Das nächste wichtige Merkmal ist in modernen Schlüsseln zu beachten. Typischerweise wird der zulässige Bereich der Eingangssignalspannung durch die Spannung an den Stromversorgungsschienen begrenzt. Wenn das analoge Signal die Spannung der Stromversorgung übersteigt, fließt Strom durch die rückseitig vorgespannten parasitären Dioden. In dem Fall, in dem dieser Strom nicht begrenzt ist, ist der Chip aufgrund einer Überhitzung außer Betrieb. Daher könnten die meisten alten Tasten und Multiplexer mit Strömen arbeiten, die nicht mehr als 10-20 mA betragen.

Neue Tasten MAXIM'a haben einen eingebauten Schutz gegen Ausfall, wenn sie bis zu ± 25 V (einige bis zu 36 V) des Eingangssignals mit einer Stromversorgung von 15 V und ± 40 V mit ausgeschaltet bleiben. In diesem Fall (bei Überspannung) am analogen Signaleingang nimmt die Taste ungeachtet des Tastenzustands oder des Lastwiderstandes eine hohe Impedanz ein. Nur der Leckstrom, der die Nanoampere bildet, kann aus der Signalquelle fließen. Hier ist eine Sache sehr wichtig: Diese Tasten erfordern keine spezifische Reihenfolge der Versorgungsspannung und der analogen Signalspannung. Sogar bei abgenommener Leistung gibt es keinen Ausfall der Taste aus dem Analogsignal. Die Bruchsicherheitsschlüssel MAX4511 ÷ MAX4513 auf den Stiften sind mit DS411 ÷ DS413 kompatibel.

In einem kurzen Zeitschriftenartikel ist es unmöglich, eine detaillierte Beschreibung aller Eigenschaften von Schlüsseln und Multiplexern zu machen. Für alle, die an solchen Informationen interessiert sind, schlage ich vor, die Website www.maxim-ic.cоm oder die Website des offiziellen Distributors von MAXIM - dem Unternehmen Rainbow Technologies zu besuchen. Bei diesen Adressen finden Sie eine Menge nützlicher für die richtige Auswahl und Verwendung dieser Art von Instrument.