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Was Sie über analoge Tasten und Multiplexer wissen müssen

Ungefähr 25 Jahre integrierte analoge Halbleiterschlüssel und darauf basierende Multiplexer dienen den Entwicklern elektronischer Produkte treu. Der Herstellungsprozess wurde verbessert, das Design der Mikroschaltungen wurde geändert - all dies ermöglichte 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 verändert, aber die ständige Nachfrage nach verbesserter Leistung veranlasst die Hersteller, immer neue Geräte zu entwickeln, um den Anforderungen der Entwickler gerecht zu werden. Als Analogschalter wurden lange Zeit MOS-Transistoren (Metal Oxide Semiconductor) eingesetzt. Mit einem geringen Widerstand im leitenden Zustand und einem extrem hohen Widerstand im abgeschalteten Zustand, mit kleinen Leckstellen und einer geringen Kapazität waren sie nahezu perfekte analoge spannungsgesteuerte Tasten. Das Erfordernis, Signale zu schalten, die der Versorgungsspannung entsprechen oder dieser nahekommen, ist gezwungen, dieses Problem unter Verwendung von Schaltern auf einem komplementären MOSFET (CMOS) zu lösen. Die bekannte Schaltung 4066 ist eine klassische analoge Schlüsselschaltung für Signale von „Masse“ bis zu einer positiven Versorgungsspannung (Maxim stellt diesen Chip als MAX4066 her). Es wird von einem unipolaren Signal von Logikchips gesteuert. Ein einzelner p-Kanal- oder p-Kanal-Feldeffekttransistor, der im Anreicherungsmodus arbeitet, kann als analoger Schalter dienen, sein Widerstand im geöffneten Zustand hängt jedoch erheblich 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. Langzeitverbesserungen des auf CMOS-Transistoren basierenden Analogschlüssels senkten die Einschaltspannungsschwelle auf 2,5-5,0 V. Durch Hinzufügen eines Pegelwandlers konnten Gate-Steuersignale für komplementäre MOS-Transistoren aus Eingangssignalen mit Logikpegel erhalten werden. Gleichzeitig kann der Analogschlüssel jetzt das Analogsignal mit einem Pegel von ± 15 V schalten. Ein Diagramm des modernen Schlüssels ist in Abb. 2 dargestellt. 1.


Abb. 1. Schema des modernen CMOS-Schlüssels

Das Steuersignal hat einen TTL-Logikpegel. Gleichzeitig kann die CMOS-Taste an den Transistoren Q9 und Q10 analoge Signale mit einem Pegel von ± U durchlassen. Die in dem Diagramm gezeigten Transistoren Q11 und Q12 verbessern die Tastenleistung durch Reduzieren des Schlüsselverlusts und Reduzieren der Modulation des offenen Kanalwiderstands. Diese beiden Transistoren sollten niemals gleichzeitig eingeschaltet sein. Andernfalls wird der negative Leistungsbus an die Last angeschlossen und die Ein- / Ausschaltzeit verlängert sich. Die Sicherheitsbetriebsart der Transistoren Q11 und Q12 sollte konstruktiv bereitgestellt werden. In den MAX3XX-Schlüsseln sind relativ gute Parameter für den Widerstandswert des öffentlichen Schlüssels, Leckströme und dynamische Verzerrungen bei der Übertragung eines großen Signals mit einer Frequenz von bis zu 500 kHz implementiert. Der einfachste Weg, um die obigen Parameter zu verbessern, besteht darin, parallel zu den Tasten auf dem Chip zu schalten. Der MAX351 mit 4 Schlüsseln und Parallelschaltung hat einen typischen Durchgangswiderstand von 5,5 Ohm und ein Maximum von 11,25 Ohm. Gleichzeitig überschreitet die maximale Änderung des Schlüsselwiderstands aufgrund einer Änderung des Werts des Schaltsignals ΔR open ≤ 1,25 Ohm nicht.

Durch die offenen Transistoren fließt der Schlüsselstrom des Schaltsignals. Von den Stromquellen fließt der Strom in der Taste praktisch nicht. Aber um die Pegel auszugleichen und den Schlüsselstrom zu kontrollieren, ist es notwendig.

Der Stromanstieg erfolgt bei einer Spannung von ca. 0,8 V und 2,4 V, die mit dem Übergang der Transistoren vom offenen in den geschlossenen Zustand (und umgekehrt) und deren Übergang zu dieser Zeit im linearen Modus verbunden ist. Sind die logischen und analogen Spannungen der Stromversorgungen gleich, so 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) müssen parallel zu jeweils 100 nF Shunt-Kondensatoren mit 10 μF an jedem Source-Anschluss installiert werden.

Dynamische Tastenfehler werden dadurch 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 unmöglich, hier die Kanalumschaltung zu implementieren, wenn die vorherige nicht ausgeschaltet ist. Deshalb wird im MAX338-Chip die garantierte Schaltverzögerungszeit strukturell eingeführt - mindestens 10 ns. Wenn der Schlüssel ein- und ausgeschaltet wird, injiziert das Steuersignal durch die Kapazität der Transistoren der Vorstufen etwas Ladung in den leitenden Kanal des Schlüssels. Dies führt zu einem Fehler bei der Übertragung des Signals über die Taste. Der Wert der injizierten Ladung ist umso kleiner, je kleiner der Widerstand des offenen Kanals ist. Aus den gleichen Gründen sollten die Anstiegs- und Abfallzeiten des Logiksignals am Eingang für die meisten MAXIM-Schlüsselschemata 20 ns nicht überschreiten.

Wenn man die Feinheiten von Gebäudeschlüsseln, ihre Stärken und Schwächen kennt, kann man feststellen, dass Halbleiterschalter und Multiplexer in elektronischen Geräten am weitesten verbreitet sind. Sie können mit Funkfrequenzen bis zu 1 MHz und darüber arbeiten. Die meisten analogen Schalter haben eine geringe Verlustleistung und erfordern eine einfache logische Schnittstelle. Die Bedienung der Tasten hängt vom Signalstrom im Schaltelement ab und ist zur Reduzierung der Übertragungsverluste in der Regel auf Milliampere begrenzt.

Um das Übersprechen bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 MHz und darüber zu verringern, können Sie Tasten (Standard MAX312, MAX383, Video-T-Tasten MA4545) verwenden, die in einem T-förmigen Muster angeschlossen sind (Abb. 2). Ein oder zwei Tasten sind niederohmig (typisch -40 Ohm) und mit einem hervorragenden Entkopplungsfaktor (-80 dB bei 10 MHz) mit Erde verbunden. Es ist jedoch zu beachten, dass bei 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 Generatorschaltung für 2 Frequenzen, die durch Quarzresonatoren stabilisiert ist, wird erhalten, indem ein Chip mit vier Schlüsseln (MAX 383) mit einer Versorgung von ± 8 V oder mit MAX 411 ± 18 V verwendet wird.

Integrierte Schaltkreise von Schaltern und Multiplexern können sehr nützlich sein, um die Verstärkung, Frequenz, Phase oder Spannung automatisch einzustellen. Wenn Sie beispielsweise ein Signal an einen nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers senden und am Ausgang eine serielle Widerstandsmatrix einrichten, können Sie mit einem 16-Kanal-Multiplexer wie MAX 306 einen von 16 Verstärkungspegeln auswählen. Gleichzeitig wird jede Taste von einer Seite an einen „eigenen“ Widerstand angeschlossen, und die zweite Seite aller Tasten wird kombiniert und an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen.

Weit verbreitet sind analoge Tasten in Soundsystemen. Wenn ein Signal eine Taste durchläuft, sollte es keine Verschlechterung des Signals, keine Einführung neuer Informationen in das Signal, keine Verzerrung der Wellenform und der Phase geben. Ganz vermeiden kann dies nicht sein. Offensichtlich sollten alle Verzerrungen minimiert werden. Der Gesamtwert des nichtlinearen Verzerrungskoeffizienten (THD) ist definiert als das Verhältnis der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der zweiten, dritten und höheren Harmonischen zum Wert der Haupt- (ersten) Harmonischen. Die Auswahl eines analogen Schlüssels mit einem Minimum an THD erfordert einen geringen Widerstand im offenen Zustand (R on ) und daher eine geringfügige Ungleichmäßigkeit des Widerstands R on oder der Ebenheit.

Die Ebenheit ist definiert als die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Widerstandswerten im geöffneten Zustand, gemessen in einem bestimmten Bereich eines analogen Signals. Häufig wird (sofern in der Dokumentation nicht anders angegeben) angenommen, dass die Ebenheit 10% des Widerstands des offenen Kanals beträgt. 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 Wärme ist - die mit dem Schlüssel in Reihe geschaltete Last.


Abb. 3. Die Abhängigkeit des gesamten nichtlinearen Verzerrungskoeffizienten (THD) von der Frequenz

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

Diese Grafiken zeigen, dass in Soundsystemen zur Minimierung der gesamten nichtlinearen Verzerrung Tasten mit sehr geringem Widerstand im geöffneten Zustand ausgewählt werden müssen.

Analoge CMOS-Schlüssel haben sicherlich viele nützliche Eigenschaften, daher betrachten die meisten Entwickler sie als die Norm und verwenden sie in einer Vielzahl von Anwendungen.

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

Befindet sich das Logiksignal auf dem Pegel von V + (oder V L , falls vorhanden), fließen die Analogtasten nicht wesentlich Strom 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 1980er-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 den „clickless“ -Soundschaltern von MAXIM wird die Schaltzeit auf den Millisekundenbereich erhöht, wodurch hörbare Klicks vermieden werden.

Wir sehen also, dass Sie für die Übertragung eines Signals mit minimaler Verzerrung entweder den minimalen Schlüsselwiderstand im geöffneten Zustand oder die maximal mögliche Last am Schlüsselausgang benötigen. Berücksichtigen Sie beim Umschalten einen anderen 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-Entladestrom 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- / Ausschaltdauer. Tasten mit hohem R ON sind schneller. MAXIM bietet beide Schlüsseltypen an - mit der gleichen Basis und im gleichen SOT-23-Paket. MAX4501 und MAX4502 haben einen höheren Widerstand R ON , aber eine kurze Ein- / Ausschaltzeit MAX4514 haben einen niedrigeren Widerstand R ON , aber eine längere Schaltzeit.

Eine weitere negative Konsequenz von niederohmigen Schaltern ist ein höherer Ladungsinjektionspegel, der durch einen erhöhten Strompegel durch die Gatekapazität verursacht wird. Dies ist besonders wichtig, wenn Sie Tasten in einem Sample / Hold-Gerät für die genaue Konvertierung in ADC verwenden.

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

Somit sind die freigegebenen Tasten MAX4551 - MAX4553 mit den meisten Standard - Vier - Tasten - Chips wie DS201 / 211, MAX391 usw. pin - kompatibel. Jetzt müssen Sie die analogen Eingänge nicht mehr mit teuren Schutzdioden schützen, da sie vor elektrostatischer Entladung (bis zu 15) geschützt sind kV) in das Schema von Schlüsseln und Multiplexern einbezogen.

Das folgende wichtige Merkmal sollte bei modernen Schlüsseln beachtet werden. Normalerweise wird der zulässige Bereich der Eingangssignalspannung durch die Spannung an den Stromversorgungsschienen begrenzt. Wenn das analoge Signal die Spannung der Stromversorgung überschreitet, fließt ein parasitärer Diodenstrom mit Sperrvorspannung. In dem Fall, dass dieser Strom keine Grenze hat, fällt der Mikrokreis aufgrund einer Überhitzung aus. Daher könnten die meisten alten Schlüssel und Multiplexer mit Strömen von nicht mehr als 10 bis 20 mA arbeiten.

Neue MAXIM-Tasten verfügen über einen integrierten Durchschlagschutz, wenn sie bei 15-V-Stromversorgung bis zu ± 25 V (einige bis zu 36 V) des Eingangssignals und bei ausgeschalteter Stromversorgung bis zu ± 40 V betragen. In diesem Fall (bei Überspannung) erhält der Schlüssel am Eingang des Analogsignals eine hohe Impedanz, unabhängig vom Zustand des Schalters oder des Lastwiderstands. Von der Signalquelle kann nur der die Nanoampere bildende Leckstrom fließen. Ein Umstand ist hier sehr wichtig: Diese Tasten benötigen keine bestimmte Reihenfolge der Versorgungsspannung und der analogen Signalspannung. Selbst wenn die Stromversorgung unterbrochen ist, unterbricht der Schlüssel das analoge Signal nicht. Die pannensicheren Tasten MAX4511 ÷ MAX4513 sind PIN-kompatibel mit DS411 ÷ DS413.

In einem kurzen Zeitschriftenartikel können nicht alle Eigenschaften von Schlüsseln und Multiplexern detailliert beschrieben werden. Für alle, die an solchen Informationen interessiert sind, empfehle ich den Besuch der Website www.maxim-ic.com oder der Website des offiziellen MAXIM-Händlers - Rainbow Technologies. Unter diesen Adressen finden Sie viele nützliche Informationen für die richtige Auswahl und Verwendung dieser Art von Geräten.