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Was Sie über analoge Schlüssel und Multiplexer wissen müssen

Seit etwa fünfundzwanzig Jahren dienen integrierte Halbleiter-Analogtasten und Multiplexer, die auf ihrer Grundlage geschaffen wurden, den Entwicklern elektronischer Produkte treu. Der Herstellungsprozess wurde verbessert, das Design von Mikrochips verändert - dies alles erlaubt, um Versorgungsspannung, Stromverbrauch, Widerstand des öffentlichen Schlüssels, injizierte Ladung, Schaltzeit zu reduzieren. Interessant ist die Firma Maxim in dieser Gruppe von 325 Geräten.

Die Architektur von Schlüsseln und Multiplexern hat sich über viele Jahre hinweg nicht sehr verändert, aber die ständige Nachfrage nach verbesserter Leistung zwingt die Hersteller dazu, immer mehr Geräte zu entwickeln, um die Anforderungen der Entwickler zu erfüllen. Für lange Zeit wurden MOS (Metalloxid-Halbleiter) -Transistoren als analoge Tasten verwendet. Sie besaßen einen niedrigen Widerstand im leitenden Zustand und einen extrem hohen Widerstand im Abschaltzustand mit kleinen Leckstellen und einer kleinen Kapazität, sie waren fast ideale analoge spannungsgesteuerte Tasten. Die Notwendigkeit, Signale gleich oder nahe an die Versorgungsspannung zu schalten, führte dazu, dass dieses Problem mit Hilfe von Schaltern an komplementären MOSFETs (CMOS) gelöst wurde. Die bekannte Schaltungsanordnung 4066 ist ein klassisches analoges Tastenschema für Signale im Bereich von Masse bis zur positiven Versorgungsspannung (Maxim stellt diesen Mikrochip 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 ein analoger Schlüssel dienen, aber sein Widerstand im offenen Zustand hängt wesentlich vom Wert des geschalteten Signals ab.

Die Parallelschaltung von n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs reduziert diese Abhängigkeit stark. Es ist nur eine Bedingung erforderlich - das Ein- und Ausschalten dieser Transistoren sollte gleichzeitig erfolgen. Langfristige Verbesserungen des analogen Schlüssels auf der Basis von CMOS-Transistoren haben die Schaltspannungsschwelle auf 2,5-5,0 V abgesenkt. Die Hinzufügung eines Pegelwandlers hat es ermöglicht, Gate-Steuersignale von komplementären MOSFETs aus Eingangssignalen mit einem logischen Pegel zu erhalten. Gleichzeitig kann der analoge Schlüssel das analoge Signal auf ± 15 V schalten. Das Schema des modernen Schlüssels ist in Abb. 1.


Fig. 1. Schema eines modernen CMOS-Schlüssels

Das Steuersignal hat einen TTL-Logikpegel. In diesem Fall können die CMOS-Schaltertransistoren Q9 und Q10 analoge Signale mit einem Pegel von ± U pit durchlassen. Die in dem Diagramm gezeigten Transistoren Q11 und Q12 verbessern den Betrieb des Schlüssels, wodurch die Leckage des Schlüssels verringert und die Modulation des Widerstands des offenen Kanals verringert wird. Diese beiden Transistoren sollten niemals gleichzeitig eingeschaltet werden. Andernfalls wird der negative Energiebus mit der Last verbunden und die Ein / Aus-Zeit erhöht sich. Die Sicherheitsbetriebsart der Transistoren Q11 und Q12 sollte konstruktiv bereitgestellt werden. Ziemlich gute Parameter für den Wert des Widerstandes des öffentlichen Schlüssels für Leckströme und dynamische Verzerrung der Übertragung eines großen Signals mit einer Frequenz von bis zu 500 kHz werden in den MAX3XX-Tasten realisiert. Der einfachste Weg, um die obigen Parameter zu verbessern, besteht darin, die Parallelen zu den Tasten auf dem Chip zu verbinden. So hat MAX351, mit 4 Tasten, mit Parallelschaltung einen typischen Widerstand im geöffneten Zustand von 5,5 Ohm und maximal - 11,25 Ohm. In diesem Fall überschreitet die maximale Änderung des Schlüsselwiderstands aus der Änderung des Wertes des geschalteten Signals ΔR offen ≤ 1,25 Ohm nicht.

Durch die offenen Transistoren des Schalters fließt der Strom des geschalteten Signals. Von Stromquellen ist der Strom zum Schlüssel praktisch nicht fließend. Um jedoch die Pegel zu verschieben und den Schlüssel zu steuern, wird der Strom benötigt.

Die Zunahme des Stroms tritt bei einer Spannung von ungefähr 0,8 V und 2,4 V auf, was auf den Übergang der Transistoren vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand (und umgekehrt) und ihren Übergang zu dieser Zeit in ein lineares Regime zurückzuführen ist. Wenn die logische und analoge Spannung der Stromversorgungen gleich sind, dann fließen die Ströme durch den Mikroschaltkreis mit einem Leckstrompegel von weniger als 1 μA. Für den normalen Betrieb eines Schalters mit verschiedenen Spannungen (zum Beispiel +5 V und ± 15 V) ist es erforderlich, einen Shunt-Kondensator von 10 μF parallel zu 100 nF zu jedem Source-Anschluss zu installieren.

Die dynamischen Fehler der Tasten werden dadurch bestimmt, dass das Steuersignal mehrere Stufen durchläuft und jeweils eine Verzögerung aufweist. Dies ist besonders wichtig bei Mehrkanalmultiplexern, zum Beispiel 8 in 1. Es ist nicht möglich, den Kanal anzuschalten, es sei denn, der vorherige ist ausgeschaltet. Aus diesem Grund wird im MAX338-Chip eine garantierte Verzögerungszeit für das Schalten konstruktiv eingeführt - mindestens 10 ns. Wenn der Schlüssel ein- und ausgeschaltet wird, injiziert das Steuersignal durch die Kapazität der Vorstufentransistoren etwas Ladung in den leitenden Kanal des Schlüssels. Dies führt zu einem Fehler bei der Übertragung des Signals durch den Schlüssel. Der Wert der injizierten Ladung ist um so kleiner, je kleiner der Widerstand des offenen Kanals ist. Aus den gleichen Gründen sollte die Anstiegs- und Abfallzeit des logischen Eingangssignals für die meisten Tasten-MAXIM-Schaltungen 20 ns nicht überschreiten.

In Kenntnis der Feinheit der Schlüsselkonstruktion, ihrer Stärken und Schwächen findet man die breiteste Anwendung von Halbleiterschaltern und Multiplexern in Funkgeräten. Sie können mit Funkfrequenzen bis zu 1 MHz und höher arbeiten. Die meisten analogen Schlüssel weisen eine geringe Verlustleistung auf und erfordern eine einfache logische Schnittstelle. Die Betätigung der Tasten hängt vom Signalstrom im Schaltelement ab und ist zur Reduzierung von Übertragungsverlusten in der Regel auf Milliampere begrenzt.

Um Übersprechen bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 MHz und höher zu reduzieren, können Sie im T-Modus angeschlossene Tasten (Standard MAX312, MAX383, Video-T-Tasten MA4545) verwenden (Abb. Ein oder zwei Schalter sind niederohmig (typisch -40 Ohm) und ein hervorragender Entkopplungsfaktor (-80 dB pro 10 MHz) geerdet. Es muss jedoch daran erinnert werden, dass bei Erhöhung der Betriebsfrequenz des Signals Übersprechen und Isolation unbefriedigend werden.


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

Ein einfacher Oszillatorschaltkreis für zwei durch Quarzresonatoren stabilisierte Frequenzen erhält man durch Verwendung eines Chips mit vier Tasten (MAX 383) mit einer Versorgungsspannung von ± 8 V oder bei MAX 411 ± 18 V.

Sehr nützlich können integrierte Schaltkreise von Tasten und Multiplexern mit automatischer Einstellung von Verstärkung, Frequenz, Phase oder Spannung sein. Wenn Sie beispielsweise ein Signal an den nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers anlegen und eine serielle Widerstandsmatrix ausgeben, können Sie mit einem 16-Kanal MAX 306-Multiplexer einen von 16 Verstärkungsstufen auswählen. In diesem Fall ist jede Taste an einer Seite mit ihrem "eigenen" Widerstand verbunden und die zweite Seite aller Tasten ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden und verbunden.

Eine breite Anwendung wurde für analoge Schlüssel in Soundsystemen gefunden. Wenn ein Signal durch den Schlüssel geführt wird, sollte es keine Verschlechterung des Signals, keine Einführung neuer Informationen, keine Verzerrung der Form und Phase der Wellen geben. Völlig vermeiden, das kann nicht. Offensichtlich müssen 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 Grundschwingung (erste Harmonische). Die Wahl eines analogen Schlüssels mit einem Minimum an Klirrfaktor erfordert einen - einen niedrigen Widerstand im offenen Zustand (R on ) und folglich eine geringe Ungleichmäßigkeit des Widerstands R oder der Ebenheit.

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

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


wo R die Last ist. - die Last in Serie mit dem Schlüssel enthalten.


Fig. 3. Abhängigkeit des Gesamt-Koeffizienten der nichtlinearen Verzerrung (THD) für die Frequenz

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

Diese Diagramme zeigen, dass in Soundsystemen, um die Gesamtverzerrung zu minimieren, im geöffneten Zustand Tasten mit sehr geringem Widerstand ausgewählt werden müssen.

CMOS-Analogschlüssel haben zweifellos viele nützliche Eigenschaften, so dass die meisten Entwickler sie für die Norm halten und sie in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen.

Lassen Sie uns einige technische Parameter der Schlüssel beachten. Heutzutage gibt es viele analoge Schlüssel, die mit einer Niederspannungsquelle arbeiten. Niederspannungsschalter mit unipolarer Stromversorgung und Logiksignalen nach CMOS-Standards und TTL-Pegeln werden ebenfalls verwendet. Es gibt jedoch auch Tasten, die mit einer Spannung von ± 15 V oder ± 12 V betrieben werden. Um diese zu steuern, ist ein weiteres Netzteil erforderlich, das mit 5 V oder 3,3 V gekennzeichnet ist.

Wenn das logische Signal auf dem Pegel von V + (oder V L , falls verfügbar) ist, fließt der Strom von der Stromversorgung im Wesentlichen nicht durch die analogen Tasten. Durch Anlegen von TTL-Pegeln bei einer Spannung von fünf Volt V L ist es möglich, den Strom von der Stromversorgung um mehr als das 1000-fache zu erhöhen. Um unnötigen Stromverbrauch aus der Stromversorgung zu vermeiden, sollten Sie die Verwendung von TTL-Pegeln vermeiden - Vererbung der 1980er Jahre.

Die Schaltzeiten (t-on und t-off) für die meisten analogen Tasten liegen im Bereich von 60 ns. bis zu 1 ms.

Bei "MAXIM-freien" akustischen Schaltern wird die Schaltzeit auf einen Millisekundenbereich erhöht, wodurch hörbare Klicks vermieden werden.

Wir sehen also, dass zur Übertragung eines Signals mit minimaler Verzerrung entweder ein minimaler Schlüsselwiderstand im geöffneten Zustand oder die maximal mögliche Last am Schlüsselausgang benötigt wird. Betrachten wir noch einen Aspekt beim Schalten - Effekt der Einspritzung einer Gebühr. Um einen niedrigen Wert von R ON zu erhalten , ist eine Erweiterung der Kanalregion erforderlich. Das Ergebnis ist eine große Eingangskapazität und eine entsprechende Platine: eine Zunahme 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 in der Regel ein paar Dutzend Nanosekunden, aber niederohmige Tasten haben eine längere Ein- und Ausschaltzeit. Die Tasten mit hohem R ON sind schneller. MAXIM bietet beide Arten von Schlüsseln an - mit derselben Pinbelegung und demselben SOT-23-Paket. Die MAX4501 und MAX4502 haben einen höheren Widerstand R ON , aber die kurze Ein / Aus-Zeit des MAX4514 hat einen niedrigeren Widerstand R ON , aber eine längere Schaltzeit.

Eine weitere negative Folge von niederohmigen Tasten ist eine höhere Ladungsinjektion, die durch einen erhöhten Strompegel durch die Gate-Kapazität verursacht wird. Dies ist besonders bei der Verwendung von Schlüsseln in Stichproben- / Speichergeräten für eine genaue Konvertierung in ADCs wichtig.

Der Schutz der elektrostatischen Ladeschlüssel (ESD) basiert auf den Errungenschaften von MAXIM auf diesem Gebiet. Sie erlaubten, den Schutz neuer analoger Schlüssel auf ± 15 kW gemäß den Empfehlungen von IEC 1000-4-2 Level 4 (der höchsten Ebene) zu erhöhen. Alle analogen Eingänge für ESD-Tests verwenden das Modell des menschlichen Körpers sowie den Kontakt und die Entladung über den Luftspalt, der in der IEC 1000-4-2-Methodik spezifiziert ist.

Somit sind die erzeugten MAX4551-MAX4553-Tasten mit den meisten Standard-Vier-Tasten-Chips, wie DS201 / 211, MAX391 etc., pin- kompatibel. Nun ist es nicht erforderlich, Analogeingänge mit teuren Begrenzungsdioden als Schutz gegen elektrostatische Entladungen zu schützen kV) ist in das Schema von Tasten und Multiplexern eingebaut.

Die nächste wichtige Eigenschaft sollte in modernen Schlüsseln vermerkt werden. Typischerweise ist der zulässige Bereich der Eingangssignalspannung durch die Spannung an den Stromversorgungsbussen begrenzt. Wenn das analoge Signal die Spannung der Stromquelle überschreitet, fließt Strom durch die rückwärts vorgespannten parasitären Dioden. In dem Fall, in dem dieser Strom keine Begrenzung hat, bricht die Mikroschaltung aufgrund von Überhitzung ab. Daher können die meisten alten Schlüssel und Multiplexer mit Strömen arbeiten, die 10-20 mA nicht überschreiten.

Neue Tasten MAXIM'a haben einen integrierten Schutz gegen Durchschlag, wenn sie bei einer Stromversorgung von 15 V und ± 40 V bei ausgeschalteter Stromversorgung bis zu ± 25 V (teilweise bis zu 36 V) des Eingangssignals arbeiten. In diesem Fall (mit Überspannung) am analogen Signaleingang nimmt die Taste unabhängig vom Tastenzustand oder vom Lastwiderstand eine hohe Impedanz an. Nur der Leckstrom, der die Nanoampere bildet, kann von der Signalquelle fließen. Hier ist eines sehr wichtig: Diese Tasten benötigen keine spezielle Reihenfolge der Versorgungsspannung und der analogen Signalspannung. Selbst wenn die Stromversorgung entfernt wird, gibt es keinen Ausfall des Schlüssels vom analogen Signal. Die bruchsicheren Tasten MAX4511 ÷ MAX4513 an den Pins sind kompatibel mit DS411 ÷ DS413.

In einem kurzen Artikel ist es nicht möglich, eine detaillierte Beschreibung aller Eigenschaften von Schlüsseln und Multiplexern vorzunehmen. Für alle, die an solchen Informationen interessiert sind, schlage ich vor, die Website www.maxim-ic.comm oder die Website des offiziellen Händlers von MAXIM - der Firma Rainbow Technologies zu besuchen. An diesen Adressen finden Sie eine Menge hilfreich für die richtige Wahl und Verwendung dieser Art von Instrument.