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Was Sie über analoge Schlüssel und Multiplexer wissen müssen

Seit etwa fünfundzwanzig Jahren dienen integrierte Halbleiter-Analog-Schlüssel und Multiplexer, die auf ihrer Grundlage erstellt werden, treu den Entwicklern von elektronischen Produkten. Der Herstellungsprozess wurde verbessert, das Design von Mikrochips wurde geändert - all dies ermöglichte die Reduzierung der Versorgungsspannung, des Stromverbrauchs, des Widerstands des öffentlichen Schlüssels, der injizierten Ladung und der Schaltzeit. Interessant ist die Firma Maxim in dieser Gruppe von 325 Geräten.

Die Architektur von Schlüsseln und Multiplexern hat sich über viele Jahre nicht wesentlich verändert, aber die ständige Nachfrage nach verbesserter Leistung zwingt Hersteller dazu, immer mehr Geräte zu entwickeln, um die Anforderungen von Entwicklern zu erfüllen. Lange Zeit wurden MOS (Metall-Oxid-Halbleiter) -Transistoren als analoge Schlüssel verwendet. Sie besitzen einen niedrigen Widerstand im leitenden Zustand und einen extrem hohen Widerstand im Sperrzustand, mit kleinen Leckstellen und einer kleinen Kapazität, und sie waren nahezu ideale analoge spannungsgesteuerte Schlüssel. Die Notwendigkeit, Signale gleich oder nahe der Versorgungsspannung zu schalten, führte dazu, dass dieses Problem mit Hilfe von Schaltern an komplementären MOSFETs (CMOS) gelöst wurde. Die bekannte Schaltung 4066 ist ein klassisches analoges Schlüsselschema 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 in dem Anreicherungsmodus arbeitet, kann als ein analoger Schlüssel dienen, aber sein Widerstand in dem offenen Zustand wird signifikant von dem Wert des geschalteten Signals abhängen.

Die Parallelschaltung der n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs reduziert diese Abhängigkeit stark. Es ist nur eine Bedingung notwendig - das Ein- und Ausschalten dieser Transistoren sollte gleichzeitig ausgeführt werden. Langfristige Verbesserungen des auf CMOS-Transistoren basierenden analogen Schlüssels haben den Schaltspannungsschwellenwert auf 2,5-5,0 V abgesenkt. Die Hinzufügung eines Pegelwandlers hat es ermöglicht, Gatesteuersignale von komplementären MOSFETs aus Eingangssignalen eines logischen Pegels zu erhalten. Gleichzeitig kann der analoge Schlüssel nun das analoge Signal auf ± 15 V umschalten. Das Schema des modernen Schlüssels ist in Abb. 1.


Abb. 1. Schema eines modernen CMOS-Schlüssels

Das Steuersignal hat einen TTL-Logikpegel. In diesem Fall können die CMOS-Schalttransistoren Q9 und Q10 analoge Signale mit einem Pegel von ± U pit durchlassen. Die Transistoren Q11 und Q12, die in dem Diagramm gezeigt sind, verbessern die Betätigung des Schlüssels, reduzieren eine Leckage des Schlüssels und verringern die Modulation des Widerstands des offenen Kanals. Diese beiden Transistoren sollten niemals gleichzeitig eingeschaltet sein. Andernfalls wird der negative Energiebus an die Last angeschlossen und die Ein / Aus-Zeit erhöht sich. Die Sicherheitsbetriebsart der Transistoren Q11 und Q12 sollte konstruktiv vorgesehen sein. Ziemlich gute Parameter für den Wert des Widerstands 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. Die einfachste Möglichkeit, die obigen Parameter zu verbessern, besteht darin, die Parallele mit den Tasten auf dem Chip zu verbinden. So hat MAX351, mit 4 Tasten, mit Parallelschaltung einen typischen Widerstand im offenen Zustand von 5,5 Ohm und maximal - 11,25 Ohm. In diesem Fall überschreitet die maximale Änderung des Schlüsselwiderstands von der Änderung des Wertes des geschalteten Signals ΔR open ≤ 1,25 Ohm nicht.

Durch die offenen Transistoren des Schalters fließt der Strom des geschalteten Signals. Von Stromquellen ist der Strom zu dem Schlüssel praktisch nicht fließend. Aber um die Ebenen zu verschieben und den Schlüssel zu kontrollieren, wird der Strom benötigt.

Der Stromanstieg erfolgt bei einer Spannung von etwa 0,8 V und 2,4 V, was auf den Übergang der Transistoren vom offenen in den geschlossenen Zustand (und umgekehrt) und ihren Übergang in diese Zeit in einen linearen Bereich zurückzuführen ist. Wenn die logische und die analoge Spannung der Stromversorgungen gleich sind, fließen die Ströme durch die Mikroschaltung mit 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, einen Parallelkondensator von 10 μF parallel zu 100 nF an 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 in Mehrkanal-Multiplexern, beispielsweise 8 in 1. Es ist nicht möglich, den Kanal zu implementieren, es sei denn, der vorherige ist ausgeschaltet. Aus diesem Grund wird im MAX338-Chip eine garantierte Verzögerungszeit für das Umschalten strukturell 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 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 Halbleiterschaltern und Multiplexern in Funkgeräten finden. Sie können mit Funkfrequenzen bis 1 MHz und höher arbeiten. Die meisten analogen Tasten weisen eine geringe Verlustleistung auf und erfordern eine einfache logische Schnittstelle. Die Betätigung der Tasten hängt von dem Signalstrom in dem Schaltelement ab und ist, um Übertragungsverluste zu reduzieren, normalerweise auf Milliampere begrenzt.

Um Übersprechen bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 MHz und höher zu reduzieren, können Sie Tasten (Standard MAX312, MAX383, Video-T-Tasten MA4545) im T-Modus anschließen (Abb. 2). Ein oder zwei Schalter sind mit niedriger Impedanz (typisch -40 Ohm) und einem ausgezeichneten Entkopplungsfaktor (-80 dB pro 10 MHz) geerdet. Es muss jedoch daran erinnert werden, dass mit zunehmender Betriebsfrequenz des Signals das Übersprechen und die Isolation unbefriedigend werden.


Abb. 2. T-förmige Schaltung zum Einschalten des Schlüssels für ein 10 MHz-Signal

Eine einfache Oszillatorschaltung für zwei durch Quarzresonatoren stabilisierte Frequenzen wird durch Verwendung eines Chips mit vier Tasten (MAX 383) mit einer Stromversorgung 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 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 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.

Eine breite Verwendung wurde für analoge Tasten in Soundsystemen gefunden. Wenn das Signal durch die Taste läuft, sollte es keine Verschlechterung des Signals, keine Einführung neuer Informationen, keine Verzerrung der Form und Phase der Wellen geben. Komplett vermeide ich das nicht. Offensichtlich müssen alle Verzerrungen minimiert werden. Der Gesamtwert des Koeffizienten der nichtlinearen Verzerrung (THD) ist definiert als das Verhältnis der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der zweiten, dritten und höheren Harmonischen zum Wert der fundamentalen (ersten) Harmonischen. Die Wahl eines analogen Schlüssels mit einem Minimum an THD erfordert einen - einen niedrigen Widerstand im offenen Zustand (R on ) und folglich eine leichte Unebenheit des Widerstandes R on oder der Ebenheit.

Die Ebenheit ist definiert als die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten des Widerstands in dem offenen Zustand, gemessen in dem spezifizierten Bereich des analogen Signals. Wenn nicht anders in der Dokumentation angegeben, wird die Flachheit oft als 10% des Widerstands 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 nichtlinearer Verzerrungen durch die folgende Beziehung bestimmt:


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


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

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

Diese Diagramme zeigen, dass es in Soundsystemen zur Minimierung der Gesamtverzerrung notwendig ist, im geöffneten Zustand Tasten mit sehr geringem Widerstand zu wählen.

CMOS-Analogschlüssel haben zweifellos viele nützliche Eigenschaften, weshalb sie von den meisten Entwicklern als Standard angesehen und in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden.

Lassen Sie uns einige technische Parameter der Schlüssel beachten. Heute gibt es viele analoge Tasten, die mit einer Niederspannungsquelle arbeiten. Es werden auch Niederspannungsschalter mit unipolarer Stromversorgung und Logiksignale nach CMOS-Standards und TTL-Pegeln verwendet. Es gibt aber auch Tasten, die mit einer Spannung von ± 15 V oder ± 12 V arbeiten.Um sie zu steuern, wird ein anderes Netzteil benötigt, das mit VL bezeichnet wird und gewöhnlich 5 V oder 3,3 V beträgt.

Wenn das Logiksignal auf dem Pegel von V + (oder VL , falls verfügbar) ist, fließt der Strom von der Stromversorgung nicht wesentlich durch die analogen Tasten. Wenn TTL-Pegel bei einer Fünf-Volt-Spannung V L angelegt werden , ist es möglich, den Strom von der Stromversorgung um mehr als 1000 Mal zu erhöhen. Um unnötigen Stromverbrauch von der Stromversorgung zu vermeiden, sollten Sie die Verwendung von TTL-Pegeln - Vererbung der 80er Jahre - vermeiden.

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 Audio-Klicks vermieden werden.

Wir sehen also, dass zur Übertragung eines Signals mit minimaler Verzerrung entweder ein minimaler Schlüsselwiderstand im offenen Zustand oder die maximal mögliche Last am Schlüsselausgang benötigt wird. Betrachten wir noch einen Aspekt beim Schalten - den Effekt der Einspritzung der Ladung. 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 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 ein paar Dutzend Nanosekunden, aber Tasten mit geringem Widerstand haben eine längere Ein- und Ausschaltzeit. Die Tasten mit hohem R ON sind schneller. MAXIM bietet beide Arten von Schlüsseln - mit der gleichen Pinbelegung und im selben 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 Konsequenz von niederohmigen Schlüsseln ist ein höheres Niveau der Ladungsinjektion, verursacht durch einen erhöhten Strompegel durch die Gate-Kapazität. Dies ist besonders wichtig, wenn Schlüssel in Abtast- / Speichergeräten für die genaue Umwandlung in ADCs verwendet werden.

Der Schutz von elektrostatischen Aufladeschlüsseln (ESD) basiert auf den Errungenschaften von MAXIM in diesem Bereich. Sie erlaubten, den Schutz der neuen analogen Schlüssel auf ± 15 kW gemäß den Empfehlungen von IEC 1000-4-2 Niveau 4 (das höchste Niveau) zu erhöhen. Alle analogen Eingänge für ESD-Tests verwenden das menschliche Körpermodell sowie den Kontakt und die Entladung über den Luftspalt, der in der IEC 1000-4-2-Methodik spezifiziert ist.

Somit sind die produzierten MAX4551-MAX4553-Tasten pinkompatibel zu den meisten Standard-Vier-Schlüssel-Chips wie DS201 / 211, MAX391 usw. Jetzt ist es nicht notwendig, analoge Eingänge mit teuren Begrenzungsdioden als Schutz gegen elektrostatische Entladungen zu schützen (bis zu 15 kV) ist in das Schema der Schlüssel und Multiplexer eingebaut.

Das nächste wichtige Merkmal sollte in modernen Schlüsseln beachtet werden. Typischerweise ist der zulässige Bereich der Eingangssignalspannung durch die Spannung an den Stromversorgungsbussen begrenzt. Wenn das analoge Signal die Spannung der Stromquelle übersteigt, fließt Strom durch die rückwärts vorgespannten parasitären Dioden. In dem Fall, in dem dieser Strom keine Begrenzung hat, bricht die Mikroschaltung aufgrund von Überhitzung zusammen. Daher können die meisten alten Tasten und Multiplexer mit Strömen von nicht mehr als 10-20 mA arbeiten.

Neue Tasten MAXIM haben einen eingebauten Schutz gegen Ausfälle, wenn sie bis zu ± 25 V (einige bis zu 36 V) des Eingangssignals mit einer Stromversorgung von 15 V und ± 40 V mit ausgeschaltetem Strom in Betrieb bleiben. In diesem Fall (mit Überspannung) am analogen Signaleingang nimmt der Schlüssel eine hohe Impedanz an, ungeachtet des Tastenzustands oder des Lastwiderstandes. Nur der Leckstrom, der die Nanoampere bildet, kann von der Signalquelle fließen. Hier ist eines sehr wichtig: Diese Tasten benötigen keine bestimmte Reihenfolge der Versorgungsspannung und der analogen Signalspannung. Selbst wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, gibt es keinen Ausfall des Schlüssels aus dem analogen Signal. Die bruchsicheren Tasten MAX4511 ÷ MAX4513 an den Pins sind kompatibel mit DS411 ÷ DS413.

In einem kurzen Zeitschriftenartikel ist es unmöglich, alle Eigenschaften von Schlüsseln und Multiplexern detailliert zu beschreiben. Allen, die sich für solche Informationen interessieren, schlage ich vor, die Seite www.maxim-ic.com oder die Seite des offiziellen Vertreibers MAXIM - der Gesellschaft Rainbow Technologies zu besuchen. An diesen Adressen finden Sie viele nützliche Informationen für die richtige Auswahl und Verwendung dieses Instrumententyps.