Влияние нелинейности аналоговых коммутаторов на искажения передаваемых сигналов

Как уже отмечалось выше, сопротивление КМОП-ключа в открытом состоянии R_ON изменяется в зависимости от величины и полярности коммутируемого напряжения. Графики этой зависимости имеют характерный двугорбый вид, называемый иногда «короной». На Рис. 24 приведены графики зависимости R_ON от напряжения V_D на стоке (или Vs на истоке) для распространенных мультиплексоров семейства ADG5xx для трех различных значений напряжений двухполярного питания: положительного +-Vs и отрицательного —Vs;

Рис. 24. Графики зависимости от напряжения на стоке мультиплексора семейства ADG5xx

а на Рис.25 — изменения этих сопротивлений ATJon относительно минимальных значений. Эта зависимость сопротивления открытого канала от величины входного сигнала известна как модуляция R_ON и указывается в фирменной документации на коммутаторы как неравномерность сопротивления открытого канала R_{FLAT_ON} - Очевидно, что чем больше неравномерность сопротивления открытого канала коммутатора в диапазоне изменения входного сигнала, тем больше нелинейные искажения сигнала на его выходе. Поэтому для уменьшения искажений целесообразно увеличивать напряжение питания коммутатора и снижать диапазон входного сигнала, коммутируемого ключом. Например, для мультиплексора из семейства ADG5xx, работающего при питании +15 В, R_ON не превышает 4 Ом в диапазоне входного сигнала +3 В, увеличиваясь до 12 Ом в диапазоне +5 В и до 30 Ом в диапазоне +7 В . Можно, конечно, соединить ключ с виртуальной землей операционного усилителя. Это обеспечит низкое напряжение на открытом ключе, что в свою очередь устранит проблемы модуляции R_ON, однако во многих случаях требуется коммутировать сигналы относительно высоких напряжений.

Рис. 25. Графики зависимости изменения R_ON о т напряжения на стоке

Рис. 26. Мультиплексор, нагруженный на резистор

Типичный вариант применения мультиплексора, нагруженного на резистор R_SK , иллюстрируется на Рис. 26. Сопротивление R_SK, показанное в каждом канале мультиплексора — это выходное сопротивление к -го источника сигнала. В диапазоне возможного изменения сигналов степень их искажения, обусловленная модуляцией, может быть оценена по формуле

Как следует из формулы , выбирая внешние сопротивления R_L и R_S достаточно большими, можно снизить искажение, вносимое каналом коммутатора, до желаемого уровня, однако высокие значения сопротивлений резисторов увеличивают шум в канале, требуют применения дополнительных усилителей.

В документации на некоторые модели коммутаторов и мультиплексоров приводятся графики зависимости суммарного коэффициента гармоник (THD) от частоты при R_L = R_S = 600 Ом. Интересно, что обычно они приводятся для режима максимально высоких напряжений питания и диапазона входных напряжений 1 В/п-п (означает 1 В от пика до пика напряжения). При этом получается очень красиво — THD не более 0.02% и не зависит от частоты. На практике при увеличении диапазона входных напряжений до оговоренных техническими условиями — Vs < V_IN < +Vs THD резко возрастает.

На Рис. 27 приведена номограмма, которая позволяет быстро оценить в первом приближении искажение, вносимое неравномерностью R_ON мультиплексора, включенного по схеме на Рис. 26. Левая шкала номограммы представляет полное сопротивление канала, включая Ron ключа при V_D (Vs) = 0 В, средняя шкала представляет THD, правая шкала представляет R_ON в выбранном диапазоне изменения сигналов. Для использования номограммы следует провести прямую линию между соответствующими точками внешних шкал. Точка пересечения этой прямой со средней шкалой определяет ожидаемый уровень THD.

4.2.

Хорошим применением ключей на полевых транзисторах являются мультиплексоры — схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Такие устройства входят в состав систем сбора данных микропроцессорных регуляторов промышленных и транспортных объектов. На выход мультиплексора будет проходить аналоговый сигнал с выбранного входа. На Рис.28а в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора с четырех направлений в одно (4x1) с параллельным управлением.

Рис. 28.Схемы аналоговог о мультиплексора 4x1: a — функциональная, б — условное обозначение, в — схема включения двух мультиплексоров в режиме 8x 1

Каждый из ключей от S0 до S1 представляет собой аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде, и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то независимо от состояния адресных входов все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые КМОП-ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и демультиплексором, т. е. сигнал может быть подан на выход мультиплексора и снят с избранного входа. На Рис.28б приведено условное обозначение мультиплексора с параллельным управлением, а на Рис. 28в — схема включения двух мультиплексоров 4x1, обеспечивающая коммутацию восьми каналов в один.

Если требуется управление несколькими мультиплексорами по небольшому количеству линий, то можно применить мультиплексоры с последовательным интерфейсом. Примером могут служить ИМС МАХ349/50, первая из которых содержит один мультиплексор 8x1, а вторая — два мультиплексора 4x1. Эта последняя позволяет организовать дифференциальный мультиплексор 4x1.

Управление ИМС МАХ349/50 осуществляется по последовательному трехпроводному интерфейсу, совместимому как с SPI/QSPI, так и с MICROWIRE.

Рис. 29 Схема мультиплексора МАХ349 (8x 1) с последовательным управлением по трехпроводному SPI/QSPI, MICROWIRE-совместимому интерфейсу

На Рис.29приведена функциональная схема мультиплексора МАХ349. Блок логики содержит 8-разрядный регистр сдвига, информационный вход которого соединен с выводом DIN микросхемы, а выход последнего разряда — с DOUT. Синхронизация сдвига осуществляется последовательностью импульсов, подаваемых на вывод SCL. Для активизации входов на вывод CS (chip select — выбор кристалла ) необходимо подать сигнал низкого уровня. При этом регистр может принимать данные, поступающие по входу DIN в моменты времени, соответствующие передним фронтам импульсов SCL (Рис.30)Входное слово имеет длину 8 бит, причем каждый бит управляет одним из восьми ключей. Таким образом, в отличие от мультиплексора с дешифратором (см. Рис.28,в данной схеме ключи

Рис. 30. Диаграммы, поясняющие управление мультиплексором МАХ349

по трехпроводному (SPI/QSPI, MICROWIRE-совместимому) интерфейсу

управляются независимыми разрядами, что удобно при использовании МАХ349 в качестве демультиплексора, когда к одному источнику сигнала можно подключить несколько приемников.

Данные на выводе DOUT представляют собой входные данные, задержанные на восемь тактов сигнала SCL. При записи (сдвиге) данных в регистр состояние ключей не меняется. Когда все 8 бит данных записаны в регистр, сигнал CS переводится в состояние 1. В этот момент ключи устанавливаются в состояние, соответствующее новому управляющему слову. Прием сигналов с входа прекращается. В отличие от 2-проводного интерфейса I²С (управление ADG715) здесь используется 3-проводный SPI/QSPI, MICROWIRE-совмести- мый интерфейс и можно ввести через вход DIN (при низком уровне на входе CS) любое количество бит информации. Однако в этом случае регистр сдвига будет содержать только 8 бит, поступивших последними.