Параметры АНАЛОГОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Аналоговые ключи на ПТ имеют сопро­тивление во включенном состоянии от 6 до 500 Ом, а иногда даже больше. В комбинации с ем­костью подложки и паразитными емкос­тями это сопротивление образует фильтр нижних частот (рис. 6), ограничивающий рабочие частоты значениями порядка 10 МГц и даже ниже. Полевые транзис­торы с меньшим R_вкл обычно имеют большую емкость (у некоторых ключей до 50 пФ и более), так что выигрыша в скорости нарастания сигнала они не дают.

Рис. 6. Эквивалентная схема аналогового КМОП-ключа в замкнутом состоянии

Значительная доля ограничения частотной характеристики вызвана эле­ментами защиты – последовательными токоограничивающими резисторами и шунтирующими диодами, присутствующими в структуре КМОП-микросхем. Существуют варианты аналоговых ключей, обеспечивающих пропуска­ние сигналов более высокой частоты, что достигается за счет отказа от некоторых видов защиты. Например, избранные КМОП-ключи оперируют аналоговыми сиг­налами в обычном диапазоне ±15 В и имеют полосу пропускания 400 МГц.

Сопротивление в открытом (включен­ном) состоянии. Ключи КМОП, работаю­щие от относительно высокого напряже­ния питания (скажем, 15 В), будут иметь относительно малые значения R_вкл во всем диапазоне значений сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное по крайней мере половине напряжения питания (рис. 5). Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа будет расти, и максимум его имеет место при уровне сигнала, среднем между напряже­нием питания и землей (или между двумя напряжениями питания при двуполярном питании).

При уменьшении напряжения питания сопротивление ПТ во включенном состоянии становится значительно выше, так как для достижения малых значений R_вкл требуется напряжение затвор-исток не меньше чем 5-10 В. Па­раллельное сопротивление двух ПТ рас­тет при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей. Пик сопротивления при напряжении входного сигнала, равном половине напряжения источника питания, будет увеличиваться по мере уменьшения напряжения питания. Поэтому при достаточно низ­ком напряжении питания ключ для сигналов с уровнем около половины напряжения питания будет представлять разомк­нутую цепь.

Имеются различные приемы, которые разработчики интегральных аналоговых ключей применяют, чтобы сохранить значение R_вкл малым и примерно постоянным во всем диапазоне из­мерения сигналов. На рис. 7 и 8 представлены типовые зависимости сопротивления во включенном состоянии аналогового ключа от напряжения его источника питания при одно- и двуполярном питании соответственно.

Рис. 7. Зависимость R_вкл типичного серийно выпускаемого ключа от входного напряжения U_вх при однополярном напряжении питания V

Рис. 8. Зависимость R_вкл типичного серийно выпускаемого ключа от входного напряжения U_вх при двуполярном напряжении питания V

Паразитные ёмкости.Ключи на ПТ обладают следую­щими паразитными емкостями: между входом и выхо­дом (С_си), между каналом и землей (С_с, С_и), между затвором и каналом C_з , между двумя ПТ в пределах одного кристалла (С_сс, С_ии); см. рис. 9. Рассмотрим, ка­кие эффекты они вызывают.

Рис.9. Паразитные ёмкости аналоговых ключей

С_си (емкость сток-исток/вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению входного сигнала переменного тока через разомкнутый ключ. В большинстве низкочастотных при­менений сквозное емкостное прохождение не создает проблем. Если они все-же возникают, наилучшим решением является использо­вание пары каскадно-включенных ключей (рис. 10, а) или, что еще лучше, комбина­ции из последовательного и шунтирую­щего ключей, включаемых попеременно (рис. 10, б).

Рис. 10. Использование пары каскадно-включенных ключей (а) и

шунтирующего ключа (б)

Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибеллах) ценой дополнительного R_вкл, в то время как последовательно-параллельная схема с шунтирующим ключом уменьшает пря­мое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до R_вкл, когда последовательный ключ разомкнут.

Однополярные двусторонние КМОП-ключи с управлением, гарантирующим размыкание перед замыканием, выпус­каются отдельными модулями. На практи­ке можно встретить несколько таких ключей в одном корпусе. Высокочастотные ключи всегда имеют такую схему.

С_с, С_и (емкость стока и истока относительно земли)приво­дит к спаду частотной характеристики. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигналов, однако даже при фиксированном сопро­тивлении источника сопротивление ключа в сочетании с шунтирующей емко­стью образует уже упоминавшийся нами фильтр нижних частот (рис. 6).

Емкость затвор-канал (С_з). Емкость между управляющим затвором и каналом вызы­вает еще один эффект – наводку пере­ходных помех на цепь сигнала при замы­кании или размыкании ключа. Скачок управляющего сигнала, поданный на затвор, может создавать емкостную наводку в канале и исказить коммутируемый сиг­нал до неузнаваемости. Это наиболее серьезно при уровнях входного сигнала, соответст­вующих высокому сопротивлению ключа. Подобные эффекты возникают и в муль­типлексорах во время изме­нения адреса канала. Кроме этого, в муль­типлексоре возможно кратковременное соединение входов через открытые ключи, если задержка выключения канала пре­восходит задержку включения.

С_сс, С_ии (емкость между ключами). Если разместить несколько ключей на одном кристалле размером несколько квадратных миллиметров, то не следует удивляться, заметив наводки между каналами (так называемые пере­крестные помехи). Виновницей является емкость между каналами ключей. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения полного со­противления источника сигнала, к кото­рому подключен канал. Именно поэтому для большинства широкополос­ных радиочастотных схем применяются низкоомные источники сигналов, обычно сопротивлением 50 или 75 Ом.

Другие параметры ключей. Вот некото­рые дополнительные параметры аналого­вых ключей, которые могут быть важ­ными в том или ином применении: время переключения, время установления, за­держка размыкания перед замыканием, максимальный ток через канал, ток утечки канала (как в замкнутом, так и в разомкнутом состоянии), согласованность R_вкл между каналами, температурный коэффициент R_вкл, допустимые диапазоны изменения сигнала, на­пряжение питания и др.

Защита входов. Большинство интег­ральных КМОП-схем имеют ту или иную схему защиты входа от действия статического электричества, так как в противном случае изоляция затвора легко разрушается при превышении допустимых значений напряжения. Однако необходимо быть осторожными и не подавать на аналоговые входы на­пряжение, превышающее напряжение пи­тания. Это означает, что мы всегда должны обеспечить подачу напря­жения питания прежде, чем поступит ка­кой бы то ни было сигнал, способный вызвать ток значительной величины. Неприятности, связанные с цепями защиты входов и выходов КМОП-схем, состоят в том, что они ухудшают параметры клю­ча, увеличивая R_вкл, паразитные емкости и приводят к дополнительным утечкам.