Аналоговых ключеЙ

Аналоговые мультиплексоры. Хорошим применением ключей на ПТ являются мультиплек­соры - схемы, которые позволяют вы­брать один из нескольких входов по ука­занию управляющего цифрового сигнала. Аналоговый сигнал с этого выбранного входа будет проходить на единственный выход. На рис. 11 показана функциональная схема такого устройства и его обозначение на принципиальных схемах. Каждый из четырех ключей представляет аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор адреса декодирует двоичный адрес и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е (рис. 11, б) необходим для наращивания числа коммутируемых сигналов путем объединения выходов нескольких мультиплексоров. Такой мультиплексор обычно используется в сочетании с цифровыми схемами, вырабатывающими адрес.

Рис. 11. Устройство мультиплексора на аналоговых ключах (а) и его обозначение на принципиальных схемах (б)

Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, анало­говый мультиплексор является одновре­менно и демультиплексором, т. е. сиг­нал может быть подан на выход и снят с избранного входа. Аналоговый мультиплексор может применяться в качестве цифрово­го мультиплексора-демультиплексора, поскольку цифровые логические уровни – это значения напряжения, воспринимаемые как двоичные единицы и нули.

Типичные отечественные аналоговые мультиплексоры – схемы серий К590КН1-К590КН9, воспринимающие в ка­честве кода адреса логические уровни ТТЛ и КМОП и работающие с аналого­выми сигналами до 15В. Приборы К561КП1 (КП2), которые входят в семейство цифровых КМОП-схем, являются анало­говыми мультиплексорами-демультиплексорами, имеющими до 8 входов. Предельный уровень коммутируемого сигнала ограничен
15 В. Однако у них есть вывод -U (внутренний уровень смещения), так что их можно использовать для работы с биполярными аналоговыми сигналами и однополяр­ными управляющими сигналами с уров­нями цифровых логических схем.

Рис. 12. Схемы интеграторов: а) на RC-цепи,
б) c переключаемыми конденсаторами

В качестве еще одного примера рассмотрим конструкцию интегратора с применением переключаемого конденсатора. На рис. 12, а приведена схема обычного интегратора, а на
рис. 12, б – схема с переключаемым конденсатором. Ключ периодически переключается из положения 1 в положение 2 и обратно с периодом Т. Накопленный конденсатором С1 заряд, пропорциональный входному напряжению и периоду Т, передается на инвертирующий вход операционного усилителя с конденсатором С2 в цепи обратной связи. Поскольку входное дифференциальное напряжение и входные токи идеального операционного усилителя равны нулю, С1 разрядится полностью, и его заряд суммируется с зарядом, накопленным С2. Коммутируемый конденсатор как бы имитирует входной резистор схемы, показанной на
рис. 12, а. Уменьшая период переключения Т, мы уменьшаем эквивалентную постоянную времени интегрирования.

Интегратор на переключаемом конденсаторе имеет ряд преимуществ перед стандартным RC-интегратором. Во-первых, его коэффициент передачи зависит только от соотношения емкостей двух конденсаторов. Это свойство широко используется в микросхемах, содержащих интеграторы: на подложке достаточно просто получить пару однотипных согласованных конденсаторов, в то время как получение разнотипных элементов (резистора и конденсатора) с точными значениями обходится намного дороже, а иногда и вовсе невозможно (например, из-за различных значений температурных коэффициентов емкости и сопротивления). Во-вторых, подстройка интегратора с переключаемым конденсатором осуществляется с помощью изменения тактовой частоты сигнала, управляющего ключом.

Рассматриваемый интегратор не лишен недостатков. При его работе наблюдается сквозное прохождение сигнала тактовой частоты на выход. Однако это редко имеет значение, так как частота тактового сигнала обычно на один-два порядка превышает частоту входных сигналов. Еще одна проблема связана с наложением спектров. Любые компоненты входного сигнала, которые отстоят по частоте от частоты тактового сигнала на величину, соответствующую частотам полосы пропускания интегратора, не будут подавлены. Эта проблема имеет место в случае, когда в спектре входного сигнала есть заметные компоненты частот, близких к тактовой частоте.

Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором. Существует интересный способ (рис. 13) создавать нужное нам напряжение питания отрицательной по­лярности в схеме, запитанной от однопо­лярного положительного источника пита­ния. Пара левых по схеме ключей подключает С1 к положительному источ­нику питания, заряжая его до U_вх, в то время как правые ключи разомкнуты. Вслед за тем входные ключи размы­каются, а правая пара ключей замыка­ется, подключая заряженный C1 к выходу, при этом часть его заряда передается на С2. Схема организована так, что C1 как-бы "переворачивается", выдавая на выход на­пряжение отрицательной полярности. Данная схема выпускается в виде готовых микросхем конвертера напряжения. Это устройство также называют ин­вертором напряжения, поскольку оно превращает положительное напряжение в напряжение отрицательное, и наоборот.

Рис. 13. Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором

Приведенные примеры составляют ничтожно малую часть схем, использующих аналоговые ключи. Одной из наиболее значимых областей применения ключей являются рассматриваемые нами далее устройства выборки-хранения (УВХ).