Аналоговий комутатор с цифровим управлінням

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ  УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ  ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Радіофізичний факультет

Кафедра комп’ютерної інженерії

 

 

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до курсової роботи з дисципліни

”Комп’ютерна схемотехніка”

Тема: ”Аналоговий комутатор с цифровим управлінням”

 

 

 

 

Виконав студент IV курсу  групи КІ

радіофізичного факультету 

Хижняк Андрій Андрійович

 

Науковий керівник: 
доцент Бойко Юрій Володимирович

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КИЇВ 2013 

Анотація

Курсова робота присвячена комп’ютеризованим охоронним системам.  Курсова робота складається з трьох частин: вступ, основна частина та висновок.

В основній частині розглядаються базові особливості роботи аналогових комутаторів. В курсовій роботі розглянуто основні принципи побудови аналогових комутаторів.

Ключові слова: АНАЛОГОВИЙ КОМУТАТОР С ЦИФРОВИМ УПРАВЛІННЯМ, АНАЛОГОВИЙ КЛЮЧ, АНАЛОГОВИЙ ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР 

Зміст

Анотація 2

Вступ 4

2.  Основні схеми 5

3. Особливості електронних комутаторів 6

3.1 Діодні ключі 6

3.2 Ключі на біполярних транзисторах 8

3.3 Комутатори на польових транзисторах 11

4. Аналогові мультиплексори 15

5. Реальні схеми пристроів 16

6. Емуляція схеми 20

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 23

Додаток А 24

 

Вступ

Аналоговий  комутатор служить для перемикання безперервно зміних електричних сигналів. Якщо комутатор знаходиться в стані "включено", його вихідна напруга повинна, по можливості, точно дорівнювати вхідному; якщо ж комутатор знаходиться в стані "вимкнено", вихідна напруга повинна бути якомога ближче до нуля або, в усякому разі, має якомога менше залежати від вхідного.

 

2.  Основні схеми 
 Існують різні схемні рішення комутаторів, що задовольняють вказаним умовам. Їх принцип дії зображений на рис. 1 на прикладі механічних (контактних) перемикачів. 
 
   
Рис. 1. Схеми комутаторів 
 
 На рис.1а представлений послідовний комутатор. Поки контакт замкнутий, Uвих = Uвх. Коли контакт розмикається, вихідна напруга стає рівним нулю. Все це справедливо, якщо джерело сигналу має нульове вихідний опір, і ємність навантаження дорівнює нулю. При значному вихідному опорі джерела сигналу напруга U вих ділиться між цим опором і резистором R. Тому цю схему не слід застосовувати у випадку, якщо джерелом сигналу є джерело струму, наприклад, фотодіод. За суттєвої ємності навантаження, під час розряду цієї ємності при розмиканні ключа S вихідна напруга комутатора знижується до нуля досить довго. 
 У схемі паралельного комутатора (рис. 1б) U вих = Uвх при розімкнутому ключі, якщо вхідний опір навантаження комутатора нескінченно велике. Якщо ж воно порівнянно з опором резистора R, то на резистори буде падати частина вихідної напруги джерела сигналу. За наявності ємнісний навантаження буде відносно повільно встановлюватися вихідна напруга після розмикання ключа. 
Послідовно-паралельний комутатор, показаний на рис. 1в, не має недоліків двох попередніх схем. У будь-якому робочому стані він має вихідний опір, близьке до нуля.

 
 3. Особливості електронних комутаторів

Різновиди аналогових комутаторів, показані на рис. 1, можуть бути реалізовані на електронних  елементах з керованим опором, які мають мале мінімальне та високу максимальне значення. Для цих  цілей можуть використовуватися  діодні мости, біполярні і польові  транзистори. Внаслідок неідеальності, вони вносять похибки в оброблювані  сигнали. Джерелами похибок електронних  аналогових комутаторів є: 
• ненульове прохідне опір електронного ключа у включеному стані і кінцева його величина у вимкненому; 
• залишкове падіння напруги на замкнутому ключі, тобто наявність напруги на ключі при відсутності через нього струму; 
• нелінійна залежність опору ключа від напруги (струму) на інформаційному і керуючому входах; 
• взаємодія керівника і комутованого сигналів; 
• обмежений динамічний діапазон (по амплітуді і по знаку) комутованих струмів і напруг.

3.1 Діодні ключі

Діодні ключі  застосовуються для точного і  швидкого перемикання напруг і струмів. Схеми різних діодних ключів наведені на малюнку 4. Двухдіодний ключ (малюнок 4а) за відсутності керуючої напруги  замкнений. При подачі на аноди діодів керуючого напруги діоди відмикаються і ключ замикається. Напруга зсуву  такого діодного ключа визначається різницею прямих напруг на діодах D1 і D2. При підібраних діодах напруга зсуву  лежить в межах від 1 до 5 мВ. Час  комутації визначається швидкодією діодів. Для діодних ключів зазвичай використовують діоди Шотки або  кремнієві епітаксіальні діоди  з тонкою базою. У цих діодах слабо  виражені ефекти накопичення носіїв, і їх інерційність в основному  визначається перезарядом бар'єрної  ємності. Диференціальний опір відкритого діодного ключа дорівнює сумі диференціальних опорів діодів і може лежати в межах від 1 до 50 Ом. 
 Основним недоліком такого ключа є пряме проходження струму керуючого сигналу через навантаження Rн і джерело сигналу єс. Цю схему доцільно використовувати при малих опорах джерела сигналу і опору навантаження, крім того, бажано збільшувати опір Rу для зниження струму в ланцюзі управління. Проте слід врахувати, що зниження струму управління приведе до збільшення диференціального опору діодів. 
 Для зниження перешкод з ланцюга управління можна використовувати мостову схему, наведену на малюнку 4б. в цій схемі ланцюг управління незв'язаний з ланцюгом передачі сигналу. Якщо напруга управління дорівнює нулю, або має полярність, замикаючу міст, то ключ розімкнутий. При позитивній полярності джерела керуючого сигналу ключ замикається, а струм управління проходить тільки через діоди і опір Rу. Напруга зсуву дорівнюватиме різниці прямих падінь напруг на діодах. 
 Недоліком цієї схеми (рис. 4б) є відсутність загальної точки у джерела сигналу і джерела управління. 
 Схема, зображена на малюнку 4в позбавлена ​​цього недоліку, в ній використовується 2 симетричних джерела сигналів управління Еу1 і еу2. Сигнали цих джерел підводяться до діодного мосту через розділові діоди D5 і D6. Для підтримки діодного моста в замкненому стані за відсутності сигналів управління на нього подається через резистори Rу1 і Rу2 замикаюча напруга від джерел постійної напруги ± Є. в цій схемі забезпечується розв'язка джерела управління від ланцюга джерела сигналу. 
 
   
  
Малюнок 4. Схеми діодних ключів. а - на двох діодах; б - мостового діода, в - на шести діодах

3.2 Ключі на біполярних транзисторах

Ключі на біполярних транзисторах більш досконалі, ніж  діодні і значно частіше використовуються в електронних схемах. Найпростіший ключ на одному біполярному транзисторі  зображений на малюнку 5. він складається  з ключового транзистора Т1 і  схеми управління на транзисторі  Т2. За структурою транзисторний ключ схожий на двухдіодний ключ, зображений на малюнку 4а. За відсутності струму бази Т1 закритий і ключ розімкнутий, а при протіканні через базу струму управління Іб> iб.нас ключ зімкнутий. У цьому випадку колекторний і емітерний переходи відкриті і діють так само, як відкриті діоди (рис 4а). 
 
                
  Малюнок 5. Схема простого транзисторного ключа 
 
 Ключі на польових транзисторах з керуючими PN переходами і з ізольованим затвором в даний час отримали переважне поширення в інтегральних мікросхемах. Насамперед це пов'язано з їх наступними перевагами: малі струми витоку, низьке споживання по ланцюгу управління, відсутність напруги зсуву, технологічність виробництва. 
 В аналогових ключах використовуються польові транзистори з каналами р-і N-типу. Однак, оскільки рухливість електронів більше рухливості дірок, то опір каналу у включеному стані у транзисторів з N-каналом нижче. На швидкодію ключів істотно впливають перехідні процеси в транзисторах. У цьому відношенні переважне застосування знаходять польові транзистори з ізольованим затвором, паразитні ємності у яких менше. Найбільшого поширення отримали ключі на комплементарної (узгодженої) парі польових транзисторів, один з яких має канал р-типу, а інший N-типу. 
 Особливістю ключів на польових транзисторах з ізольованим затвором є сильна залежність опору відкритого каналу від комутованого сигналу, що призводить до модуляції провідності каналу вхідним сигналом і виникнення додаткових нелінійних спотворень. Для зниження таких викривлень в ключах обмежують рівень вхідних сигналів і використовують порівняно великий опір навантаження ключа. 
 На малюнку 6 приведена схема ключа на польовому транзисторі Т1 з керуючим PN-переходом і каналом р-типу. Схема управління ключем виконана на транзисторі Т2, а її харчування виробляється від джерела напруги Є. Діод D необхідний для того, щоб напруга затвор-витік залишалося рівним нулю при будь-яких значеннях вхідних сигналів. Для виключення модуляції провідності каналу вхідним сигналом затвор через опір РЗ пов'язаний з напругою джерела сигналу єс. Пристрій управління працює наступним чином: якщо напруга управління дорівнює нулю, то транзистор Т2 замкнений і напруга + Е через опір R2 і діод D підводиться до затвору транзистора Т1, замикаючи його. У результаті цього ключ буде замкнутий. Якщо напруга управління включає транзистор Т2, то анод діода D через насичений транзистор Т2 з'єднується із загальною шиною, в результаті чого напруга на затворі Т1 знижується майже до нуля і транзистор Т1 відмикається, що еквівалентно замикання ключа. 
Ключі на польових транзисторах з ізольованим затвором і індукованим каналом P-і N-типу одержали саме широке поширення при створенні комутаторів.  Основною особливістю цих ключів є те, що в початковому стані при нульовій напрузі на затворі вони замкнені. Збагачення каналу носіями заряду відбувається тільки при подачі на затвор напруги, що перевищує порогове напругу. Струми витоку ПТІЗ визначаються струмами, які протікають в закритому транзисторі від витоку і стоку до підкладки і мають значення від 1 до 10 нА при нормальній температурі. З підвищенням температури вони поводяться як зворотні струми PN-переходів, тобто експоненціально збільшуються. Опір між затвором і іншими електродами в ПТІЗ досягає дуже великого значення: 10 ... 10 Ом, що при малій товщині діелектрика під затвором (близько 1 мкм) призводить до необхідності захисту від статичної електрики. 
Схема найпростішого ключа на польовому транзисторі з ізольованим затвором р-типу зображена на малюнку 6. Для відмикання ключового транзистора Т на його затвор необхідно подати напругу негативної полярності, що перевищує порогове напруга Uпор. Для замикання ключового транзистора Т напруга на затворі повинно бути позитивним або рівним нулю. Пристрій управління для цієї схеми виконано на компараторі напруги К (або операційному підсилювачі).  Якщо напруга управління дорівнює нулю, то на виході компаратора буде позитивне напруга, близьке за значенням до напруги харчування Є. при позитивному керуючому напрузі компаратор перемикається і на його виході з'являється негативна напруга, також близьке до напруги харчування Є. 
     
  
Малюнок 6. Схема ключа на польовому транзисторі з керуючим PN-переходом (а) і з ізольованим затвором (б)

 
 Ключі на біполярних транзисторах і, особливо, на діодних мостах споживають значну потужність по ланцюгах управління і  мають порівняно велике залишкове  напруга, що становить одиниці мілівольт, що вносить помітну погрішність  при комутації слабких сигналів (менше 100 мВ). Такі ключі мають високу швидкодію (час перемикання діодних  ключів, виконаних на діодах Шотткі, досягає 1 нс) і застосовуються для  побудови надшвидкісних комутаторів. Більш широке застосування знайшли  комутатори на польових транзисторах. 

3.3 Комутатори на польових транзисторах 
Як відомо, польовий транзистор в області малих напруг стік-витік веде себе як резистор, опір якого може змінюватися в багато разів при зміні керуючого напруги затвор-витік Uзв. На рис. 2а зображено спрощена схема послідовного комутатора на польовому транзисторі з керуючим PN-переходом. 
 
   
Рис. 2. Послідовний комутатор на польовому транзисторі з керуючим PN-переходом 
 
 Якщо в цій схемі управляючу напругу Uупр встановити меншим, ніж мінімально-можливу вхідну напругу, принаймні на величину порогової напруги транзистора, транзистор закриється і вихідна напруга стане рівним нулю. Для того, щоб транзистор був відкритий, напругу затвор-витік Uзв слід підтримувати рівним нулю, що забезпечить мінімальний опір каналу. Якщо ж це напруга стане більше нуля, керуючий PN-перехід відкриється, і вихід комутатора виявиться з'єднаним з ланцюгом управління. Рівність нулю Uзв непросто реалізувати, оскільки потенціал витоку змінюється відповідно до зміни вхідного потенціалу. Найбільш простий шлях подолання цієї труднощі зображений на рис. 2б. 
 Якщо напруга Uупр встановити більшим, ніж максимально-можливе вхідна напруга комутатора, діод VD закриється і напруга Uзв буде, як це і потрібно, дорівнює нулю. При досить великому негативному управляючому напрузі діод буде відкритий, а польовий транзистор закритий. У такому режимі роботи через резистор R1 тече струм від джерела вхідного сигналу в ланцюг керуючого сигналу. Це не заважає нормальній роботі схеми, так як вихідна напруга комутатора в цьому режимі дорівнює нулю. Порушення нормального режиму роботи такої схеми може відбутися лише в разі, якщо ланцюг вхідного сигналу містить розділовий конденсатор, який при закритому транзисторі комутатора зарядиться до негативного рівня керуючого напруги. 
 Проблеми подібного роду не виникають, якщо в якості ключа використовувати польовий транзистор з ізольованим затвором (МОП-транзистор). Таким чином, в цій схемі комутатора відпадає необхідність в діод і резистори R1. Схема ключа на МОП-транзисторі наведена на рис. 3а. Тут ключем є N-канальний МОН-транзистор збагаченого типу, не провідний струм при Uзи <= 0. 
 
  
Рис. 3. Послідовні комутатори на МОП-транзисторах 
 У цьому стані опір каналу, як правило, досягає одиниць або навіть десятків ГОм, і сигнал не проходить через ключ. Подача на затвор відносно витоку значного позитивного напруги призводить канал в провідний стан з типовим опором від 20 до 200 Ом для транзисторів, що використовуються в якості аналогових ключів. 
 Наведена на рис. 3а схема працюватиме при позитивних вхідних сигналах, які принаймні на 5 В менше, ніж Uупр; при більш високому рівні сигналу напруга затвор-витік буде недостатньо, щоб утримати транзистор у відкритому стані (опір каналу у відкритому стані Rо почне рости); негативні вхідні сигнали викличуть включення транзистора при заземленому затворі. Тому, якщо треба перемикати сигнали обох полярностей (наприклад, в діапазоні від -10 до +10 В), то можна використовувати таку ж схему, з'єднавши підкладку з джерелом -15 В і подаючи на затвор напруги +15 В (включено) і -15 У (вимкнено). 

 
       Рис. 4. 
 Кращими характеристиками володіють ключі на комплементарних МОП-транзисторах (КМОП-ключі), рис. 3б. Тут на підкладку транзистора VT1 подається позитивна напруга живлення + Uпит, а на підкладку транзистора VT2 - негативне напругу живлення-Uпит. При високому рівні керуючого сигналу напруга на затворі N-канального транзистора VT2 практично дорівнює + Uпит. У такому випадку транзистор VT2 проводить сигнали з рівнями від-Uпит до + Uпит без кількох вольт (при більш високих рівнях сигналу Rо починає катастрофічно зростати). У цей час напруга на затворі VT1 практично дорівнює-Uпит. Транзистор VT1 пропускає сигнали з рівнями від + Uпит до значення на кілька вольт вище-Uпит. Таким чином, всі сигнали в діапазоні від + Uпит до Uпит-проходять через двухполюсник з малим опором (рис. 4). При перемиканні керуючого сигналу на низький рівень, напруга на затворі N-канального транзистора VТ2 встановлюється близьким до-Uпит, а напруга на затворі р-канального транзистора ВТ1 встановлюється близьким до + Uпит. Тоді, при-Uпит <Uвх <+ Uпит, обидва транзистора замкнені, і ланцюг комутатора розімкнута. У результаті виходить аналоговий перемикач для сигналів в діапазоні від низької напруги живлення ключа до високої напруги його живлення. Ця схема працює у двох напрямках - будь-який її затиск може служити вхідним. Вона є основою практично для всіх ІМС аналогових комутаторів, що випускаються в даний час. 
 

 

4. Аналогові мультиплексори 
 
 Хорошим додатком ключів на польових транзисторах є мультиплексори - схеми, які дозволяють вибрати один з декількох входів за вказівкою керуючого цифрового сигналу. Такі пристрої входять до складу систем збору даних мікропроцесорних регуляторів промислових і транспортних об'єктів. Аналоговий сигнал з обраного входу буде прямо проходити на вихід. На рис. 5 як приклад показана функціональна схема аналогового мультиплексора з чотирьох напрямків в одне. 
 Кожен з ключів від S0 до S3 являє собою аналоговий КМОП-ключ. Дешифратор декодує адресу, представлений в двійковому коді і включає тільки адресований ключ, блокуючи інші. Вхід дозволу Е необхідний для нарощування числа комутованих джерел сигналів; якщо на цей вхід надходить сигнал низького рівня, то, незалежно від стану адресних входів, всі ключі мультиплексора розімкнуті. Так як аналогові ключі є двонаправленими пристроями, аналоговий мультиплексор є одночасно і "Демультиплексор", тобто сигнал може бути поданий на вхід мультиплексора і знятий з обраного виходу.

5. Реальні схеми пристроів

Як приклад  розглянемо пристрій :

 КР 590 КН 3 - восьмиканальний (4 * 2) аналоговий комутатор з дешифратором для комутації напруг від мінус 15В до 15В. Ця мікросхема має зарубіжний аналог -       HI-509A.