Ключи на ПТ
Две первые схемы на ПТ, которые в качестве примера мы привели в начале этой главы, были ключами: схема логического ключа и схема переключателя линейного сигнала Они попадают в перечень наиболее важных применений ПТ, и в них используются те преимущества, которые дают уникальные характеристики ПТ: высокое полное сопротивление затвора и резистивный характер проводимости в обоих направлениях, четко просматривающийся вплоть до напряжения 0 В. На практике обычно используют МОП - транзисторные интегральные микросхемы (а не схемы на дискретных транзисторах) во всех цифровых и линейных ключах, и только для мощных ключей дискретные ПТ предпочтительнее. Однако и в этих случаях важно (и интересно!) понимать, как работают эти чипы; в противном случае вы почти гарантированы пасть жертвой какого-нибудь загадочного ненормального поведения схемы.
3.11. Аналоговые ключи на ПТ
Очень часто ПТ, в основном МОП - транзисторы, применяются в качестве аналоговых ключей. В силу таких свойств, как малое сопротивление в проводящем состоянии («ВКЛ») при любом напряжении сигнала вплоть до О В. крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки («ВЫКЛ»), малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов. Идеальный аналоговый (или линейный) ключ ведет себя как совершенный механический выключатель: во включенном состоянии пропускает сигнал к нагрузке без ослаблений или нелинейных искажений, в выключенном - ведет себя как разомкнутая цепь. Он имеет пренебрежимо малую емкость относительно земли и вносит ничтожно малые наводки в сигнал от переключающего его уровня, приложенного к управляющему входу.
Рассмотрим пример (рис. 3.35). Т1 - n- канальный МОП - транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при заземленном затворе или при отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии сопротивление сток-исток (Rвыкл), как правило, больше 10000 МОм, и сигнал не проходит через ключ (хотя на высоких частотах будут некоторые наводки через емкость сток-исток; подробнее об этом см. дальше). Подача на затвор напряжения -15 В приводит канал сток-исток в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 25 до 100 Ом (Rвкл) для ПТ. используемых в качестве аналоговых ключей. Схема не критична к значению уровня сигнала на затворе, поскольку он существенно более положителен, чем это необходимо для поддержания малого Rвкл, и поэтому его можно задавать от логических схем (можно использовать внешний полевой или биполярный транзистор для получения уровней, соответствующих полному диапазону питания) или даже ОУ: вполне годится ±13В с выхода схемы 741, так как напряжение пробоя затвора МОП - транзистора обычно равно 20 В или более. Обратное смещение затвора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное преимущество - можно переключать сигналы любой полярности, как опишем позже. Заметим, что ключ на ПТ - двунаправленное устройство, т. е. он может пропускать сигнал в обе стороны. Это легко понять, так как механический выключатель тоже обладает этим свойством.
Рис. 3.35.
Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не выше 10 В; при более высоком уровне сигнала напряжение на затворе будет недостаточным, чтобы удержать ПТ в состоянии проводимости (Rвкл начинает расти); отрицательные сигналы вызовут включение ПТ при заземленном затворе (при этом, появится прямое смещение перехода канал - подложка; см. разд. 3.02). Если надо( переключать сигналы обеих полярностей (т.е. в диапазоне от -10 до +10 В), то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым напряжением -15 В (ВЫКЛ) и +15 В (ВКЛ); подложка должна быть подсоединена к напряжению -15 В.
Для любого ПТ - ключа сопротивление нагрузки должно быть в диапазоне от 1 до 100 кОм, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в состоянии «ВЫКЛ», которое имело бы место при большем сопротивлении. Сопротивление нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление входного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего ПТ Rвкл и сопротивлением нагрузки. Так как Rвкл меняется с изменением входного сигнала (при изменений Uзи). это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая источник входного сигнала. В разд. 3.12 и 4.30 предложены некоторые решения этой проблемы (многоступенчатые ключи, компенсация сопротивления Rвкл). Привлекательная альтернатива - применение еще одного ПТ - ключа, закорачивающего выход на землю, если последовательно включенный ПТ находится в состоянии «ВЫКЛ»; таким образом формируется однополюсный ключ на два направления (подробнее об этом см. в следующем разделе).
Аналоговые ключи на КМОП. Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая n- канальная схема работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь смещения в прямом направлении. Переключение таких сигналов обеспечивают переключатели на комплементарных МОП - транзисторах (КМОП, рис. 3.36). Треугольник на схеме - это цифровой инвертор, который мы вкратце опишем: он преобразует высокий уровень входного сигнала в низкий уровень выходного и наоборот. При высоком уровне управляющего сигнала Т1 пропускает сигналы с уровнями от земли до Ucc без нескольких вольт (при более высоких уровнях сигнала Rвкл начинает драматическим образом расти). Аналогично Т2 при заземленном затворе пропускает сигнал с уровнями от Ucc до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до Ucc проходят через схему с малым сопротивлением (рис. 3.37).Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба ПТ, размыкая таким образом цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до Ucc. Это основа схемы КМОП «передающего вентиля» 4066. Как и описанные ранее ключи, схема работает в двух направлениях - любой ее зажим может служить входным.
Рис. 3.36. Аналоговый ключ на КМОП - транзисторах.
Рис. 3.37. 1 - n- канальный; 2 - p- канальный.
Выпускается большое количество интегральных КМОП - ключей в разных конфигурациях (например, несколько секций с несколькими полюсами каждая). Схема 4066 - классическая КМОП - схема «аналогового запорного вентиля» серии 4000 - это просто другое название для аналогового ключа, переключающего сигналы в диапазоне от земли до положительного напряжения питания. Серии IH5040 и IH5140 фирмы Intersil и серии DG305 и DG400 фирмы Siliconix очень удобны в употреблении; они используют управляющий сигнал от ТТЛ, оперируют аналоговыми сигналами до ±15 В (тогда как у серии 4000 этот диапазон составляет всего лишь ±7,5 В), легко включаются в разнообразные конфигурации и имеют сравнительно малое сопротивление в состоянии «ВКЛ» (у некоторых из них 25 Ом). Фирмы Analog Devices. Maxim и PMI также выпускают хорошие аналоговые ключи.
Мультиплексоры. Хорошим приложением ПТ - ключей являются мультиплексоры - схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Аналоговый сигнал с этого выбранного входа будет прямо проходить на (единственный) выход. На рис. 3.38 показана функциональная схема такого устройства. Каждый из ключей от КлО до КлЗ есть аналоговый КМОП - ключ. «Выбирающая логика» декодирует адрес и «задействует» (жаргонный аналог слова «включает») только адресованный ключ, блокируя остальные. Такой мультиплексор обычно используется в сочетании с цифровыми схемами, вырабатывающими адрес. Типичная конфигурация может включать в себя блок накопления данных, в котором несколько входных сигналов поочередно опрашиваются, преобразуются в цифровую форму и используются как входные данные для каких-то вычислений.
Рис. 3.38. Аналоговый мультиплексор.
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. В гл. 8 и 9 будет показано, что аналоговый мультиплексор может применяться в качестве «цифрового мультиплексора-демультиплексора». поскольку цифровые логические уровни - это не что иное, как значения напряжения, трактуемые как двоичные единицы и нули.
Типичные аналоговые мультиплексоры - схемы серий DG506 - 509, а также схемы IH6108 и IH6116 (8- и 16- входные мультиплексоры), воспринимающие в качестве кода адреса логические урвни ТТЛ и КМОП и работающие с аналоговыми сигналами до ±15 В. Приборы 4051 - 4053, которые входят в семейство цифровых схем КМОП, являются аналоговыми мультиплексорами - демультиплексорами, имеющими до 8 входов, не уровень аналогового сигнала, ограничен 15 В; у них есть вывод Uээ (внутренний уровень смещения), так что их можно использовать для работы с биполярным аналоговыми сигналами и однополярными управляющими сигналами с уровнями цифровых логических схем.
Другие применения аналоговых ключей. Управляемые напряжением аналоговые ключи образуют блоки, существенно важные для построения схем на ОУ, которые мы увидим в следующей главе - интеграторы, схемы слежения - хранения и пиковые детекторы. К примеру, с помощью ОУ мы сможем построить «подлинный» интегратор (в отличие от приближения к интегратору, которое мы видели в разд. 1.15): постоянный входной сигнал генерирует линейно (не экспоненциально) нарастающий сигнал на выходе и т.д. При таком интеграторе мы должны иметь способ «сброса» (восстановления) выхода с этой задачей справляется ПТ - ключ, шунтирующий интегрирующий конденсатор. Мы не хотели бы здесь полностью описывать данные схемы; поскольку основную часть этих схем составляют ОУ, они естественным образом попадают в следующую главу. Не будем предвосхищать событий.