Аналоговые ключи. Устройство выборки-хранения

Лабораторная работа № 3

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить устройство, принцип действия, основные параметры и область применения аналоговых ключей на полевых транзисторах, а также устройство выборки-хранения, построенное на их основе.

ОБОРУДОВАНИЕ:

Макет устройства выборки-хранения, три регулируемых источника питания 0-15 В, мультиметр, двухлучевой осциллограф, генератор низкочастотных импульсов, часы-секундомер, набор конденсаторов, соединительные провода.

КЛЮЧИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Очень часто полевые транзисторы (ПТ) применяются в качестве аналоговых ключей. В силу таких свойств, как малое сопротивление в проводящем состоянии, крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки, малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными ключами, управляемыми напряжением, и предназначенными для аналоговых сигналов.

Рис. 1. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы ключей

Идеальный последовательный аналоговый ключ (рис. 1,а) ведет себя как совершенный механический выключатель: во включенном состоянии пропускает сигнал Uвх к нагрузке без ослабления 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. В схеме параллельного ключа (рис. 1,б) выходное напряжение равно входному при разомкнутом ключе. В этой схеме сопротивление R используется для ограничения тока, протекающего через замкнутый ключ.

Известно, что ПТ в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться на много порядков при изменении управляющего напряжения затвор-исток. На рис. 2,а показана схема аналогового ключа на ПТ с управляющим р-n переходом. Если для этой схемы управляющее напряжение Uупр установить меньше, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере, на величину порогового напряжения ПТ — транзистор закроется, и выходное напряжение станет нулевым.

Рис. 2. Аналоговый ключ на ПТ с р-n переходом

Для того чтобы ПТ был открыт, напряжение затвор-исток следует поддерживать равным нулю, обеспечивая тем самым минимальное сопротивление канала сток-исток. Если это напряжение вдруг окажется большим нуля, управляющий р-n переход откроется и выход ключа окажется соединенным с цепью управления. Равенство нулю напряжения затвор-исток реализовать достаточно сложно, так как потенциал истока изменяется с изменением входного потенциала. Способ преодоления этой проблемы показан на рис. 2,б.

Если напряжение Uynp установить большим, чем входное напряжение, диод закроется и напряжение затвор-исток будет равным нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а ПТ закрыт. В этом режиме ток через резистор R1 течет в цепь управляющего сигнала.

Описанная проблема не имеет места при использовании в качестве ключа ПТ с изолированным затвором (МОП-транзистора). Его можно переводить в открытое состояние, подавая на затвор управляющее напряжение, большее чем максимальное входное напряжение, причем ток затвора будет равен нулю (рис. 3). В этой схеме отпадает необходимость использования R1 и диода, как на рис. 2.

Рис. 3. Схема ключа на МОП-транзисторе

Показанный на рис. 3 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 10 ГОм, и сигнал не проходит через ключ (хотя на высоких частотах будут некоторые наводки через емкость сток-исток, рассмотренные нами далее). Подача на затвор значительного положительного напряжения относительно истока приводит канал сток-исток в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 6 до 500 Ом (Rвкл) для ПТ, используемых в качестве аналоговых ключей.

Схема, показанная на рис. 3, будет работать при входных сигналах, которые по крайней мере на 5 В меньше, чем Uynp. При более высоком уровне входного сигнала напряжение затвор-исток будет недостаточным для поддержания ПТ в открытом состоянии, а отрицательные входные сигналы вызовут включение ключа даже при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал-подложка). Если надо переключать сигналы обеих полярностей (например, 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 ПТ при этом должна быть подсоединена к напряжению -15 В.

Для любого ключа на ПТ сопротивление нагрузки должно быть не слишком высоким, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в разомкнутом состоянии, которое имело бы место при большом 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 изменении напряжения затвор-исток), это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая источник входного сигнала.

Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая схема (рис. 3) работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь смещения в прямом направлении. Переключение таких сигналов обеспечивают переключатели на комплиментарных МОП-транзисторах (КМОП, рис. 4). Здесь на подложку VT1 подается положительное напряжение питания +U, а на подложку VT2 отрицательное напряжение —U. При высоком уровне (лог. 1) управляющего сигнала VT1 пропускает сигналы с уровнями от —U до U минус несколько вольт (при более высоких уровнях сигнала Rвкл начинает сильно расти). Аналогично VT2 при заземленном затворе (на входе управления лог. 0) пропускает сигнал с уровнями от U до значения на несколько вольт выше уровня —U.

Рис. 4. Ключ на комплиментарных МОП-транзисторах

Таким образом, все сигналы в диапазоне от —U до U проходят через схему с малым сопротивлением (рис. 5). Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба ПТ, размыкая цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от —U до U. Это основа схемы большинства КМОП-ключей. Эта схема работает в двух направлениях — любой ее зажим может служить входным.

Рис. 5. Зависимость сопротивления ключа на КМОП транзисторах от входного напряжения

Выпускается большое количество интегральных КМОП-ключей в разных конфигурациях (например, несколько секций с несколькими полюсами каждая). Многие интегральные ключи очень удобны в употреблении. Они используют управляющий сигнал с уровнями ТТЛ, оперируют аналоговыми сигналами до ±15 В и имеют малое сопротивление (у некоторых — до 6 Ом). Типичными примерами отечественных микросхем аналоговых ключей являются микросхемы К176КТ1, К561КТ3 и ряд других.

ПАРАМЕТРЫ АНАЛОГОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Аналоговые ключи на ПТ имеют сопротивление во включенном состоянии от 6