Analóg kapcsolók és multiplexerek

Az analóg kapcsolók tisztán elektronikus felépítésű eszközök, melyeket digitális jellel lehet vezető vagy szigetelő állapotba hozni. MOSFET tranzisztorokat tartalmazó integrált áramköri formában érhetők el, egy tokban tipikusan több kapcsoló is van. A kapcsolók lehetnek egyszerű kétkivezetéses kapcsolók (SPST, single pole single throw), két jelutat biztosító három kivezetéses kapcsolók (SPDT, single pole double throw), multiplexerek, melyekben több kapcsoló egyik kivezetése össze van kötve. Az áram mindkét irányban folyhat, a jeltartomány a negatívtól a pozitív tápfeszültségig terjed.

A MOSFET analóg kapcsoló felépítése

Az analóg kapcsolóelem egy N- és egy P-csatornás MOSFET tranzisztor drain-source kivezetéseinek párhuzamos kapcsolásával kapható meg, ahogy az alábbi ábra mutatja. A kapcsoló két kivezetése az S és D jelű (a tranzisztorok source és drain kivezetéseinek megfelelően).

Kikapcsolt állapotban VA=-Vs és VB=+Vs, bekapcsolt állapotban VA=+Vs és VB=-Vs. Az N-csatornás tranzisztor szubsztrátja (body, substrate) -Vs-ra, a P-csatornásé +Vs-re van kötve, így záróirányú marad a teljes jeltartományban a csatornával alkotott átmenet. Mindkét tranzisztor vezethet a kétféle áramirányban, de a gate-source feszültségeik függenek a kapcsolt jel feszültségétől. A tranzisztorok akkor vezetnek, ha gate-source feszültségeik meghaladják a Vp elzáródási küszöbszintet. Mivel ez függ a kapcsolt jel feszültségétől is, a legjobb választás az, ha az N-csatornás tranzisztor gate feszültsége a lehető legnagyobb (VA=+Vs), a P-csatornásé a legalacsonyabb (VB=-Vs). Ekkor viszonylag széles jeltartományban mindkét tranzisztor jól vezet, felette (V > +Vs-Vp) a P-csatornás, alatta (V < -Vs+Vp) pedig az N-csatornás van bekapcsolt állapotban.

A tranzisztorok közelítőleg lineáris módban működnek, ellenállásszerűen viselkednek, de a hozzájuk rendelhető ellenállásérték függ a kapcsolt jel feszültségétől. Az alábbi ábra mutatja külön az N- és P-csatornás MOSFET ellenállását a kapcsolt feszültség függvényében piros és kék színnel. Az eredőjüket fekete vonal reprezentálja, ez jellemzi tehát a kapcsolót.

Az integrált áramkörös megoldások egy logikai vezérlőjelből előállítják a tranzisztorok vezérléséhez szükséges komplementer jeleket, erre mutat megoldást a következő ábra:

Az ideálistól eltérő tulajdonságokat az alábbi modellel szokták jellemezni:

Itt egy áramköri tokban levő két kapcsoló modellje látható. A kapcsolók véges bekapcsolási ellenállással és a kivezetéseik közötti kapacitással rendelkeznek, be- és kimeneteiken szivárgó áramokkal és kapacitásokkal kell számolnunk és a két kapcsoló között valamennyi csatolást jelentenek a kivezetéseik közötti kapacitások.

Statikus jellemzők

Bekapcsolt állapothoz az adatlapok DC jelek esetén a kimenetként használt kivezetésre redukált szivárgó áramot és a bekapcsolt állapothoz tartozó ellenállást adják meg, amihez a következő modell tartozik:

Ezzel adott jelforrásellenállás és terhelőellenállás esetén a kimeneti feszültség az alábbi módon adható meg:

Ugyanígy kell eljárni akkor is, ha a kimenet a kapcsoló source kivezetése:

Ha a kapcsoló nyitott, akkor a két szivárgó áram külön fejti ki a hatását a két oldalon:

Dinamikus jellemzők

Zárt kapcsolóállás

AC jelek esetén is két esetet érdemes megkülönböztetni. Ha a kapcsoló vezet, akkor az alábbi modell használható a leírásra:

Az átviteli függvény kiszámításánál egy feszültségosztót vehetünk, melynek az egyik tagja Ron és CDS párhuzamos eredője, a másik pedig RL, CD és CL párhuzamos eredője. Ez éppen olyan elrendezést ad, mint a kompenzált feszültségosztó, így a számítási eredményeket átvéve kapjuk:

Az átviteli függvény tehát egy pólust és egy zérust tartalmaz:

Alacsony frekvencián Ron és RL aránya a döntő, ahogy a DC jelek tárgyalásánál is látttuk. Nagy frekvencián (ha f > 1/(2⋅π⋅Ron⋅CDS)) CDS és CL aránya a meghatározó.

Nyitott állás

Ha a kapcsoló nyitott, akkor az előzőhöz képest annyi a változás, hogy a feszültségosztóban Ron nem szerepel.

Az átviteli függvényt megkaphatjuk úgy is, hogy az előzőben Ron → ∞ határértéket veszünk, de közvetlenül is kiszámíthatjuk:

ezzel

Ez azt jelenti, hogy a kapcsoló szigetelése (off isolation, ennek az átviteli függvénynek a reciproka) csökken a frekvencia növekedése mellett, egy bizonyos frekvencia felett állandóvá válik.

A vezérlőjel hatása

A vezérlés is okozhat hibát. A tranzisztorok gate-drain kapacitásán keresztül a vezérlés átkapcsolási feszültségugrása töltéseket injektál a kimenetre, ezzel lépcsőszerű feszültségváltozás jelenik meg a kimeneten.

Kapcsolási idők

A dinamikus tulajdonságokhoz tartozik az úgynevezett be- és kikapcsolási idő (switching time) is. Ha a kapcsoló kikapcsolt állapotból bekapcsolt állapotba kerül, akkor a kimeneti feszültség egy bizonyos idővel később veszi fel a bemenethez tartozó értéket. Hasonló késés érvényes a kikapcsoláskor.

Egy tokban lehet több kapcsoló is, melyek a vezérlőjeltől függően különböző állapotban vannak. Ilyen a multiplexerek esete, amikor csak egy kapcsoló van bekapcsolt állapotban. Három kivezetéses kapcsoló (ami lényegében egy 2:1 multiplexernek felel meg) esetén két kapcsoló közül az egyik vezet, a másik szigetel, ezt váltja át a vezérlő jel. Olyan eset is lehet, hogy egy integrált áramkörben több független kapcsoló van, de egy részük a vezérlő jel logikai magas értéke esetén vezet, a többi épp fordítva.

Ilyen esetekben az átkapcsolás úgy történik, hogy először a bekapcsolt állapot megszűnik, és csak egy bizonyos idő múlva történik meg a másik kapcsoló bekapcsolása. Ezt break-before-make késleltetésnek nevezik, a célja az, hogy kizárja jelforrások rövidre zárását még rövid időkre is.

Latchup

CMOS analóg kapcsolóknál egy parazita tirisztor gyújthat be, ha a kapcsolók S vagy D kivezetése nyitófeszültségnyi mértékben kívül esik a megengedett tartományon, azaz ennyivel nagyobb, mint a pozitív tápfeszültség, vagy ennyivel kisebb, mint a negatív tápfeszültség. A jelenség neve a szakirodalomban CMOS latchup. Ekkor nagy áram kezd el folyni a tápfeszültségkivezetések között, ami károsíthatja az áramkört. Tipikusan diódákkal szokták biztosítani, hogy ilyen állapot ne jöhessen létre, de léteznek olyan integrált áramkörök, melyek védettek a jelenség ellen.

Alkalmazások

A/D konverter multiplexer

A CMOS analóg multiplexerek egyik legelterjedtebb alkalmazása több jel A/D konverter bemenetére kapcsolása.

Az A/D konverter bemenete viszonylag nagyimpedanciás, de a mintavételi kapacitás a multiplexer Ron ellenálláson keresztül töltődik, így az időállandó figyelembe vétele szükséges lehet.

Programozható erősítő

Analóg multiplexerrel vagy analóg kapcsolókkal műveleti erősítő visszacsatolási tényezőjét, így az erősítését tehetjük programozhatóvá:

A kondenzátor az analóg kapcsoló kapacitásának hatását kompenzálja, így biztosítható az erősítő stabilitása. Ebben az elrendezésben a kapcsolókon nem folyik áram, így az ellenállásuk nem befolyásolja a pontosságot.

Programozható szűrőkör

Egyszerű elsőfokú programozható határfrekvenciájú szűrököri elrendezést mutat az alábbi ábra:

Ennél az alkalmazásnál a pontossági és frekvenciatartományi igények ismeretében az ellenállások és kondenzátor értékeinek kiválasztásánál figyelembe kell venni az analóg kapcsoló jellemzőit is.

Mintavevő-tartó áramkör

A mintavevő-tartó áramkörök elsődleges feladata állandó feszültség tartása analóg-digitális konverzió időtartamára.

Az R1 ellenállás a jelforrás és a kapcsoló ellenállását reprezentálja. Mivel a kondenzátor ezen az ellenálláson keresztül töltődik fel, a kellő pontosságú beálláshoz idő szükséges, ami az időállandó ismeretében kiszámítható.

Ma már az A/D konverterek integrált része a mintavevő-tartó áramkör.

Kapcsolt integrátor

Véges ideig tartó integrálásra, kezdeti feltételek megadására is alkalmas úgynevezett kapcsolt integrátort mutat a következő kapcsolás:

Ebben a példában a fotodiódára adott idő alatt jutó töltésmennyiség mérhető meg. Az áramkör alkalmas a kondenzátor mérés előtti kisütésére, az adott idejű integrálásra és a feszültség tartására is. Ilyen elven működik az IVC102 áramkör.

Kapcsolt kapacitású integrátor

A kapcsolt kapacitású integrátorok lényegében órajel frekvenciájával vezérelhető erősítésüek:

Legjellemzőbben aktív szűrők felépítéséhez használatosak.

Kapcsolt kapacitású feszültséginverter

Kisebb áramok esetén kapcsolt kapacitású feszültségkonvertereket használhatunk tápfeszültségek létrehozására. Az egyik példa a feszültséginverter:

Az S1,S2 kapcsolókat egy órajel vezérli, melynek negáltja kapcsolja a másik két kapcsolót.