Аналоговые ключи и мультиплексоры

Аналоговые ключи представляют собой одну из про­стейших разновидностей аналого-цифровых схем. Управ­ляются такие ключи дискретными сигналами, а пере­ключают непрерывные сигналы. Схемотехнически аналоговые ключи существенно отличаются от цифровых.

Цифровые ключи коммутируют сигналы одной полярности, через ключ протекает ток только в одном направлении. Фактически они формируют на выходе цифровой сигнал, который совсем не обязательно повторяет по форме входной сигнал; входной сигнал является всего лишь управляющим.

Аналоговые ключи коммутируют сигналы положительной и отрицательной полярности, по своей природе они двунаправленные. Сигнал на выходе должен максимально точно воспроизводить форму входного сигнала. По свойствам они близки к механическим ключам. Однако надо учитывать, что реальный аналоговый ключ имеет заметное (по сравнению с Rн) сопротивление во включенном состоянии r_вкл=10¸1000 Ом, и конечное сопротивление в выключенном состоянии r_выкл=10⁶¸10⁸ Ом.

Рис 11.8. Схема включения аналогового ключа

а) последовательный ключ; б) параллельный ключ; в) и г) последовательно-параллельные ключи; в - напряжения г - тока

В аналоговых ключах всегда есть ощутимое влияние цифровых цепей управления на аналоговые коммутируемые цепи. Чтобы минимизировать это влияние, как правило, требуется обеспечить гальваническую развязку сигнальных цепей и цепи управления.

Быстродействие ключа, максимальная частота коммутируемого сигнала определяется переходными процессами перезарядки паразитных емкостей Ск и емкости нагрузки Сн и зависят от способа включения ключа в электрической цепи.

Для схемы последовательного ключа (рис 11.8а) (потенциальный ключ) напряжение на нагрузке

и чтобы получить Uн=Uс должны выполняться условия; Rс<<Rн, r_Вкл <<Rн, r_Выкл>>Rн, которые непросто выполнить. При разомкнутом ключе через паразитную емкость ключа Ск входной сигнал проникает в нагрузку и ограничивает частотный диапазон схемы. Используется с высокоомной нагрузкой.

В параллельном ключе (рис 11.8б) (токовый ключ) при Rс >>Rн ток не зависит от сопротивления нагрузки. Ключ коммутирует ток или в нагрузку или на землю. Ск включена параллельно с Rн. При невысоких значениях Rн (низкоомная нагрузка) частотные характеристики значительно лучше, чем у предыдущей схемы. Однако жесткое требование r_Вкл <<Rн.

Комбинированные ключи (рис 11.8 в,г) сочетают достоинства потенциальных и токовых ключей, но частотные характеристики наилучшие в схеме (г), когда Rн1»Rн2.

На основе двухпозиционных ключей делаются многопозиционные переключатели – мультиплексоры и демультиплексоры (рис 11.9). Если в цифровых ИС мультиплексоры и демультиплексоры различные приборы, то один и тот же аналоговый мультиплексор с двунаправленным аналоговым ключом выполняет функции мультиплексирования и демультиплексирования.

Рис 11.9 Мультиплексор 8х1 (а) и демультиплексор 1х8 (б).

В качестве ключей могут быть использованы диоды, биполярные и полевые транзисторы.