АНАЛОГОВЫЕ КОММУТАТОРЫ И МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ В УСТРОЙСТВАХ НА МИКРОСХЕМАХ

July 21, 2014 by admin Комментировать »

Коммутатором называют устройство, позволяющее коммутировать (включать или переключать) электрические сигналы. Аналоговый коммутатор предназначен для коммутации аналоговых, т. е. изменяющихся по амплитуде во времени сигналов.

Отмечу; что аналоговые коммутаторы с успехом можно применять и для коммутации цифровых сигналов.

Обычно состоянием «включено/выключено» аналогового коммутатора управляют подачей управляющего сигнала на управляющий вход. Для упрощения процесса коммутации для этих целей используют цифровые сигналы:

♦  логическая единица — ключ включен;

♦  логический ноль — выключен.

Чаще всего уровню логической единицы отвечает диапазон управляющих напряжений, лежащих в пределах от 2/3 до 1 от напряжения питания микросхемы коммутатора, уровню логического нуля — зона управляющих напряжений в пределах от 0 до 1/3 от напряжения питания. Вся промежуточная область диапазона управляющих напряжений (от 1/3 до 2/3 от величины напряжения питания) соответствует зоне неопределенности. Поскольку процесс переключения носит, хотя и неявно выраженный, пороговый характер, аналоговый коммутатор можно рассматривать по отношению к входу управления как простейший компаратор.

Основными характеристиками аналоговых коммутаторов являются:

♦    электрическое сопротивление и емкость замкнутого и разомкнутого ключа;

♦  сопротивление и емкость на шину (шины) питания;

♦  линейность ВАХ замкнутого ключа;

♦  быстродействие;

♦  максимальное и минимальное коммутируемое напряжение;

♦  максимальный коммутируемый ток;

♦  предельная частота и амплитуда коммутируемых сигналов;

♦    предельное (максимальное и минимальное) напряжение питания коммутатора;

♦  входное сопротивление и емкость по цепи управления.

Примечание.

Идеальным коммутатором следует считать безынерционное электронное переключающее устройство, имеющее нулевое сопротивление и емкость замкнутого ключа, бесконечно большое сопротивление и нулевую емкость разомкнутого ключа, нулевые токи утечки.

Рис. 23.2. Схема прецизионного усилителя с электронным управлением

Рис. 23.7. Схема усилителя с электронным декадным переключением коэффициента передачи

Усилитель на ОУ с электронным ступенчатым управлением позволяет получить сетку коэффициентов передачи 1, 10, 100, 1000 (рис. 23.1). Коэффициент передачи при условии близости нулю сопротивления замкнутого электронного ключа можно определить из соотношения (Rl+R2)/R2; (R3+R4)/R4; (R5+R6)/R6.

Совет.

Управляющие входы каждого из электронных ключей для снижения вероятности переключения под воздействием наводок здесь и в последующих схемах рекомендуется соединить с общей шиной через резистор сопротивлением 1 МОм.

Другой вариант усилителя на ОУ с электронным управлением показан на рис. 23.2. Его коэффициент передачи определяется из выражения R3/R1; R4/R1; R5/R1; R6/R1; R7/R1 при замыкании соответствующего ключа коммутатора DA2.1—DA2.5.

Рис. 23.3. АЧХ прецизионного усилителя с электронным управлением по схеме рис. 23.2 при включении соответствующего ключа 1—5. DA 7 UA709C

Рис. 23.4. Схема прецизионного усилителя с электронным управлением

АЧХ усилителя приведена на рис. 23.3. Прецизионный усилитель с емкостной обратной связью и электронным управлением показан на рис. 23.4. Его предельный коэффициент передачи в области нижних частот определяется из соотношения R2/R1. Частотную границу снижения коэффициента передачи на уровне —3 дБ, Гц, можно оценить

из выражениягде R2=106 Ом; С — емкость подключенного конденсатора, пФ. Частота нулевого усиления, Гц, определяется

как

АЧХ усилителя (схема на рис. 23.4) при переключении ключей коммутатора DA2.1—DA2.4 представлена на рис. 23.5. Сопротивление замкнутого ключа DA2.1 — DA2.4 при построении АЧХ принято за 100 Ом. Предельный коэффициент ослабле-

Рис. 23.5. АЧХ прецизионного усилителя с электронным управлением по схеме рис. 23.4 при включении соответствующего ключа 1—4. DA 7 UA709C

ния (область высоких частот) определяется как или —40 дБ.

Ранее в технике усиления низких частот широко применяли многопозиционные механические переключатели, коммутирующие цепочки резисторов. Очевидно, что такое схемное решение имело преимущество в минимальных потерях на контактах в первые месяцы эксплуатации аппаратуры, позволяло коммутировать большие токи. Недостатки также были очевидны:

♦  неудовлетворительные массогабаритные показатели;

♦  необходимость прикладывания значительных усилий для переключения;

♦  шумы и трески при переключении или работе;

♦  непостоянство электрического сопротивления контактной группы;

♦  склонность контактов к коррозии и механическому износу;

♦  низкая надежность и долговечность;

♦    сложность разводки электрических проводников, особенно, при необходимости одновременного управления совокупностью одинаковых каналов аппаратуры.

Замена механических коммутаторов электронными ключами резко повысила надежность работы аппаратуры, снизила ее габариты и вес, позволила управлять устройством дистанционно при помощи электрических сигналов.

На рис. 23.6 приведены электрические схемы аттенюаторов с электронным управлением, позволяющих дискретно изменять коэффициент передачи с шагом 10 или J. дБ [23.1].

Фильтр низких частот со ступенчатым переключением частоты среза, рис. 23.7, для идеальных ключей DA2.1—DA2.5 имеет АЧХ, приведенную на рис. 23.8.

Фильтр на микросхеме DA1 (рис. 23.9) при переключении ключа SA1 способен менять свою АЧХ: в положении (А) ключа SA1 и подаче управляющего сигнала на один из входов управления электронного коммутатора DA2.1—DA2.4 он представляет собой фильтр низких частот. При переключении ключа SA1 в положение (В) устройство преобразуется в управляемый полосовой фильтр. АЧХ того и другого фильтров приведены на рис. 23.10 и рис. 23.11.

Примечание.

Отмечу, что если но управляющие входы микросхемы коммутатора не подавать управляющий сигнал, устройство будет выполнять функцию повторителя напряжения.

Микросхема ΒΑ7604Ν содержит два переключателя на два положения и может применяться при переключении входов радиоэлектронной аппаратуры, работая с сигналами амплитудой до 2 В в частотной области 50 Гц—в МГц [23.2].

Микросхема питается от однополярного источника напряжением 5 В и способна работать на низкоомную нагрузку. При подаче на управляющий вход микросхемы (выводы 4 и 7) напряжения с логическим уровнем «1» ( г. е. +5 В) будут замкнуты верхние по схеме ключи коммутатора, если на этих выводах присутствует уровень логического нуля, то нижние.

Примечание.

Особенностью коммутатора ΒΑ7604Ν является то, что сигналы могут передаваться только с входа на выход, а не в ту и другую сторону, как это принято для большинства других аналоговых коммутаторов.

Типовая схема включения — коммутация двух двухсигнальных входов на два выхода, например, двух источников аудио- и видеосигналов или двух источников стереосигнала на два выхода позволяет ограничиться использованием лишь одной микросхемы DA1, рис. 23.12. Если источников сигнала больше, например, четыре, потребуется наращивание числа коммутаторов, так, как это показано на рис. 23.12 [23.2].

Аналоговые коммутаторы можно использовать не только для переключения источников аудиосигналов. Так, например, при помощи электронного переключателя, рис. 23.13, можно дискретно переключать каналы

Рис. 23.6. Электронные аттенюаторы с шагом ЮдБ (слева) и 7 дБ (справа)

(рабочие поддиапазоны, частоты приема или передачи) приемной или передающей аппаратуры.

На основе КМОП-коммутатора может быть собран элемент коммутации, обладающий эффектом памяти, рис. 23.14 [23.3]. В исходном состоянии ключ разомкнут, напряжение на его нагрузке — резисторе R1 — равно нулю. Если нажать кнопку SB1, то на управляющий вход

Рис. 23.9. Схема переключаемого фильтра низких частот (А) — полосового фильтра (В) с электронной коммутацией видаАЧХ

Рис. 23.8. Амплитудно-частотная характеристика фильтра с электронным управлением, рис. 23.7, при включении соответствующего ключа DA2.7—DA2.5

ключа поступит напряжение высокого уровня, ключ замкнется и само- заблокируется, оставаясь во включенном состоянии неопределенно продолжительное время.

Вернуть устройство в исходное состояние можно кратковременным отключением питающего напряжения или нажатием на кнопку SB2. В этом отношении рассматриваемый элемент коммутации напоминает тиристорный ключ.

К числу недостатков переключателя можно отнести то, что предель-

Рис. 23.10. Амплитудно-частотная характеристика фильтра низких частот (А) с электронным управлением, рис. 23.9, при включении соответствующего ключа DA2.1—DA2.4

Рис. 23.11. Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра (В) с электронным управлением, рис. 23.9, при включении соответствующего ключа DA2.1—DA2.4

ный ток нагрузки не может превышать 10 мА, а при коротком замыкании нагрузки КМОП-коммутатор может выйти из строя.

Совет.

Кратно повысить предельный ток нагрузки можно при параллельном включении нескольких коммутаторов.

Электронные коммутаторы на основе распространенных микросхем серии К176КТ1, К561КТЗ, К564КТЗ и т. п.

имеют заметный недостаток: они имитируют нормально разомкнутые контакты, замыкаемые лишь при подаче напряжения высокого уровня на управляющий электрод коммутирующего элемента.

Рис. 23.16. Схема коммутатора аналоговых сигналов

Рис. 23.15. Схема электронного аналога двухпозиционного переключателя со светодиодной индикацией положения

На рис. 23.15 показана схема электронного аналога двухпозиционного переключателя на основе микросхемы типа Κ564ΚΫ3 со светодиодной индикацией положения.

Для коммутации аналоговых низкочастотных сигналов (до 1 МГц) можно использовать широко распространенные КМОП- коммутаторы, например, К564КТЗ, рис. 23.16 [23.4]. При изменении уровня одного из управляющих сигналов ключи DA1.1 и

DA1.2 переключаются, соответственно, переключается вывод резистора R1. В одном случае он напрямую соединен с сопротивлением нагрузки, во втором — заземлен, а резистор нагрузки отключен. Величину сопротивления нагрузки обычно выбирают равной или большей R1.

Совет.

При изготовлении коммутатора следует учесть, что сопротивление закрытого ключа микросхемы К564КТЗ приближается к сопротивлению изоляции, открытого— составляет 50—150 Ом, что может вносить определенные искажения в транслируемый сигнал. Кратно понизить сопротивление открытого ключа можно за счет параллельного соединения нескольких таких ключей. Другой выход — выбирать в качестве КМОП-коммутатора современные микросхемы с малым сопротивлением открытого ключа.

На базе KMOI 1-коммутаторов может быть собран генератор прямоугольных импульсов. Пример такого генератора приведен на рис. 23.17 [23.5].

Генератор импульсов (рис. 23.18) выполнен на КМОП-коммутаторе — элементах DA1.1, DA1.2 микросхемы К561КТЗ [23.6].

При включении генератора оба ключевых элемента микросхемы разомкнуты. Конденсатор С2 через резистор R5 заряжается до напряжения, при котором ключ DA1.1 включается. На резистивный делитель R1—R3 подается напряжение питания; конденсатор С1 заряжается через резистор R4, резистор R3 и часть потенциометра R2. Когда напряжение на его положительной обкладке достигнет напряжения включения ключа DA1.2, произойдет разряд обоих конденсаторов, и процесс их заряда- разряда будет периодически повторяться.

Потенциометр R2 позволяет изменять величину «стартового» напряжения для заряда конденсатора С1 и, следовательно, частоту генерируемых импульсов в пределах от единиц до десятков герц.

Параллельно цепочке резисторов R1—R3 может быть включено сопротивление нагрузки или индикатор работы генератора, например, светодиод с токоограничивающим резистором 680 Ом.

Устройство можно использовать в качестве генератора, управляемого напряжением. Для этого управляющее напряжение от 4—5 В до 15 В необходимо подключить вместо напряжения питания. С понижением питающего напряжения частота генерируемых импульсов растет.

На неиспользуемых элементах микросхемы — DA1.3 и DA1.4 может быть собран второй генератор импульсов. Напряжение для питания микросхемы подают на выводы 14 (плюс) и 7 (минус, общий провод).

Рис. 23.7 7. Схема генератора импульсов на микросхеме К561КТ1

Рис. 23.18. Схема генератора импульсов на КМОП-коммутаторе

Примечание.

Известно, что такой распространенный элемент коммутации, как электромагнитное реле, обладает гистерезисным свойством: ток его включения намного превосходит ток отпускания.

Для включения реле на пониженном напряжении обычно используют схемы кратковременного (пускового) удвоения напряжения и, соответственно, удвоения тока через обмотку.

Одна из таких схем приведена на рис. 23.19 [23.7]. Для управления работой реле использована микросхема аналогового ключа фирмы Maxim — МАХ4624/4625 [23.8]. При входном сигнале по уровню, достигающему значения логической единицы, ключ микросхемы переключается.

При замыкании ключа S1 на обмотку реле через диод VD1 подается напряжение питания 2,5 В, не достаточное для срабатывания реле. Одновременно конденсатор С2 заряжается через замкнутый ключ микросхемы DA1, токоограничительный резистор R2 и диод VD1 до напряжения, близкого напряжению питания.

Конденсатор С1, подключенный к управляющему входу микросхемы DA1, заряжается через резистор R1. Как только напряжение на его обкладках превысит порог срабатывания ключевого элемента микросхемы, ее «контакты» переключат конденсатор С2 таким образом, что напряжение на нем суммируется с питающим напряжением, и это напряжение оказывается приложенным к обмотке реле. Реле сработает, включив своими контактами К 1.1 нагрузку.

Поскольку конденсатор С2 разрядится, ток в реле будет поддерживать основной источник питания через диод VD1. Такое схемное решение позволяет использовать в низковольтной схеме (2,5 В) относительно высоковольтное (рассчитанное на 5 В) реле, одновременно снизив мощность, потребляемую реле, вчетверо.

Рис. 23.7 9. Схема питания реле пониженным напряжением

Микросхемы серии К1109КТ2, выполненные на биполярных транзисторах (рис. 23.20), предназначены для семиканальной коммутации нагрузок с повышенным током потребления. В основе каждого ключа микросхемы использован простейший усилитель на составном транзисторе, включенном по схеме Дарлингтона. Максимальный коммутируемый ток — 0,35 А на частоте до 50 кГц при предельной мощности, рассеиваемой на ключе в импульсе, не свыше 1 Вт (или 2 Вт на всю микросхему). При повышении частоты коммутируемого сигнала до 10 МГц предельный выходной ток на канал снижается до 12—25 мА.

Максимальное напряжение источника питания — 50 В. Следует учитывать, что на открытом выходном

Рис. 23.20. Схемы внутреннего строения и типового включения микросхем ΚΙ 109КТ2

транзисторе ключа при максимальном токе нагрузки падает не менее 1,6—2,0 В. Кнопка SB1 (рис. 23.20) предназначена для одновременной проверки исправности элементов индикации.

Микросхемы К1109КТ2ху где х=1, 2, 3, 4, отличаются от К1109КТ2 наличием дополнительных гасящих напряжение элементов во входных цепях ключей, рис. 23.20.

Учитывая особенности внутреннего строения микросхем-ключей К1109КТ2, допускается их использование и в нештатном включении. На рис. 23.21 показана возможность использования микросхемы- коммутатора К1109КТ2 в качестве семиканального усилителя. На рис. 23.22 приведена схема применения этой микросхемы .для коммутации цепей с индуктивной нагрузкой (реле). Внутренние диоды ключей микросхемы при подключении вывода 9 к шине питания защищают выходные транзисторы от повреждения.

Микросхемы К1109КТ6х, где х-2, 3, 4, 5, предназначены для восьмиканального управления нагрузками, рис. 23.23. Их внутреннее строение и основные характеристики соответствуют таковым для микросхем К1109КТ2ху где х=1,2у 3, 4.

Рис. 23.23: Использование микросхемы К1 Ю9КТ6х для восьмиканального управления светодиодными индикаторами

Рис. 23.22. Использование микросхемы ΚΙ 109КТ2 с релейными нагрузками

Рис. 23.27. Использование микросхемы ΚΙ 109КТ2 в качестве многоканального усилителя

Микросхема ULN2003Ay производимая фирмой STM (отечественный аналог ILN2003A), состоит из ключей йа составных биполярных транзисторах с диодной защитой по входу и выходу (рис. 23.24). Микросхема предназначена для управления работой активной (предельный ток до 0,5 А) или индуктивной нагрузкой при напряжении питания до 50 В. Ключи микросхемы управляются от входных сигналов ТТЛ– уровней.

Пример использования микросхемы ULN2003A для управления работой ламп накаливания показан на рис. 23.25.

Примечание.

Если в качестве нагрузки использованы светодиоды, последовательно каждому из них следует установить токоограничивающий резистор.

Для проверки исправности элементов световой индикации необходимо кратковременно нажать кнопку SA1 «Тест».

При работе на индуктивную нагрузку (электромагниты, обмотки реле и т. п.) для защиты выходных транзисторов микросхемы вывод 9 микросхемы следует подключить к шине питания, как показано на рис. 23.26.

Рис. 23.24. Структурная схема               Рис. 23.26. Схема включения микросхемы

микросхемы ULN2003A (ILN2003A)         (JLN2003A при работе на индуктивную нагрузку

Микросхема UDN2580A содержит 8 ключей (рис. 23.27). Она способна работать на активную и индуктивную нагрузку при напряжении питания 50 В и максимальном токе нагрузки до 500 мА.

Рис. 23.27. Цоколевка и эквивалентная схема микросхемы UDN2580A

Микросхема UDN6118A (рис. 23.28) предназначена для 8-и канального ключевого управления активной нагрузкой при максимальном напряжении до 70(85) В при токе до 25(40) мА. Одна из областей применения этой микросхемы — согласование низковольтных логических уровней с высоковольтной нагрузкой, в частности, вакуумными флуоресцентными дисплеями. Входное напряжение, достаточное для включения нагрузки — от 2,4 до 15 В.

Совпадают с микросхемами UDN2580A по цоколевке, а по внутреннему строению с микросхемами UDN6118A другие микросхемы этой серии — UDN2981 — UDN2984.

Рис. 23.29. Строение и цоколевка микросхемы аналогового мультиплексора ADG408

Рис. 23.28. Цоколевка и эквивалентная схема микросхемы UDN6118А

Аналоговые мультиплексоры ADG408!ADG409 фирмы Analog Device можно отнести к управляемым цифровым кодом многоканальным электронным переключателям. Первый из мультиплексоров (ADG408) способен переключать единственный вход (выход) на 8 выходов (входов), рис. 23.29. Второй (ADG409) — переключает 2 входа (выхода) на 4 выхода (входа), рис. 23.30.

Максимальное сопротивление замкнутого ключа не превышает 100 Ом и зависит от напряжения питания микросхемы.

Микросхемы могут питаться от двух- или однополярного источника питания напряжением до ±25 В, соответственно, коммутируемые сигналы по знаку и амплитуде должны укладываться в эти диапазоны. Мультиплексоры отличаются малым потреблением тока — до 75 мкА. Предельная частота коммутируемых сигналов — 1 МГц.

Рис. 23.30. Строение и цоколевка микросхемы аналогового мультиплексора ADG409

Микросхема К174КП1

(зарубежный прототип — TDA1029, фирма Philips) представляет собой аналоговый двухканальный переключатель — два канала на четыре положения, рис. 23.31.

Рис. 23.31. Схемы внутреннего строения и типового включения микросхемы К174КП1

Этот электронный переключатель предназначен для коммутации низкочастотных (обычно до 20 кГц) сигналов. Номинальное напряжение питания микросхемы — 15 В (пределы — 6—23 Г), потребляемый ток до 5 мА. Входное сопротивление — 350—450 Ом. Сопротивление нагрузки — не менее 4,7 кОм при ее емкости до 100 ηФ.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты