Коммутаторы – Цифровая техника

July 21, 2015 by admin Комментировать »

Коммутаторы — микросхемы, которые обеспечивают включение, выключение или переключение разпичных цепей Чаще всего коммутаторы не очень сложны. Так, цифровые сигналы можно переключать с помощью простейших логических элементов И или ИЛИ Но в некоторых схемах используют сложные коммутаторы, позволяющие коммутировать на объединенный выход сигналы с 2, 4, 8 или 16 входов. Для уменьшения количества входов управления «выбирают» номер входа микросхемы, который должен быть соединен с ее выходом, подачей на специаль ные адресные входы двоичного кода. Этот код поступает на дешифратор, вмон тированный в микросхему, который «замыкает» выбранный вход на выход.

Такие микросхемы называются селекторы мультиплексоры. Селекторы — потому что они соединяют с выходом один из множества входов, причем именно тот, который нам нужен (т. е. производят селекцию входов); мультиплексоры — потому что они, при изменении уровней на адресных входах по какому-нибудь алгоритму («перебор адресов» — в смысле «перебирать», а не «перебрать») позволяют последовательно коммутировать на единственный выход сигналы с нескольких входов, т. е. производить мультиплексирование сигналов.

Изображение простейшего коммутатора аналоговых и цифровых сигналов — микросхема К561КТЗ — можно найти на рис. 1.39. Работает микросхема очень просто, когда на управляющий вход «переключателя» (помечен крестиком) поступает уровень лог. «0». то «контакты переключателя» разомкнуты. И сопротивление между ними очень высоко — более 1000 МОм. Когда же на этот вход поступает уровень лог. «1». то «контакты» замыкаются и сопротивление канала уменьшается до примерно 90 Ом. Причем сам канал можно расценивать именно как резистор, а не элемент цифровой микросхемы — напряжение на его выводах может быть абсолютно любым — от нуля до напряжения питания микросхемы Ucc.

Именно поэтому эта микросхема относится к группе так называемых аналоговых переключателей. Кстати, к ней относится большинство КМОП-коммутаторов и селекторов-мультиплексоров. Аналоговый переключатель — это «гибрид» цифровой и аналоговой микросхемы (по входам он совместим с цифровыми микросхемами, а по выходам — с аналоговыми), поэтому используется он «и там, и там». Основное отличие (преимущество) аналогового переключателя от обычной кнопки — если на его управляющий вход управляющий сигнал подавать через интегрирующую RC-цепочку, то его канал замкнется или разомкнется плавно, без дребезга и искрения. При этом на его управляющий вход можно подавать сигнал от обычной, «искрящей» кнопки. Отсутствие «искрения» на качество аналогового сигнала (звука) влияет только самым лучшим образом: вы можете даже и не заметить, что источник звука переключился, в то время как обычные, механические переключатели делают это с громким «щелчком», а то и «грохотом». Поэтому во всей качественной аналоговой аппаратуре сигнал коммутируют только с помощью таких микросхем.

Еще одно преимущество аналогового переключателя — он управляется логическими уровнями. К сожалению, компьютер и большинство другой, менее сложной цифровой техники до сих пор не удалось «научить» нажимать на кнопки. Поэтому для подобной техники, которая работает в том числе и с аналоговым звуком (например, телефонные автоответчики), такие микросхемы просто находка, и заменить их без снижения качества практически ничем нельзя.

Упрощенная схема аналогового переключателя показана на рис. 1.77. «Переключатель» образован каналами двух полевых транзисторов с индуцируемым

Рис. 1.77. Упрощенная схема строения микросхемы аналогового переключателя каналом разной структуры. Транзистор с p-каналом к управляющему входу подключен через инвертор.

Пока на управляющем входе присутствует уровень лог. «0», то оба транзистора закрыты (р-канальный транзистор закрывается напряжением на затворе, большим напряжение на выводах канала, а п-канальный — меньшим напряжения на канале. Сейчас оба эти условия выполняются: на затворе п-канального транзистора присутствует уровень лог. «0», т. е. минимально возможное напряжение, а на затворе р-канального, через инвертор, — уровень лог. «1»— максимально возможное напряжение), и сопротивления их каналов близки к бесконечности. При подаче на управляющий вход уровня лог. «1»транзисторы открываются. Причем при напряжении на выводах канала, равных примерно 0…0,5UCC, ток течет в основном через η-канальный транзистор (так как разность напряжений между выводами затвор-исток р-канального транзистора слишком мала для того, чтобы он открылся — чтобы индуцировался в нем канал), а при напряжении в пределах 0,5…Uce — открыт р-канальный транзистор, а п-канальный плавно (с увеличением напряжения) закрывается. Так как эти процессы идут очень плавно, без щелчков и искрения, то внешне они практически незаметны. Но из-за того, что сопротивление канала любого р-канального транзистора несколько больше сопротивления канала η-канального, сопротивление «замкнутых контактов» такого переключателя зависит от напряжения на его выводах. Для микросхемы К561КТЗ сопротивление канала при напряжении на нем, близком к нулю, составляет 96 Ом, а при увеличении этого напряжения до «υ„« — увеличивается до 130 Ом. Но это мелочи, и в большинстве схем их можно не учитывать. Хотя знать — полезно.

На рис. 1.77 для большей простоты не показаны защитные диоды, защищающие от превышения напряжения управляющий вход и выводы «переключателя». Напряжение на всех выводах этой микросхемы не должны превышать напряжение питания «Ucc».

Микросхема 4053 работает аналогично описанной выше, но она представляет собой переключатель, работающий на переключение, а не на замыкание, как КТЗ. К сожалению, эта микросхема не имеет отечественного аналога, но импортная микросхема популярна, дешева и доступна многим. Именно поэтому я и решил «заметить» ее (рис. 1.78).

Эта микросхема содержит внутри три переключателя, каждый из которых переключается по индивидуальному входу управления (на рис. 1.78 показаны пунктиром). При уровне лог. «1»на управляющем входе контакты переключателя находятся в том положении, в каком они показаны на рисунке, а при подаче уровня лог. «0» на этот вход «движок» переключателя переходит в нижнее положение (т. е., например, выводы 1 и 15 размыкаются, а замыкаются выводы 2 и 15).

Сопротивление «замкнутых контактов» у этой микросхемы примерно такое же, как к КТЗ, и оно также зависит от напряжения на выводах канала.

У микросхемы есть вход EZ, блокирующий работу всех трех переключателей. При подаче на этот вход уровня лог. «1» контакты всех переключателей, независимо от уровней на управляюших ими входов, переключаются в «среднее» положение, т. е. размыкаются. В таком режиме вывод 15 не соединен ни с

Рис. 1.78. Коммутаторы выводом 1, ни с выводом 2. Аналогично работают и все остальные переключатели — этот выбран только для примера.

Эта микросхема способна работать с отрицательным, относительно общего провода, напряжением на ее «контактах переключателя». Отрицательное напряжение (-U) нужно подать на ее вывод 7. В таком случае напряжение на «контактах» может быть в пределах -U…UCC; сумма взятых по модулю напряжений I -и I + I -Ucc I не должна превышать 15…20 В, в противном случае микросхема выйдет из строя. Сами переключатели управляются логическими уровнями, и уровню лог. «0» соответствует напряжение на выводе 8 микросхемы. Отрицательные напряжения на выводы 9, 10, 11 микросхемы подавать нельзя.

Если эта микросхема работает в однополярном режиме, то ее вывод 7 нужно соединить с выводом 8. Оставлять «свободным» вывод 7 можно, но нежелательно — из-за этого отключится система защиты входов микросхемы от перенапряжения, а КМОПмикросхемы и с включенной защитой довольно часто «горят».

На основе аналоговых переключателей собираются также и селекторы-мультиплексоры. Пример таких микросхем — К561КП1 и КП2.

Рассмотрим микросхему К561КП2 (рис. J .78). Это восьмиканальный селектор-мультиплексор цифровых и аналоговых сигналов с возможностью работы с двуполярным источником питания и выключаемым выходом. Сигнал можно подавать как на входы А0…А7, а снимать — с выхода А, так и наоборот — подавать на А, а снимать с выходов А0…А7. Для микросхемы все это абсолютно безразлично.

Номер входа-выхода А0…А7, с которым соединен вывод А, выбирается двоичным кодом на адресных входах 1, 2, 4 в полном соответствии с таблицей на рис. 1.59. С выводом А одновременно может быть соединен только один из выводов А0…А7, все остальные выводы из этой группы в это время никуда не подключены.

Основное отличие подобного селектора-мультиплексора от всех остальных цифровых КМОП-микросхем — на «ненужных» в данный момент входах А0…А7 может быть любой уровень, в том числе и «никакой» (т. е. вход никуда не подключен — болтается в воздухе). У всех остальных микросхем (и у этой — на адресных входах и входе EZ) неопределенность уровня на входе всегда резко увеличивает потребляемый ток (до единиц миллиампер) и иногда нарушает ее работу. Поэтому на подобных входах всегда должен быть какой-нибудь нужный нам уровень, сформированный внешним резистором, соединенным с одной из шин питания, или невыключаемым выходом этой или другой микросхемы. Для ТТЛ-схем это правило можно не соблюдать: у них резисторы установлены внутри микросхемы.

При подаче на вход ΕΖ уровня лог. «1»вход-выход А отключается от выводов А0…А7, и уровень на нем становится «никаким», если он используется в качестве выхода. В отличие от регистров и других микросхем триггерного типа, у коммутаторов символ отключаемых выходов (ромб с палочкой) рисовать не принято. Но это не значит, что так делать нельзя.

К561КП1 — сдвоенный четырехканальный селектор-мультиплексор аналоговых сигналов. Работает он точно так же, как и КП1.

Номер нужного разряда с которым должны быть соединены оба входа-выхода А и В, выбирается двоичным кодом на адресных входах 1 и 2. При этом оба канала абсолютно независимы друг от друга.

Эта микросхема очень часто используется для коммутации звуковых стереосигналов. Выводы А и В подключаются к правому и левому каналам стереоусилителя, а на выводы АО…АЗ и Β0…Β3 подают стереосигналы от четырех различных источников звука. Для переключения сигнала «по кольцу», к адресным входам микросхемы подключают любой счетчик (его выходы 1 и 2), который управляется через одновибратор кнопкой. Так как перепады уровней на выходах счетчика очень крутые (с человеческой точки зрения, существуют микросхемы, у Kofopbix крутизна импульсов в сотни раз больше), то «старый» вход сменяется «новым» практически мгновенно, с очень тихим щелчком.

Оба селектора-мультиплексора, так же как и микросхема 4053, могут работать с двуполярным напряжением питания. В таком случае отрицательное напряжение, которое должно быть меньше минимального напряжения на любом входе-выходе, нужно подключать к выводу 7 микросхем. Все остальные требования полностью совпадают с таковыми для микросхемы 4053. Вывод 7 ни в коем случае нельзя оставлять «свободным».

В серии КМОП-мнкросхем нет счетверенных коммутаторов на основе аналоговых переключателей, поэтому, если нужно работать только с цифровыми сигналами, вместо него используют универсальный логический элемент К561ЛС2. По-научному этот элемент называется 4х2И-2ИЛИ, его структурная схема изображена на рис. 1.79, и расшифровывается название так: первая цифра (4) означает количество элементов, вторая — количество входов у первого логического элемента (И), третья — количество входов у второго. При изображении сложных логических элементов, для уменьшения занимаемого ими места, отдельные элементы часто «пристыковывают» друг к другу, «экономия» на дорожках. Кроме экономии, также рисунки легче понять.

Работа этого логического элемента лучше всего понятна из рис. 1.79, поэтому объяснять я буду в основном только по нему.

Когда на входах А и В присутствуют уровни лог. «0». на выходах всех элементов 2И присутствуют уровни лог. «0», независимо от уровней на входах АО…АЗ и B0…B3. На выходах всех элементов 2ИЛИ (выходы 0…3) поддерживаются также уровни, т. е. лог. «0».

Если теперь подать «единицу» на вход А, то все верхние по схеме элементы 2 И активизируются и уровень на их выходах будет соответствовать уровню на входах АО…АЗ. Так как к этим выходам подключены элементы ИЛИ, на один из входов которых подается разрешающий работу уровень лог. «0» с выходов заблокированных элементов 2И канала В, то уровни на выходах

Рис. J .79. Структурная схема микросхемы К561ЛС2

Рис. 1.80 Селектор мультиплексор на основе микросхемы K561JJC2

0.             ..3 соответствуют уровням на входах АО…АЗ.

Аналогично работает элемент и со входов канала В, если на вход А поступает уровень лог. «0». а на вход В — уровень лог. «1». Входы A0…A3 при этом заблокированы.

И наконец, если на оба входа А и В подать уровни лог. «1», то микросхема превратиться в элемент 4х2ИЛИ, т. е. четыре двухвходовых элемента ИЛИ.

Для того чтобы преобразовать эту микросхему в селектор-мультиплексор с единственным адресным входом, между входами А и В нужно включить любой инвертор (рис. J.80). При уровне лог. «1»на управляющем входе выбран канал А, а при уровне лог. «0» — канал В.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

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