Характеристики аналоговых ключей: параметры и их влияние на работу

Аналоговые ключи используются для коммутации преимущественно звуковых частот и радиосигнала. Аналоговые сигналы датчиков и сканеров переключаются с их помощью электромеханическим или электронным путем. С развитием искусственного интеллекта (ИИ) интерес к аналоговым ключам усилился. Подобные системы работают не только с большим числом каналов аналоговых сигналов, но и имеют дело с аналоговыми вычислениями. Вместе с экспертами «ЗУМ-СМД» рассмотрим, какие параметры важны для различных систем переключения сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Содержание:

1. Основные виды аналоговых ключей
2. Важные характеристики аналоговых ключей
3. Структура топологии

Основные виды аналоговых ключей

Ключи аналогового сигнала бывают электронные, магитоэлектрические и механические. К автоматическим механическим переключателям относятся электромагнитные реле. Их непременное достоинство — практическое отсутствие искажений, вносимых в тракт коммутации сигнала. Однако они обладают недостатками, которые делают их неприемлемыми для использования в современной технике:

• относительно большие габариты, невозможно использовать в составе интегральных компонентов;
• сравнительно медленная скорость коммутации;
• искажения, вызванные вибрацией контактов в начале и в конце периода подключения;
• взаимодействие электромагнитных помех при компактном расположении;
• склонность к физическому износу контактов.

Электронные ключи могут выполняться как на дискретных элементах, так и на интегральных компонентах. Последние имеют ряд преимуществ по компактности и однородности свойств, потому как на отдельных транзисторах сложнее добиться идентичности параметров разных элементов ключей. Интегральные аналоги имеют лучшие параметры совместимости, но проигрывают гибкостью построения разнообразных систем.

Аналоговые ключи, построенные на электронных компонентах, выполняются на:

• диодах;
• транзисторах;
• каскадах из транзисторов разной структуры;
• операционных усилителях (ОУ).

Диодные и транзисторные ключи характеризуются простотой исполнения, но имеют высокий уровень нелинейности. Поэтому в прецизионных каскадах используются лишь как коммутаторы питания. Они классифицируются скоростью переключения, максимальным током через ключ, амплитудой, падением напряжения на коммутирующем элементе в состоянии закрытого канала.

Лучшими характеристиками обладают электронные ключи, выполненные на транзисторах разной структуры. Обычно такие устройства имеют двухполярное питание. В таких схемах аналоговых ключей разная по полярности полуволна сигнала усиливается или гасится отдельным каскадом. В них используются комплементарные пары биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структуры или n-типа и p-типа Mosfet-транзисторы. Такие коммутаторы имеют меньший уровень искажений, вносимых в составляющую сигнала, зато они дороже и сложнее.

Еще более сложными являются мультиплексоры, построенные на прецизионных ОУ или измерительных усилителях (ИУ). Искажения у таких систем сведены к минимуму, поэтому на данный момент эта топология является самой качественной по свойствам, вызывающим минимальное внесение в тракт сигнала искажений и шумов.

Данная система построена с параллельным подключением ОУ к каждому из каналов. Для включения нужной линии коммутируется только питание усилительных каскадов. Усилитель, к которому питание не подается, образует отключение сигнала, подключенного к общему выходу. Коэффициент усиления ключа с поданным на него напряжением питания выше единицы, а нелинейные характеристики сведены к минимуму.

Важные характеристики аналоговых ключей

Уровень искажений и шумов

Для маршрутизации аналоговых сигналов требуется уменьшение искажений и шумов, вносимых этими устройствами. На пути прохождения сигнала через все каскады сложных систем итоговые погрешности сигнала складываются. Это могут быть следующие искажения:

• Коэффициент гармоник. Т. е. появление на выходе составляющих сигнала, которых не было на входе. Вызывается нелинейностью характеристик электронных компонентов аналогового ключа.
• Частотные искажения. Включают в себя фазовые искажения, вызываются искривленностью амплитудно-частотной и фазно-частотной характеристиками элементов каскада коммутации.
• Динамические искажения. Изменение формы сигнала из-за ограниченного быстродействия компонентов ключа или паразитных емкостных либо индуктивных связей внутри каскада. В эту категорию можно отнести краевые искажения, которые проявляются смешением краев резких фронтов составляющих сигнала.

Мультиканальные характеристики

В многоканальных мультиплексорах и демультиплексорах имеет значение сопротивление изоляции между каналами в состоянии отключенной линии. Также учитывают свойство попадания перекрестных помех между каналами.

Частотные характеристики

Аналоговые ключи имеют определенный частотный диапазон, которым должен обладать коммутируемый сигнал. Если этот параметр уже, чем имеет реальные свойства сам сигнал, то высокие или низкие частоты могут искажаться. Для сигналов от датчиков, возможно, потребуется устройство, способное коммутировать постоянное напряжение с высокой точностью и стабильностью. Такими параметрами обладают лишь некоторые прецизионные аналоговые ключи.

Структура топологии

Совершенствованием технологий производителям электроники удалось добиться высокой эффективности, благодаря использование технологии КМОП (на полевых транзисторах). Напряжение включения, всего от 2,5 В, а сопротивление — мегаомы. Таким образом, мощность, требуемая для переключения очень мала. Зато при увеличении частоты коммутации энергопотребление резко возрастает за счет паразитных емкостных свойств.

Структура ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) позиционирует высокой помехоустойчивостью и незначительным увеличением мощности с ростом частоты. Токи управления у биполярных транзисторов, сравнительно, очень высокие. Поэтому на инфранизких частотах коммутации ТТЛ использовать неэкономично.

Иногда использование биполярной структуры бывает оправдано высокой надежностью переключения, даже при агрессивном воздействии окружающей среды на элементы схемы. Высокие входные сопротивления полевых транзисторов снижают помехоустойчивость и повышают влияние емкостных и резистивных связей, вызванных влагой и другими атмосферными факторами.

Сопротивление открытого полевого транзистора имеет небольшую, но зависимость, от действующего напряжения его включения, сопротивления нагрузки и частоты самого сигнала. Таким образом, КМОП-транзисторы неминуемо вносят искажения. Если учесть, что современные звуковые системы требуют наличие искажений, вносимых маршрутизаторами и коммутаторами, менее 0.001%, то приходится отказываться от полевых транзисторов в пользу биполярных.