17.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОММУТАТОРЫ

Показанные на рис. 17.1 разновидности аналоговых коммутаторов могут быть реализованы электронными методами путем замены механического контакта элементом с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и достаточно большое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться полевые транзисторы, диоды, биполярные транзисторы и другие управляемые электронные приборы.

17.2.1. КОММУТАТОР НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Как уже было показано в разд. 5.7, полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как омическое сопротивление, величина которого может изменяться в десятки раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток . На рис. 17.2 изображена схема последовательного коммутатора. Если в этой схеме управляющее напряжение установить меньшим, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере на величину порогового напряжения полевой транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю.

Если необходимо, чтобы транзистор был открыт, напряжение следует поддерживать равным нулю. Это условие не так просто реализовать, так как потенциал

Рис. 17.2. Последовательный коммутатор на полевом транзисторе.

Рис. 17.3. Упрощенная схема управления коммутатором.

истока не является неизменным. Один из возможных методов иллюстрируется на рис. 17.3. Если напряжение установить большим, чем максимально возможное входное напряжение коммутатора, диод D закроется и напряжение будет, как это и требуется, равно нулю.

При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод D будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение коммутатора в этом режиме равно нулю. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в том случае, если источник входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве коммутатора использовать МОП-транзистор. Его можно перевести в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвор-канал будет равен нулю. Таким образом, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде D и резисторе Чтобы охватить возможно больший диапазон входных напряжений как в положительной, так и в отрицательной области, вместо одного МОП-транзистора лучше использовать КМОП-схему, состоящую из двух комплементарных МОП-транзисторов, включенных параллельно, как, например, в интегральной схеме тупа фирмы Motorola.

Для того чтобы перевести коммутатор в состояние «включено», нужно приложить к затвору нормально открытого МОП-транзистора в схеме на рис. 17.4 положительное управляющее напряжение, равное по меньшей мере а к затвору транзистора такое же напряжение, но противоположное по знаку. При малых величинах входного напряжения оба МОП-транзистора будут открыты. Если входное напряжение вырастет до значительного положительного уровня, величина уменьшится, а внутреннее сопротивление транзистора увеличится. Это обстоятельство, однако, несущественно, так как одновременно увеличится величина и внутреннее сопротивление транзистора уменьшится. При отрицательных значениях входного напряжения транзисторы и меняются ролями. Для того чтобы перевести коммутатор в состояние «выключено», необходимо изменить полярность управляющего напряжения.

При смене полярности управляющего напряжения через проходную емкость затвор-канал на выход схемы коммутатора передается короткий импульс напряжения; этот импульс представляет собой помеху, особенно при малых уровнях коммутируемого напряжения. Чтобы амплитуда импульса помехи была незначительной,

Рис. 17.4. Последовательный коммутатор на КМОП-структуре.

управляющее напряжение не должно быть слишком большим. Кроме того, желательно ограничить скорость изменения управляющего напряжения. Полезно также использовать низкоомные источники входного сигнала. Частоты переключения рассматриваемых коммутаторов невелики.

Из КМОП-коммутаторов наиболее удобны схемы со встроенным преобразователем уровня управляющего сигнала, которые совместимы с выходными сигналами ТТЛ-схем. Они выпускаются в интегральном исполнении, причем ИС часто содержит несколько коммутаторов, управляемых общим напряжением. В качестве примера можно привести интегральные схемы типа фирмы Intersil или фирмы Siliconix.

Часто коммутаторы выполняются по схеме с общим входом или выходом. С помощью встроенного в интегральную схему распределителя типа «1 из и» можно путем подачи двоичного кода на управляющий вход переводить любой выбранный коммутатор в состояние «включено». Такие электронные схемы называются аналоговыми мультиплексорами или аналоговыми демультигшексорами. Это, например, интегральные схемы фирмы имеющие от 4 до 16 каналов, или фирмы Motorola с числом каналов от 2 до 8.