Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2008 №2 - Журнал «Домашняя лаборатория»
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Рис. 11. Устройство мультиплексора на аналоговых ключах (а) и его обозначение на принципиальных схемах (б)
Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и демультиплексором, т. е. сигнал может быть подан на выход и снят с избранного входа. Аналоговый мультиплексор может применяться в качестве цифрового мультиплексора-демультиплексора, поскольку цифровые логические уровни — это значения напряжения, воспринимаемые как двоичные единицы и нули.
Типичные отечественные аналоговые мультиплексоры — схемы серий К590КН1-К590КН9, воспринимающие в качестве кода адреса логические уровни ТТЛ и КМОП и работающие с аналоговыми сигналами до 15 В. Приборы К561КП1 (КП2), которые входят в семейство цифровых КМОП-схем, являются аналоговыми мультиплексорами-демультиплексорами, имеющими до 8 входов. Предельный уровень коммутируемого сигнала ограничен 15 В. Однако, у них есть вывод — U (внутренний уровень смещения), так что их можно использовать для работы с биполярными аналоговыми сигналами и однополярными управляющими сигналами с уровнями цифровых логических схем.
Рис. 12. Схемы интеграторов:
а) на RC-цепи, б) с переключаемыми конденсаторами
В качестве еще одного примера рассмотрим конструкцию интегратора с применением переключаемого конденсатора. На рис. 12,а приведена схема обычного интегратора, а на рис. 12,б — схема с переключаемым конденсатором. Ключ периодически переключается из положения 1 в положение 2 и обратно с периодом Т. Накопленный конденсатором С1 заряд, пропорциональный входному напряжению и периоду Т, передается на инвертирующий вход операционного усилителя с конденсатором С2 в цепи обратной связи. Поскольку входное дифференциальное напряжение и входные токи идеального операционного усилителя равны нулю, С1 разрядится полностью, и его заряд суммируется с зарядом, накопленным С2. Коммутируемый конденсатор как бы имитирует входной резистор схемы, показанной на рис. 12,а. Уменьшая период переключения Т, мы уменьшаем эквивалентную постоянную времени интегрирования.
Интегратор на переключаемом конденсаторе имеет ряд преимуществ перед стандартным RC-интегратором. Во-первых, его коэффициент передачи зависит только от соотношения емкостей двух конденсаторов. Это свойство широко используется в микросхемах, содержащих интеграторы: на подложке достаточно просто получить пару однотипных согласованных конденсаторов, в то время как получение разнотипных элементов (резистора и конденсатора) с точными значениями обходится намного дороже, а иногда и вовсе невозможно (например, из-за различных значений температурных коэффициентов емкости и сопротивления). Во-вторых, подстройка интегратора с переключаемым конденсатором осуществляется с помощью изменения тактовой частоты сигнала, управляющего ключом.
Рассматриваемый интегратор не лишен недостатков. При его работе наблюдается сквозное прохождение сигнала тактовой частоты на выход. Однако это редко имеет значение, так как частота тактового сигнала обычно на один-два порядка превышает частоту входных сигналов. Еще одна проблема связана с наложением спектров. Любые компоненты входного сигнала, которые отстоят по частоте от частоты тактового сигнала на величину, соответствующую частотам полосы пропускания интегратора, не будут подавлены. Эта проблема имеет место в случае, когда в спектре входного сигнала есть заметные компоненты частот, близких к тактовой частоте.
Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором. Существует интересный способ (рис. 13) создавать нужное нам напряжение питания отрицательной полярности в схеме, запитанной от однополярного положительного источника питания. Пара левых по схеме ключей подключает С1 к положительному источнику питания, заряжая его до Uвх, в то время как правые ключи разомкнуты. Вслед за тем входные ключи размыкаются, а правая пара ключей замыкается, подключая заряженный С1 к выходу, при этом часть его заряда передается на С2. Схема организована так, что С1 как бы "переворачивается", выдавая на выход напряжение отрицательной полярности. Данная схема выпускается в виде готовых микросхем конвертера напряжения. Это устройство также называют инвертором напряжения, поскольку оно превращает положительное напряжение в напряжение отрицательное, и наоборот.
Рис. 13. Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором
Приведенные примеры составляют ничтожно малую часть схем, использующих аналоговые ключи. Одной из наиболее значимых областей применения ключей являются рассматриваемые нами далее устройства выборки-хранения (УВХ).
УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ
При сборе аналоговой информации, и ее последующем преобразовании, бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в определенный момент времени. Некоторые типы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) могут давать непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал изменяется за время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) некоторых типов из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются флуктуации выходного напряжения. Для устранения этих явлений необходимо зафиксировать значение входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП на время преобразования.
Устройства выборки-хранения, выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения — сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки.
Рис. 14,а демонстрирует, как можно сделать простейшую схему выборки-хранения. Когда ключ S замкнут, выходное напряжение повторяет входное (состояние 1, рис. 14,б). Чтобы запомнить уровень аналогового сигнала в любой заданный момент, вы просто размыкаете ключ (состояние 2). Высокое полное входное сопротивление буфера на основе операционного усилителя (ОУ, у которого на входе должны быть полевые транзисторы, чтобы входной ток не слишком отличался от нуля) предотвращает нагрузку конденсатора Схр, так что напряжение на нем "хранится" до тех пор, пока ключ не замкнется снова.
Рис. 14. Схема простейшего УВХ (а) и сигналы на его входах и выходах (б)
Рассмотренная нами схема УВХ имеет ряд принципиальных недостатков. Во-первых, при замкнутом ключе источник сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Во-вторых, операционные усилители с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве выходных повторителей, имеют значительное смещение нуля.
Рассмотрим подробнее схемотехнику устройства выборки-хранения на примере выполненного в виде интегральной микросхемы УВХ типа К1100CК2, выпускаемой отечественной промышленностью (рис. 15). ОУ1 — это повторитель, предназначенный для формирования низкоомного аналога входного сигнала. Ключ S пропускает сигнал во время выборки и блокирует его прохождение в момент хранения. Конденсатор Схр запоминает сигнал таким, каким он был в момент выключения ключа. ОУ2 — это повторитель с большим входным сопротивлением, благодаря чему минимизируется ток через конденсатор во время хранения. Величина Схр выбирается, исходя из компромисса: ток утечки в ключе, и повторителе вызывает спад напряжения на конденсаторе С во время запоминания в соответствии с выражением dU/dt = Iутечки/С
Рис. 15. Функциональная схема промышленно выпускаемой интегральной схемы УВХ К1100CК2
В связи с этим для минимизации спада напряжения конденсатор С должен быть большой емкости. Однако сопротивление ключа во
