Динамические характеристики и эксплуатационные параметры АК
Междуэлектродные емкости. МОП-ключи обладают следующими емкостями (рис. 8): между входом и выходом (Сси), между каналом и общей точкой схемы (Сс, Си), между затвором и каналом (Сз) и между ключами в пределах одного кристалла. Как правило, наличие этих емкостей ухудшает характеристики ключей.
Сси (емкость вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению сигнала через разомкнутый ключ, которое на высоких частотах возрастает. На рис. 9. показан этот эффект для микросхемы четырехканального аналогового коммутатора типа МАХ312. Здесь кривая 1 представляет собой амплитудно-частотную характеристику последовательного ключа, нагруженного на резистор 50 Ом в замкнутом состоянии. Кривая 2 - фазочастотная характеристика для этого же случая. Кривая 3 представляет амплитудно-частотную характеристику ключа в разомкнутом состоянии при той же нагрузке. Как видно, даже при нагрузке 50 Ом сквозное прохождение сигнала на высоких частотах становится значительным. При нагрузке 10 кОм ситуация со сквозной передачей сигнала, конечно же намного хуже.
В большинстве низкочастотных применений емкостное сквозное прохождение сигнала через разомкнутый ключ не создает проблем. Если они возникают, хорошим решением является использование пары включенных каскадно ключей (рис. 10а) или, что еще лучше, использование последовательно-параллельного коммутатора (рис. 10б).
Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибелах) ценой дополнительного делителя напряжения, в то время как последовательно-параллельная схема уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до Ro, когда последовательный ключ разомкнут. Многие фирмы выпускают ИМС аналоговых коммутаторов, содержащие по два нормально замкнутых (т.е. замкнутых при низком уровне управляющего сигнала) и два нормально разомкнутых ключа. Это, например, МАХ314, DG413, 590КН4 и др. Эти микросхемы позволяют наиболее просто построить последовательно-параллельные коммутаторы.
Рис.10. Схемы, обеспечивающие улучшенные характеристики коммутаторов в разомкнутом состоянии
Сс, Си (емкость относительно земли). Шунтирующая на землю емкость приводит к упомянутому ранее спаду частотной характеристики (кривые 1 и 2 на рис. 9). Совместно с сопротивлением источника сигнала и сопротивлением замкнутого ключа Ro эти емкости образуют фильтр нижних частот. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигнала.
Емкость между ключами. Поскольку обычно на кристалле размещается несколько ключей, то не следует удивляться при появлении наводок между каналами. Виновницей может быть емкость между каналами, составляющая величину порядка 0,5 пФ. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения импеданса источника сигнала.
Динамические помехи. Во время перехода от включенного состояния к выключенному и обратно в аналоговых ключах на полевых транзисторах могут возникать неприятные эффекты. Скачок управляющего напряжения, поданный на затвор, вызывает изменение заряда в цепи канала. Это наиболее существенно при уровнях сигналов, соответствующих разомкнутому ключу. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала.
Ввиду важности этой проблемы, рассмотрим ее более подробно. На рис. 11 изображена форма выходного сигнала, которую можно увидеть на выходе n-канального МОП-ключа, схема которого показана на рис. 3а, при нулевом уровне входного сигнала и нагрузке, состоящей из резистора сопротивлением 10 кОм и параллельного ему конденсатора с емкостью 20 пФ. Эти всплески и провалы вызваны переносом заряда в канал через емкость Сз, имеющую величину порядка 5 пФ, (рис. 8) при изменении напряжения затвора. Это напряжение делает резкий скачек от одного уровня питания к другому, перенося заряд q = +Сз(Uзи.выс - Uзи.низ).
Заметим, что величина переносимого заряда зависит только от полного изменения напряжения затвора и не зависит от времени, за которое это изменение происходит. Замедление изменения сигнала на затворе вызывает меньшую по амплитуде, но более долгую динамическую помеху с той же площадью под графиком. Фильтрация выходного сигнала ключа фильтром нижних частот дает тот же эффект. Такие меры могут помочь в тех случаях, когда важно добиться малого пика амплитуды динамической помехи, однако в смысле исключения пропускания управляющего напряжения с затвора на выход они неэффективны. Можно попробовать частично скомпенсировать заряд переключения путем добавки инвертированного сигнала затвора через компенсирующий подстроечный конденсатор малой емкости Ск (рис. 12).
Емкость затвор-канал распределена по всей длине канала, а это значит, что часть заряда переключения (помехи) попадает на вход ключа, вызывая переходные процессы на выходе источника сигнала. Эти процессы будут минимальны, если источник сигнала обладает нулевым выходным сопротивлением, т.е. является источником э.д.с. Уменьшение полного сопротивления нагрузки также приводит к снижению динамической помехи, но при этом нагружается источник коммутируемого сигнала и вносятся дополнительные статическая погрешность и нелинейность за счет конечного и нелинейного Ro. Уменьшение емкости затвор-канал за счет сокращения размеров интегрального МОП-транзистора уменьшает переходные помехи при переключении коммутатора, но за это приходится платить увеличением Ro.
На рис. 13 приведены кривые переноса заряда для ключа с управляющим pn-переходом (см. рис. 2). Как видно, для такого типа ключа существует сильная зависимость величины динамической помехи от сигнала, поскольку диапазон изменения напряжения затвора пропорционален разности между уровнем входного сигнала и уровнем отрицательного напряжения питания. Хорошо сбалансированные КМОП-ключи имеют относительно малую динамическую помеху, поскольку попадающие в канал заряды у комплементарных МОП-транзисторов стремятся скомпенсировать друг друга (когда на одном затворе напряжение растет, на другом - падает).
На рис. 14 приведены зависимости заряда переключения от входного напряжения для интегрального КМОП-коммутатора МАХ312 при двухполярном питании +15 В (кривая А) и однополярном +12 В (кривая В). Чтобы дать представление о масштабе этих эффектов, скажем, что заряд 30 пКл создает скачек напряжения в 3 мВ на конденсаторе емкостью 0,01 мкФ. Для многих применений это очень существенная величина.
Быстродействие. Ключи на полевых транзисторах имеют сопротивление в открытом состоянии Ro от 10 ом до сотен ом. В комбинации с емкостью подложки и паразитными емкостями это сопротивление образует фильтр нижних частот, ограничивающий область частот пропускаемых сигналов значениями порядка 10 МГц и даже ниже. Полевые транзисторы с меньшим Ro имеют обычно бoльшую емкость, так что выигрыша в скорости нарастания выходного сигнала они не дают. Значительная доля ограничения частотной характеристики вызвана элементами защиты - последовательными токоограничивающими резисторами и шунтирующими диодами, применяемыми почти во всех КМОП-схемах. Специальные высокоскоростные коммутаторы, например, МАХ453 фирмы Maxim имеют типичную полосу пропускания до 50 МГц и предназначены для передачи сигналов видеочастоты амплитудой +/- 1 В от низкоомных источников (обычно 75 Ом) на согласованную нагрузку.
Время переключения. Длительность переходного процесса включения и выключения (tвкл и tвыкл) коммутатора на МОП-транзисторах определяется временем перезаряда емкости затвор-канал. Уменьшение этой емкости связано с возрастанием Ro, поэтому обычно повышения скорости переключения добиваются снижением выходного сопротивления цепей, осуществляющих управление напряжением на затворе коммутирующего МОП-транзистора. При этом возрастает ток, потребляемый схемой от источника питания. Характерная величина времени переключения для КМОП-коммутаторов составляет около 0,2 мкс при токе потребления в статическом состоянии менее 1 мкА.
Эксплуатационные параметры
К эксплуатационным параметрам относятся:
номинальные значения питающих напряжений;
ток потребления;
максимально допустимое значение тока через коммутатор;
диапазон допустимых значений входного (выходного) напряжения;
уровни (высокий и низкий) напряжения управления (обычно согласованы с уровнями 0 и 1 ТТЛ и КМОП цифровых микросхем, для чего ИМС аналоговых коммутаторов содержат порой довольно сложные схемы управления собственно ключами).
66. УВХ: Общие сведения. Назначение.
При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Некоторые типы аналогово-цифровых преобразователей, например, последовательного приближения, могут давать совершенно непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются выбросы выходного напряжения. Для устранения этого явления на время установления также следует зафиксировать выходной сигнал ЦАП. Устройства выборки - хранения (УВХ) (слежения - хранения), выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки (слежения) повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении режима на хранение сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки. Схема простейшего УВХ приведена на рис. 15а.
Рис.15. Устройство выборки - хранения
Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, т.е. Uвых = Uвх (рис.15б). При размыкании ключа Uвых сохраняет свое значение, последнее перед размыканием. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения Схр на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе.
Простейшая схема УВХ имеет ряд недостатков:
При замкнутом ключе источник входного сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Если источником является ОУ, это обычно приводит к его самовозбуждению.
ОУ с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве буферных повторителей, имеют значительное смещение нуля.
Эти недостатки во многом устранены в ИМС устройства выборки - хранения LF398 (отечественный аналог - 1100СК2), которая в течение многих лет была по существу промышленным стандартом. Функциональная схема этой ИМС приведена на рис. 16. Здесь схема имеет общую отрицательную обратную связь, охватывающую всю схему - с выхода усилителя ОУ2 на вход усилителя ОУ1.
Рис. 16. Функциональная схема УВХ 1100СК2
Когда коммутатор находится в замкнутом состоянии, потенциал выхода операционного усилителя ОУ1 вследствие действия общей отрицательной обратной связи устанавливается таким, что Uвых отличается от Uвх на величину напряжения смещения ОУ1. При этом смещение, возникающее из-за наличия коммутатора и ОУ2, сводится к нулю. Диоды в этом состоянии схемы заперты, так как падение напряжения на них, равное указанному смещению, достаточно мало (<= 20мВ). При размыкании коммутатора управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R1 и диоды предотвращают насыщение ОУ1, которое могло бы возникнуть из-за размыкания общей отрицательной обратной связи в этом режиме. Это снижает время переходного процесса при замыкании коммутатора. Усилитель ОУ1 обеспечивает высокое входное сопротивление УВХ. Он выполнен по схеме с биполярными транзисторами на входе, что легко позволяет получить смещение нуля схемы в пределах 5 мВ. Резистор R2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.
Основные характеристики УВХ:
Точностные характеристики.
1. Напряжение смещения нуля Uсм, определяемое практически смещением нуля ОУ1.
2. Дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости Схр
Uвых / t= Iр / Схр,
где Iр - ток разряда конденсатора. Он складывается из токов утечки конденсатора и коммутатора, а также из входного тока усилителя ОУ2.
При заданном токе утечки величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости конденсатора Схр. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.
Динамические характеристики.
1. Время выборки tв определяет, как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения до величины входного напряжения с заданным уровнем допуска. Это время пропорционально емкости Схр. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала выборки чреват значительными ошибками.
2. Апертурная задержка tа. Это период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием последовательного коммутатора.
Параметры УВХ.
Точностные характеристики.
1. Напряжение смещения нуля Uсм, определяемое практически смещением нуля ОУ1. 2. Дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости Схр
d Uвых / d t= Iр / Схр,
где Iр - ток разряда конденсатора. Он складывается из токов утечки конденсатора и коммутатора, а также из входного тока усилителя ОУ2.
При заданном токе утечки величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости конденсатора Схр. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.
Динамические характеристики.
Время выборки tв определяет, как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения до величины входного напряжения с заданным уровнем допуска. Это время пропорционально емкости Схр. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала выборки чреват значительными ошибками.
Апертурная задержка tа. Это период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием последовательного коммутатора.
В табл. 2 приведены основные характеристики некоторых типов УВХ, выпускаемых промышленностью.
Параметры в режиме выборки:
Время выборки. Это время в течение которого образуется выборочное начение напряжения на накопительном элементе (конденсаторе) при переходе от режима хранения в режим выборки. Это время кроме схемотехнических особенностей зависит от таких внешних факторов, как разница между хранящимся напряжением и выбираемым, емкость конденсатора хранения, требуемая точность установления. Поэтому, когда указывается время выборки должны быть указаны и значения этих величин.
Погрешность коэффициента передачи в режиме выборки характеризует его отклонение от расчетного значения. Как правило различают погрешности коэффициента передачи при работе с постоянным входным напряжением и с синусоидальным сигналом различной частоты.
Нелинейность амплитудной характеристики обусловлена отклонением коэффициента передачи от постоянного значения при изменении входного напряжения во всем динамическом диапазоне.
Дрейф коэффициента передачи характеризует изменение коэффициента передачи в зависимости от температуры, изменения номиналов источников питания, старения элементов и т. д.
Напряжение смещения представляет собой выходное напряжение схемы при стробировании нулевого сигнала разделенное на коэффициент передачи.
Дрейф напряжения смещения - определяется изменением напряжения смещения вследствие изменения температуры окружающей среды, питающих напряжений и. т. д.
Время установления выходного напряжения - это максимальное время, необходимое для установления выходного напряжения с заданной точностью при воздействии на вход ступенчатого сигнала. Из-за переходных процессов в различных буферных и усилительных каскадах это время всегда больше времени выборки. Иногда пользуются понятием скорости нарастания выходного напряжения, как это делается для ОУ.
2.Параметры при переходе от выборки к запоминанию
Апертурная задержка. Возникновения апертурной погрешности связано с тем, что сопротивление реального ключа при переходе из режима выборки в режим хранения меняется не скачкообразно, а по какому-то определенному закону. После прихода управляющего напряжения на переход в режим хранения, конденсатор не мгновенно отключается от входного напряжения: сопротивление ключа начинает постепенно возрастать. И в течение этого времени, до того как сопротивление ключа достигнет бесконечности, входное напряжение будет воздействовать на напряжение на конденсаторе, но уже по какому-то более сложному закону (зависит от закона изменения сопротивления ключа при размыкании и от закона изменения входного напряжения). Смотрите Рис. 4, на котором представлены временные диаграммы при переходе выборка-хранение
Как видно из этого рисунка, истинное время запоминания tЭФФ1 и tЭФФ2
наступит раньше, чем обратное сопротивление ключа достигнет бесконечности. При этом в зависимости от закона изменения входного сигнала эффективное
время может изменяться от некоторого минимального значения T1 (апертурный сдвиг) до времени T3, которое носит название апертурное время или апертурная задержка. Разница T3 - T1 носит название апертурная дрожь.
Апертурный сдвиг приводит, как правило, к частотным искажениям, аналогичным тем, которые возникают в эквивалентной RC-цепи, причем величина T1 играет здесь роль такого же параметра, как и T=RC. Влияние апертурной дрожи проявляется либо как погрешность мгновенного значения сигнала при заданных моментах измерения, либо как погрешность момента времени, в который производится измерение при заданном мгновенном значении сигнала. При равномерной дискретизации следствием апертурной неопределеннос- ти является возникновение амплитудных погрешностей, которые называются апертурными и численно равны приращению сигнала в течение апертурного времени. Если использовать другую интерпретацию эффекта апертурной неопределенности, то её наличие приводит к “дрожанию” истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты сигнала, по отношению к равноотстоящим на оси времени моментам. В литературе приводится следующая формула: , связывающая разрядность (точность АЦП), максимальную частоту и апертурную задержку для условия того, чтобы погрешность не превышала шаг квантования.
Рис. 4 Временные диаграммы при переходе из режима выборки в режим хранения
Погрешность переключения при образовании выборочного значения обусловлена прохождением части управляющих стробирующих импульсов через межэлектродные емкости используемых аналоговых ключей. Также носит название коммутационная ошибка или напряжение переноса заряда.
Погрешность связанная с диэлектрической поляризацией, при образовании выборочного значения возникает за счет процессов, происходящих в диэлектрике накопительного конденсатора.
Время установления в режиме хранения - определяет время в течение которого завершаются переходные процессы на накопительном конденсаторе при переходе из режима выборки в режим хранения. Сумма времени установления и апертурной задержки полностью определяет время перехода от выборки к хранению.
Параметры в режиме запоминания.
Спад выходного напряжения - характеризует основную составляющую погрешности устройства в режиме запоминания. Он определяется скоростью разряда накопительного конденсатора , где I - сумма токов утечки ключа, тока смещения усилителя и токов утечки на шины питания и земляную. Как правило, основной составляющей тока I является суммарный ток утечки ключа. Спад выходного напряжения определяет время хранения устройства с допустимой погрешностью.
Сквозное прохождение обусловлено той частью входного сигнала, которая попадает на выход через емкостной делитель, образованный проходной емкостью разомкнутого ключа и накопительным конденсатором. Часто этот параметр выражают в децибелах как отношение напряжения сквозного прохождения для входного синусоидального сигнала определенной амплитуды и частоты к амплитуде этого сигнала на входе устройства.