Аналого-цифровые электронные ключи
к.т.н., доцент Петров Евгений Федорович
к.т.н. РОЗОВ Андрей Валентинович
(ООО "Технический центр ЖАиС")
I. Общие замечания.
На практике очень часто возникает задача коммутации высокочастотного аналогового сигнала, которая может быть решена посредством электронного ключа. Электронный ключ имеет два входа: один - сигнальный, другой - для управляющего сигнала под действием которого и происходит процесс коммутации. В связи с тем, что на практике управляющий сигнал является как правило импульсным (или цифровым), то соответственно и сам ключ получил название аналого-цифровой.
При замыкании ключа аналоговый сигнал, действующий на входе, будет поступать на выход устройства. Если ключ идеален, то его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом бесконечно велико. Несмотря на сравнительно хорошо разработанную теорию ключей и большое разнообразие используемых на практике схем - часто бывает достаточно трудно выбрать ту схему, которая бы полностью удовлетворяла требованиям разработчика.
Основным отклонением реального ключа от идеального является наличие внутреннего сопротивления, которое всегда носит комплексный характер (что особенно проявляется на высоких частотах). Активная составляющая внутреннего сопротивления реального ключа снижает величину амплитуды напряжения и тока. Наличие же реактивного сопротивления делает ключ инерционным, увеличивает время переключения. В том случае, когда реактивная составляющая внутреннего сопротивления ключа носит емкостной характер, то ее заряд и разряд имеют разные постоянные времени. При этом время разряда меньше времени заряда и замыкание ключа происходит всегда медленнее, чем его размыкание. Соответственно, если не предпринять соответствующих мер, то аналоговый сигнал, проходящий через ключ, всегда будет искажен. Кроме этого, практически все аналого-цифровые ключи имеют и коммутационные выбросы, которые также приводят к искажению аналогового сигнала. Эти и ряд других проблем и необходимо решить в ходе разработки электронного ключа.
В качестве ключевого элемента схемы рассмотрим применение диодов, транзисторов и микросхем.
Все приведенные ниже принципиальные схемы устройств рассмотрены для входного сигнала с частотой выше 20 МГц.
II. Диодный ключ
Принципиальная электрическая схема ключа изображена на рис.1. В данной схеме в качестве ключевого элемента используются диоды типа КД407А, имеющие малую проходную емкость обратно смещенного перехода (около 1 пФ при Uобр=5 В и равную, примерно, 0,5 пФ при Uобр=12 В) и малое дифференциальное сопротивление прямо смешенного перехода, приблизительно равное 1 Ом.
В исходном состоянии диоды VD1 и VD2 закрыты подаваемым на них через открытый диод VD3 запирающим напряжением около 12 В. В этом случае сигнал, действующий на входе ключевой схемы на ее выход проходить практически не будет: большое сопротивление встречно включенных закрытых диодов VD1 и VD2, и шунтирование нагрузки малым сопротивлением открытого диода VD3 позволяют получить затухание входного сигнала около 70 дБ.
При подаче на управляющий вход запускающего импульса положительной полярности амплитудой 2...4 В, транзисторы VT1 и VT2 формирователя токов управления запираются и на ключ через ограничительный резистор R8 подается напряжение от источника питания +12 В. При этом диоды VD1 и VD2 открываются, а VD3 - закрывается. В этом случае ключ "открыт" для прохождения радиосигналов. При снятии запускающего импульса схема возвращается в исходное состояние. Осциллограмма выходного напряжения показана на рис.2.
Достоинствами данной схемы являются:
- относительно большое входное сопротивление схемы формирователя токов (более 3 кОм) и ее высокая температурная стабильность;
- независимость работы схемы ключа от выходного сопротивления источника управляющего сигнала;
- исключена взаимосвязь между источниками аналогового и импульсного сигналов;
- малое прямое затухание (приблизительно 2 дБ).
К недостаткам схемы следует отнести:
- наличие коммутационных выбросов, определяемых дифференцирующими элементами схемы и переходными процессами в диодах;
- необходимость высокоэффективной экранировки ключа, позволяющей исключить просачивание радиосигнала в его обход и выполнение монтажа с возможно малыми паразитными емкостями.
II. Транзисторный ключ.
Принципиальная электрическая схема ключа приведена на рис.3. В ее основу положена широко распространенная схема с транзисторами p-n-p и n-p-n типа (схема с дополнительной симметрией), базы которых присоединены к общей входной цепи. Обычно усилители, выполненные по такой схеме, работают в режиме B.
В данном случае в состоянии покоя оба транзистора VT2 и VT3 - закрыты и в выходной цепи протекают только незначительные обратные токи. При этом абсолютные значения напряжений смещений выбраны такими, что транзисторы остаются закрытыми при самых больших (для данного случая) аналоговых сигналов действующих на входе схемы.
Поскольку по нагрузке (время покоя) токи транзисторов протекают встречно, то при одинаковых параметрах транзисторов выходной ток будет близким к нулю. Однако из-за невозможности получения полной симметрии схемы затухание входного сигнала при "закрытом" ключе составляет около 50 дБ.
В качестве каскада, управляющего работой ключа, применен каскад с разделенной нагрузкой, который иногда называют однотранзисторным парафазным, выполненный на полевом транзисторе VT1. Поскольку ток стока почти не отличается от тока истока, сопротивления нагрузки, включенные, соответственно, в стоковую и истоковую цепи, выбраны одинаковыми.
По истоковому выводу каскад является истоковым повторителем, т.е. каскадом с последовательной ООС по напряжению. По стоковому выводу - каскадом с последовательной ООС по току. Обратная связь по обоим выходам каскада безинерционна.
Каскад не усиливает входное напряжение. Он повторяет его по истоковому выводу, а по стоковому выходу, повторяя величину напряжения - изменяет еще и фазу на 180 град.
Выходные напряжения, снимаемые с нагрузок каскада, подаются на эмиттеры транзисторов ключевой схемы и открывают его, т.е. переводят каскад в режим, эквивалентный режиму AB усилителя. При этом, если на входах транзисторов присутствует аналоговый сигнал, амплитуда которого превышает напряжение смещения, то при положительной полуволне открывается транзистор VT3, а состояние транзистора VT2 не изменяется. Наоборот, при отрицательной полуволне входного сигнала ток протекает через транзистор VT2, а транзистор VT3 остается закрытым. Таким образом входное напряжение будет передаваться на выход.
Осциллограмма выходного сигнала приведена на рис. 4.
Основным недостатком данной схемы является трудность подбора транзисторов с идентичными характеристиками. Кроме этого схема требует наличие двух источников питания и имеют место коммутационные выбросы.
Достоинства схемы:
- простота управляющего работой ключей каскада и равномерная его нагруженность в оба полупериода;
- хорошая температурная стабильность.
III. Ключ на микросхеме.
В данном случае в качестве ключевого элемента используется интегральная микросхема типа 526ПС1 (MC1596, 174ПС1) рис.5.
Основным узлом микросхемы является счетверенный дифференциальный усилитель с перекрестными связями (транзисторы VT1, VT4, VT5, VT6). По своему действию он подобен усилителю с общим эмиттером, но его эмиттерные токи не зависят от входного напряжения. Нетрудно заметить, что разность выходных токов усилителя (являющаяся выходной величиной) пропорциональна не только входному напряжению усилителя (оно поступает на вход X, вывод 10), но и разности токов эмиттеров:
Токи эмиттеров можно регулировать подачей напряжения на базы транзисторов VT2 и VT7 (это напряжение поступает на вход Y, вывод 11) при замкнутых выводах 2 и 12.
Если к выводам 8 и 9 подключить нагрузки, имеющие одинаковые сопротивления, то выходной сигнал можно получить в виде разности напряжений:
где Iо - ток в рабочей точке каждой транзисторной пары: VT1, VT4; VT5, VT6.
Uт - температурный потенциал.
Внутренний стабилизатор (диоды VD1...VD5 и резистор R9) обеспечивает стабильную работу схемы по постоянному току и задает смещение на транзисторы VT3 и VT8, поддерживая эмиттерный ток счетверенного усилителя постоянным.
Из приведенной для выходного напряжения формулы можно легко вывести, что зависимость выходного напряжения от входных потенциалов нелинейна. Линейный диапазон по входу Y можно расширить, если между выводами 2 и 12 включить резистор Ry. Тогда величина разности входных токов будет определяться уравнением:
где rэ - сопротивление эмиттерного перехода.
Схема включения микросхемы в качестве ключа показана на рис. 6.
В исходном состоянии:
- при наличии на входе X аналогового сигнала и симметричной нагрузки ∆Iвых=0 и напряжение на выходе схемы отсутствует;
- при подаче на вход Y импульсного сигнала нарушается симметрия схемы и входной аналоговый сигнал проходит на выход без нарушения своей формы.
Осциллограмма выходного напряжения показана на рис. 7
Как показали экспериментальные исследования - в схеме отсутствуют коммутационные выбросы.
Достоинствами схемы являются:
- простота реализации;
- получение на выходе практически неискаженного сигнала.
К недостаткам схемы следует отнести сравнительно большое просачивание входного сигнала на выход схемы в закрытом ее состоянии (подавление составляет немногим больше 40 дБ).
Однако этот недостаток можно устранить с помощью последовательного включения двух ключей, что позволяет получить подавление входного сигнала (в момент "закрытого" ключа) не менее, чем на 70 дБ.