Аналоговые мультиплексоры, ADC
И это могло бы стать проблемой, не будь аналоговых мультиплексоров (коммутаторов, ключей)
Для примера приведена структурная схема TS5A3157 от TI 
Так как он является одноканальным, то имеет всего два мультиплексируемых входа (Vnc и Vno).
Вывод Vcom — общий и всегда соединен с одним из аналоговых входов.
Вывод Vi определяет в каком состоянии будет находится «переключатель».
Мультиплексоры пропускают ток в обоих направлениях и в идеале должны вести себя как выключатель, но реальность вносит своих коррективы.
Основным элементом является MOSFET транзистор.
Благодаря низкому сопротивлению в замкнутом состоянии, высокому сопротивлению в режиме отсечки, низким токам утечки и малым паразитным емкостям, MOSFET-транзисторы с успехом используются в качестве аналоговых ключей. В портативных устройствах аналоговые мультиплексоры используются для коммутации входных и выходных сигналов. С помощью аналогового мультиплексора можно из одноканального АЦП сделать многоканальный и т.д.
Так как одноканального мультиплексора для решения возникшей проблемы мне бы не хватило, выбор пал на 74HC4052 
74HC4052 — это высокоскоростная CMOS микросхема, с двумя 4-х канальными аналоговыми мультиплексируемыми-демультиплексируемыми входами.
Каждый мультиплексер имеет 4-е независимых входа/выхода (выводы nY0-nY3) и общие Common входы/выходы (выводы nZ).
Логику переключения задают выводы S0-S1 и вход управления состоянием — E.
Когда вывод E находится в LOW состоянии — один из четырех переключателей (определяют S0 и S1)приходит в активное состояние.
Когда вывод E в высоком состоянии — все переключатели находятся в высокоимпедансном состоянии, независимо от выводов S0 и S1
(на схеме в зеленных блоках — делители и стабилитроны).
В даташите представлена таблица функционального состояния выводов: 
Для подключения 16-ти входов потребовалось две 74HC4052 (существует более поздняя ревизия — HEF4052B). Стоят они совсем не дорого (8-15 рублей).
К микроконтроллеру подключил следующим образом: 
Контроллер как уже указал выше — MSP430G2553, недорогой (не жирный как stm32 конечно, для своих задач более чем годится), легкодоступный.
Да к тому же поддреживает Spy by wire, что имеется на большинстве современных Launchpad-ов.
Дальше из основного цикла, по прерыванию от таймера — вызываю функцию переключения каналов
И само прерывания от ADC
Получилось так: 
Чтобы перевести полученный результат в вольты — применим:
VREF 2.5
АЦП 10 битное (1023)
Один отсчет — VREF/1023 = 0.0024437 V
т.е. например 114 * 0.0024437 = 0,2785818 вольта.
Аналоговые мультиплесоры в настоящее время предлагет большое количество фирм (Maxim, Analog Device, TI и пр. пр.), у каждого есть преимущества и недостатки.
Если это высокая цена — значит прибор обладает низким уровнем шума или высоким быстродействием на переключение (с низким шумом), и наоборот.
74HC4052 в этом отношении — достаточно бюджетное решение.
Аналоговые коммутаторы (аналоговые ключи) на биполярных транзисторах
Выше рассмотрены ключи, в выходных цепях которых используются источники постоянного напряжения (источники питания). Назначение таких ключей состоит в том, чтобы создать на выходе или напряжение, близкое к нулю (когда ключ открыт), или напряжение, близкое к напряжению питания (когда ключ закрыт, а ток, потребляемый нагрузкой, подсоединенной к ключу, достаточно мал). Такая работа характерна для ключей цифровой электроники (их называют цифровыми ключами) и силовой электроники.
Рассмотрим простейшие схемы аналоговых ключей на биполярных транзисторах. На рис. 3.12, а представлена схема с общим эмиттером. Изобразим выходные характеристики транзистора для прямого и инверсного включения в области, близкой к началу координат (рис. 3.12, б). 
Через uвх обозначено входное напряжение, которое в зависимости от управляющего сигнала uупр подается или не подается на нагрузку Rн. напряжение uвх может быть как положительным, так и отрицательным. Если uвх > 0, то рассматриваемый аналоговый ключ работает так же, как изученный ключ с постоянным напряжением питания. Если uвх < 0, транзистор работает в инверсном режиме.
На практике для уменьшения величины U транзистор включают так, чтобы роль эмиттера играл коллектор, а роль коллектора — эмиттер. Изобразим соответствующие характеристики и схему, которую иногда называют схемой с бщим эмиттером при инверсном включении транзистора (рис. 3.13).
Из-за несимметрии структуры транзистора, различия в концентрациях примесей в различных его областях остаточное напряжение для инверсного включения Uинв обычно значительно меньше напряжения U. Часто Uинв составляет 1…5 мВ. Но, используя инверсное включение, следует помнить, что максимально допустимое запирающее напряжение эмиттерного перехода обычно значительно меньше соответствующего напряжения для коллекторного перехода.
Обратимся к третьей простейшей схеме — схеме с общим коллектором (рис. 3.14).
Можно заметить, что последняя схема фактически повторяет предыдущую, отличаясь только условно-положительными направлениями токов и напряжений. Подобным образом соотносятся и характеристики.
Такие устройства называют также прерывателями. Изобразим схему аналогового ключа на основе такой микросхемы (рис. 3.16). Входной сигнал uвх может быть постоянным любой полярности или переменным. Управляющий сигнал передается через трансформатор.
Пусть в некоторый момент времени имеют место те полярности входного напряжения и напряжения на вторичной обмотке трансформатора, которые указаны без скобок, тогда транзисторы будет открыты и входной ток iвх будет положительным. Транзистор Т1 будет работать в нормальном режиме, причем он включен по схеме с общим коллектором. В соответствии с приведенными выше характеристиками в режиме насыщения uкэ1 < 0.
Для уяснения особенностей работы схемы полезно учитывать сделанное выше замечание о том, что используемые в рассматриваемом ключе простейшие схемы фактически совпадают. В случае такой полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, которая указана в скобках, ключ будет закрыт. Для данной микросхемы ток утечки не более 40 нА. Максимальный ток открытого ключа — 10 мА.
Компенсированные транзисторные ключи входят в состав различных микросхем серий 124, 129, 162.
Стандартные компоненты от TI: аналоговые коммутаторы и их применение
Texas Instruments TS12A4516 TS5A3159 TS3USB221 TS2PCIE2212
Филипп Пишо, Кристофер Грейвс (Texas Instruments)
В статье инженеров компании Texas Instruments рассматривается проблема выбора аналоговых коммутаторов для различных электронных разработок в промышленности, бытовой технике и сетевом оборудовании. Приведены технические характеристики рекомендуемых компанией аналоговых коммутаторов TS12A4516, TS5A3159, TS3USB221 и TS2PCIE2212.
Аналоговые коммутаторы все чаще применяются в различном конечном оборудовании, включая бытовую электронику (оборудование мобильной связи и аудиосистемы), промышленные системы и сетевое оборудование. Каждая область применения устанавливает особые требования, что осложняет задачу разработчиков при выборе оптимального коммутатора. Оптимизации разработки с применением аналогового коммутатора способствует правильный выбор сочетания сопротивления коммутатора во включенном состоянии (RDS(ON)) и его емкости во включенном состоянии (CON).
Современные аналоговые коммутаторы состоят либо из транзистора с каналом n-типа и транзистора с каналом p-типа, либо из транзистора с каналом n-типа и генератора подкачки заряда. В реальных условиях изменение выходного сигнала обусловлено паразитным эффектом коммутатора. Результатом может быть снижение амплитуды, искажение сигнала, фазовый сдвиг, возникновение помех и подавление частот.
Параметры, способствующие возникновению неидеальных характеристик:
- RDS(ON) – сопротивление в открытом состоянии от стока к истоку полевого транзистора
- CON/COFF – емкость в состоянии «вкл» и «выкл»
- RONFLAT – равномерность сопротивления в состоянии «вкл»
- QC – инжекция заряда
- Перекрестные помехи/развязка в состоянии «выкл»
Все эти характеристики обладают сильной взаимозависимостью. Следовательно, разработчик должен с особым вниманием отнестись к выбору компромиссных решений для каждого отдельного случая с учетом особенностей применения.
Как упоминалось ранее, существует две основных структуры аналоговых коммутаторов (рис. 1).
Рис. 1. Основные структуры аналоговых коммутаторов
Для обеих этих КМОП-структур сопротивление и емкость коммутатора во включенном состоянии будут определяться характеристиками канала. Сопротивление и емкость по мере усложнения процесса будут снижаться за счет наибольшего рабочего напряжения из-за более тонкого слоя подзатворного оксида. О компромиссе можно говорить в том случае, когда ширина транзистора в коммутаторе увеличивается для снижения сопротивления RDS(ON). Однако это приводит к увеличению емкости CON/COFF.
Чаще всего применяются аналоговые коммутаторы с параллельными МОП-транзистором с каналом р-типа и МОП-транзистором с каналом n-типа, так как это обеспечивает двунаправленный путь с низким сопротивлением для любого входного сигнала в диапазоне от VDD до VSS. Альтернативой является МОП-транзистор с каналом n-типа, где уровень напряжения на затворе превышает значение VDD вследствие воздействия генератора подкачки заряда. Это позволяет сохранять низкое сопротивление канала для всего диапазона входных сигналов. Дополнительным преимуществом является отсутствие транзистора с каналом р-типа, который снижает общую емкость аналогового коммутатора. Если по условиям разработки для определенного процесса допускается воздействие достаточно высокого напряжения генератора подкачки заряда на целостность оксидного слоя затвора, то кривую зависимости RDS(ON) от входного сигнала для коммутатора с генератором подкачки заряда можно сдвинуть вниз и сделать более плоской, как покaзано на рис. 2. Самый большой недостаток коммутатора с генератором подкачки заряда — невозможность его использования в портативных устройствах, обусловленная тем, что внутренний генератор и генератор подкачки заряда обычно потребляют около 100 мкА.
Рис. 2. Сравнение RDS (ON) для коммутатора с каналом n-/р-типа и коммутатора с генератором подкачки заряда
Теперь мы знаем, что при рассмотрении конструкции аналоговых коммутаторов основное внимание должно уделяться сопротивлению и емкости во включенном состоянии. Так как кремниевый коммутатор не является идеальным, сигнал, который проходит через коммутатор, изменяется благодаря его внутренним сопротивлению (R) и емкости (C). Основной мерой сбоя сигнала являются вносимые потери. По существу, это снижение максимальной мощности, которое может произойти при размещении коммутатора на пути прохождения сигнала. Как правило, измерение вносимых потерь осуществляется при входном сопротивлении осциллографа 50 Ом, как показано на рис. 3, что приводит к снижению амплитуды сигнала.
Рис. 3. Вносимые потери и кривые измерения ширины полосы пропускания
На рисунке показаны кривые вносимых потерь для трех аналоговых коммутаторов с различными характеристиками сопротивления (RDS(ON)) и емкости (CON). По причине взаимозависимости сопротивления и емкости во включенном состоянии, частотная характеристика кривой вносимых потерь будет определяться полным сопротивлением коммутатора. Далее приводятся характеристики трех коммутаторов:
Коммутатор 1 — RDS(ON) = 1,1 Ом, CON = 84 пФ
Коммутатор 2 — RDS(ON) = 6 Ом, CON = 6 пФ
Коммутатор 3 — RDS(ON) = 14 Ом, CON = 4 пФ
Ясно видно, что вносимые потери на низких частотах обусловлены значением сопротивления RDS(ON). Емкость выглядит как обрыв и лишь в незначительной степени влияет на полное сопротивление коммутатора. Тем не менее, по мере увеличения частоты, емкость коммутатора (CON) начинает оказывать все большее влияние во вносимые потери. Второй параметр аналогового коммутатора, который может быть определен по данной диаграмме — ширина полосы пропускания. Для коммутатора ширина полосы пропускания рассчитывается путем определения частоты, в которой вносимые потери снижаются на 3 дБ с начальной НЧ-точки. В большинстве случаев ширина полосы пропускания -3 дБ будет увеличиваться по мере снижения емкости во включенном состоянии независимо от сопротивления коммутатора. Несмотря на это, для областей применения, в которых используются частоты сигнала в диапазоне 100. 500 МГц, лучше использовать коммутатор 2, так как он имеет более низкие вносимые потери, чем коммутатор 3, что объясняется более низким сопротивлением в открытом состоянии.
Сопротивление и емкость аналогового коммутатора воздействуют не только на амплитуду проходящего сигнала, но и на его качество. Для повышения качества сигнала в системе следует свести к минимуму суммарный коэффициент гармонических искажений (THD). Как следует из названия, суммарный коэффициент гармонических искажений имеет непосредственное отношение к звуковым системам при низких частотах. Следовательно, сопротивление коммутатора будет основным фактором при определении характеристики системы, как это следует из уравнения, приведенного ниже:
В данном случае, RFLAT — это изменение RDS(ON) по всему диапазону входного сигнала, а RLOAD — полное сопротивление (импеданс) нагрузки, например, наушников или динамика. По мере снижения сопротивления коммутатора кривая зависимости RDS(ON) от входного сигнала будет становиться более плоской, и суммарный коэффициент гармонических искажений будет снижаться.
Подобным же образом на характеристики высокочастотной системы сильно влияет качество сигнала, который часто отображается на глазковой диаграмме. Для этих высокоскоростных систем решающее значение имеет большой раскрыв глазковой диаграммы. Изменение происходит по мере возрастания амплитуды сигнала и пограничных показателей. Оба этих параметра могут быть оптимизированы путем снижения емкости коммутатора в открытом состоянии в интересующем диапазоне входного сигнала. На рис. 4 представлены две глазковых диаграммы при скорости передачи сигналов 208 МГц.
Рис. 4. Глазковые диаграммы
Слева представлена глазковая диаграмма для TS5A23157, емкость в открытом состоянии (CON) которого составляет 18 пФ. Справа представлена глазковая диаграмма для TS3DS26227, емкость в открытом состоянии (CON) которого ниже и составляет 10.5 пФ. Результатом является позитивное изменение раскрыва глазковой диаграммы с более крутым фронтом.
Как было сказано выше, значения RDS(ON) и CON обладают высокой взаимозависимостью и зависят от структуры коммутатора. Поэтому очень важно выбрать коммутатор, подходящий именно для данной области применения.
Например, разработчику, который хочет переключить звуковые сигналы (различные варианты применения: телефонная трубка, бытовая электроника, профессиональные аудиосистемы и т.д.) следует крайне тщательно выбирать коммутатор с отличными характеристиками сопротивления во включенном состоянии RDS(ON) (сопротивление 0.5. 1.5 Ом, равномерность сопротивления 0.15 Ом), так как это повлияет на искажение сигнала, тогда как ширина полосы пропускания, а, следовательно, и емкость во включенном состоянии (CON), не играют большой роли (допустимое значение > 50 пФ). Для областей применения со средней скоростью, как, например, передача данных через USB, следует найти надлежащий компромисс между скоростью (а, следовательно, и значением CON) и ослаблением сигнала. В этом случае пользователь должен рассмотреть возможность высокой скорости (до 1.1 ГГц) с сохранением надлежащих характеристик RDS(ON) (5. 6 Ом), чтобы удерживать ослабление сигнала на как можно более низком уровне. И, наконец, для видеосистем (PCI Express или HDMI) необходимо подобрать самый быстрый коммутатор для поддержки скорости потока видеоданных. Скорее всего, предпочтение будет отдано коммутатору с МОП-структурой «транзистор с каналом n-типа/генератор подкачки заряда», который демонстрирует лучшие характеристики CON. Однако следует учесть, что это происходит за счет более высокого значения RDS(ON) и более значительного потребления энергии.
Дополнительные возможности применения, например, в промышленности (регулировка усиления, предварительное формирование и преобразование сигнала) соотносятся с другими основными требованиями, в частности, диапазоном входного сигнала и способностью использовать двойное напряжение питания. При выборе коммутатора следует рассматривать и другие параметры, в том числе инжекцию заряда, перекрестные помехи, ток в рабочей точке и изоляцию в закрытом состоянии.
В заключение приводятся характеристики четырех коммутаторов (табл. 1) для четырех различных вариантов применения. Таблица может помочь в поиске компромиссного решения с учетом области применения и структуры коммутатора.
Таблица 1. Характеристики аналоговых коммутаторов Texas Instruments
Аналоговые ключи и мультиплексоры VISHAY
Цифровые коммутаторы обеспечивают переключение и передачу двоичных (бинарных) сигналов. Несмотря на функциональное сходство между цифровыми и аналоговыми ключами, требования к последним сильно отличаются от требований к цифровым переключателям, что приводит к совершенно другим подходам, с помощью которых следует разрабатывать и выбирать аналоговые ключи и мультиплексоры.
Основным ключевым элементом этих устройств является МДП-транзистор (MOSFET). Благодаря низкому сопротивлению в замкнутом состоянии, высокому сопротивлению в режиме отсечки, низким токам утечки и малым паразитным емкостям, МДП-транзисторы с успехом используются в качестве аналоговых ключей, управляемых напряжением. Некоторые применения аналоговых ключей и мультиплексоров показаны на рисунке 1.
Рис. 1. Возможные применения аналоговых ключей и мультиплексоров
В портативных устройствах аналоговые переключатели используются для коммутации входных и выходных сигналов. С помощью аналогового мультиплексора можно из одноканального АЦП сделать многоканальный. Два аналоговых мультиплексора, например, DG408 позволяют создать усилитель с управляемым коэффициентом передачи и несколькими входами для коммутации сигналов с нескольких источников сигнала, например, датчиков.
Аналоговый коммутатор с идеальными характеристиками должен вести себя как выключатель или переключатель, то есть передавать сигнал в нагрузку без потерь и нелинейных искажений в широкой полосе частот. Обеспечить близкие к идеальным передаточные характеристики у аналоговых ключей непросто (см. рисунок 2). Одиночный N-канальный или P-канальный МДП-транзисторы могут использоваться в качестве аналогового ключа, однако сопротивление одиночных транзисторов во включенном состоянии Ron будет сильно зависеть от величины коммутируемого сигнала. Сопротивление Ron можно существенно уменьшить, если включить комплементарные полевые транзисторы параллельно и управлять ими парафазными сигналами со входа и выхода инвертора, что обеспечивает практически одновременное включение и выключение этих ключей. Зависимости сопротивлений Ron от уровня входного сигнала показаны в нижней части рисунка 2.
Рис. 2. Механический и аналоговый ключи и зависимости сопротивлений аналоговых ключей от Uвх.
Искажения при передаче сигнала в аналоговых ключах определяются следующими факторами:
- ненулевое сопротивление ключа во включенном состоянии и его конечное значение в выключенном режиме;
- нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжений на управляющем и информационном входах;
- ограничение по амплитуде и полярности коммутируемого сигнала на входе;
- взаимосвязь между коммутируемым и управляющим сигналом (свой вклад в это вносят паразитные емкости и токи утечки).
Динамические погрешности аналоговых ключей возникают из-за задержки сигналов управления, проходящих через несколько каскадов. Этот фактор особенно важен в мультиплексорах, так как нельзя допустить включение канала пока не выключен предыдущий. Поэтому в многоканальных аналоговых коммутаторах схемными методами обеспечивают гарантированную задержку для невозможности одновременного включения двух или более каналов. При переключении аналогового коммутатора сигнал управления через паразитные емкости ключа инжектирует некоторый заряд (charge injection) в проводящий канал ключа. Это приводит к искажениям сигнала при передаче сигнала через ключ, что особенно ощутимо для высокочастотного спектра входного сигнала. Величину инжектируемого заряда для каждого аналогового ключа производители обязательно указывают в своей документации.
На рисунке 3 показаны основные конфигурации аналоговых ключей фирмы Vishay.
Рис. 3. Основные конфигурации аналоговых ключей и мультиплексоров Vishay
Наибольшей популярностью у разработчиков пользуются одиночные аналоговые мультиплексоры 8:1 и сдвоенные мультиплексоры 4:1. Среди аналоговых ключей наиболее востребованы конфигурации SPSTx4, NO (счетверенные нормально разомкнутые — схемы и расшифровки приведены на рисунке 3), счетверенные нормально замкнутые SPSTx4, NC, одиночные и сдвоенные переключатели SPDTx1 и SPDTx2. Серии аналоговых ключей и их основные свойства приведены в таблице 1, а основные параметры наиболее популярных и перспективных аналоговых коммутаторов сведены в таблицу 2.
Таблица 1. Серии аналоговых ключей и мультиплексоров VISHAY и их основные свойства
| Наименование | Основные параметры и свойства |
|---|---|
| DG2xx, DG3xx, DG4xx | Напряжения питания от ±5 до ±15 В (44 В максимум), КМОП, Rail-to-Rail, широкая номенклатура |
| DG4xxL | Напряжения питания от ±2,7 до ±6 В или от 2,7 до 12 В (низковольтная версия серии DG4xx) |
| DG6xx | Ультранизкие значения паразитных емкостей, высокое быстродействие и широкая полоса пропускания |
| DG94xx | Высокая точность, низкое Ron (от 2 до 4 Ом); однополярное и двуполярное питание; оптимизированы для питания ±5 В, возможно управление от низковольтной логики |
| DG20xx/DG25xx | Напряжения питания от 1,8 до 5,5 В; высокое быстродействие; низкие Ron, ток утечки и шум при переключении; широкая полоса пропускания |
| DG27xx | Для самых низковольтных приложений, напряжения питания от 1,6 до 3,6 В; ультранизкое Ron (<0,5 Ом при 2,7 В); высокое быстродействие |
| DG23xx | Скоростные шинные переключатели |
Таблица 2. Популярные и перспективные аналоговые ключи и мультиплексоры VISHAY
| Наименование | Мин. Uпит. (при одно- полярном питании), (В) | Макс. Uпит. (при одно- полярном питании), (В) | Мин. Uпит. (при дву- поляр- ном пита- нии), (В) | Макс. Uпит. (при дву- полярном питании), В | Ron, (Ом) (сопро- тивление при вклю- ченном состо- янии) при напря- жении, B | IS(OFF) = ток утечки при 25°С, нА | Твкл. (Ton), макс., нс | Инжек- тиру- емый заряд, пКл | Пере- крест- ные помехи между каналами на частоте 1 МГц, дБ | Потреб- ляемая мощ- ность, мВт | Корпус(а) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Аналоговые мультиплексоры 8:1х1 | |||||||||||
| DG408 | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 100/±15 | 0,5 | 250 | 20 | -40 | 7,5 | SO-16, TSSOP-16, DIP-16 |
| DG408L | 2,7 | 12 | ±2,7 | ±6,5 | 29/+12 | 1 | 95 | 1 | -70 | 8,4 | SO-16, TSSOP-16 |
| Аналоговые мультиплексоры 4:1х2 | |||||||||||
| DG409 | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 100/±15 | 0,5 | 250 | 20 | -40 | 7,5 | SO-16, TSSOP-16, DIP-16 |
| DG409L | 2,7 | 12 | ±2,7 | ±6,5 | 29/+12 | 1 | 95 | 1 | -70 | 8,4 | SO-16, TSSOP-16 |
| Аналоговые ключи SPSTx4, NO (Normally Open — нормально разомкнутые) | |||||||||||
| DG412 | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 35/±15 | 0,25 | 175 | 5 | -68 | 0,045 | SO-16, DIP-16 |
| DG412L | 2,7 | 12 | ±2,7 | ±6,5 | 30/+12 | 1 | 85 | 5 | -70 | 0,036 | SO-16, TSSOP-16 |
| DG412HS | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 35/±15 | 5 | 105 | 22 | -90 | 0,049 | SO-16, QFN-16, DIP-16 |
| DG442 | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 85/±15 | 0,5 | 250 | 1 | -60 | 1,5 | SO-16, DIP-16 |
| DG442B | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 80/±15 | 0,5 | 300 | 4 | -70 | 0,03 | SO-16, QFN-16, DIP-16 |
| DG442L | 2,7 | 12 | ±2,7 | ±6,5 | 30/+12 | 1 | 136 | 5 | -70 | 0,024 | SO-16, TSSOP-16 |
| DG445 | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 85/±15 | 0,5 | 250 | 1 | -60 | 0,045 | SO-16, DIP-16 |
| DG445B | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 80/±15 | 0,5 | 300 | 4 | -70 | 0,03 | SO-16, QFN-16, DIP-16 |
| Аналоговые ключи SPSTx4, NC (Normally Closed — нормально замкнутые) | |||||||||||
| DG441 | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 85/±15 | 0,5 | 250 | 1 | -60 | 1,5 | SO-16, DIP-16 |
| DG441B | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 80/±15 | 0,5 | 300 | 4 | -70 | 0,03 | SO-16, QFN-16, DIP-16 |
| DG441L | 2,7 | 12 | ±2,7 | ±6,5 | 30/+12 | 1 | 136 | 5 | -70 | 0,024 | SO-16, TSSOP-16 |
| DG444 | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 85/±15 | 0,5 | 250 | 1 | -60 | 0,045 | SO-16, DIP-16 |
| DG444B | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 80/±15 | 0,5 | 300 | 4 | -70 | 0,03 | SO-16, QFN-16, DIP-16 |
| Аналоговые ключи SPDTx1 | |||||||||||
| DG419 | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 35/±15 | 0,25 | 175 | 60 | -60 | 0,045 | SO-8, DIP-8 |
| DG419L | 2,7 | 12 | ±2,7 | ±6,5 | 20/+12 | 1 | 75 | 1 | -90 | 0,036 | SO-8, MSOP-8 |
| DG469 (New) | 13 | 36 | ±7 | ±22 | 3,6/±10 | 0,5 | 200 | 58 | -60 | 0,03 | SO-8, MSOP-8 |
| Аналоговые ключи SPDT x 2 | |||||||||||
| DG636 (New) | 2,7 | 12 | ±2,7 | ±6,5 | 115/±3 | 0,1 | 70 | 0,5 | -80 | 0,02 | TSSOP-14, miniQFN-14 |
Серии DG2xx, DG3xx, DG4xx могут работать при широких диапазонах напряжений питания вплоть до 44 В (полный размах напряжений питания). Ключи этих серий имеют Rail-to-Rail входы и выходы, имеют очень широкую номенклатуру и пользуются широкой популярностью у разработчиков.
Серия DG4xxL — это низковольтная версия серии DG4xx. Буква «L» (Low — низкий) информирует о низковольтном питании этих ключей от ±2,7 до ±6 В при двуполярном питании или от 2,7 до 12 В при однополярном включении.
Серия DG6xx предназначена для коммутации высокочастотных сигналов благодаря ультранизким значениям паразитных емкостей и широкой полосе пропускания, чем обеспечивается очень высокое быстродействие. Заинтересовать разработчиков могут новые аналоговые ключи из этого семейства DG636 с инжектируемым зарядом всего 0,5 пКл (параметры этих ключей приведены в таблице 2).
Серия DG94xx характеризуется высокой точностью передаточной характеристики при низком сопротивлении во включенном состоянии (от 2 до 4 Ом). Ключи этой серии оптимизированы для работы от напряжения ±5 В, но благодаря встроенным преобразователям уровней могут работать и от питания одной полярности с управлением от низковольтной логики.
Серии DG20xx/DG25xx оптимизированы для низковольтных приложений при питании от 1,8 до 5,5 В. Несмотря на напряжение питания от 1,8 В, серии характеризуются малыми сопротивлениями Ron и токами утечки, низкими шумами при переключении и широкой полосой пропускания.
Серия DG27xx предназначена для самых низковольтных приложений с диапазоном напряжений питания от 1,6 до 3,6 В. Это не помешало этой серии ключей достичь низкого сопротивления во включенном состоянии (менее 0,5 Ом при 2,7 В) и обеспечить достаточно высокое быстродействие.
При выборе аналоговых ключей к некоторым параметрам, приведенным в таблицах документации производителя, нужно относиться с особым вниманием. Дело в том, что в таблицах приводятся характеристики при определенных условиях измерения, но в реальном устройстве микросхема работает при изменении параметров в некоторых диапазонах. Из этого следует, что необходимо внимательно изучать графические зависимости, приводимые производителем в документации (datasheet). Например, во многих случаях для аналоговых ключей очень важны вносимые потери и гармонические искажения, изоляция между каналами при отключенном состоянии и проникновение перекрестных помех между каналами. Эти параметры очень важны для высококачественной звуковой аппаратуры и прецизионных измерительных приборов.
Рассмотрим эти графики на примере новых аналоговых переключателей с конфигурацией SPDTx1 — DG469/DG470. Новые ключи характеризуются низкими гармоническими искажениями и малыми значениями сопротивления в замкнутом состоянии 3,6 Ом при относительно широкой полосе пропускания и приемлемых параметрах, характеризующих изоляцию между каналами (см. рисунок 4).
Рис. 4. Частотные зависимости параметров изоляции и гармонических искажений для новых аналоговых ключей DG469/DG470
OIRR — Off Isolation — параметр, характеризующий изоляцию в отключенном режиме, XTALK — Channel-to-Channel Crosstalk — параметр для оценки проникновения перекрестных помех между каналами. Необходимо учитывать, что при однополярном питании гармонические искажения гораздо выше по сравнению с двуполярным включением аналоговых ключей. С ростом частоты существенно ухудшаются параметры изоляции и возрастает проникновение перекрестных помех между каналами, поэтому при выборе ключей необходимо учитывать диапазон частот коммутируемых сигналов.
Несколько слов о корректном подходе к выбору аналогового ключа по сопротивлению канала Ron во включенном состоянии. На первой странице документации обычно приводится типовое значение этого параметра при определенных условиях измерения. Однако при работе ключей в условиях изменения входного напряжения в диапазоне Rail-to-Rail и широком диапазоне рабочих температур сопротивление Ron меняется в довольно широких пределах, что обязательно нужно учитывать при конструировании аппаратуры, работающей в жестких условиях эксплуатации. Кроме того, Ron при двуполярном питании существенно меньше по сравнению с режимом однополярного питания. Эти моменты показаны на примере новых ключей DG451/DG452/DG453, состоящих из четырех независимых высоковольтных ключей с напряжением питания до 44 В (см. рисунок 5).
Рис. 5. Зависимости Ron от коммутируемого напряжения, температуры окружающей среды для DG451/DG452/DG453 при двуполярном или однополярном режимах питания
Обратите внимание, что при двуполярном питании во всем диапазоне рабочих температур от -40 до 125°С сопротивление Ron изменяется примерно в два раза, а при однополярном питании — в три раза. Таким образом, для приложений, где на первом месте точность измерений, двуполярное питание предпочтительнее. Однако в современных условиях все чаще в автономных приборах используется однополярное питание, поэтому тем более аккуратно нужно относиться к параметрам, приведенных в заголовке первых страниц документации производителя. Необходимо отметить, что новые аналоговые ключи DG469/DG470 совместимы по выводам с популярными коммутаторами DG411, DG412 и DG413 при меньшем сопротивлении Ron и более высоком быстродействии.
На рисунке 6 показаны графические зависимости основных параметров для новых аналоговых ключей DG636 с ультранизким значением инжектируемого заряда и низкими гармоническими искажениями в широкой полосе частот. Необходимо учесть, что инжектируемый заряд довольно сильно зависит от уровня коммутируемого сигнала и напряжения питания (см. рисунок 6).
Рис. 6. Зависимости основных параметров аналоговых ключей DG636 с ультранизким инжектируемым зарядом
Опять же при двуполярном питании линейность этой зависимости значительно лучше. При однополярном включении DG636 абсолютное значение величины инжектируемого заряда также существенно больше, чем при двуполярном питании. Существенно ниже при двуполярном питании и гармонические искажения (коэффициент гармоник) во всем диапазоне рабочих частот. Одним словом, при двуполярном питании всегда достигаются значительно лучшие характеристики, но ничего не дается бесплатно: нужны два источника питания, что усложняет схему. Однако если устройство уже содержит источник питания с двумя полярностями, то лучше использовать двуполярное включение аналоговых коммутаторов.
SiP4282 — Р-канальные ключи с управляемой скоростью нарастания и коммутируемым током 1 А
Среди выпускаемых компанией Vishay аналоговых ключей есть приборы SiP4282 с коммутируемым током до 1 А и управляемой скоростью нарастания выходного напряжения при включении. Эти ключи используются для включения и выключения питания в приборах портативной электроники: цифровых фотоаппаратов, мобильных телефонов и т.д. Для SiP4282-1 время нарастания выходного напряжения составляет 1 мс, а для SiP4282-3 задержка включения в десять раз меньше и находится в пределах 100 мкс, что резко снижает величину пускового тока при включении. Микросхемы предназначены для работы в устройствах с диапазоном питания от 1,8 до 5,5 В и имеют схему блокировки при понижении напряжении питания, что обеспечивает отключение коммутаторов при недопустимо низком входном напряжении. Ключи имеют сопротивление в открытом состоянии 140 мОм при 5 В и 175 мОм при 3 В (типовые значения), низкий собственный ток потребления 2,5 мкА и ток потребления при отключенном состоянии (режим Shutdown) менее 1 мкА. Микросхемы выпускаются в миниатюрном корпусе SC75-6. Структурная схема SiP4282 показана на рисунке 7.
Рис. 7. Структурная схема аналоговых ключей SiP4282
Главный ключевой элемент микросхемы SiP4282 — P-канальный полевой транзистор. Схема управляется логическими ТТЛ- или КМОП-уровнями, работает в диапазоне рабочих температур от -40 до 85°С.
На рисунке 8 показаны зависимости Ron от входного напряжения при разных токах нагрузки.
Рис. 8. Зависимости сопротивления во включенном состоянии Ron от входного напряжения и тока нагрузки, а также тока утечки от температуры для SiP4282
Наилучшие режимы для микросхемы SiP4282 достигаются при напряжении питания около 5 В. В этом случае сопротивление открытого транзистора Ron составляет менее 150 Ом. При температуре около 85°С значительно растет ток утечки, что необходимо учитывать в некоторых приложениях.