Коммутатор цифровых сигналов с одного входа на n выходов
Обновлено: 03.07.2024
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
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
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 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.
Рис. 4. Частотные зависимости параметров изоляции и гармонических искажений для новых аналоговых ключей DG469/DG470
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
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.
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
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.
При конструировании сложных устройств и систем автоматики и телемеханики очень удобно применять коммутаторы цифровых и аналоговых сигналов.
Микросхемы К176КТ1 и К561КТЗ - это четырехканальные коммутаторы цифровых и аналоговых сигналов, которые имеют одинаковую функциональную схему и цоколевку (рис .1).
Каждый ключ имеет вход и выход сигнала, а также вход разрешения прохождения сигнала DE . Эквивалентная схема ключа в К176КТ1 - однополюсная, т.е. только на замыкание электронного контакта. Здесь управляющей "кнопкой" служит вход DE . В К561КТЗ - ключ двойной, оппозитивный: когда проходной канал разомкнут, вход заземляется, если канал замкнут, вход его отмыкается от нуля напряжения. Управляются оба "контакта" также от одного входа DE . Активный уровень на входе DE , замыкающий канал, для КТ1 и КТЗ одинаковый - высокий.
Канал проводимости в этих коммутаторах двунаправленный.
Микросхемы К561КП2 (рис. 2) и К561КП1 (рис. 3) - мультиплексоры- демультиплексоры.
Мультиплексор - это операционный узел, имеющий несколько информационных D -входов и один выход DO и осуществляющий последовательное подключение этих входов к выходу в соответствии с адресным кодом, поступающим на дополнительные (адресные) входы.
Демультиплексор восстанавливает мультиплексированную информацию: в соответствии с принятым адресом он направляет сигнал со входа D на выход DO .
Микросхема К561КП2 имеет восемь входов и один выход; у микросхемы К561КП1 те же восемь каналов организованы как четырехканальный диф ференциальный коммутатор. Обе микросхемы могут коммутировать цифровые и аналоговые сигналы. Микросхемы имеют два вывода питания: положительное 11и.п. подается на вывод 16, на вывод 7 может быть подано отрицательное напряжение - Un . n .
Восьмиканальный вариант (К561КП2) управляется трехразрядным входным кодом (А, В, С), четырехразрядный - двухразрядным кодом (А, В). Обе схемы имеют вход разрешения DE . Если на нем присутствует высокий уровень, все каналы размыкаются. Номер включенного канала, соответствующий коду входов, можно определить по таблице 1.
1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь. 1989 г.
![рис. 3.41]()
Что такое мультиплексор?
Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов n и числом адресных входов m действует соотношение n = 2 m , то такой мультиплексор называют полным. Если n< 2 m , то мультиплексор называют неполным.
Функционирование двухвходового мультиплексора
Рассмотрим функционирование двухвходового мультиплексора (2 →1), который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов Х1Х2 и выхода Y приведено в таблице (рис. 3.41).
Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение:
На рис. 3.42 показаны реализация такого устройства и его условное графическое обозначение.
Основой данной схемы являются две схемы совпадения на элементах И, которые при логическом уровне «1» на одном из своих входов повторяют на выходе то, что есть на другом входе.
Если необходимо расширить число входов, то используют каскадное включение мультиплексоров. В качестве примера рассмотрим мультиплексор с четырьмя входами (4 → 1), построенный на основе мультиплексоров (2 → 1).
Схема и таблица состояний такого мультиплексора приведены на рис.3.43.
Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др.
Мультиплексор как устройство сдвига
Рассмотрим пример использования мультиплексоров для реализации так называемого комбинационного устройства сдвига, обеспечивающего сдвиг двоичного, числа по разрядам. Принцип функционирования данного устройства понятен из схемы устройства и таблицы состояний его входов и выходов (рис. 3.44).
В обозначении мультиплексоров используют две русские буквы КП, например, промышленностью выпускаются такие мультиплексоры, как К155КП1, К531КШ8, К561КПЗ, К555КП17 и др.
Демультиплексором называют устройство, в котором сигналы с одного информационного входа, поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.
Если соотношение между числом выходов n и числом адресных входов m определяется равенством n= 2 m , то такой демультиплексор называется полным, при n< 2 m демультиплексор является неполным.
Функционирование демультиплексора с двумя выходами
Рассмотрим функционирование демультиплексора с двумя выходами, который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов и выходов приведено в таблице (рис. 3.45).
Из этой таблицы следует: Y1=X·А Y2 = X·А т. е. реализовать такое устройство можно так, как показано на рис. 3.46.
Для наращивания числа выходов демультиплексора используют каскадное включение демультиплексоров. В качестве примера (рис. 3.47) рассмотрим построение демультиплексоров с 16 выходами (1 → 16) на основе демультиплексоров с 4 выходами (1 → 4).
При наличии на адресных шинах А0 и А1 нулей информационный вход X подключен к верхнему выходу DМХ0 и в зависимости от состояния адресных шин А2 и А3 он может быть подключен к одному из выходов DMX1. Так, при А2 = А3 = 0 вход X подключен к Y0. При А0 = 1 и А1 = 0 вход X подключен к DMX2, в зависимости от состояния А2 и А3 вход соединяется с одним из выходов Y4 − Y7 и т.д.
Функции демультиплексоров
Функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов. Дешифратор можно рассматривать как демультиплексор, у которого информационный вход поддерживает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора.
Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демультиплексоров используются одинаковые буквы — ИД. Выпускают дешифраторы (демультиплексоры) К155ИДЗ, К531ИД7 и др.
При использовании КМОП-технологии можно построить двунаправленные ключи, которые обладают возможностью пропускать ток в обоих направлениях и передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Благодаря этому можно строить мультиплексоры-демультиплек-соры, которые могут использоваться либо как мультиплексоры, либо как демультиплексоры.
Мультиплексоры-демультиплексоры обозначаются через MX. Среди выпускаемых мультиплексоров-демультиплексоров можно выделить такие, как К564КП1, К590КП1. Мультиплексоры-демультиплексоры входят в состав серий К176, К561, К591, К1564.
Устройство, переключающее электрические цепи, называется коммутатором. В вычислительной технике применяются в основном коммутаторы двух типов: осуществляющие подключение с нескольких входов на один выход и, наоборот, с одного входа на несколько выходов.
Коммутатор типа «несколько входов – один выход» (рис. 4.5, а)дает возможность подключать канал Y к разным источникам информации (D1, D2, D3).Выбор присоединяемого источника (одного из информационных входов коммутатора) осуществляется сигналом на адресном входе. Информация будет поступать из того канала, на элемент И которого подается разрешение в виде логической 1 с одного из адресных входов A1, A2, A3.Рассмотренный коммутатор выполнен на одной микросхеме, содержащей в корпусе три элемента И, выходы которых соединены с входами элемента ИЛИ.
Аналогичную задачу решает мультиплексор – коммутатор, в котором выбор входа по его номеру (адресу) осуществляется двоичным кодом.
На рис. 4.5, б приведен коммутатор типа «один вход – несколько выходов», позволяющий подключать канал источника цифровой информации D к разным каналам на выходе (Y1, Y2, Y3).Выбор выходного канала осуществляется подачей логической 1 с одного из адресных входов A1, A2, A3,активизирующей соответствующий конъюнктор. Коммутатор выполнен на одной микросхеме, содержащей в одном корпусе несколько элементов И.
Аналогичную задачу решает демультиплексор. В отличие от коммутатора выбор выхода демультиплексора осуществляется кодом, подаваемым на все адресные входы.
Рис. 4.5. Типы коммутаторов:
a – несколько входов – один выход;
б – один вход – несколько выходов
Мультиплексор (рис. 4.6) в вычислительных устройствах используется, например, для записи в регистр кодов, поступающих из разных запоминающих устройств или устройств ввода.
В цифровой телефонии он широко применяется для передачи множества телефонных разговоров по одному каналу связи, в системах автоматического управления – для подачи выходных сигналов от нескольких источников (например, однотипных датчиков) к одному приемному устройству (например, показывающему прибору). Подсоединение к источникам сигналов производится последовательно (в так называемых системах обегающего контроля) или адресно – по выбору оператора.
Показанный на рис. 4.6 мультиплексор позволяет подключать к выходу Y один из четырех информационных входов D0, D1, D2, D3.
Выбор информационного входа осуществляется подачей на два адресных входа А1 и А2 соответствующего кода: 00, 01, 10, 11. Например, при подаче на адресные входы сигнала 10
(т.е. десятичная двойка) на выходе 2дешифратора DC появляется 1, которая по входу 7 поступает на двухвходовый логический элемент И. На другой вход этого элемента поступает информационный сигнал по каналу D2.
Значит, именно этот второй информационный вход будет подключен к выходу Y мультиплексора. С помощью мультиплексора может быть организована передача сигналов по одному и тому же каналу (выходу Y)от нескольких источников информации, но не одновременно.
При подаче на адресные входы А1 и А2 кода 00 информация передается от входа D0,при подаче кода 01 – от входа D1 и т.д. Следовательно, можно сказать, что выход Y представляет собой канал с временным разделением сигналов. Это особенно важно тогда, когда один и тот же физический канал связи используется для передачи большого числа разных сигналов, например при обмене информацией в сети Интернет или при автоматическом управлении технологическими объектами.
После получения информации по такому единственному каналу связи Y ее необходимо разделить между соответствующими приемниками.
Эту задачу решает демультиплексор (рис. 4.7). Выбор соответствующего информационного выхода осуществляется с помощью адресного входа. Как и в схеме мультиплексора, используется дешифратор DC.
| Рис. 4.6. Мультиплексор | Рис. 4.7. Демультиплексор |
При подаче на адресные входы A1 и А2 сигнала 10 на выходе 2 появляется 1 и входной сигнал Y проходит на информационный выход D2.
Читайте также: