Рис. 4. Ключ на комплиментарных МОП-транзисторах

Таким образом, все сигналы в диапазоне от —U до U проходят через схему с малым сопротивлением (рис. 5). Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба ПТ, размыкая цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от —U до U. Это основа схемы большинства КМОП-ключей. Эта схема работает в двух направлениях — любой ее зажим может служить входным.

Рис. 5. Зависимость сопротивления ключа на КМОП транзисторах от входного напряжения

Выпускается большое количество интегральных КМОП-ключей в разных конфигурациях (например, несколько секций с несколькими полюсами каждая). Многие интегральные ключи очень удобны в употреблении. Они используют управляющий сигнал с уровнями ТТЛ, оперируют аналоговыми сигналами до ±15 В и имеют малое сопротивление (у некоторых — до 6 Ом). Типичными примерами отечественных микросхем аналоговых ключей являются микросхемы К176КТ1, К561КТ3 и ряд других.

ПАРАМЕТРЫ АНАЛОГОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Аналоговые ключи на ПТ имеют сопротивление во включенном состоянии от 6 до 500 Ом, а иногда даже больше. В комбинации с емкостью подложки и паразитными емкостями это сопротивление образует фильтр нижних частот (рис. 6), ограничивающий рабочие частоты значениями порядка 10 МГц и даже ниже. Полевые транзисторы с меньшим R_вкл обычно имеют большую емкость (у некоторых ключей до 50 пФ и более), так что выигрыша в скорости нарастания сигнала они не дают.

Рис. 6. Эквивалентная схема аналогового КМОП-ключа в замкнутом состоянии

Значительная доля ограничения частотной характеристики вызвана элементами защиты — последовательными токоограничивающими резисторами и шунтирующими диодами, присутствующими в структуре КМОП-микросхем. Существуют варианты аналоговых ключей, обеспечивающих пропускание сигналов более высокой частоты, что достигается за счет отказа от некоторых видов защиты. Например, избранные КМОП-ключи оперируют аналоговыми сигналами в обычном диапазоне ±15 В и имеют полосу пропускания 400 МГц.

Сопротивление в открытом (включенном) состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (скажем, 15 В), будут иметь относи тельно малые значения R_вкл во всем диапазоне значений сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное по крайней мере половине напряжения питания (рис. 5). Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа будет расти, и максимум его имеет место при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей (или между двумя напряжениями питания при двуполярном питании).

При уменьшении напряжения питания сопротивление ПТ во включенном состоянии становится значительно выше, так как для достижения малых значений R_вкл требуется напряжение затвор-исток не меньше чем 5-10 В. Параллельное сопротивление двух ПТ растет при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей. Пик сопротивления при напряжении входного сигнала, равном половине напряжения источника питания, будет увеличиваться по мере уменьшения напряжения питания. Поэтому при достаточно низком напряжении питания ключ для сигналов с уровнем около половины напряжения питания будет представлять разомкнутую цепь.

Имеются различные приемы, которые разработчики интегральных аналоговых ключей применяют, чтобы сохранить значение R_вкл малым и примерно постоянным во всем диапазоне измерения сигналов. На рис. 7 и 8 представлены типовые зависимости сопротивления во включенном состоянии аналогового ключа от напряжения его источника питания при одно- и двуполярном питании соответственно.

Рис. 7. Зависимость R_вкл типичного серийно выпускаемого ключа от входного напряжения U_вх при однополярном напряжении питания V

Рис. 8. Зависимость R_вкл типичного серийно выпускаемого ключа от входного напряжения U_вх при двуполярном напряжении питания V

Паразитные ёмкости. Ключи на ПТ обладают следующими паразитными емкостями: между входом и выходом (С_си), между каналом и землей (С_с, С_и), между затвором и каналом С_з, между двумя ПТ в пределах одного кристалла (С_сс, С_ии); см. рис. 9. Рассмотрим, какие эффекты они вызывают.

Рис. 9. Паразитные ёмкости аналоговых ключей

С_си (емкость сток-исток/вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению входного сигнала переменного тока через разомкнутый ключ. В большинстве низкочастотных применений сквозное емкостное прохождение не создает проблем. Если они все же возникают, наилучшим решением является использование пары каскадно-включенных ключей (рис. 10,а) или, что еще лучше, комбинации из последовательного и шунтирующего ключей, включаемых попеременно (рис. 10,б).

Рис. 10. Использование пары каскадно-включенных ключей (а) и шунтирующего ключа (б)

Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибеллах) ценой дополнительного R_вкл, в то время как последовательно-параллельная схема с шунтирующим ключом уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до R_вкл, когда последовательный ключ разомкнут.

Однополярные двусторонние КМОП-ключи с управлением, гарантирующим размыкание перед замыканием, выпускаются отдельными модулями. На практике можно встретить несколько таких ключей в одном корпусе. Высокочастотные ключи всегда имеют такую схему.

С_с, С_и (емкость стока и истока относительно земли) приводит к спаду частотной характеристики. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигналов, однако даже при фиксированном сопротивлении источника сопротивление ключа в сочетании с шунтирующей емкостью образует уже упоминавшийся нами фильтр нижних частот (рис. 6).

Емкость затвор-канал (С_з). Емкость между управляющим затвором и каналом вызывает еще один эффект — наводку переходных помех на цепь сигнала при замыкании или размыкании ключа. Скачок управляющего сигнала, поданный на затвор, может создавать емкостную наводку в канале и исказить коммутируемый сигнал до неузнаваемости. Это наиболее серьезно при уровнях входного сигнала, соответствующих высокому сопротивлению ключа. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала. Кроме этого, в мультиплексоре возможно кратковременное соединение входов через открытые ключи, если задержка выключения канала превосходит задержку включения.