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Ce que vous devez savoir sur les clés analogiques et les multiplexeurs

Depuis environ vingt-cinq ans, les commutateurs analogiques à semi-conducteurs intégrés et les multiplexeurs créés à leur base servent fidèlement les développeurs de produits électroniques. Le processus de fabrication a été amélioré, la conception des microcircuits a été modifiée - tout cela a permis de réduire la tension d'alimentation, la consommation électrique, la résistance de la clé publique, la charge injectée, le temps de commutation. Quelles sont les choses intéressantes proposées par Maxim dans ce groupe de 325 appareils?

L'architecture des clés et des multiplexeurs n'a pas beaucoup changé au fil des ans, mais la demande constante d'amélioration des performances incite les fabricants à développer de plus en plus de nouveaux dispositifs répondant aux exigences des développeurs. Pendant très longtemps, les transistors MOS (oxyde de métal) ont été utilisés comme commutateurs analogiques. Possédant une faible résistance dans un état conducteur et une résistance extrêmement élevée dans un état coupé, avec de petits points de fuite et une faible capacité, ils étaient presque des commutateurs analogiques à commande de tension idéaux. La nécessité de commuter des signaux dont l'amplitude est égale ou proche de celle de la tension d'alimentation oblige à résoudre ce problème en utilisant des commutateurs complémentaires MOSFET (CMOS). Le circuit bien connu 4066 est le circuit de clé analogique classique pour les signaux allant de la «masse» à une tension d’alimentation positive (Maxim fabrique cette puce appelée MAX4066). Il est contrôlé par un signal unipolaire provenant de puces logiques. Un seul transistor à effet de champ à canal p ou à canal p fonctionnant en mode enrichissement peut servir de commutateur analogique, mais sa résistance à l'état ouvert dépendra de manière significative de la taille du signal commuté.

La connexion en parallèle du transistor MOS à canal n et à canal p réduit considérablement cette dépendance. Une seule condition est nécessaire - ces transistors doivent être allumés et éteints simultanément. Des améliorations à long terme de la clé analogique basée sur des transistors CMOS ont abaissé le seuil de tension d'activation à 2,5-5,0 V. L'ajout d'un convertisseur de niveau a permis d'obtenir des signaux de commande de grille pour des transistors MOS complémentaires à partir de signaux d'entrée de niveau logique. Dans le même temps, la clé analogique peut maintenant commuter le signal analogique à un niveau de ± 15 V. Un diagramme de la clé moderne est présenté à la Fig. 1


Fig. 1. Schéma de la clé CMOS moderne

Le signal de commande a un niveau logique TTL. Dans ce cas, le commutateur CMOS des transistors Q9 et Q10 peut transmettre des signaux analogiques de niveau ± U. Les transistors Q11 et Q12 montrés dans le diagramme améliorent les performances clés en réduisant les fuites principales et la modulation de la résistance à canal ouvert. Ces deux transistors ne doivent jamais être allumés en même temps. Sinon, le bus d'alimentation négatif sera connecté à la charge et le temps d'activation / désactivation augmentera. Le mode de fonctionnement de sécurité des transistors Q11 et Q12 doit être fourni de manière constructive. Les clés MAX3XX implémentent des paramètres relativement bons pour la valeur de la résistance de la clé publique, pour les courants de fuite et les distorsions dynamiques de la transmission d'un signal important à une fréquence pouvant atteindre 500 KHz. Le moyen le plus simple d'améliorer les paramètres ci-dessus consiste à établir une connexion en parallèle avec les touches de la puce. Donc, MAX351, ayant 4 clés, avec une connexion en parallèle, a une résistance typique à l’ouverture de 5,5 ohms et une résistance maximale de 11,25 ohms. Simultanément, la variation maximale de la résistance de clé par rapport à une modification de la valeur du signal commuté ne dépasse pas ΔR ouvert ≤ 1,25 ohm.

Le signal commuté passe par les transistors ouverts de la clé. Le courant dans la clé ne provient pratiquement pas des sources d’alimentation. Mais pour compenser les niveaux et contrôler le courant de clé est nécessaire.

L'augmentation de courant se produit à une tension d'environ 0,8 V et 2,4 V, qui est associée au passage des transistors de l'état ouvert à l'état fermé (et inversement) et à leur passage à ce moment en mode linéaire. Si les tensions logique et analogique des alimentations sont égales, les courants dans le microcircuit s'écoulent au niveau du courant de fuite inférieur à 1 µA. Pour un fonctionnement normal d'un commutateur de tensions différentes (par exemple, +5 V et ± 15 V), il est nécessaire d'installer des condensateurs shunt 10 μF en parallèle avec chaque 100 nF sur chaque terminal source.

Les erreurs de clé dynamique sont déterminées par le fait que le signal de commande passe par plusieurs étapes et chacune a un retard. Ceci est particulièrement important dans les multiplexeurs multicanaux, par exemple 8 en 1. Il est impossible d'implémenter l'activation de canal ici, si le précédent n'est pas désactivé. C'est pourquoi, dans la puce MAX338, le délai de commutation garanti est introduit structurellement - au moins 10 ns. Lorsque la clé est allumée et éteinte, le signal de commande, via la capacité des transistors des étages préliminaires, injecte une charge dans le canal conducteur de la clé. Cela entraîne une erreur lors de la transmission du signal par la touche. La valeur de la charge injectée est d'autant plus petite que la résistance du canal ouvert est faible. Pour les mêmes raisons, les temps de montée et de descente du signal logique à l'entrée pour la plupart des schémas de touches MAXIM ne doivent pas dépasser 20 ns.

Connaissant les subtilités des clés de construction, leurs forces et leurs faiblesses, on peut trouver l’utilisation la plus large des commutateurs et multiplexeurs à semi-conducteurs dans les équipements électroniques. Ils peuvent fonctionner avec des fréquences radio jusqu’à 1 MHz et plus. La plupart des commutateurs analogiques fournissent une faible dissipation de puissance et nécessitent une interface logique simple. Le fonctionnement des touches dépend du courant de signal dans l'élément de commutation et, pour réduire les pertes de transmission, est généralement limité à des milliampères.

Pour réduire la diaphonie à des fréquences de l'ordre de 10 MHz ou plus, vous pouvez utiliser des touches (standard MAX312, MAX383, touches T vidéo MA4545) connectées selon un schéma en forme de T (Fig. 2). Une ou deux touches sont connectées à la terre avec une impédance faible (typique -40 ohm) et un excellent facteur de découplage (-80 dB à 10 MHz). Cependant, nous devons nous rappeler qu'avec une augmentation de la fréquence de fonctionnement du signal, la diaphonie et le découplage deviennent insatisfaisants.


Fig. 2. Circuit de commutation de clé en forme de T pour un signal de 10 MHz

Un circuit oscillateur simple à 2 fréquences, stabilisé par des résonateurs à quartz, est obtenu à l'aide d'une puce à quatre touches (MAX 383) avec une alimentation de ± 8 V ou, en utilisant du MAX 411, de ± 18 V.

Les circuits intégrés de commutateurs et de multiplexeurs peuvent être très utiles pour régler automatiquement le gain, la fréquence, la phase ou la tension. Par exemple, si vous envoyez un signal à une entrée non inverseuse d'un amplificateur opérationnel et configurez une matrice série résistive à la sortie, vous pouvez choisir l'un des 16 niveaux de gain à l'aide d'un multiplexeur à 16 canaux tel que MAX 306. En même temps, chaque touche est connectée d'un côté à sa "propre" résistance, et le second côté de toutes les touches est combiné et connecté à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel.

Utilisation répandue trouvé des clés analogiques dans les systèmes de son. Lorsqu'un signal traverse une touche, il ne doit pas se détériorer, y introduire de nouvelles informations, déformer la forme et la phase de l'onde. Complètement éviter cela ne peut pas être. Évidemment, toutes les distorsions devraient être minimisées. La valeur totale du coefficient de distorsion non linéaire (ТHD) est définie comme le rapport entre la racine carrée de la somme des carrés de la deuxième, de la troisième et de la troisième harmonique et de la valeur de la première (première) harmonique. Le choix d'une clé analogique avec un minimum de THD nécessite une - faible résistance à l'état ouvert (R on ) et, par conséquent, une légère irrégularité de la résistance R on ou de la planéité.

La planéité est définie comme la différence entre les valeurs de résistance maximale et minimale à l'état ouvert, mesurées dans une plage donnée d'un signal analogique. Souvent, (sauf indication contraire dans la documentation), la planéité est supposée correspondre à 10% de la résistance en canal ouvert. Les distorsions résultent de la connexion en parallèle de transistors à canal p et n, qui présentent des caractéristiques de résistance non linéaires à l'état ouvert.

Pratiquement, la distorsion non linéaire maximale est déterminée par la relation suivante:


où r est la chaleur - la charge connectée en série avec la clé.


Fig. 3. La dépendance du coefficient de distorsion non linéaire total (THD) pour la fréquence

Sur la fig. La figure 3 montre la dépendance de THD sur la fréquence pour les trois touches MAX 4501, MAX4544 et MAX4621 avec une charge d'essai R charge . = 10 kΩ

Ces graphiques montrent que dans les systèmes sonores afin de minimiser la distorsion non linéaire totale, il est nécessaire de sélectionner des clés à très faible résistance à l'état ouvert.

Les clés analogiques CMOS ont sans aucun doute de nombreuses qualités utiles, de sorte que la plupart des développeurs les considèrent comme la norme et les utilisent dans une grande variété d’applications.

Faisons attention à certains paramètres techniques des clés. Aujourd'hui, de nombreux commutateurs analogiques fonctionnent avec une seule alimentation basse tension. Des commutateurs basse tension avec alimentation unipolaire et signaux logiques conformes aux normes CMOS et aux niveaux TTL sont également utilisés. Mais il existe aussi des touches fonctionnant avec une alimentation de ± 15 V ou ± 12 V. Pour les contrôler, une autre source d'alimentation est nécessaire, nommée V L , qui est généralement de 5 V ou de 3,3 V.

Si le signal logique est au niveau de V + (ou V L , s'il est présent), les touches analogiques ne font pas passer de courant de courant provenant de l'alimentation. En appliquant des niveaux TTL à une tension V L de cinq volts, il est possible d’augmenter le courant de la source d’alimentation de plus de 1000 fois. Pour éviter une consommation inutile de courant d'une source d'alimentation, évitez d'utiliser les niveaux de durée de vie (TTL) hérités des années 1980.

Le temps de commutation (t-on et t-off) de la plupart des commutateurs analogiques est de l'ordre de 60 nsec. jusqu'à 1 msec.

Pour les commutateurs de son «sans clic» de MAXIM, le temps de commutation est augmenté à la milliseconde, ce qui éliminera les clics audibles.

Nous voyons donc que pour transmettre un signal avec une distorsion minimale, vous avez besoin soit de la résistance minimale de la clé à l'état ouvert, soit de la charge maximale possible à la sortie de la clé. Considérez un autre aspect lors du changement: l’effet de l’injection de charge. Pour obtenir une valeur ON faible, une extension de zone de canal est requise. Il en résulte une capacité d'entrée élevée et la charge correspondante: une augmentation de la puissance dissipée par le courant de charge-décharge à chaque cycle de commutation. Le temps de charge constant t = R × C dépend de la résistance (R ON ) et de la capacité (C) de la charge. Cela dure généralement plusieurs dizaines de nanosecondes, mais les touches à faible résistance ont une période d'activation / désactivation plus longue. Les touches avec R ON élevé sont plus rapides. MAXIM propose les deux types de clés - avec la même base et dans le même boîtier SOT-23. Les MAX4501 et MAX4502 ont une résistance R supérieure, mais un temps d'activation / désactivation court. Les MAX4514 ont une résistance R inférieure, mais un temps de commutation plus long.

Une autre conséquence négative des commutateurs à basse impédance est une injection de charge plus élevée causée par une augmentation du courant à travers la capacité de la grille. Ceci est particulièrement important lorsque vous utilisez des clés dans un appareil échantillonneur-bloqueur pour une conversion précise en ADC.

La protection des clés contre les charges électrostatiques (ESD) repose sur les réalisations de MAXIM dans ce domaine. Ils ont permis d'augmenter la protection de nouveaux commutateurs analogiques jusqu'à ± 15 kW conformément aux recommandations de la norme CEI 1000-4-2 de niveau 4 (le niveau le plus élevé). Toutes les entrées analogiques pour les tests ESD utilisent un modèle du corps humain, ainsi que le contact et la décharge à travers l'entrefer spécifié dans la méthodologie CEI 1000-4-2.

Ainsi, les clés libérées MAX4551 - MAX4553 sont compatibles avec la plupart des puces à quatre clés standard telles que DS201 / 211, MAX391, etc. Il n’est donc plus nécessaire de protéger les entrées analogiques à l’aide de diodes restrictives onéreuses. kV) incorporés dans le schéma des clés et des multiplexeurs.

La caractéristique importante suivante doit être notée dans les clés modernes. Habituellement, la plage admissible de la tension du signal d'entrée est limitée par la tension sur les bus d'alimentation. Si le signal analogique dépasse la tension de la source d'alimentation, le courant passe à travers les diodes parasites polarisées en inverse. Dans le cas où ce courant n'est pas limité, le microcircuit échoue pour cause de surchauffe. Par conséquent, la plupart des anciennes clés et multiplexeurs pourraient fonctionner avec des courants ne dépassant pas 10 20 mA.

Les nouvelles touches MAXIM disposent d'une protection intégrée contre les pannes lorsqu'elles restent jusqu'à ± 25 V (certaines jusqu'à 36 V) du signal d'entrée avec une alimentation de 15 V et ± 40 V avec une mise hors tension. Dans ce cas (en cas de surtension), la clé assume une impédance élevée à l'entrée du signal analogique, quel que soit l'état du commutateur ou la résistance de charge. Seul le courant de fuite constituant les nanoampères peut provenir de la source du signal. Une circonstance est très importante ici: ces touches ne nécessitent pas un certain ordre d'alimentation de la tension d'alimentation et de la tension du signal analogique. Même si l'alimentation est coupée, la clé ne coupe pas le signal analogique. Les clés MAX4511 ® MAX4513 protégées contre les pannes sont compatibles avec les broches DS411 ® DS413.

Dans un bref article de journal, il est impossible de décrire en détail toutes les propriétés des clés et des multiplexeurs. Si vous êtes intéressé par de telles informations, je vous suggère de visiter le site www.maxim-ic.com ou le site du distributeur officiel de MAXIM - Rainbow Technologies. Vous trouverez à ces adresses de nombreuses informations utiles pour la sélection et l'utilisation correctes de ce type d'appareils.