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

Depuis environ vingt-cinq ans, des clés analogiques et des multiplexeurs semi-conducteurs intégrés créés sur leur base servent fidèlement les développeurs de produits électroniques. Le processus de fabrication a été amélioré, la conception des micropuces a changé - tout cela a permis de réduire la tension d'alimentation, la consommation d'énergie, la résistance de la clé publique, la charge injectée, le temps de commutation. Ce qui est intéressant, c'est la société Maxim dans ce groupe de 325 appareils.

L'architecture des clés et des multiplexeurs n'a pas beaucoup changé depuis de nombreuses années, mais la demande constante de performances améliorées oblige les fabricants à développer de plus en plus de dispositifs pour répondre aux demandes des développeurs. Pendant longtemps, des transistors MOS (métal-oxyde-semiconducteur) ont été utilisés comme clés analogiques. Possédant une faible résistance dans l'état conducteur et une résistance extrêmement élevée dans l'état de coupure, avec de petits points de fuite et une faible capacité, ils étaient presque des clés analogiques commandées par tension. La nécessité de commuter des signaux égaux ou proches de la tension d'alimentation a permis de résoudre ce problème à l'aide de commutateurs MOSFET complémentaires (CMOS). Le circuit connu 4066 est un schéma de clé analogique classique pour des signaux dans la plage allant de la tension d'alimentation à la tension d'alimentation positive (Maxim fabrique cette micropuce 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 d'enrichissement peut servir de clé analogique, mais sa résistance à l'état ouvert dépendra de manière significative de la valeur du signal commuté.

La connexion en parallèle des MOSFET à canal n et à canal p réduit fortement cette dépendance. Une seule condition est nécessaire: l'activation et la désactivation de ces transistors doivent être effectuées simultanément. Des améliorations à long terme de la clé analogique à base de transistors CMOS ont abaissé le seuil de tension de commutation à 2,5-5,0 V. L'ajout d'un convertisseur de niveau a permis d'obtenir des signaux de commande de grille de MOSFET complémentaires à partir de signaux d'entrée. En même temps, la touche analogique peut maintenant commuter le signal analogique à ± 15 V. Le schéma de la touche moderne est représenté sur la Fig. 1.


Fig. 1. Schéma d'une clé CMOS moderne

Le signal de contrôle a un niveau logique TTL. Dans ce cas, les commutateurs CMOS des commutateurs Q9 et Q10 peuvent transmettre des signaux analogiques avec un niveau de ± U pit . Les transistors Q11 et Q12 représentés sur le circuit améliorent le fonctionnement de la touche, réduisant les fuites de la clé et diminuant la modulation de la résistance du canal ouvert. Ces deux transistors ne doivent jamais être allumés en même temps. Sinon, le bus d'alimentation négative sera connecté à la charge et le temps d'activation / de désactivation augmentera. Le mode de fonctionnement de sécurité des transistors Q11 et Q12 devrait être fourni de manière constructive. Assez bons paramètres pour la valeur de la résistance de la clé publique, pour les courants de fuite et la distorsion dynamique de la transmission d'un grand signal à une fréquence de jusqu'à 500 kHz sont réalisés dans les touches MAX3XX. Le moyen le plus simple d'améliorer les paramètres ci-dessus est de connecter le parallèle aux touches de la puce. Donc MAX351, ayant 4 touches, avec une connexion parallèle a une résistance typique à l'état ouvert de 5,5 Ohm et maximum - 11,25 Ohm. Dans ce cas, la variation maximale de la résistance de la clé par rapport à la variation de la valeur du signal commuté ne dépasse pas AR ouvert ≤ 1,25 Ohm.

Grâce aux transistors ouverts de l'interrupteur, le courant du signal commuté circule. À partir de sources d'énergie, le courant à la clé est pratiquement non-coulant. Mais pour déplacer les niveaux et contrôler la clé, le courant est nécessaire.

L'augmentation de courant se produit à une tension d'environ 0,8 V et 2,4 V, qui est due à la transition des transistors de l'état ouvert à l'état fermé (et vice versa) et leur transition à ce moment dans un régime linéaire. Si les tensions logiques et analogiques des alimentations sont égales, les courants traversent le microcircuit au niveau du courant de fuite inférieur à 1 μA. Pour le fonctionnement normal d'un commutateur avec des tensions différentes (par exemple +5 V et ± 15 V), il est nécessaire d'installer un condensateur de shunt de 10 μF en parallèle à 100 nF pour chaque borne de source.

Les erreurs dynamiques des clés sont déterminées par le fait que le signal de commande traverse plusieurs étages et que chacun a un retard. Ceci est particulièrement important dans les multiplexeurs multicanaux, par exemple, 8 dans 1. Il n'est pas possible d'activer le canal, à moins que le précédent ne soit désactivé. C'est pourquoi, dans la puce MAX338, une temporisation garantie pour la commutation est structurellement introduite - au moins 10 nsec. Lorsque la touche est activée et désactivée, le signal de commande à travers la capacité des transistors pré-étage injecte une certaine charge dans le canal conducteur de la clé. Cela conduit à une erreur dans la transmission du signal à travers la clé. La valeur de la charge injectée est la plus petite, plus petite est la résistance du canal ouvert. Pour les mêmes raisons, le temps de montée et de descente du signal d'entrée logique pour la plupart des circuits MAXIM clés ne doit pas dépasser 20 nsec.

Connaissant la finesse de la construction des clés, leurs forces et leurs faiblesses, on peut trouver la plus large application de commutateurs à semi-conducteurs et de multiplexeurs dans les équipements radioélectriques. Ils peuvent fonctionner avec des fréquences radio allant jusqu'à 1 MHz et plus. La plupart des touches analogiques allouent peu de 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 aux milliampères.

Pour réduire la diaphonie à des fréquences de l'ordre de 10 MHz et plus, vous pouvez utiliser les touches (standard MAX312, MAX383, touches vidéo T MA4545) connectées en mode T (figure 2). Un ou deux commutateurs sont connectés à la terre avec une faible impédance (typiquement -40 ohms) et un excellent facteur de découplage (-80 dB par 10 MHz). Cependant, il faut se rappeler qu'avec l'augmentation de la fréquence de fonctionnement du signal, la diaphonie et l'isolation deviennent insatisfaisantes.


Fig. 2. Circuit en forme de T pour activer la clé d'un signal de 10 MHz

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

Très utiles peuvent être des circuits intégrés de clés et de multiplexeurs avec réglage automatique du gain, de la fréquence, de la phase ou de la tension. Par exemple, si vous appliquez un signal à l'entrée non inverseuse d'un amplificateur opérationnel et que vous produisez une matrice résistive en série, vous pouvez sélectionner un des 16 niveaux de gain à l'aide d'un multiplexeur MAX 306 à 16 canaux. Dans ce cas, chaque touche d'un côté est connectée à sa propre résistance et le second côté de toutes les touches est combiné et connecté à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel.

Une large utilisation a été trouvée pour les clés analogiques dans les systèmes sonores. Lors du passage d'un signal à travers la clé, il ne devrait pas y avoir de détérioration du signal, l'introduction dans celui-ci de toute nouvelle information, la déformation de la forme et de la phase des ondes. Evitez complètement cela ne peut pas. Évidemment, toutes les distorsions doivent être minimisées. La valeur totale du coefficient de distorsion non linéaire (THD) est définie comme le rapport entre la racine carrée de la somme des carrés des harmoniques de deuxième, troisième et plus haut et la valeur de la (première) harmonique fondamentale. Le choix d'une clé analogique avec un minimum de THD nécessite un - une faible résistance à l'état ouvert (R on ) et, par conséquent, une légère irrégularité de la résistance R ou de la planéité.

La planéité est définie comme la différence entre les valeurs maximale et minimale de la résistance à l'état ouvert mesurée dans la plage spécifiée du signal analogique. Souvent, (sauf indication contraire dans la documentation), la planéité est supposée être de 10% de la résistance du canal ouvert. Les distorsions sont le résultat d'une connexion en parallèle des transistors à canal p et à canal n, qui ont des caractéristiques de résistance non linéaires à l'état ouvert.

En pratique, le maximum de distorsions non linéaires est déterminé par la relation suivante:


où R est la charge. - la charge incluse en série avec la clé.


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

Dans la Fig. 3 montre la dépendance en fréquence de THD pour trois MAX 4501, MAX4544 et MAX4621 avec la charge d'essai R de la charge . = 10 kOhm.

Ces graphiques montrent que dans les systèmes sonores, pour minimiser la distorsion 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 touches. Aujourd'hui, il existe de nombreuses clés analogiques qui fonctionnent avec une source d'alimentation basse tension. Les commutateurs basse tension avec alimentation unipolaire et les signaux logiques selon les normes CMOS et les niveaux TTL sont également utilisés. Mais il y a aussi des touches qui fonctionnent sur une puissance de ± 15 V ou ± 12 V. Pour les contrôler, une autre alimentation est nécessaire, étiquetée V L , qui est généralement de 5 V ou 3,3 V.

Si le signal logique est au niveau de V + (ou VL, si disponible), alors le courant provenant de l'alimentation ne passe pas sensiblement par les touches analogiques. En appliquant des niveaux TTL à une tension VL de cinq volts, il est possible d'augmenter le courant de l'alimentation électrique de plus de 1000 fois. Pour éviter une consommation de courant inutile de l'alimentation, vous devriez éviter d'utiliser les niveaux TTL - l'héritage des années 1980.

Les temps de commutation (t-on et t-off) pour la plupart des touches analogiques sont de l'ordre de 60 nsec. jusqu'à 1 msec.

Pour les commutateurs audibles «MAXIM-free», le temps de commutation est augmenté jusqu'à une milliseconde, ce qui élimine les clics audio audibles.

Donc, nous voyons que pour transmettre un signal avec une distorsion minimale, vous avez besoin soit d'une résistance de clé minimale dans l'état ouvert, soit de la charge maximale possible à la sortie de la clé. Considérons un autre aspect à la commutation - l'effet de l'injection de la charge. Pour obtenir une faible valeur de R ON , une extension de la région de canal est requise. Le résultat est une grande capacité d'entrée et une carte correspondante: une augmentation de la puissance dissipée du courant de charge-décharge dans 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 quelques dizaines de nanosecondes, mais les clés à faible résistance ont une durée d'activation et de désactivation plus longue. Les touches avec R ON élevé sont plus rapides. MAXIM offre les deux types de clés - avec le même brochage et dans le même boîtier SOT-23. Le MAX4501 et le MAX4502 ont une résistance R ON plus élevée, mais le court temps de marche / arrêt du MAX4514 a une résistance plus faible R ON , mais un temps de commutation plus long.

Une autre conséquence négative des touches à faible valeur ohmique est un niveau plus élevé d'injection de charge, causé par un niveau de courant accru à travers la capacité de grille. Ceci est particulièrement important lorsque vous utilisez des clés dans des dispositifs d'échantillonnage / de stockage pour une conversion précise en ADC.

La protection des clés de charge électrostatique (ESD) est basée sur les réalisations de MAXIM dans ce domaine. Ils ont permis d'augmenter la protection des nouvelles clés analogiques à ± 15 kW selon les recommandations du niveau 4 de la norme IEC 1000-4-2 (le plus haut niveau). Toutes les entrées analogiques pour les tests ESD utilisent le modèle du corps humain, ainsi que le contact et la décharge à travers l'entrefer spécifié dans la méthodologie IEC 1000-4-2.

Ainsi, les clés MAX4551-MAX4553 produites sont compatibles avec la plupart des quatre clés standard telles que DS201 / 211, MAX391, etc. Il n'est plus nécessaire de protéger les entrées analogiques avec des diodes de limitation coûteuses, comme protection contre les décharges électrostatiques (jusqu'à 15 kV) est incorporé dans le schéma des clés et des multiplexeurs.

La prochaine caractéristique importante devrait être noté dans les clés modernes. Typiquement, 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 retour. Dans le cas où ce courant n'a pas de limitation, le microcircuit se décompose en raison d'une surchauffe. Par conséquent, la plupart des anciennes clés et multiplexeurs pourraient fonctionner avec des courants ne dépassant pas 10-20 mA.

Nouvelles clés MAXIM'a intègre une protection contre les pannes, lorsqu'elles restent opérationnelles jusqu'à ± 25 V (jusqu'à 36 V) du signal d'entrée avec une alimentation de 15 V et ± 40 V hors tension. Dans ce cas (avec surtension) sur l'entrée de signal analogique, la clé prend une impédance élevée indépendamment de l'état de la clé ou de la résistance de charge. Seul le courant de fuite constituant les nanoamperes peut s'écouler de la source du signal. Ici, une chose est très importante: ces touches ne nécessitent pas un ordre spécifique de tension d'alimentation et de tension de signal analogique. Même lorsque l'alimentation est coupée, il n'y a pas de panne de la clé du signal analogique. Les clés anti-rupture MAX4511 ÷ MAX4513 sur les broches sont compatibles avec DS411 ÷ DS413.

Dans un bref article de journal, il est impossible de faire une description détaillée de toutes les propriétés des clés et des multiplexeurs. A tous ceux qui sont intéressés par de telles informations, je propose de visiter le site www.maxim-ic.cm ou le site du distributeur officiel de MAXIM - la société Rainbow Technologies. À ces adresses, vous trouverez beaucoup d'utile pour le bon choix et l'utilisation de ce type d'instrument.