Multipleksowanie sygnałów - wykorzystanie przełączników analogowych

Istnieje wiele typów przełączników analogowych, od prostych SPDT po multipleksery charakteryzujące się znacznie bardziej złożoną konstrukcją (rys. 1). Przykładowo, multiplekser umieszczony na wejściu przetwornika A/C powinien zapewnić rozłączenie obwodu przed połączeniem kolejnego (zestyk przerwowy), zapobiegając w ten sposób zwarciu sygnałów wejściowych.

Z kolei multiplekser umieszczony na wyjściu układu audio powinien połączyć pierwszy obwód przed rozłączeniem drugiego (zestyk zwierający), aby zapobiec nieprzyjemnym trzaskom. Podobnie jak w przypadku wszystkich zagadnień analogowych, są to kwestie bardziej skomplikowane, niż się na pierwszy rzut oka wydaje.

Nowe zastosowania

Rys. 1. Przełącznik analogowy jest opisany prostym symbolem (a), jednak występują w nim indukcyjności wynikające z obecności połączeń drutowych i pojemności rozproszone (b), których wartości zależą od przyłożonych napięć

Przełączniki analogowe są od dawna stosowane na rynku przemysłowym. Karty akwizycji danych przełączają sygnały z wielu kanałów do wejściowego przetwornika A/C oraz kierują sygnały z wyjść analogowych do złączy i wewnętrznych węzłów obwodu. Przełączniki analogowe i multipleksery będące składnikami tych kart są elementami wysokonapięciowymi, co wynika z długoletniej tradycji zastosowań przemysłowych, militarnych i medycznych.

Aplikacje sprzed kilkudziesięciu lat będą istniały jeszcze długo, jednak w nowych produktach niskonapięciowych coraz częściej korzysta się z przełączników analogowych. Jednym z ich najczęstszych zastosowań są telefony komórkowe i inne urządzenia przenośne. Ich obudowy nie pozostawiają zbyt wiele miejsca na montaż różnego rodzaju złączy, co oznacza, że niezbędne jest zastosowanie przełączników analogowych do przełączania sygnałów wideo, audio, USB lub mocy do jednego, uniwersalnego portu.

Najprostszy telefon komórkowy składa się z układu baseband oraz elementów toru sygnałowego w.cz., natomiast model najbardziej złożony może zawierać dodatkowo aparat cyfrowy z lampą błyskową, interfejsy USB, Bluetooth i WLAN, odbiornik GPS oraz odtwarzacz wideo lub MP3. Na rynku dostępne są telefony komórkowe wymagające zastosowania nawet 14 przełączników. Innym przykładem mogą być komputery przenośne.

Nawet najprostsze konstrukcje notebooków zawierają obecnie kamery, porty podczerwieni, interfejsy Bluetooth oraz inne opcje łączności bezprzewodowej. Podobnie jak w przypadku telefonów komórkowych, komputery przenośne mają niewielką powierzchnię zewnętrzną przeznaczoną na złącza. Choć ograniczenia są tutaj mniej restrykcyjne, wciąż istnieje szerokie pole do zastosowań przełączników analogowych. Kolejnymi obszarami zastosowań są domowe urządzenia AV (telewizory, odtwarzacze DVD, sprzęt audio, gry wideo) oraz elektronika samochodowa.

Parametry techniczne przełączników

Napięcie pracy
Maksymalne napięcie przełącznika analogowego jest równie ważnym parametrem, jak napięcie znamionowe przełącznika mechanicznego. Przełączniki o napięciach od 12 do 36V są często kierowane na rynek przemysłowy, wojskowy i medyczny. Systemy akwizycji danych mierzące napięcia ze świata rzeczywistego również korzystają z zalet przełączników wysokonapięciowych.

Ponieważ projektanci nie mają wpływu na wartości napięć mierzonych, istotne jest, aby przełącznik charakteryzował się jak najszerszym zakresem. Dodatkowy poziom ochrony zapewnia izolacja dielektryczna. Izolacja dielektryczna polega na umieszczeniu każdego tranzystora układu scalonego we własnej szklanej obudowie (rys. 2). Ponieważ szkło ma mniejszą stałą dielektryczną niż krzem, zmniejsza się pojemność wewnętrzna dielektrycznie izolowanych elementów.

W wyniku tego tworzące się w strukturze pasożytnicze tyrystory mogą wywołać efekt zatrzaskiwania, jeśli napięcie sygnału wejściowego przekroczy wartość napięcia zasilania (rys. 3). Podzespoły elektroniki konsumenckiej są zazwyczaj produkowane w tanich procesach CMOS i charakteryzują się dopuszczalnym napięciem pracy 5,5V.

Rezystancja RON

Rys. 2. Proces z izolacją dielektryczną umożliwia oddzielenie każdego tranzystora warstwą tlenku, co zapobiega efektowi zatrzaskiwania i zmniejsza pojemności resztkowe. Źródło: Analog Devices

Następnym parametrem przełącznika analogowego jest rezystancja RON. Może wydawać się nieistotna, jeśli w projekcie znajduje się wzmacniacz operacyjny pełniący funkcję bufora dla przełącznika analogowego. Impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego może być rzędu megaomów, więc włączony szeregowo przełącznik analogowy 100Ω stanowi co prawda wartość pomijalną, ale tylko dla prądu stałego.

Rezystancja RON wraz z pojemnością rozproszoną i pojemnością wejściową wzmacniacza formują dodatkowy biegun zmieniający charakterystykę częstotliwościową, mogący spowodować przesunięcie odpowiedzi częstotliwościowej toru sygnałowego do poziomów niedopuszczalnych. O ile rezystancja na poziomie 100Ω była wartością akceptowalną kilkadziesiąt lat temu, gdy inżynierowie stosowali wszędobylskie przełączniki analogowe CMOS CD4066, to obecnie dostępne są przełączniki, których RON nie przekracza 1Ω. Przykładowo, RON przełącznika analogowego SPDT PI3A3159 firmy Pericom wynosi zaledwie 0,4Ω. Najnowsze podzespoły osiągają tak niską rezystancję przy napięciach zasilania rzędu 2,7V.

Rezystancja ROFF
Inny ważny parametr, rezystancja ROFF, określa zdolność przełącznika do blokowania sygnału. Parametr ten odpowiada zazwyczaj rezystancji ROFF tranzystora MOS, której wartość jest większa niż wymaga się w większości obwodów. Rezystancja ROFF zależy też od znajdujących się na płytce diod realizujących ochronę tranzystorów przed wyładowaniami elektrostatycznymi (rys. 4).

Ponieważ natężenie prądu upływu podwaja się co 10°C, należy zawsze sprawdzać rezystancję ROFF w maksymalnej oczekiwanej temperaturze pracy układu. Rezystancja ROFF oraz prąd upływu są cechami mającymi znaczenie w zakresie niskich częstotliwości oraz dla prądu stałego. Przy większych częstotliwościach pojemność przełącznika dominuje nad rezystancją ROFF i prądem upływu.

Pojemność
Pojemność w urządzeniu tak małym jak nowoczesny przełącznik analogowy jest niemożliwa do uniknięcia. Wyprowadzenia znajdują się blisko siebie, więc należy oczekiwać między nimi pojemności rzędu kilku pF. Należy też brać pod uwagę pojemność między tranzystorami i podłożem. Producenci tworzą nowoczesne elementy w procesach technologicznych umożliwiających pracę przy częstotliwości rzędu kilkuset MHz.

Niejednokrotnie na prośbę klientów specyfikują wartości strat wtrąconych, strat powrotnych i innych parametrów w.cz. Piętą achillesową półprzewodnikowych przełączników jest pojemność pomiędzy wyprowadzeniami sygnałowymi i masą lub zasilaniem. Przekaźniki kontaktronowe i przełączniki MEMS mają mniejszą pojemność rozproszoną, dzięki czemu są odpowiednie dla pasma gigaherców, jednak jako urządzenia mechaniczne ulegają uszkodzeniom po setkach lub tysiącach milionów cykli.

Ponadto, przekaźniki kontaktronowe potrzebują do działania stosunkowo dużej mocy, a urządzenia MEMS drogiej obudowy. Nawet przy częstotliwości sygnału rzędu kilkuset kHz należy zwracać uwagę na pojemności między wyprowadzeniami i masą lub zasilaniem, tak aby analogowy przełącznik zapewniał dostateczną izolację i odpowiednio małe przesłuchy międzykanałowe.

Wstrzykiwany ładunek

Rys. 3. Projektanci stosują w układach CMOS tranzystory FET o kanałach P i N (a). Jeśli napięcie wejściowe tranzystora przekroczy napięcie zasilania, wystąpi zjawisko „zatrzaśnięcia”. Wynikiem tego będzie wytworzenie w podłożu wolnych nośników, pojawienie się pasożytniczych „tyrystorów” i zwarcie dodatniego napięcia zasilającego z ujemnym (b)

Kolejnym ważnym parametrem przełącznika analogowego jest wstrzykiwany ładunek. Włączenie przełącznika wiąże się ze wstrzyknięciem ładunku do drogi sygnałowej, co może być katastrofalne w regulatorach próbkujących i multiplekserach przekazujących sygnał do wzmacniacza. Impulsy ładunku można ograniczać dzięki odpowiednim projektom układów o dopasowanej impedancji.

Ponieważ wielkość ładunku jest proporcjonalna do szybkości narastania napięcia sterującego, koniecznie może być wydłużenie jego czasu narastania. Ma to znaczenie szczególnie wtedy, gdy w torze sygnałowym projektowanego układu znajdują się węzły o wysokiej impedancji. Impulsy ładunku są często przyczyną trzasków w obwodach audio zawierających przełączniki analogowe.

Jak w przypadku wszystkich parametrów, należy sprawdzić ten czynnik w oczekiwanym zakresie temperatur pracy układu. Ponieważ wiele przełączników analogowych trasuje szybkozmienne sygnały cyfrowe, prędkość przełączania jest dla wielu użytkowników ważnym parametrem. Nawet w zaprojektowanych już aplikacjach należy przeanalizować szybkość działania przełącznika i układu próbkującego w celu upewnienia się, że sygnał podany na wejście układu próbkującego przetwornika A/C nie zawiera oscylacji powstałych w trakcie przełączania.

PSRR
Należy zwrócić uwagę na wartość parametru PSRR każdego przełącznika analogowego w torze sygnałowym. Pojemność między wyjściami i zasilaniem może przenosić wysokoczęstotliwościowe zaburzenia z szyny zasilającej do toru sygnałowego. Obecnie do zasilania wielu obwodów analogowych stosowane są zasilacze impulsowe. Jeśli w widmie sygnału zasilającego występują składowe w.cz., zostaną przeniesione na wyjście poprzez wewnętrzną pojemność przełącznika analogowego. Rozwiązaniem tego problemu może być szeregowe umieszczenie z linią zasilającą rezystora lub cewki oraz co najmniej jednego kondensatora odsprzęgającego.

Pobór mocy
Pobór mocy jest kolejnym kluczowym parametrem. Niektóre komponenty wymagają zmiennego prądu zasilania w zależności od poziomu sygnału sterującego. Konieczne jest oszacowanie wartości prądu zasilającego na układach prototypowych. Nie należy zakładać, że charakterystyki podane w dokumentacji przełącznika będą pasowały do projektowanego obwodu. Trzeba mieć również świadomość zmian prądu zasilającego wraz ze zmianą temperatury.

Obudowa
Równie istotną cechą przełącznika, jak wszystkie inne parametry, jest jego obudowa. Projektując urządzenia ręczne należy starać się stosować przełączniki zamykane w obudowach SC-70 lub mniejszych. Większa obudowa może być przydatna w przypadku układów mocy emitujących duże ilości ciepła. Przy wyborze obudowy należy brać również pod uwagę zgodność ze standardowym rozkładem wyprowadzeń, co umożliwi w razie potrzeby zastosowanie innego typu przełącznika. Generalnie, znalezienie przełącznika w niewielkiej obudowie i o małej rezystancji RON stanowi duże wyzwanie. W celu zmniejszenia rezystancji RON zwiększa się liczbę bramek FET, a to z kolei zwiększa powierzchnię struktury układu.

Ochrona przed uszkodzeniem

Ważną cechą przełączników analogowych jest ochrona przed uszkodzeniem (fault protection). Urządzenia wyposażone w tę funkcję nie zostaną uszkodzone, nawet jeśli napięcie wejściowe przekroczy zakres napięcia zasilającego. Przykładowo, analogowy multiplekser Maxim MAX388 zapewnia ochronę do 100V. Oprócz ochrony przed uszkodzeniem istotne jest też zabezpieczenie wejść przed przepięciami.

Bilansowanie parametrów

Rys. 4. Rezystancja ROFF przełącznika analogowego wynika z obecności prądów upływu. Są one sumą prądu upływu tranzystorów FET przełącznika oraz niedopasowania prądów upływu diod chroniących przed wyładowaniami ESD

Ze względu na dużą liczbę parametrów, wybór odpowiedniego przełącznika analogowego nie jest prostym zadaniem. Projektant musi w tym wy-padku dokonać kilku kompromisów. Najważniejszym parametrem jest zawsze cena. Do tanich aplikacji należy stary analogowy przełącznik CD4066 produkowany w technologii CMOS, nie ma sobie równych.

Pracuje w zakresie napięć do 15V i umożliwia równolegle łączenie kilku egzemplarzy w celu zmniejszenia rezystancji RON. Na przeciwnym biegunie znajduje się izolowany przełącznik HS- -303ARH produkcji Intersilu, charakteryzujący się zwiększoną odpornością na promieniowanie. Układ ten jest przeznaczony do zastosowań głównie w aplikacjach militarnych.

Kolejną kwestią do rozważenia jest napięcie zasilania i rezystancja RON. Generalnie, większa wartość napięcia zasilającego oznacza mniejszą rezystancję RON. Zastosowanie nowej technologii produkcji pozwoliło zmniejszyć rezystancję RON 4-kanałowego przełącznika STG3699B (quad-SPDT) firmy STMicroelectronics do jedynie 0,5Ω. Następna kwestia dotyczy prądu zasilającego i szybkości przełączania.

Duża szybkość przełączania wiąże się z koniecznością dostarczenia większego prądu do bramek tranzystorów. Przełączniki produkowane w procesie CMOS i DMOS odznaczają się generalnie małym poborem prądu. Przykładowo, prąd zasilania przełączników STG3684 SPDT produkcji STMicroelectronics wynosi jedynie 200nA. Kolejnym kompromisem jest rozmiar obudowy i rozpraszane przez nią ciepło.

Projekty z zasilaniem impulsowym wymagają większych obudów, czego zaletą może być mniejsza wartość RON (maleje wraz ze zwiększaniem się powierzchni układu). Nowatorskie techniki produkcji obwodów przyczyniły się do znacznego postępu. Firma Vishay ma obecnie w swojej ofercie 14 przełączników o rezystancji RON mniejszej niż 1Ω, zamykanych w miniaturowych obudowach, m.in. SC-70 o powierzchni 3×2mm.

Przełączniki analogowe wykonane w procesie CMOS są z reguły tańsze, jednak pracują przy niższych napięciach. Przełączniki DMOS pracują z większymi napięciami oraz charakteryzują się większymi szybkościami przełączania. Przykładowo, przełącznik DG611 produkcji Vishay wykorzystuje zalety zarówno procesu CMOS, jak i DMOS.

Charakterystyczną cechą wyróżniającą producentów analogowych przełączników jest wsparcie dla własnych lub licencjonowanych procesów, takich jak 35-woltowy iCMOS firmy Analog Devices, umożliwiający dostosowanie przełącznika do konkretnej aplikacji. Najnowszy przełącznik ADG1408 wypada w porównaniu z ADG408 znacznie korzystniej. Jego rezystancja RON wynosi zaledwie 4,7Ω, podczas gdy w przypadku starszego produktu – 100Ω. ADG1408 jest produkowany w obudowie TSSOP, jednak dostępna jest również wersja z mniejszą o 70% obudową LFCSP.

Grzegorz Michałowski