Устройство коммутаторов аналоговых сигналов

Статические характеристики аналоговых коммутаторов

Многоканальные коммутаторы или мультиплексоры

Матричные коммутаторы

Список используемых источников

Устройство коммутаторов аналоговых сигналов

Коммутация сигналов — это метод, с помощью которого сигналы, поступающие от нескольких источников, объединяются в определенном порядке в одной линии. Затем происходит соответствующая их обработка, и сигналы при помощи другого коммутатора могут быть направлены в различные исполнительные устройства. Упорядоченный ввод и вывод сигналов осуществляется, как правило, при помощи адресации источников и приемников сигналов, а также связанных с передачей сигналов коммутаторов.

Общая структурная схема связи источников и приемников через коммутатор представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема связи источников и приемников через коммутатор

Коммутатор состоит из электронных ключей, связанных определенным образом. Ключи аналоговых сигналов должны обеспечить неискаженную передачу сигналов от источников к приемникам, однако в процессе передачи могут возникнуть и помехи, которые зависят от самих ключей и сигнала управления, например наложение одного сигнала на другой.

Обычно устройство управления коммутатором является цифровым и действует либо по заранее установленной программе, либо под управлением микропроцессоров или мини-ЭВМ (в этом случае программа управления коммутатором может быть изменена). Для выбора определенного ключа и назначения его функции (т.е. включения или отключения) используется адресный дешифратор команд. Кроме того при передаче сигналов возможны временные задержки, связанные или с быстродействием самих ключей, или с быстродействием устройства управления. И в том и в другом случае возможны потери частей передаваемых сигналов или их искажение.

Для исключения потерь при передаче сигналов, а также для согласования сопротивлений источников и приемников сигналов в состав коммутаторов могут входить различные согласующие и нормирующие усилители.

Если источники и приемники могут меняться местами, то коммутатор должен быть двунаправленным, т.е. обеспечивать передачу сигналов в обоих направлениях.

При коммутации сигнала и нагрузки можно использовать как одиночные ключи, так и их различные комбинации. Если источник сигнала имеет характеристики, близкие к характеристикам идеального источника напряжения (т.е. имеет малое внутреннее сопротивление), то для его коммутации целесообразно использовать последовательный (рисунок 2а) или последовательно-параллельный (рисунок 2б) ключ. Последовательно-параллельный коммутатор в любом рабочем состоянии он имеет выходное сопротивление, близкое к нулю.

а) б)

Рисунок 2. Схемы подключения источника к нагрузке при помощи: а – последовательного ключа; б – последовательно-параллельного ключа

Если же источник сигнала имеет характеристики, близкие к характеристикам идеального источника тока (т.е. малую внутреннюю проводимость), то для его коммутации лучше использовать параллельный (рисунок 3а) или параллельно-последовательный (рисунок 3б) ключ.

а) б)

Рисунок 3. Схемы подключения источника к нагрузке при помощи: а – параллельного ключа; б – параллельно-последовательного ключа

Разновидности аналоговых коммутаторов могут быть реализованы на электронных элементах с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы.

Диодные ключи применяются для точного и быстрого переключения напряжений и токов. Схемы различных диодных ключей приведены на рисунке 4. Двухдиодный ключ (рисунок 4а) при отсутствии управляющего напряжения заперт. При подаче на аноды диодов управляющего напряжения диоды отпираются и ключ замыкается. Напряжение смещения такого диодного ключа определяется разностью прямых напряжений на диодах D1 и D2. При подобранных диодах напряжение смещения лежит в пределах от 1 до 5 мВ. Время коммутации определяется быстродействием диодов. Для диодных ключей обычно используют диоды Шотки или кремниевые эпитаксиальные диоды с тонкой базой. В этих диодах слабо выражены эффекты накопления носителей, и их инерционность в основном определяется перезарядом барьерной емкости. Дифференциальное сопротивление открытого диодного ключа равно сумме дифференциальных сопротивлений диодов и может лежать в пределах от 1 до 50 Ом.

Основным недостатком такого ключа является прямое прохождение тока управляющего сигнала через нагрузку Rн и источник сигнала ес. Эту схему целесообразно использовать при малых сопротивлениях источника сигнала и сопротивления нагрузки, кроме того, желательно увеличивать сопротивление Rу для снижения тока в цепи управления. Однако следует учесть, что снижение тока управления приведет к увеличению дифференциального сопротивления диодов.

Для снижения помех из цепи управления можно использовать мостовую схему, приведенную на рисунке 4б. в этой схеме цепь управления развязана от цепи передачи сигнала. Если напряжение управления равно нулю, или имеет полярность, запирающую мост, то ключ разомкнут. При положительной полярности источника управляющего сигнала ключ замыкается, а ток управления проходит только через диоды и сопротивление Rу. Напряжение смещения будет равно разности прямых падений напряжений на диодах.

Недостатком этой схемы (рис. 4б) является отсутствие общей точки у источника сигнала и источника управления.

Схема, изображенная на рисунке 4в лишена этого недостатка, в ней используется 2 симметричных источника сигналов управления еу1 и еу2. Сигналы этих источников подводятся к диодному мосту через разделительные диоды D5 и D6. Для поддержания диодного моста в запертом состоянии при отсутствии сигналов управления на него подается через резисторы Rу1 и Rу2 запирающее напряжение от источников постоянного напряжения ±Е. в этой схеме обеспечивается развязка источника управления от цепи источника сигнала.

Рисунок 4. Схемы диодных ключей. а - на двух диодах; б - мостового диода; в – на шести диодах

Ключи на биполярных транзисторах более совершенны, чем диодные и значительно чаще используются в электронных схемах. Простейший ключ на одном биполярном транзисторе изображен на рисунке 5. он состоит из ключевого транзистора Т1 и схемы управления на транзисторе Т2. По структуре транзисторный ключ похож на двухдиодный ключ, изображенный на рисунке 4а. При отсутствии тока базы Т1 закрыт и ключ разомкнут, а при протекании через базу тока управления iб>iб.нас ключ разомкнут. В этом случае коллекторный и эмиттерный переходы открыты и действуют так же, как открытые диоды (рис 4а).

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--