ПОРЯДОК РАСЧЕТА КОММУТАТОРА НА ПТ С p-n-ПЕРЕХОДОМ

На основании вышеизложенного можно предложить простой метод расчёта коммутатора аналоговых сигналов на ПТ.

1. Выбирается структура коммутатора на основании исходных данных: числа каналов, выходного сопротивления датчиков, допустимой погрешности, частотного и динамического диапазонов коммутируемых аналоговых сигналов.

В многоступенчатых коммутаторах погрешность, обусловленная взаимным влиянием каналов, наблюдается в меньшей степени, чем в одноступенчатом. При значительном числе каналов многоступенчатая структура оказывается и более быстродействующей за счёт уменьшения выходной ёмкости коммутатора. Кроме того, многоступенчатая структура обладает меньшей погрешностью перед одноступенчатой в случае значительного сопротивления датчиков.

Одноступенчатая структура требует меньшего числа ключей и в основном используется при незначительном числе каналов (обычно не более 10).

2. Выбирается тип полевого транзистора, работающего в качестве ключа, в соответствии с выше изложенными рекомендациями.

3. Выбирается схема управления аналоговым ключом.

4. Составляется эквивалентная схема коммутатора и на основании её анализа находятся статическая и динамическая погрешности коммутатора.

5. Находятся все параметры аналогового ключа, вносящие свой вклад в погрешность коммутатора при передаче сигнала.

Пример расчёта. Необходимо спроектировать и рассчитать электронный коммутатор, который подключает выходы биоусилителей к аналогоцифровому преобразователю.

Исходные данные:

Число каналов 4
Частотный спектр входного сигнала, Гц0,5-200
Амплитуда коммутируемого сигнала, В +-3
Погрешность передачи сигнала, % <0,5
Выходное сопротивление биоусилителей, кОм 2
Сопротивление нагрузки (АЦП), МОм 1
Диапазон рабочих температур, °С 10-40

Предусмотреть возможность наблюдения всех четырех процессов на экране однолучевого осциллографа.

1. Определим частоту опроса каналов коммутатора. По теореме Котельникова частота замеров fп должна превышать максимальную частоту спектра сигнала Fв как минимум в 2 раза. Практически это значение берётся обычно в 5-10 раз больше. Отсюда частота опроса одного канала

fп = 5Fв = 5*200 = 1000 Гц.
Частота опроса четырёх каналов fк = 4 кГц.

2. Поскольку число каналов незначительное, останавливаем свой выбор на одноступенчатой структуре коммутатора.

3. Выбираем в качестве ключа полевой транзистор КП103Ж, имеющий следующие параметры:

Iс0 = 0,55...1,2 мА; Sмакс = 0,7...2,1 мА/В;

Uотс = 0,5...2,2 В; Iз = 20*10-9А;

rз = 4*108 Ом.
Дальнейший расчёт ведём для наихудшего случая.

4. Определим необходимое напряжение запирания для выбранного типа транзистора (без учёта входного сигнала):

image

где Uотс.др = (2...3 мВ/°С) ΔТ.

С учётом входного сигнала управляющее напряжение, необходимое для полного запирания ПТ, определим по выражению

Uзап ≥ Uзап.ПТ+ Uвх.макс = 2,8 + 3 = 5,8В.

Поскольку допустимое напряжение запирания сверху ограничивается максимально допустимым напряжением на затворе, равным 15 В, то Uзап необходимо выбирать из промежутка

5,8 В ≤ Uзап ≤ 15В.

Это значение уточняется при расчёте режима работы транзистора, управляющего цепью затвора.

5. Выбираем схему управления с буферным усилителем. При этом появляется возможность разделить цепи измерения (высокоомный выход коммутатора) и наблюдения (низкоомный выход коммутатора).

6. Определим статическую погрешность рассчитываемого коммутатора, представив его в виде эквивалентной схемы, изображённой на рис. 6, а.

Считаем, что в рассматриваемый момент времени включён третий канал. В этом случае напряжение датчика (выходное напряжение биоусилителя) третьего канала, подключённого к нагрузке, вызовет в цепи ток Iн = U3/Rн, который создаёт на сопротивлениях (rк0+Ri3) падение напряжения

image

Напряжения датчиков U1, U2, U4 вызывают токи, протекающие через сопротивления запертых ПТ и сопротивления Ri3+rк0, создавая на последних дополнительное падение напряжения

image

где N=4 - число каналов коммутатора.

Обратные токи затворов запертых транзисторов, протекая по той же цепи, создают дополнительную ошибку

ΔUз=(N-1)(rк0 + R)*Iз/2.

Кроме перечисленных выше погрешностей в передаче сигнала существует ещё одна, обусловленная входным током БУ:

ΔU4= Iвх.БУ(rк0 + R).

Поскольку коммутатор предназначен для работы в интервале температур 10-40° С, необходимо учесть, что токи затворов ПТ удваиваются на каждые 10° С, т. е. в нашем случае токи затворов следует увеличить в 8 раз.

Суммарная статическая погрешность коммутатора выразится следующим образом:

image

7. Определим недостающие для вычисления статической погрешности параметры ключа на ПТ.

Сопротивление канала открытого транзистора определим по выражению (46)

rк0 ≈ 1/Sмакс = 1/0,7 = 1,43 кОм,

Ток стока запертого транзистора

Iс.зап ≈ Iз/2 = (20*10-9)/2 = 10-8А.

Входной ток буферного усилителя

Iвх. БУ= Iз = 2*10-8А.

Подставляя найденные значения в выражение суммарной статической погрешности, получаем:

image

Таким образом, максимальная погрешность в передаче сигнала составит 0,36%, что меньше допустимой, поэтому выбор структуры коммутатора и типа ПТ сделан правильно и можно продолжать расчёт элементов коммутатора,

8. Найдём полную ёмкость затвора (см. эквивалентную схему рис. 6, б)

Сз = Сз.и + Сз.с + Сд = 20 + 2 + 8 = 30 пФ,

где Сд - ёмкость диода.

9. Время опроса одного канала

Тк=1/fк = 1/(4*103) = 0,25*10-3с.

10. При запирании ключа ёмкость затвора перезаряжается с постоянной времени τз= (Rсв+Riз (Ri - выходное сопротивление биоусилителей). При этом сопротивление канала будет изменяться в соответствии с формулой (44). Полагая, что сопротивление канала достигает своего установившегося значения за время, равное 3-5 τ3, можно определить допустимое значение Rсв:

image

где ty - допустимое время установления прямого сопротивления канала (примем tу=0,1 Тк).

11. Напряжение питания управляющего каскада берём из уже найденного ранее промежутка допустимых напряжений на затворе (5,8 B ≤ Uзап ≤ 15 В). Принимаем стандартное значение Eк = 12,6 В.

12. Ток, потребляемый от буферного каскада,

image

13. Скорость затухания переходных процессов на выходе коммутатора определяется постоянной времени выходной шины τвых

image

где

image

Rк - резистор коллекторной нагрузки биполярного ключевого транзистора в схеме управления, причем его сопротивление обычно берётся равным 5-10 кОм.

Принимаем Rк=6,2 кОм. Тогда

image

Поскольку нагрузкой коммутатора служит преобразователь «аналог - код», то для исключения ошибки из-за переходных процессов и времени установления минимального сопротивления ключа измерение аналогового сигнала (преобразование в код) необходимо начинать через время

tз ≤ 10tвых + ty = 8*10-6 + 25*10-6 = 33*10-6 с.

Расчёт ключей на биполярных транзисторах, управляющих цепями затворов ПТ, не имеет каких-либо особенностей и он может быть произведен по методике [9].

А.Г. Милехин

Литература:

  1. Cohen Joel. Solid-state signal switching it's getting better all the time. - «FD N/EEE», 1972, № 22.
  2. Шипли M. Полевые транзисторы в аналоговых переключательных схемах. - «Электроника», 1964, № 32.
  3. Туфлин Э. К., Гибадулин Н. М., Ободзинский В. И. Проектирование аналоговых коммутаторов на полевых транзисторах. - В кн.: Тенденции развития активных радиокомпонентов малой мощности. Новосибирск, «Наука», 1971.
  4. Туфлин Э. К. Исследование статических характеристик аналогового ключа на ПТ. - В кн.: Тенденции развития активных радиокомпонентов малой мощности. Новосибирск, «Наука», 1971.
  5. Тотменин В. Ф. Аналоговый ключ на полевых транзисторах. - В кн.: Тенденции развития активных радиокомпонентов малой мощности. Новосибирск, «Наука», 1971.
  6. Hermann Schmid. Electronic analog switches.- «Electrotechnology», June 1968.
  7. Галио А. Линейный ключ на полевых транзисторах. - «Электроника», 1970, № 9.
  8. Холзман Н. Устранение выбросов посредством операционного усилителя. - "Электроника", 1972, 15.
  9. Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства. М., "Связь", 1973.

<< Предыдущее Содержание MAIN PAGE Назад

Рейтинг@Mail.ru