Spínací a vzorkovací obvody, referenční zdroje

Spínací a vzorkovací obvody, referenční zdroje Analogové spínače Spínače s unipolárními tranzistory Spínače CMOS Analogové multiplexery Vzorkovací obvody Zpětnovazební vzorkovací obvody Referenční zdroje napětí se ZD Teplotně kompenzovaný přechod BJT(Bipolar Band Gap) Teplotně kompenzovaný přechod JFET (X FET) Proudové zdroje s neuzemněnou zátěží

A3MZDS_8

1

Analogové spínače Typy spínačů

Diodové spínače

přepínač

spínač

ID [ mA]

I D  I S [exp(U D / U T )  1]

20

Ge

Si

15

UT 

10

maticový přepínač 5

k = 1,38.10-23J/K Boltzmannova konstanta

 teplota přechodu v K q = 1,59.10-19 C náboj elektronu

UD [V] 0

k q

0,2 0,4 0,6 0,8

U D  U T ln Parametry spínačů

dU D k U D  d q UT

ID IS

Diodový můstek

+U t

D5 -U

rON =

IOFF

UON

rOFF

IF

A

0 ID

Tz

R1

t

0 Ir

U1

Ts

Tr

I

D1

D2

D3

D4

UON napětí v sepnutém stavu

R2 U2

B

rON odpor v sepnutém

Ts doba sepnutí

IOFF proud v rozepnutém stavu

Tz doba zotavení

rOFF odpor v rozepnutém stavu

Tr doba rozepnutí A3MZDS_8

0

D6

I

Diodový můstek s Schottky diodami rON = 10 W, IOFF´= 1 nA, Ts = 100 ps 2

Spínače s unipolárními tranzistory Výstupní char. N JFET 12

 UD    I D I DS  1    Up 

Převodní char. N JFET ID [mA]

ID [mA] UDSP

10

U DSP  U GS  U P U P prahové napětí

UGS=0

12 10

8

-0,5V

8

6

-1V

6

4

-1,5V

4

rD 

r DS 1  U GS UP

2

rDS 

UP při U GS  0 I DS rD[]

rD [W]

107 106

2

JFET

2 UDS [V]

UP

0 0

2

1

3

4

5

6

UGS [V]

UP

-4

-3

7

MOSFET 105

0 -2

-1

104

0

103

Spínač N JFET

Spínač N MOSFET

102

-15V

U1

10 T2

T2

UGS [V] 0

M1

Rz

U1

U2

Rz

M1

-6

A

4k7

A

TTL

typ

TTL

-15V T1

-20V

4k7 T1

4k7

-4

-3

-2

-1

0

U2

4k7 D

-5

10k

10k

RONJ W

IDON mA

IDOFF nA

Ts ns

ADG419

1

25

1

0,1

0,1

ADF436

2

15

1

0,5

0,1

ADG411

4

35

1

0,25

0,1

+15V +15V

A3MZDS_8

3

Spínače CMOS +U

rd [kW]

N 1

0,8

T1

Us

rP

rN

0,6 0,4

P U1

T2

U2

rPIIr N 0,2 U1 [V] 0 0

1

2

3

4

5

Přednosti: potlačení vlivu změny rON na u1 kompenzace nábojového průniku z řídícího do signálového obvodu typ

funkce

rON (W)

ID mA

Is nA

Ts ns

Tr ns

74HCT 4016

4 x spínač

50

10

1,5

15

20

74HCT 4066

4 x spínač

30

10

5

20

25

74HCT 4053

4 x přepínač

50

10

5

30

35

ADG201

4 x spínač

90

2

2

300

250

ADG211

4 x spínač

110

1

5

600

450

ADG221

4 x spínač

25

1,5

2

300

250

A3MZDS_8

4

Analogové multiplexery průnik

MULTIPLEXER C1

FD  20 log

C1

U2 dB  U1

C12

U2 dB  U1

C12

U1

U1

S2

S2 RZ2

C2

Jednopólový multiplexer S1

CT  20 log

S1

S1

R

přeslech

MULTIPLEXER

RZ1

R

U2

RZ1 C2

Dvoupólový multiplexer S1H

MZ

MZ

S1H OUT

OUT

U1

S1LO

G

G

OUT

UC1

S2H

S2

MZ

I

U1

UC1

UC

U2

Třípólový multiplexer

I

U1

RZ2

S1LO

S1G

G

I

S2H U2

U2

UC

UC2

I

S2LO

A3MZDS_8

U2

S2LO

UC2

S2G

5

Analogové multiplexery Čtyřpólový multiplexer S1IHI S1UHI

RX1

S1ULO S1ILO

IHI DM

Oddělené proudové a napěťové svorky odporů

UHI V

I

Měření malých odporů Odporové snímače teploty (Ptxx)

ULO ILO G

S2IHI S2UHI

typ RX2

technologie

S2ULO S2ILO

počet kanál ů

RDO W

N

IDON mA

IDOFF nA

Ts s

FD dB

CT dB

MUX08

BIFET

1x8

300

20

1

1,3

60

70

MUX16

BIFET

1 x 16

380

20

1

1,5

66

75

MUX24

BIFET

2x4

400

20

1

1,3

66

76

MUX28

BIFET

2x8

380

20

1

1,5

66

75

HCT4051

CMOS

1x8

50

10

0,2

0,2

50

40

HCT4052

CMOS

2x4

65

10

0,2

0,2

50

40

HCT4067

CMOS

1 x 16

55

10

0,2

0,2

50

40

HCT4097

CMOS

2x8

55

10

0,2

0,2

50

40

A3MZDS_8

6

Vzorkovací obvody Principielní zapojení

Vzorkovací obvod s diodovým můstkem +UB

S

D1

u2

D2

IN

T1

+1

u1 CH

0

0

D3

G

D4

CH

T2 R1

S/H

S/H

R2

B

U2

+UB

u(t)

vstupní signál DTa

u2s

výstupní signál průnik u2i

ujíždění

n  r p CH

nabíjecí časová konstanta

 v  rD C H

vybíjecí časová konstanta

velmi rychlé aplikace - digitalizace videosignálu Ta = 10 ps, DTa = 1 ps, Ts = 10 ns U0 t Ts

Ta S/H

doba odběru vzorku (Aperture Time)

DTa nejistota doby odběru vzorku (Aperture Jitter) Ts

pamatuje t

sleduje

Ta

sběrná doba (Acqusition Time)

FD signálový průnik (Feedthrough) D

pokles výstupního napětí ve stavu pamatování (Droop)

A3MZDS_8

7

Zpětnovazební vzorkovací obvody Obvod s uzemněným kondenzátorem

Obvod s invertujícím integrátorem

Rk

R1

R2 CH

10k rp

A2

A1

AD1

AD2

CH

U2

U1

rp

U1

U2

U 2  AD1 ( U 1  U 3 )

U3

U3

Rk 300W

 R2  R1 U 2  AD 1  U1 U 3 R1  R 2   R1  R 2

U2 1  jR C H

U3 

U3  

U2 jRC H

1 U3 R  2 U2 R1 1  jRC R1  R 2 H AD 1 R1

1 U3  U 1 1  jR C H AD 1 Časová konstanta RCH je redukována zesílením AD1

Paralelní řazení vzorkovacích obvodů

LF198: CH = 1 nF,Ta = 100 ns, DTa = 10 ns, Ts = 4 ns S11

S12

Sériové řazení vzorkovacích obvodů s

S1 U1

+1 C1 1nF

U2

+1

S2 U2

C1

U1

s

S21

C2 1F

S22

U3

A3MZDS_8

C2

8

Referenční zdroje napětí se ZD Teplotně kompenzovaná Zenerova dioda 1 0,5

D1

aZD [10-3/K]

Zenerův jev

DN

U k  U ZD  N U D

ZD

NUD

DU k  a U k U k  a U ZD U ZD  Na U D U D

UZD Uk

UZD [V] 2

4

6

8

a U U ZD  Na U U D

aU 

0

ZD

10

D

U ZD  NU D

k

-0,5

Lavinový jev -1

UZD = 8 V, aUZD = 5.10-4 /K, 3 diody s UD = 0,7 V, aUD = - 2.10-3 /K , Uk = 10,1 V, aUk = -2.10-5 /K. Termostatovaná ZD: aUk = 10-6/K = 1 ppm/K

Parametrický stabilizátor

Zdroj referenčního napětí

R

 R  U 2   1  2  U Z R1  

Iz U1

ZD

U2

Z R

U

U1

U2

I 0

DU2

U

DIz

DU 1 R  1 DU 2 RYD

I ZD 

2 U

UZD

ZD ID

U1 R

R

1

P Iz

3

R

1

2

U 2  U ZD R3

činitel stabilizac e

DU 1 / U 1 R1  SVRR DU 2 / U 2 R1  R2

SVRR činitel potlačení změny napájecího napětí (Supply Voltage Rejection Ratio ) 105 až 106

A3MZDS_8

9

Teplotně kompenzovaný přechod BJT(Bipolar Band Gap) + U1

R3

R3/n

Ic1

Ic2

Z R5

T1

R1

IS1  IS 2

DU BE  U BE 2  U BE1  U T ln

IC2 N I C1

I C1 

DU BE R1

IC 2 IC1

UT 

k  qe

R2 (1  N ) ln N R1

U k  R2 ( I c1  I c 2 )  U T

T2

UT = k /qe teplotní napětí, k = 1,38.10-23 J/K Boltzmannova konstanta  je absolutní teplota přechodu qe = 1,59.10-19 C náboj elektronu

U3

DUBE U2

R2

Uk

R4

27 0 C  300 K

dU k R dU T  2 (1  N ) ln N  2mV / K d R1 d

R2 ( 1  N ) ln N  23. R1

U3 

U 2  23U T  U BE  1,205 V

R4  R5 U2 R4

typ

referenční prvek

jmenovité napětí

tolerance napětí

proudová zatižitelnost

teplotní koeficient

šum 0,1 – 10Hz

napájení

AD580

BJT

2,5 V

0,4 %

10 mA

10 ppm/K

8 Vpp

4,5V/1,5mA

AD581

BJT

10 V

0,05 %

10 mA

5 ppm/k

40 Vpp

12V/1mA

AD584

BJT

0,05 %

10 mA

5 ppm/K

50 Vpp

4,5V/1mA

AD588 AD780

TKZD BJT

2,5 V, 5 V, 7,5 V, 10 V 10 V 2,5 V

0,01 % 0,04 %

10 mA 10 mA

1,5 ppm/k 3 ppm/K

6 Vpp 4 Vpp

12V/10mA 4V/1mA

REF195

BJT

5V

0,2 %

30 mA

2 ppm/K

50 Vpp

5V/45A

A3MZDS_8

10

Teplotně kompenzovaný přechod JFET (X FET) UIN Ip

I1

ID [mA]

3

I1

-55oC 2 +25oC

R2

DUp

+125oC

UOUT R1

1

R3

IDZ 0 -3

U OUT 

R2  R3 (DU p  R1 I p ) R3

-2

-1

0

UGS [V]

změnou R1 DUGS/D = 0 při ID = IDS (0,66/UP)2 Přednost proti BJT: menší šum, nízká spotřeba

typ

referenční prvek

jmenovité napětí

tolerance napětí

výstupní proud

teplotní koeficient

šum 0,1-10Hz

napájení

ADR420

JFET

2,048 V

0,05 %

10 mA

1 ppm/K

1,8Vpp

5V/500A

ADR443 ADR292

JFET JFET

3V 4,096 V

0,04 % 0,07 %

10 mA 5 mA

1 ppm/K 3 ppm/K

3,5 Vpp 12 Vpp

3,5V/500A 4,5V/12A

ADR425 ADR01

JFET JFET

5V 10 V

0,04 % 0,05 %

10 mA 10 mA

1 ppm/K 3 ppm/K

3,5 Vpp 20 Vpp

7V/500A 12V/1 mA

A3MZDS_8

11

Proudové zdroje s neuzemněnou zátěží +UB

Iz

Z

R1

Iz

Iz  Rz U 2

Rz U 2 U1

Z U1

R1

U1 U2  R1 AD R1

Rz 

U 2 max I2

R1

U1

R2 R1

Iz

R2

Z R3

T2

IE1

IE2

-UB

R3

U4 U1

T1

R2

Proudové zdroje s uzemněnou zátěží U2

R2

Z

ROUT  AD R1

R2

R1

ZD

R2

R2

R2

R1

Iz

R2 R z U5

U3

U4 U3 U3  R2 R3

Z1

Z2

Rz U2

U3

U1  U 2 U 2  U 5  R2 R2

U4 U5 U2 U5   Iz R1 R2 R22 R3  R1  R2

U1

Iz 

U 4  U 3  U 1  R3  R2  R1

R1  R2 U1 R1 R2

A3MZDS_8

U4

R2 U2 R3

Iz 

U4 U2 U2  R1 R3

Iz 

R1  R2 U1 R1 R2

Iz 

U 1 R2  R3  R1  U2 R1 R1 R3

12