2 ПАРАМЕТРЫ СОВРЕМЕННЫХ КЛЮЧЕВЫХ КОММУТАТОРОВ

ДЛЯ ПИТАНИЯ ИНДУКТИВНЫХ НАГРУЗОК

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. Вследствие неидеальности, они вносят погрешности в обрабатываемые сигналы. Источниками погрешностей электронных аналоговых коммутаторов являются:

а) ненулевое проходное сопротивление электронного ключа во включенном состоянии и конечная его величина в выключенном;

б) остаточное падение напряжения на замкнутом ключе, то есть наличие напряжения на ключе при отсутствии через него тока;

в) нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) на информационном и управляющем входах;

г) взаимодействие управляющего и коммутируемого сигналов;

д) ограниченный динамический диапазон (по амплитуде и по знаку) коммутируемых токов и напряжений.

Ключи на биполярных транзисторах и, в особенности, на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы милливольт, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов (менее 100 мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие (время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нс) и применяются для построения сверхскоростных коммутаторов. Более широкое применение нашли коммутаторы на полевых транзисторах.

2.1 Коммутаторы на полевых транзисторах

Как известно, полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток

ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток Uзи. На рисунке 19, а изображена упрощенная схема последовательного коммутатора.

а – упрощенная схема последовательного коммутатора на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом, б – коммутатор с применением диода.

Рисунок 19 – Последовательный коммутатор на полевом транзисторе с

управляющим p-n-переходом

Если в этой схеме управляющее напряжение Uупр установить меньшим, чем минимально-возможное входное напряжение, по крайней мере на величину порогового напряжения транзистора, транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю. Для того, чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор-исток U_зи следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала. Если же это напряжение станет больше нуля, управляющий pn-переход откроется, и выход коммутатора окажется соединенным с цепью управления. Равенство нулю Uзи непросто реализовать, так как потенциал истока изменяется согласно изменению входного потенциала. Наиболее простой путь преодоления этой трудности показан на рисунке 19, б.

Если напряжение U_упр установить бoльшим, чем максимально-возможное входное напряжение коммутатора, диод VD закроется и напряжение U_зи будет, как это и требуется, равно нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор R1 течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение коммутатора в этом режиме равно нулю. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в случае, если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа использовать полевой транзистор с изолированным затвором (МОП-транзистор). Его можно переводить в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвора будет равен нулю. Таким образом, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде и резисторе R1. Схема ключа на МОП-транзисторе приведена на рисунке 20а. Здесь ключом является n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при U_зи <= 0. 

а – коммутатор на напряжение свыше 5 В, б – ключ на комплиментарных

транзисторах.

Рисунок 20 – Последовательные коммутаторы на МОП-транзисторах

В этом состоянии сопротивление канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения приводит канал в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 20 до 200 Ом для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей.

Приведенная на рисунке 20, а схема будет работать при положительных входных сигналах, которые по крайней мере на 5 В меньше, чем U_упр; при более высоком уровне сигнала напряжение затвор-исток будет недостаточно, чтобы удержать транзистор в открытом состоянии (сопротивление канала в открытом состоянии Rо начнет расти); отрицательные входные сигналы вызовут включение транзистора при заземленном затворе. Поэтому, если надо переключать сигналы обеих полярностей (например, в диапазоне от минус 10 до плюс 10 В), то можно использовать такую же схему, соединив подложку с источником минус 15 В и подавая на затвор напряжения плюс 15 В (включено) и минус 15 В (выключено).

Рисунок 21 – Зависимость сопротивлений каналов транзисторов

КМОП-ключа от U_вх

Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рисунке 20б. Здесь на подложку транзистора VT1 подается положительное питающее напряжение плюс U_пит, а на подложку транзистора VT2 – отрицательное питающее напряжение минус U_пит. При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT2 практически равно плюс U_пит. В таком случае транзистор VT2 проводит сигналы с уровнями от минус U_пит до плюс U_пит без нескольких вольт (при более высоких уровнях сигнала Rо начинает катастрофически расти). В это время напряжение на затворе VT1 практически равно минус U_пит. Транзистор VT1 пропускает сигналы с уровнями от плюс U_пит до значения на несколько вольт выше минус U_пит. Таким образом, все сигналы в диапазоне от плюс U_пит до минус U_пит проходят через двухполюсник с малым сопротивлением (рисунок 21). При переключении управляющего сигнала на низкий уровень, напряжение на затворе n-канального транзистора VТ2 устанавливается близким к минус U_пит, а напряжение на затворе p-канального транзистора VТ1 устанавливается близким к плюс U_пит. Тогда, при минус U_пит < U_вх < плюс U_пит, оба транзистора заперты, и цепь коммутатора разомкнута. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от низкого напряжения питания ключа до высокого напряжения его питания. Эта схема работает в двух направлениях - любой ее зажим может служить входным. Она является основой практически для всех аналоговых коммутаторов, выпускаемых в настоящее время.

2.2 Аналоговые мультиплексоры

Хорошим приложением ключей на полевых транзисторах являются мультиплексоры - схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Такие устройства входят в состав систем сбора данных микропроцессорных регуляторов промышленных и транспортных объектов. Аналоговый сигнал с выбранного входа будет прямо проходить на выход. На рисунке 22 в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора из четырех направлений в одно.

Каждый из ключей от S0 до S3 представляет собой аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то, независимо от состояния адресных входов, все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и "демультиплексором", то есть сигнал может быть подан на вход мультиплексора и снят с избранного выхода.

а – схема мультиплексора, б – условное обозначение.

Рисунок 22 – Схема аналогового мультиплексора и ее условное

обозначение

2.3 Статические характеристики коммутаторов

Сопротивление в открытом состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (например, плюс 15 В), будут иметь малые значения R_o во всем диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа R_o будет расти, и максимум его имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания.

На рисунке 23 приведены зависимости R_o ключа микросхемы коммутатора MAX312 от напряжения входного сигнала при однополярном питании. При уменьшении U_пит сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается (особенно вблизи точки U_вх = U_пит/2). Это объясняется тем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжение составляет несколько вольт, и для достижения малых значений R_o требуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 10 В. Сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близкое к 10 Ом, при Uпит=2,7 В достигает 700 Ом.

Рисунок 23 - Зависимости Ro КМОП-ключа от входного напряжения при

однополярном включении.

Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых коммутаторов применяют, чтобы сохранить значение Ro малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входных сигналов. Это нужно для уменьшения нелинейных искажений входного сигнала. Для этого схему управления ключом выполняют таким образом, чтобы напряжение n-подложки "следило" за напряжением входного сигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышенной крутизной позволяет построить коммутаторы с весьма малым Ro при низком питающем напряжении. Так например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5 В имеет сопротивление R_o не более 2,5 Ом. На рисунке 24 приведены зависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений при однополярном (а) и разнополярном (б) питании.

а – однополярное включение, б – разнополярное включение.

Рисунок 24 – Графики зависимостей Ro ключа ИМС MAX391 от входного

напряжения для различных значений питающего напряжения

Применение КМОП логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект - в покое эти микросхемы практически не потребляют энергии.

Ток утечки канала. В закрытом состоянии канал МОП-ключа обладает очень высоким динамическим сопротивлением (до сотен ГОм) при напряжении сток-исток более 0,1 В. Поэтому его принимают источником тока с током I_ут. Направление протекания тока утечки через закрытый КМОП-ключ определяется полярностью приложенного напряжения. Типичное значение Iут для широкой номенклатуры аналоговых ключей и мультиплексоров составляет величину порядка 1 нА. Однако выпускаются и ключи с пониженным током утечки. Например у одноканального ADG431 типичный ток утечки 0,05 нА. При очень низких напряжениях на закрытом ключе сопротивление канала уменьшается, но остается все-таки весьма высоким.

3 ОБОСНОВАНИЕ СЕМИСЕКЦИОННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ПРИВОДА

3.1 Конструкция электромагнитного привода

Электромагнитная генерирующая оболочка представляет собой пространственно распределенный генератор электромагнитных полей, который используется для управления принципиально новыми элементами аппарата «Искусственное сердце», а именно гидропульсатором и клапаном с магнитно-жидкостными сенсорами. При этом важным является анализ взаимодействия перекрестных управляющего электромагнитного поля и гидродинамического поля с упругооболочечным сенсором, заполненном магнитной жидкостью.

Исполнительный элемент аппарата состоит из гидропульсатора и двух электромагнитных клапанов. При поочередной подаче напряжения на катушки, внутри цилиндра возникает двигающая сила, выталкивающая рабочее тело из цилиндра. Базовая конструкция представлена на рисунке 25.

2

К микроконтроллеру

1 – исполнительный элемент волнового типа; 2 – исполнительные элементы

клапанного типа

Рисунок 25 – Базовая конструкция электромагнитного привода

Исполнительный элемент волнового типа выполнен в виде пятисекционной многослойной цилиндрической катушки размером 100х40 мм, представленной на рисунке 26.

Рисунок 26 – Базовая конструкция волнового исполнительного элемента

Размеры катушки подобраны с учетом возможности установки внутри рабочего тела – магнитожидкостного сенсора. Диаметр рабочего тела , тогда рабочий объем исполнительного элемента

, (1)

где Н=100 мм – длина элемента,

R_иэ=20 мм – радиус исполнительного элемента,

R_рт=5 мм – радиус рабочего тела,

- объем исполнительного элемента.

Получаем объем выброса, равный объему исполнительного элемента

В результате проведения экспериментов подобран диаметр провода обмотки катушки. Экспериментально установленный диаметр составил 1мм.

Допустимая сила тока I = 10,2 А. Полученный параметр соответствует табличным. Зависимость наибольшего допустимого тока от площади поперечного сечения представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Допустимые токи нагрузки медных проводов

Для перемещения эквивалента магнитожидкостного сенсора внутри исполнительного механизма достаточно, чтобы каждая секция катушки состояла из 200 витков.

В качестве базовой конструкции электромагнитного односекционного исполнительного элемента выбрана цилиндрическая многослойная катушка размера 20 на 40 мм, аналогичная катушкам, используемым в конструкции исполнительного элемента волнового типа. Базовая конструкция представлена на рисунке 27.