Снижение искажений в аналоговых КМОП ключах (перевод)

John Caldwell
Analog Applications Engineer

Перевод teap0t<caxapa.ru> v1.002 28-Apr-2015

Аналоговые КМОП переключатели давно стали "общим местом" электронных устройств: они работают во входных каналах систем сбора данных, запрещают выходы на время переходных процессов в блоке питания и т.д. Полупроводниковые ключи используются столь активно, что их параметры принимаются без обсуждений, но разработчик должен знать, что ведут они себя совершенно иначе, нежели их механические собратья. Например, сопротивление замкнутого КМОП ключа, называемое Ron, зависит от входного напряжения. Такое поведение обычно нежелательно и в некоторых случаях ведёт к заметным искажениям сигнала.

Чтобы понять почему полупроводниковые переключатели обладает такими свойствами, надо разобраться в их конструкции и принципах работы. Обычный твёрдотельный аналоговый ключ состоит из двух полевых транзисторов противоположной полярности, включеных в схему двунаправленного вентиля, как показано на рисунке 1. Управляющие напряжения (C и /C) на затворах транзисторов - постоянные потенциалы противоположных полярностей. Когда на затворе N-МОП транзистора положительное напряжение, а на затворе P-МОП отрицательное, ключ замкнут. Положительный сигнал на входе смещает напряжение Vgs P-МОП ключа в более отрицательную сторону, уменьшая сопротивление канала P-МОП транзистора. Таким образом, P-МОП служит основным путём распространения для положительных сигналов. Отрицательное напряжение на входе увеличивает разницу напряжения затвор-исток (Vgs) N-МОП транзистора, снижая его сопротивление и увеличивая ток через N-МОП канал.

Рисунок 1. Аналоговый КМОП ключ, выполненный на N-МОП и P-МОП таранзисторах

Такое схемное решение позволяет пропускать как положительные, так и отрицательные сигналы, но приводит к изменениям сопротивления канала в зависимости от уровня входного напряжения. На рисунке 2 представлена диаграмма зависимости Ron микросхемы TS12A12511 от уровня входного сигнала [1]. Параметр "неравномерность" (flatness) характеристики может включаться в технические данные для указания максимальных отклонений сопротивления канала в допустимом диапазоне сигналов. Например, для TS12A12511 типичное значение равно 1.6Ω.

Рисунок 2. Изменение сопротивления канала TS12A12511 в проводящем стстоянии как пример неравномерности Ron

Стандартная схема, использующая КМОП переключатель, показана на рисунке 3. Здесь ключ отсоединяет нагрузку от операционного усилителя (ОУ). Схема часто используется в музыкальных устройствах для подавления щелчков в момент подключения источника входного сигнала.

Рисунок 3. Пример использования КМОП ключа

Сопротивление канала Ron и сопротивление нагрузки RL образуют делитель с выходным напряжением Vin, определяемым формулой:

(1)

На самом деле величина Ron(S1) не константа и зависит от Vin. В качестве примера предположим, что сопротивление зависит от входного напряжения линейно:

(2)

Во второй формуле Ro - сопротивление канала при напряжении сигнала 0V, а ΔR характеризует изменение сопротивления под действием входного напряжения. На самом деле зависимость Ron от Vin сложнее, но линейная функция облегчает анализ, по-прежнему показывая механизм искажений.

Подставим соотношение 2 обратно в выражение для делителя напряжения:

(3)

Для сокращения письма введём следующие обозначения:

Тогда выражение (3) принимает вид:

(4)

Чтобы объяснить механизм появления искажений перепишем уравнение (4) в виде суммы ряда Маклорена (используются первые пять элементов ряда):

(5)

Теперь заменим входное напряжение "x" синусоидальным сигналом x=sin(2πft):

(6)

Используя правила понижения степеней для тригонометрических функций и приводя подобные слагаемые, получим аналитическое выражение для каждой гармоники (см. таблицу 1). Ряд Маклорена был сокращён до первых пяти членов, поэтому табличные значения являются лишь некоторым приближением.

Таблица 1: Приблизительные выражения для амплитуд гармоник

Несмотря на то, что сопротисление КМОП ключа почти никогда не имеет линейной зависимости от напряжения, данный пример выявляет некоторые полезные правила уменьшения искажений в подобных схемах. Если посмотреть на выражения для каждой гармоники, можно обнаружить, что для уменьшения искажений требуется или сильно уменьшать величину "A", или сильно увеличивать "B". Последний вариант крайне нежелателен в большинстве приложений. Вернёмся к формуле для "B":

(7)

Чтобы "B" было велико Ro должно быть много больше, чем RL. Но в таком случае большая часть входного сигнала будет падать на огромном сопротивлении канала, а не на нагрузке. В итоге получаем сильное ослабление сигнала.

В большинстве случаев гораздо практичнее уменьшать величину "A":

(8)

Формула показывает, что, если ΔR=0, то гармоники исчезают. Несмотря на постоянное снижение неравномерности сопротивления замкнутого канала аналоговых ключей, полностью исключить зависимость от входного напряжения не получится. Другой путь - выбор сопротивления нагрузки гораздо большего по величине, чем максимальное изменение сопротивления канала. Такой вариант часто используется в системах сбора данных, входной импаданс которых обычно очень высок.

К сожалению, не все области использования аналоговых ключей могут похвастаться такими замечательными входными характеристиками. Примером могут служить высококачественные головные телефоны. Более того, даже минимальные изменения сопротивления канала приводят к неожиданно высокому уровню искажений. Коэффициент гармоник (THD+N) схемы на рисунке 3 был измерен для сигнала амплитудой 2Vpp с нагрузкой 100КΩ и 600Ω. Согласно техническим данным на микросхему аналогового переключателя TS5A22362, сопротивление канала при 0V равно 0.37Ω (при комнатной температуре). Измерение сопротивления для диапазона 2Vpp равно 0.115Ω.

Результаты измерений приведены на рисунке 4. Для импеданса нагрузки 100KΩ коэффициетн гармоник весьма низок и определяется в основном шумовыми параметрами измерительных приборов (около 0.0005%). А вот на нагрузке 600Ω искажения увеличиваются на порядок до 0.005%. В прецизионных аналоговых системах такой уровень гармоник неприемлим.

Рисунок 4: Результаты измерения коэффициента гармоник (THD+N) для схемы с рисунка 3

Для полосы частот, в которой проводились измерения, падение напряжения на ключе не меняется и, соответственно, уровень искажений не зависит от частоты.

Спектр выходного сигнала частотой 1kHz на нагрузке 600Ω (рисунок 5) показывает, что амплитуды первых пяти гармоник превышают уровень шума, но основные искажения вносятся второй гармоникой. Это результаты неравномерности сопротивления ключа Ron.

Рисунок 5: Спектр выходного синусоидального сигнала частотой 1 kHz для схемы с рисунка 3

Гармоники можно уменьшить, охватив ключ петлёй обратной связи, но задача не так проста, как можно подумать. Обратная связь усилителя должна быть замкнута и при отключённой нагрузке, в противном случае усилитель войдёт в насыщение, т.е. на выходе будет одно из его напряжений питания, а замыкание ключа в этот момент вызовет нежелательные скачки напряжения на нагрузке.

Одно из возможных решений показано на рисунке 6. В таком варианте используются два ключа. Один, S1, передаёт сигнал в нагрузку, второй, S2, замыкает петлю обратной связи вокруг S1. Дополнительные искажения от S2 пренебрежимо малы, т.к. входной импеданс инвертирующего входа ОУ очень велик.

Рисунок 6: Схема с двумя ключами, позволяющая замкнуть цепь обратной связи

Параллельно обоим переключателям на схеме включён резистор R1. Для уменьшения искажений основной путь распространения сигнала обратной связи должен проходить через ключи, а не R1. Соответственно, сопротивление открытого канала должно быть много меньше величины R1.

(9)

Данное требование легко соблюсти, если использовать TS5A22362, чьё сопротивление во включённом состоянии составляет 0.37Ω. Но для других микросхем, таких как для очень популярный CD4066B, этот параметр может достигать сотен Ом.

Когда ключи размыкаются и нагрузка отсоединяется от усилителя, обратная связь замыкается через R1. Но при включении в цепь обратной связи дополнительного элемента всегда следует уточнять параметры устойчивости. Сопротивление обратной связи всегда взаимодейстует со входной ёмкостью ОУ и уменьшает запас устойчивости по фазе. Эмпирическое правило сохранения устойчивости, выражается формулой:

(10)

где fGBW - полоса усиления ОУ, а CCM и CDM его синфазная и дифференциальная входные ёмкости. Подставляя соответствующие параметры для OPA172 получаем величину R1 198.9Ω. Резистор номиналом 200Ω находится достаточно близко к нужному значению и не нарушает условий стабильности.

(11)

Схема с рисунка 6 тестировалась в тех же условиях, что и предыдущая. Результаты измерений даны на диаграммах 7 и 8. Ключ в цепи обратной связи усилителя позволил полностью подавить искажения от изменения сопротивления открытого канала переключателя. Коэффициент гармоник (THD+N) одинаков для обоих нагрузок (100КΩ и 600Ω) во всём диапазоне частот и сравним с шумовыми параметрами измерительного оборудования.

Рисунок 7: Результаты измерения коэффициента гармоник (THD+N) для схемы с рисунка 6

Спектр выходного сигнала (рисунок 8) показывает, что уровень гармоник от TS5A22362 ниже уровня шума анализатора.

Рисунок 8: Спектр выходного синусоидального сигнала частотой 1 kHz для схемы с рисунка 6

Использование аналоговых переключателей в цепи обратной связи позволяет существенно улучшить параметры аналоговых систем. Схемное решение, показанное на рисунке 6, подавляет искажения, вносимые ключом, и позволяет полностью отсоединить нагрузку от усилителя. Цепь обратной связи ОУ остаётся замкнутой независимо от состояния переключателя, не позволяя усилителю войти в насыщение и препятствуя возникновению нежелательных скачков напряжения при замыкании канала. Более того, переключатели с очень низкой неравномерностью сопротивления перестают быть абсолютно необходимыми компонентами и увеличивать стоимость устройства.