精密高速模拟电压开关电路的设计

精密高速模拟电压开关电路的设计 专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 技术与工程应用 精密高速模拟电压开关电路的设计 李兴宁,陈海燕,王书杰 (泰州职业技术学院,江苏泰州225300) 摘要设计了一种新型模拟电压可切换无触点开关电路.该电路由集成运算放大器和场效应 管组成,能有效地消除 场效应管的导通电阻和夹断漏电流造成的不利影响,保证开关的精度,稳定度和高速度,并具 有可调节的信号放大能力,功能 比较接近理想开关.具体分析了开关电路消除导通电阻,减小关断漏电流,提高开关速度的原 理.该开关已在实际应用中获 得了满意的效果. 关键词开关;漏电流;导通电阻;运算放大器 中图分类号TN7文献标识码A文章编号1003—3106(2007)05—0059—03 DesignofPrecisionandHigh-speedAnalogVoltageSwitchCircuit LIXing—ning,CHENHal—yan,WANGShu—jie (TaizhouPolytechnicInstitute,TaizhouJiangsu225300,China) AbstractAnewanalogvoltagecontact-lessswitchcircuitisdesigned.Consistingofoperationalamplifie randfieldeffecttransistor,the switchcarlreducetheinfluencecausedbyfieldeffecttransistor’sswitch—onresistanceandleakagecurrent.Itisanidealswitchforpossessing highaccuracy,stabilityandspeed;italsohasaadjustableamplifyingability.Theprincipleofeliminatings witch-onresistance,reducingswitch? offleakagecurrentandenhancingswitchoverspeedisanalyzed.ThisswitchhashadsatisfactoryresIlItsi npracticalapplication. Keywordsswitch;leakagecurrent;switch-onresistance;operationalamplifier 0引言 在模拟电压量进行采集控制的系统中,要求模 拟电压开关动作快速和精密.早期使用的有触点开 关,导通和截断比较理想,但其开关速度太低,寿命 短.如果直接采用半导体管和场效应管电子开关, 虽然速度快,寿命长,但其导通压降大,截断时漏电 流也大,且漏电流随温度变化而变化,很容易引起信 号采集的误差和电路的不稳定. 考虑双极型晶体管导通压降一般为数百mV,场 效应管导通电阻在数十至数百Q之间.截止时,双 极型晶体管和场效应管的截断漏电流随温度变化而 变化,其数值范围可能从1—10mA.因此,将双极 型晶体管和场效应管直接用作模拟电压开关是难以 得到高精度的.优化和改进无触点开关设计在信号 采集系统中很有实用工程价值. 1模拟电压开关的结构 改进设计的带有集成运算放大器的精密高速电 压无触点模拟开关的简化原理电路如图1所示. 图1中,OA是自稳零型运算放大器,其开环放 大倍数为k;T1,T2,T3和T4均是增强绝缘栅型场效 应管,T1和r乃为P沟道,和T4为N沟道,控制 电路保证T1和T3的栅控脉冲电压的极性与T2和 T4的栅控脉冲电压 的极性相反,场效 应管的导通电阻分 别是r1,r2,r3,r4;e- ei为开关的输人;e 为运算放大器的输 出;e.,为开关的输 出;Co2是e.1是反相 对称开关输出.图1精密高速模拟开关 0ol t./k 该模拟电压开关采用自稳零型集成运算放大 器,场效应管是分别通过串联和并联接入运算放大 器的反馈回路,对于消除导通电阻影响,减小关断漏 电流影响,提高开关速度能起到有利作用,这样组成 的电压开关既保证了高精度和稳定度,又保证了高 速度,比较接近理想开关.同时具有一定的信号放 收稿日期:2OO6.10-10 2007年无线电工程第37卷第5期59 专题技术与工程应用 大能力,并方便进行通路切换. 2导通及导通电阻影响的消除 为便于分析,先忽略场效应管的夹断漏电流的 影响,只考虑导通电阻的基本关系式. 当栅控脉冲u为正时,T2,T4导通,T,T3夹断, 图1的等效电路如图2(a)所示.其中i为运算放 大器本身的输人电阻. (a)Uk>0(b)uk<0 图2输出等效电路 由图2(口)知:e:kub;il:i2+i3.即 一 “bUb一yR3+4+Rin . 将Mb:ey/k代人上式得: R1一kR=R r2 一 R+. 1(2+)2+r2’(R3+r4) 整理后得: 一 而R1:+?[1++R1+R1:]. eo1 e e02 式中,放大器的开环增益k通常达1一10,Ri>> Rl,而电阻Rl通常与(R2+r2)和(R3+r4)处于同 一 数量级,故上式可简化为: .(1) 由图1还可得: : [1+(?川].D1—,,LH丽i,J. 考虑到1/k<<1,上式可变为: =一丽r2)=e. 将式(1)代人上式得: e一ei R2 .(2) 由图2(a)还可知: 602007RadioEngineeringVo1.37No.5 z‰画:. 由于放大器的开关环增益k很大,输出电压e 又是有限值,故放大器虚地点电位u=0, e020.(3) 从式(1)和式(2)可见,虽然运算放大器的输出 电压e与开关管的导通电阻r有关,而整个部件的 输出电压eol则与r2无关.因和2为常数,所 以e.与ei成比例.这里,由于将e.作为开关部件 输出,故开关管的导通电阻的影响被消除了.从式 (2)还可见,此种开关的输出和输人反相,且具有稳 定的电压放大系数R/R2,改变和2的数值,可 使这种开关具有所需的放大倍数.从运算放大器的 性能可知,,即为这种开关的输人阻抗,它并不随 开关的通和断而改变,因此这种开关的输入阻抗不 仅可以很大而且是稳定的.这个开关的输出阻抗与 运算放大器处于同数量级,因而很小. 当图1中的栅控脉冲u为负时,T和T3导通, T2和T4夹断,图1的等效电路如图2(b)所示.用与 前述同样的推导方法可得如下关系式: = (4).1, ey:ei,(5)—,) e02=.(6) 式(4)中,通常R2>>n,加上Mb又非常接近于零, 故e.将在更大程度上接近于零,这将意味着开关断 开时(e.0)是很理想的. 由式(5)可见,此时e与式(1)中的e很相似, 如果R2:R3,r2:r3,则式(5)中的e与式(1)中的 e将完全相等,即放大器的输出电压并不因为开关 管的切换而发生变化.由式(6)可见,eo2与式(2)中 的e.相似,如果R3:R2(通常如此),则式(6)中的 e.与式(1)中的e.将完全相等,受u控制而切换. 3关断及关断漏电流影响的减小 当u为负时,理想情况是T2完全夹断,输出 e.为零,开关断开.但场效应管在夹断情况下,漏 专题技术与工程应用 极D和源极S之间总存在着漏电流,与此电流相应 的有一个等效漏电阻R..在温度较低时,漏电流 数值较小,可以忽略;但在温度较高时,其值剧增,忽 略R将造成严重误差.因此,在开关电路设计中, 为减小T2和管漏电流的影响,增加了场效应管 T】和T4,其作用分析如下:由于图1电路是对称的, 只需分析电路上半部(即不考虑和T4),且注意到 /Zb一0;当/Z为负时,Tl导通,T2夹断,电路如 图3(a)所示,等效电路如图3(b)所示.图中,r为 T管导通时的电阻,数值在几Q至几十Q,R.2为 管关断时的漏电阻,数值在几十至几百kl2. e0 (a)T1导通,T2夹断(b)等效电路 图3开关关断等效电路 没有Tl时(rl=?), e . — R2+—R t~ ; 有Tl时, e&fhe . (7) 从式(7),式(8)以及R2和r的数量级比较可 明显看到:增加Tl,开关关断时,输出e.l更接近0, 开关关断更理想. 4开关的速度 由于开关的对称性,只需分析上半部即可.参 照图3(a),并考虑分布电容C.,这个电容是管子Tl, T2和电阻R等分布电容的总等效值.从上述分析 可知,e在开关管的切换过程中保持不变,因此,放 大器本身的动态特性对开关的速度影响不大.假定 该电路为1阶环节,下面估计e.点对地的等效时间 常数. 开关断开(即T2断开,T.导通)时的等效时间常 数r为: rlC.?F1C.. 若不用T管,其等效时间常数r.=R2C.,二者 相比,时间常数r大大减小. 开关导通(即Tl断开,T2导通)时的等效时间常 数r2为: r rc.?r:C.. 若不用T2管,其等效时间常数r2=R2C.,二者 相比,时间常数r也大大减小. 上面估算的仅是时间常数r.和r引起的断开 时的过渡过程时间.这个模拟开关总的开关时间还 包括场效应开关管的开关时间.场效应开关管的实 际开关时间与管子本身的性能有关,也与栅控脉冲 /Z的幅度和前后沿时间有关. 这个电子开关总的开关时间很容易由实验测 定,只需要让/Z成为所需要的周期性脉冲即可观察 测定;观察e.的示波器应该使用输人电容很小的示 波器.实际测定e..的过渡过程波形,这个开关的上 升和下降时间仅为0.2bts,能较好地满足精密高速 模数转换器等设备的模拟开关的速度要求. 5结束语 通过以上论述,这种开关具有如下优点:能消除 开关管导通电阻的影响,能显着降低夹断漏电流的 影响,速度高,寿命长.该开关已在温度湿度控制系 统的数据采集中运用,并取得了满意的效果.?|. 参考文献 [1]席德勋.现代电子技术[M].北京:高等育出版社,1999: 131,141,147. [2]桂良启.电子开关在数据采集装置中的应用[J].电子技 术,2003(8):38—40. [3]李素芬.模数转换技术及其发展[J].电子技术应用, 2002(4):72—73. [4]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等育出版社,2004: 147—155. [5]丁明芳.高速高性能模数转换器的实现[J].自动化与仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ,2003(1):47—49. 作者简介 李兴宁男,(1960一),高级工程师.主要研究方向:电力电子 技术,控制工程. 2007年无线电工程第37卷第5期61