Окончание
Начало читайте здесь:
Полоса пропускания
На Рисунке 7 показаны паразитные элементы, влияющие на характеристики КМОП ключей по переменному току. На этом рисунке:
CDS = емкость сток-исток;
CD = емкость сток-затвор + сток-подложка;
CS = емкость исток-затвор + исток- подложка.
 |
|
| Рисунок 7. | Модель КМОП ключа. |
Передаточная функция определяется формулой, приведенной ниже. В формуле приняты следующие допущения:
- Импеданс источника питания 0 Ом
- Не учтен вклад внешней нагрузки
- Не учтена емкость CDS
- RLSB << RMSB
где:
RDAC – установленное сопротивление
RPOT – полное сопротивление между выводами потенциометра
CDLSB – общая емкость сток-затвор + сток- подложка в сегменте LSB
CSLSB – полная емкость исток-затвор + исток- подложка в сегменте LSB
CDMSB – общая емкость сток-затвор + сток- подложка в сегменте MSB
CSMSB – полная емкость исток-затвор + исток- подложка в сегменте MSB
moff – число отключенных ключей в сегменте MSB
mon – число включенных ключей в сегменте MSB
На передаточную функцию влияет множество факторов, и, в определенной степени, она является кодозависимой, поэтому для упрощения выражения будем использовать следующие допущения:
CDMSB + CSMSB = CDSMSB
CDLSB + CSLSB >> CDSMSB
(CDLSB + CSLSB) = CW (определено в паспортных характеристиках)
Несмотря на то, что CDS добавляет ноль в передаточную функцию, это проявляется, как правило, на частотах, лежащих далеко за пределами частоты полюса, поэтому доминирующее влияние оказывает RC фильтр низких частот. Сделанные допущения позволяют упростить уравнение:
Полоса пропускания (BW) определяется как:
где
CL – емкость нагрузки.
Полоса частот зависит от кода, и наихудший случай возникает тогда, когда установлен код, соответствующие середине шкалы. Например, для микросхемы AD5292 – это 29 = 512, а для AD5291 – 27 = 128 (см. Приложение). Рисунок 8 демонстрирует эффект низкочастотной фильтрации, как функцию от установленного кода для различных значений сопротивления и нагрузочной емкости.
 |
|
| Рисунок 8. | Зависимость максимальной полосы пропускания от емкости нагрузки для различных значений сопротивления. |
Паразитная емкость дорожек печатной платы так же должна приниматься во внимание, иначе максимальная рабочая частота будет ниже, чем ожидалось. Емкость дорожки может быть легко посчитана как:
где
εR – диэлектрическая проницаемость материала печатной платы
A – площадь дорожки (см2)
d – расстояние между слоями (см)
К примеру, возьмем печатную плату с материалом диэлектрика FR4, с двумя сигнальными слоями, и слоями земли и питания. Пусть
длина дорожки = 3 см,
ширина = 1.2 мм,
расстояние между слоями = 0.3 мм.
Диэлектрическая проницаемость εR = 4. Полная емкость дорожки будет равна, примерно, 4 пФ.
Искажения
THD позволяет представить в количественной форме нелинейность такого устройства, как аттенюатор. Эта нелинейность обусловлена внутренними ключами и зависимостью их сопротивления RON от напряжения. Умышленно гиперболизированный пример, показывающий искажение амплитуды, показан на Рисунке 9.
 |
|
| Рисунок 9. | Искажения. |
По сравнению с сопротивлением одиночного внутреннего пассивного резистора, величина RON весьма незначительна, а изменение RON во всем диапазоне входных сигналов еще меньше.
Рисунок 10 показывает типичную характеристику для сопротивления в открытом состоянии.
 |
|
| Рисунок 10. | Сопротивление КМОП ключа. |
Намного существеннее влияние на сопротивление напряжения питания. Наименьшее изменение RON происходит при максимальном напряжении питания. Если напряжение питания уменьшается, вариации RON, а, следовательно, и нелинейность, возрастают. На Рисунке 11 сравниваются колебания RON для низковольтного цифрового потенциометра при двух уровнях напряжения питания.
THD зависит от множества факторов, и поэтому найти для него численное выражение трудно, однако, задавшись10-процентным изменением RON, можно воспользоваться следующим грубым приближением:
Из формулы вытекает основное правило: чем выше номинальное сопротивление цифрового потенциометра (RPOT) тем лучше THD, так как знаменатель больше.
 |
|
| Рисунок 11. | Зависимость сопротивления ключа от напряжения питания. |
Компромисс
С увеличением RPOT, уменьшаются и искажения, и полоса пропускания, поэтому невозможно улучшить одну характеристику, не испортив другую. Таким образом, разработчики схем должны находить оптимальный баланс. Это столь же важно и на уровне проектирования ИС, поскольку разработчики микросхем должны прийти к балансу параметров в расчетной формуле:
где
COX – емкость подзатворного окисла
μ – подвижность электронов (n-МОП) или дырок (p-МОП)
W – ширина
L – длина
Смещение
С практической точки зрения, необходимо улучшать каждую из этих характеристик. Когда цифровой потенциометр используется для ослабления переменного сигнала с емкостной связью, наименьший уровень искажений достигается при смещении сигнала на величину, равную половине напряжения питания. В этом случае ключи работают на наиболее линейном участке.
Одним из методов является использование двуполярного питания и простого заземления потенциометра на общую шину источника. В этом случае, сигнал может иметь как положительную, так и отрицательную полярность. Другим способом, если двуполярное питание отсутствует, или его не поддерживает используемый потенциометр, будет добавление к переменному сигналу постоянного смещения VDD/2. Напряжение смещения должно подаваться на оба вывода потенциометра, как показано на Рисунке 12.
 |
|
| Рисунок 12. | Смещение при однополярном питании. |
Если требуется усиление сигнала, инвертирующий усилитель с двуполярным питанием, показанный на Рисунке 13, будет предпочтительнее неинвертирующего по двум причинам:
- В связи с тем, что виртуальная земля на инвертирующем выводе центрирует сопротивление ключа относительно середины напряжения источника питания, уровень нелинейных искажений (THD) будет ниже.
- Поскольку инвертирующий вывод выступает в роли виртуальной земли, влияние емкости ползунка CDLSB отсутствует, и полоса пропускания может быть немного увеличена. (Правда, при этом надо обращать внимание на стабильность схемы).
 |
|
| Рисунок 13. | Регулировка усиления с использованием цифрового потенциометра и инвертирующего усилителя. |
Приложение. Цифровые потенциометры AD5291/AD5292
 |
|
| Рисунок 14. | Функциональная схема микросхем AD5291/AD5292. |
Показанные на Рисунке 14, цифровые потенциометры AD5291/AD5292 имеют разрешение 256/1024 положений. Выпускаются варианты с полным сопротивлением 20, 50 и 100 кОм при допуске менее 1% и температурной стабильности 35 ppm/°C в режиме реостата или 5 ppm/°C (соотношение плеч) в режиме делителя. Устройства выполняют те же функции электронной регулировки, что и механические потенциометры, но при этом имеют меньший размер и более надежны. Положение ползунка управляется через SPI-совместимый интерфейс. До пережигания перемычки (процесс аналогичный заливке механического потенциометра эпоксидным клеем) может быть произведено неограниченное число подстроек. Этот процесс («удаление эпоксидной смолы») можно повторять до 20 раз. Допустимое напряжение питания потенциометров лежит в пределах от 9 до 33 В при однополярном источнике, или от ±9 до ±16.5 В при двуполярном, при этом рассеиваемая ими мощность равна 8 мВт. Микросхемы выпускаются в 14-выводных корпусах TSSOP и рассчитаны на работу в температурном диапазоне от –40 до +105 °C.
