Công tắc tương tự FET

Ứng dụng quan trọng và rộng rãi nhất của FET là ở chế độ hoạt động switch. Tiêu biểu là Analog Switch còn được gọi là công tắc tương tự FET. Công tắc CMOS là thành phần cơ bản để xây dựng các cổng logic, các flip-flop trong kỹ thuật số.

Trong bài viết này sẽ trình bày các nguyên lý hoạt động căn bản của các Analog Switch sử dụng MOSFET, Analog Switch sử dụng CMOS, Analog Switch sử dụng JFET. Hai ứng dụng cơ bản của Analog Switch là mạch đa hợp (MULTIPLEXER) và mạch lấy mẫu (SAMPLE).

Công tắc tương tự MOSFET

MOSFET được phân cực ở trạng thái tắt (OFF). Khi có tín hiệu điều khiển thì MOSFET dẫn (ON). Ở trạng thái ON nó cho một tín hiệu đi qua đến một tải mà không có suy giảm hoặc không tuyến tính. Ở trạng thái OFF nó là một mạch hở. Nó phải có điện dung không đáng kể đến đất và không đáng kể ghép tín hiệu vào đến ngõ vào điều khiển.

Hình 1-1

Xem xét hình 1-1. Q là một MOSFET chế độ giàu kênh n, nó không dẫn khi cực cửa được nối đất hoặc âm. Trong trạng thái đó trở kháng máng-nguồn R(off) có giá trị tiêu biểu lớn hơn 10 000 MΩ, và không cho phép tín hiệu đi qua (cho dù tần số cao sẽ được ghép qua dung kháng máng-nguồn). Đưa điện áp cực cửa lên +15 V đặt kênh máng-nguồn vào trạng thái dẫn, trở kháng kênh dẫn lúc này có giá trị tiêu biểu 20–200Ω trong FET, cho mục đích sử dụng như các công tắc tương tự. Mức tín hiệu cổng nói chung là không tới hạn miễn sao là dương hơn tín hiệu lớn nhất (để duy trì R_ON thấp), và nó có thể được cung cấp từ mạch logic số (có thể sử dụng FET hoặc BJT để phát ra mức biên độ đủ lớn) hoặc ngay cả từ một OP-AMP hoạt động từ một nguồn cung cấp +15 V. Phần âm (như từ một ngõ ra lưỡng cực của OP-AMP) sẽ không có tác dụng gì. Ghi nhớ là công tắc FET là một dụng cụ hai chiều, các tín hiệu có thể đi qua nó theo chiều nào cũng được, như công tắc cơ khí.

Mạch như biểu diễn ở trên sẽ hoạt động với các tín hiệu dương đến khoảng 10 V; với các tín hiệu lớn hơn việc lái cổng không đủ để giữ FET ở trạng thái dẫn (R_ON bắt đầu tăng lên), và các tín hiệu âm sẽ gây ra FET dẫn, với cực cửa nối đất (nó cũng sẽ phân cực thuận tiếp xúc kênh dẫn-nền). Nếu muốn chuyển mạch các tín hiệu là hai cực tính (có nghĩa là các tín hiệu tầm -10 V đến +10 V), ta có thể sử dụng cùng mạch, nhưng với cực cửa được lái từ -15 V (OFF) đến +15 V (ON); cực nền nên nối với -15V.

Với bất bất kỳ công tắc FET nào, quan trọng là cấp cho một trở kháng tải trong khoảng từ 1 kΩ đến 100 kΩ để giảm điện dung xuyên qua cực của tín hiệu vào, nếu không sẽ xảy ra trạng thái OFF kéo dài. Giá trị của trở kháng tải là một thỏa hiệp: các giá trị thấp giảm xuyên qua cực, nhưng chúng bắt đầu làm yếu đi tín hiệu ngõ vào bởi vì phân áp điện áp được tạo ra từ R_ON và tải. Bởi vì R_ON thay đổi hết tầm dao động của tín hiệu (từ sự thay đổi V_GS), sự suy giảm này cũng sinh ra vài việc không tuyến tính không mong muốn. Trở kháng tải quá thấp xuất hiện tại ngõ vào công tắc, dĩ nhiên, nạp tín hiệu cũng được. Vài giải pháp cho vấn đề này (các công tắc nhiều tầng, loại bỏ R_ON). Một thay đổi đáng chú ý là dùng một công tắc FET thứ hai nối ngõ ra với đất, khi FET nối tiếp tắt, như vậy tạo ra hiệu quả là một SPDT (Single-Pole Double Throw).

Công tắc tương tự CMOS

Thông thường để bật tắt-mở tín hiệu có thể cần điện áp gần bằng nguồn cung cấp. Trong trường hợp đó mạch công tắc kênh n đơn giản vừa mô tả sẽ không hoạt động, bởi vì cực cửa không được phân cực thuận tại đỉnh của dao động tín hiệu. Giải pháp là sử dụng các công tắc MOSFET bổ phụ mắc song song (CMOS) hình 1-2. Ký hiệu tam giác là một cổng NOT; nó đảo MỨC CAO ở ngõ vào thành MỨC THẤP ở ngõ ra, và ngược lại. Khi tín hiệu ngõ vào điều khiển ở mức cao, Q₁ được giữ ON cho các tín hiệu từ đất đến không quá vài volt của +V_DD (ở đó R_ON của nó bắt đầu tăng đột ngột), Q₂ cũng được giữ ON như vậy (bởi vì cực cửa của nó được nối đất) cho tín hiệu từ +V_DD đến không quá vài volt tới đất (ở đó R_ON của nó bắt đầu tăng đột ngột). Như vậy tín hiệu trong tầm giữa +V_DD và đất được đi qua với trở kháng thấp. Khi tín hiệu ở mức thấp thì cả 2 transistor đều tắt, cho ra một mạch hở. Kết quả là một công tắc tương tự cho tất cả tín hiệu đi từ đất đến +V_DD. Đây là cấu tạo của “cổng truyền” cổ điển 4066 CMOS. Nó là hai chiều, giống như các công tắc được mô tả trước đây: đầu nào cũng có thể là ngõ vào. Có nhiều công tắc tương tự mạch tích hợp CMOS, với các tầm điện áp hoạt động khác nhau và với thay đổi các cấu trúc công tắc (nghĩa là, vài phần độc lập với vài cực cho mỗi phần). Trở lại “cổng truyền tương tự “ CD4066 cổ điển (hình 1-10b), nó thuộc về họ 4000 nguyên thủy của logic CMOS số và hoạt động như một công tắc tương tự cho các tín hiệu giữa đất và một điện thế cung cấp dương đơn.

Hình 1-2

Một cách chung nhất, mặc dù, bạn sẽ chọn một IC công tắc tương tự chuyên dụng, thí dụ một thành viên của họ DG221 tiêu chuẩn công nghiệp. Những IC này có thuận lợi riêng khi dùng: nó chấp nhận các tín hiệu điều khiển mức logic (0 V = LOW, >2,4 V = HIGH), nó sẽ xử lý các tín hiệu tương tự đến ± 15 V (được so sánh với chỉ ±7,5 V của chuỗi 4000), nó có các cấu trúc khác nhau, và có trở kháng ON tương đối thấp (25 Ω hoặc ít hơn đối với một số IC của các họ này, và xuống đến phần thập phân của ohm cho các công tắc điện áp thấp hơn). Analog Device, Intersil, Maxim, Vishay Siliconix, và các nhà sản xuất khác cung cấp một tầm điện áp ngõ vào rất tốt các công tắc tương tự.  

Hình 1-3

Công tắc tương tự JFET

Mặc dù hầu hết các công tắc tương tự có thể được xây dựng với một cặp MOSFET bổ phụ mắc song song. Cấu trúc CMOS vừa được mô tả cũng có thể xây dựng các công tắc tương tự JFET, và nó có vài tiện ích.

Hình 1-4

Mạch cơ bản hình 1-4 dùng một JFET kênh n đơn, Q₁, như một công tắc tương tự. Việc dẫn của nó được điều khiển bởi một công tắc transistor, Q₂, nó kéo cực cửa xuống đến một điện áp âm lớn (-15 V, thí dụ) để cắt dẫn JFET (công tắc OFF). Tắt Q₂ sẽ làm cho cực cửa hở với điện áp nguồn, đặt JFET (chế độ nghèo) dẫn hoàn toàn (công tắc ON). Điện trở cực cửa R₁ được làm lớn có chủ ý sao cho đường tín hiệu ngõ ra không được xem là tải đáng kể trong trạng thái OFF; giá trị của nó là một thỏa hiệp, bởi vì một trở kháng lớn hơn sẽ gánh một sự trì hoãn bật mở lâu hơn. Với một nguồn tín hiệu trở kháng thấp (ngõ ra của một OP-AMP) có thể thích hợp hơn để đặt điện trở bên phía lối vào (có nghĩa là cấp tín hiệu vào từ bên phải).

Bởi vì chỉ có một JFET kênh n đơn, công tắc này không thể chấp nhận tất cả các tín hiệu ngõ vào từ nguồn cung cấp âm: các điện áp tín hiệu đến gần nguồn âm hơn V_GS(off) của FET sẽ mang nó trở lại dẫn. Do đó không có hạn chế giới hạn dương.

Một đặc tính tốt của công tắc tương tự JFET này là sự bất biến của R_ON với mức tín hiệu: bởi vì cực cửa ở tại điện áp nguồn, sẽ không có sự thay đổi R_ON với điện áp tín hiệu.

Hình 1-5

Trong thực hành bất tiện là phải điều khiển công tắc với một tín hiệu gần với điện áp cung cấp âm (gấp đôi so với các công tắc MOSFET). Như vậy, ta chắc chắn sẽ sử dụng một mạch dời mức điện thế sao cho một ngõ vào mức-logic giữa 0 V và +3 V, để kích hoạt công tắc. Hình 1-5 biểu diễn một cách đơn giản để thực hiện điều đó, sử dụng các bộ so sánh với ngõ ra “cực thu hở” để lái các cực cửa của các công tắc JFET rời. Với các công tắc tương tự tích hợp, loại mạch tín hiệu điều khiển này nói chung được xây dựng bên trong. Công tắc tương tự JFET SW06 (và họ DG180-189 từ Vishay-Silionix) bao gồm các bộ lái như vậy cùng với vài thủ thuật thích hợp.

Các công tắc tương tự JFET vốn đã khó khăn hơn các anh em CMOS, với điều đó làm giảm cấp các mạch bảo vệ chống lại các lỗi quá áp. Chúng chịu đựng sự phóng hạt dẫn cao; Do đó, bất chấp các đặc tính tốt của nó, các công tắc tương tự JFET và các bộ đa hợp hầu như không còn nữa, với các thí dụ như SW-01, SW-7510, và các chuỗi MUX-08 từ Precise Monolithics (bây giờ là Analog Devices) không còn nữa (nhưng hạnh phúc thay SW06 vẫn còn).

Một bộ so sánh với các ngõ ra hở, được cấp điện từ  +5 V và -18 V, chuyển đổi một mức logic 0 đến 3 V ngõ vào, thành một điện áp lái cực cửa JFET, mà các biên độ dao đông đến -18 V. Để cung cấp các tín hiệu tương tự trên mức ±12 V. Các diode được thêm vào cho phép một tín hiệu điều khiển, lái nhiều hơn một công tắc JFET.

Mạch đa hợp (Multiplexer)

Một ứng dụng rất tốt của các công tắc tương tự FET là “multiplexer” (hoặc MUX), một mạch mà nó cho phép chọn lựa bất kỳ các ngõ vào, khi được mô tả bởi một tín hiệu điều khiển số. Tín hiệu tương tự hiện diện trên ngõ vào được lựa chọn sẽ được đi qua đến ngõ ra (đơn).

Hình 1-6

Hình 1-6 biểu diễn nguyên lý căn bản. Mỗi một công tắc SW0 đến SW3 là một công tắc tương tự CMOS. “logic lựa chọn” giải mã địa chỉ và cho phép chỉ công tắc được địa chỉ hóa, không cho phép các công tắc còn lại. Như vậy một bộ multiplexer thường được sử dụng trong việc liên kết với mạch số nó phát ra các địa chỉ thích hợp. Một trường hợp điển hình có thể bao gồm một thiết bị thu nhận dữ liệu, trong đó một số các điện áp ngõ vào tương tự phải được lấy mẫu lần lượt, được chuyển đổi thành con số digital, và được sử dụng như ngõ vào cho vài tính toán. Bởi vì các công tắc tương tự là hai chiều, một multiplexer tương tự giống như vậy cũng là một “demultiplexer”: một tín hiệu có thể được cung cấp thành “tín hiệu ra”  và sẽ xuất hiện trên “ngõ vào” được lựa chọn. Tiêu biểu của các multiplexer tương tự là chuỗi DG408-09 và DG508-09 tiêu chuẩn công nghiệp (và nhiều phiên bản cải tiến của chúng), mạch 8 hoặc 16 ngõ vào MUX nhận các ngõ vào địa chỉ mức-logic và hoạt động với các điện áp tương tự lên đến ±15 V. Các linh kiện 4051-4053 trong họ số CMOS là multiplexers-demultiplexers với đến 8 ngõ vào nhưng với các mức tín hiệu cực đại 15 V_PP; chúng có một chân V_EE (và dịch mức bên trong) sao cho bạn có thể dùng chúng với các tín hiệu tương tự điều khiển lưỡng cực và các tín hiệu đơn cực (mức logic). Chúng ta đặc biệt thích chuỗi 4053, với ba công tắc SPDT.

Mạch lấy mẫu

Một ứng dụng của công tắc tương tự là trong việc biến đổi tương tự-số. Công tắc tương tự được sử dụng trong một mạch lấy mẫu-và-giữ (sample-and-hold) để lấy mẫu tín hiệu ngõ vào ở một tốc độ cụ thể. Mỗi giá trị tín hiệu được lấy mẫu thì được tạm thời lưu giữ trên một tụ điện cho đến khi nó có thể được chuyển đổi thành một mã số (digital) bởi một bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC). Để thực hiện điều này, MOSFET được bật mở  trong các khoảng thời gian ngắn trong suốt một chu kỳ của tín hiệu ào bằng các xung cấp đến cực cửa. Hoạt động cơ bản, trình bày chỉ một vài mẫu cho rõ ràng, được minh họa trong hình 1-7.

Hình 1-7

Tốc độ cực tiểu mà ở đó một tín hiệu có thể được lấy mẫu và xây dựng lại từ các mẫu phải hơn hai lần tần số cực đại của tín hiệu. Tần số lấy mẫu cực tiểu được gọi là tần số Nyquist.

                                                f_{lấy mẫu (min)}  ˃  2xf_{tín hiệu (max)}

Khi một xung cực cửa ở mức cao nhất của nó, công tắc sẽ bật mở và một phần nhỏ của dạng sóng ngõ vào diễn ra trong khoảng thời gian mà xung xuất hiện trên ngõ ra. Khi dạng sóng xung ở mức 0 V của nó, công tắc tắt và ngõ ra cũng là 0 V.

Các ứng dụng khác của công tắc tương tự

Các công tắc được điều khiển bởi điện áp tạo thành các khối cơ bản cho nhiều mạch op-amp, và các bộ tách sóng đỉnh. Thí dụ, với op-amp chúng ta sẽ có thể xây dưng một bộ tích phân “true”: một ngõ vào hằng tạo cho ra một ngõ ra một dốc tuyến tính (không phải một hàm mũ), v.v. Với một bộ tích phân như vậy ta phải có một phương pháp để reset ngõ ra; một công tắc FET qua hai đầu tụ tích hợp thực hiện thủ thật đó.

Các hạn chế của các công tắt tương tự FET

Các công tắc tương tự không tuyệt đối – chúng có trở kháng khác zero khi ON, và dòng rỉ khác zero khi OFF, cũng như điện dung xuyên cực và phóng điện tích trong thời gian thay đổi trạng thái chuyển mạch.