Analogtechnik

Tipps zur Auswahl des passenden CMOS-Analogschalters, Teil 2

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Fehlergeschützte Schalter mit Überspannungsschutz

Der Eingangsspannungsbereich eines Standard-Analogschalters wird durch die Betriebsspannungen begrenzt. Überschreitet die Eingangsspannung die positive Betriebsspannung oder unterschreitet die negative Betriebsspannung, kann das IC in den Latch-up-Zustand geraten oder dauerhaft beschädigt werden.

Meist stellt diese Einschränkung kein großes Problem dar, doch in bestimmten Anwendungen kann es vorkommen, dass ein Eingangssignal anliegt, während die Betriebsspannung des Analogschalters abgeschaltet ist. Auch Störimpulse auf der Betriebsspannung können ein Latch-up oder dauerhafte Schäden verursachen. Fehlergeschützte Schalter und Multiplexer garantieren einen wirksamen Überspannungsschutz meist bis ±36 V und einen Power-down-Schutz bis ±40 V.

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Rail-to-rail-Fähigkeit und RON unterscheiden sich nicht von gewöhnlichen Analogschaltern. Im Fehlerfall geht der Eingangsanschluss in einen hochohmigen Zustand über (unabhängig vom Schaltzustand oder dem Lastwiderstand), sodass die Signalquelle nur mit wenigen Nanoampere Leckstrom belastet wird.

Bild 10 zeigt die interne Struktur eines fehlergeschützten Analogschalters. Überschreitet das Nutzsignal an NO (NC) eine der Versorgungsspannungen, werden die Schalter P1 und N1 geöffnet. Zusätzlich wird der COM-Ausgang über einen der zwei integrierten „Booster“-FETs (P2 oder N2) auf die obere bzw. untere Betriebsspannung geklemmt.

Dadurch bleibt die Ausgangsspannung an COM immer innerhalb des Betriebsspannungsbereichs. Der maximale COM-Ausgangsstrom wird, je nach Last, auf nur einige Milliampere begrenzt. Bei diesem fehlergeschützten Schalter wird das Signal in beide Richtungen gleichermaßen gut durchgeleitet, der Fehlerschutz ist nur eingangsseitig wirksam [3].

Bei einigen „Dual-Rail“-Analogschaltern (d.h., Schaltern, die zwei Betriebsspannungen benötigen) muss die positive Betriebsspannung vor der negativen Betriebsspannung angelegt werden (Sequencing), um Latch-up oder eine Beschädigung des Bauteils zu vermeiden. Es sind aber auch Schalter verfügbar, die keine solche Betriebsspannungs-Sequenzierung erfordern; ein Beispiel dafür ist der Multiplexer MAX14752. Er ist anschlusskompatibel mit dem Industriestandard DG408/DG409.

Remote-Sensing-Messchalter beeinflussen die Systemgenauigkeit

Messschaltungen zum Überwachen von Betriebsspannungen können die zu überwachende Spannung auf unterschiedliche Weise abgreifen. Man unterscheidet zwischen 2-, 3- und 4-Draht-Abgriff. Diese Methoden unterscheiden sich hinsichtlich Genauigkeit und Komplexität.

Wenn die Genauigkeit von untergeordneter Bedeutung ist, wird in der Regel die in Bild 11 gezeigte 2-Draht-Methode angewandt. Hierbei wird die Lastspannung am quellenseitigen Ende der Lastzuleitungen gemessen. Die tatsächliche Spannung an der Last kann jedoch erheblich kleiner sein als die Quellenspannung.

Der Grund dafür ist der Widerstand der Lastzuleitungen, der bei hohen Strömen einen entsprechend großen Spannungsabfall verursacht. Je länger die Lastzuleitungen, je größer der Laststrom und je größer der Widerstand der Lastzuleitungen ist, desto größer ist der Messfehler. Die (hier nicht dargestellte) 3-Draht-Methode liefert eine etwas höhere Genauigkeit, doch die besten Ergebnisse erzielt man mit der 4-Draht-Methode.

Bei der 4-Draht-Methode (Bild 12) werden für die Zuführung des Laststroms und für die Spannungsmessung separate Leitungen verwendet, wobei die Messleitungen direkt an der Last angeschlossen werden („remote sensing“ oder „Kelvin sensing“). Einige Analogschalter-ICs, die für solche Remote-Sensing-Anwendungen vorgesehen sind, vereinen verschiedene Schaltertypen im gleichen Gehäuse. So ist die Produktfamilie MAX4554 für Remote-Sensing-Anwendungen in automatischen Testsystemen (ATE, Automated Test Equipment) vorgesehen.

Jedes dieser ICs enthält niederohmige Hochstromschalter zum Schalten des Laststroms sowie weitere Schalter mit höherem RON zum Schalten der Messspannung oder von Guard-Signalen. Die RON-Werte betragen 6 Ω für den Hochstromschalter und 60 Ω für den Messspannungsschalter (jeweils bei ±15 V Betriebsspannung).

Remote-Sensing-Messschalter eignen sich für Anwendungen in hochgenauen Messsystemen wie z.B. Nanovoltmeter oder Femtoamperemeter. Darüber hinaus vereinfachen sie in vielen Fällen das Design – beispielsweise wenn es darum geht, zwischen einer Quelle und zwei Lasten in einem 4-Draht-System umzuschalten (Bild 13).

Multiplexer und Matrixschalter für Mehrkanal-Anwendungen

Ein Multiplexer (Mux) ist eine spezielle Bauform eines Analogschalters und dient dazu, zwei oder mehr Eingänge selektiv mit einem einzigen Ausgang zu verbinden. Ein Mux kann – im einfachsten Fall – ein einpoliger Umschalter (SPDT, Single-Pole Double-Throw) sein, aber auch eine Kombination mit zahlreichen Kanälen (Bild 14). Die Kanalwahl erfolgt über Digitaleingänge. Ein 8-Kanal-Mux beispielsweise verfügt über drei Digitaleingänge. Die digitale Steuerung eines solchen mehrkanaligen Multiplexers ähnelt einem Binärdecoder.

Ein Demultiplexer ist im Grunde ein Multiplexer, bei dem die Ein- und Ausgänge miteinander vertauscht sind. Das Bauteil dient dazu, einen einzigen Eingang selektiv mit zwei oder mehr Ausgängen zu verbinden, die ebenfalls über eine Binäradresse gewählt werden. Viele Multiplexer können auch als Demultiplexer betrieben werden.

Matrixschalter werden zum Signalrouting in Audio/Video-Geräten, Video-on-demand-Systemen sowie Sicherheits- und Überwachungssystemen verwendet. Ein Matrixschalter hat in der Regel eine MxN-Topologie mit M Eingängen und N Ausgängen. Jede beliebige Kombination von Eingängen kann mit jeder beliebigen Kombination von Ausgängen (oder umgekehrt) verbunden werden. Solche Matrixschalter lassen sich zu großen Matrizen zusammensetzen [4].

Kalibriermultiplexer zur Kompensation von Offset- und Verstärkungsfehlern von ADCs

Kalibriermultiplexer (cal-muxes) werden in Präzisions-A/D-Wandlern und anderen selbstüberwachenden Systemen eingesetzt. Sie vereinen verschiedene Funktionsblöcke in einem Gehäuse: Analogschalter zur Ableitung genauer Spannungsverhältnisse aus einer Eingangsreferenzspannung; hochgenaue Widerstandsspannungsteiler; und einen Multiplexer zum Durchschalten der unterschiedlichen Eingänge.

Bei A/D-Wandlern dienen Kalibriermultiplexer zur Kompensation der Offset- und Verstärkungsfehler. Selbstüberwachende A/D-Wandler messen auf einen entsprechenden Befehl hin die Verstärkung und den Offset, unter Verwendung interner Präzisionsreferenzspannung und Präzisionsspannungsteiler. Die Systemsoftware leitet aus diesen Messdaten Kalibrierfaktoren ab, anhand derer sie die ADC-Ausgangsdaten korrigiert. Nach erfolgter Kalibrierung dient der Cal-Mux bis zur nächsten periodischen Rekalibrierung als ein herkömmlicher Multiplexer [5].

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