Analog Switch (Bsp. 74HC4316)
Ein Analoger Schalter als IC wird durch ein digitales Signal ein oder ausgeschaltet. Ist der Schalter
eingeschaltet kann ein Strom in beide Richtungen durch den Schalter fließen!
Zur Unterscheidung: Bei einem
digitalen Schalter wird nur ein Pegel auf den Ausgang gelegt. Es kann kein Strom in die Gegenrichtung fließen.
Der hier verwendete IC ist ein QUAD BILATERAL SWITCH der 4 unabhängige analoge Schalter enthält. Der Spannung die geschaltet werden kann liegt zwischen VCC und VEE (+6V bis -6V). Der Strom kann rund 20mA betragen.
Ein idealer Schalter hat im "on" Zustand keinen Widerstand und "off" Zustand einen unendlichen. Die Idealwerte werden durch die Analog Switches nicht erreicht. Der Widerstand im geschlossenen Zustand ist etwa 50Ω - 100Ω.
Pinbelegung
| Pin | Funktion |
|---|---|
| VCC | Versorgungsspannung und positives Schaltlimit < +6V |
| GND | GND |
| VEE | Negatives Schaltlimit > -6V |
| E | HIGH = alle Schalter 'off' LOW = Schaltzustand abhängig vom Control Pin (1 C - 4 C) |
| 1 C - 4 C | Control Pins. Aktiv HIGH |
| 1 I/O - 2 I/O | Eine Seite der unabhängigen Schalter |
| 1 O/I - 2 O/I | Zweite Seite der unabhängigen Schalter |
Funktionsweise
Ein Analog Switch bzw. Bilateral Switch ist aus zwei parallel geschalteten MOSFET aufgebaut. Ein N-Channel (NMOS) und einem P-Channel (PMOS).
Die logische Ansteuerung erfolgt über den Control Pin (1C). Da der untere PMOS durch eine negative Gate-Spannung eingeschaltet wird befindet sich noch ein Inverter davor. Daher gilt für beide MOSFET: Wenn 1C an einer logischen 1 liegt sind beide MOSFET eingeschaltet. Bei 1C = 0 sind bei de ausgeschaltet.
Bei den hier verwendeten MOSFET ist das Substart (Bulk-Anschluss) nicht mit dem Source-Anschluss verbunden.
Hintergrund ist die bauartbedingte "interne Diode" wenn ein MOSFET in Gegenrichtung betrieben wird (Bild links in
rot).
Ein vollständiges Sperren in Gegenrichtung wäre sonst nicht möglich. Da der Source-Anschluss nicht mit dem Substart verbunden besteht auch kein Unterschied zwischen dem Source und Drain-Anschluss (Drain und Source sind vertauschbar).
Um die Funktionsweise zu verstehen wird angenommen die Analogspannung durch den Switch liegt zwischen +5V und -5V. Sobald die Spannungsdifferenz zwischen Gate und Source größer als die Threshold-Spannung ist (z.B. 2V), beginnt ein MOSFET zu leiten. D.H. die meiste Zeit leiten beide MOSFET. Lediglich an den Spannungsextremen im Beispiel bei +5V oder -5V leitet nur jeweils ein MOSFET.
| Spannung am Anschluss 1 I/O | N-Channel MOSFET | P-Channel MOSFET |
|---|---|---|
| -5V | Δ zwischen Gate und 1I/O = 10V N-Channel leitet |
Δ zwischen Gate und 1I/O = 0V P-Channel blockiert |
| 0V | Δ zwischen Gate und 1I/O = 5V N-Channel leitet |
Δ zwischen Gate und 1I/O = -5V P-Channel leitet |
| +5V | Δ zwischen Gate und 1I/O = 0V N-Channel blockiert |
Δ zwischen Gate und 1I/O = -10V P-Channel leitet. |