数据采集与智能仪器2016_ch5_yjs_MUX

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示波器

CD1
CD2
中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系 开关控制信号 每格5V
8
放大器A输出 每格500mV X轴每格为200ns

在电子式开关中,由于工艺的原因,某些指标之间存在 相互制约。例如,某些低RON(小于10Ω)的MOS型开 关,为了减小RON,需要占据较大的芯片面积,导致更 大的分布电容,反而对开关的高频特性产生不利的影 响。事实上,只要后端电路的输入阻抗大于10MΩ或者 更高,几十Ω的RON对采集系统的整体性能影响很小。
. . .
模拟信号8 Ui8 T8 R28 通道选择 8 UC8 R18 T8
+15V
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2)场效应晶体管
场效应晶体管(FET—Field
Effect Transistor )分
为结型和绝缘栅型两种。 (1) 结型场效应管(JFET—Junction FET)
lsOFF
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在MOS型开关器件中, 各级之间以及相邻通道 之间的杂散电容(如图 所示)也是重要的参 数,这些电容将影响开 关的高频性能和带宽。
Off Isolation:关断隔离度。指开关断开时,输入信号 通过上图所示的电容CDS和CD,对输出回路的影响程度 (如下图所示),一般用分贝表示。显然,该指标与输 入信号的频率有关。

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主要技术指标:
RON:导通电阻,指开关闭合后,开关两端的等效电阻
阻值。理想开关的RON=0。
ROFF:断开电阻,指开关断开后,开关两端的电阻等效
电阻阻值。理想开关的ROFF∞。
tON、 tOFF:接通(延迟)时间和断开(延迟)时间,
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RON的一致性与平坦度
RON导致精度降低,尤其是开关的负载阻抗较低时影响越 严重,现已有大量RON<10Ω的产品面世。 CMOS开关RON随输入电压Vin的变化还是有一些波动, RON的平坦度△RON是指在限定的VIN范围内RON的最大起 伏值,△RON=RONMAX-RONMIN。△RON应越小越好。 RON的一致性表示各通道RON的差值。RON的一致性好, 系统在采集各路信号时由开关引起的误差也就越小。 CMOS开关的RON的值还与电源电压有直接关系,通常电 源电压越大,RON就越小。 在MUX的输出端加高输入阻抗的射级跟随器,可以有效 地减少RON 以及△RON不一致所带来的影响。
大会导致簧片抖动。

电磁继电器的驱动
需要较大的驱动,一般用OC门或三
极管进行驱动(如图)。为防止三 极管截至时,因电感中的电流突变 在线圈两端产生过高的感生电动 势,利用D和C进行保护和吸能。
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二、电子式模拟多路开关
1)双极型晶体管

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Crosstalk:通道之间的(Channel-to-Channel)交调 干扰(串扰)。这是由于通道之间的电容CSS(见上页 图)引起的,显然该指标也与输入信号的频率有关。 当模拟开关切换时,开关输出端与地之间的电容还会引 起严重的毛刺干扰。在下图所示的电路中,假设某个时 刻S2闭合,S1断开, CD2和CD1都充电至5V;当切换至S1闭 合,S2断开时,放大 器A的输出端将出现 一个负跳变的毛刺。 在示波器上拍摄的波 形照片如下页所示。
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理论上,MOSFET管也具有双向特性,可以传输
双极性信号。由于开关对电流的流向不存在选择问 题,没有严格的输入端与输出端之分。但是NMOS 和PMOS的导通电阻RON与输入信号电压VIN有关, RON与VIN的关系曲线如图所示。
RON随VIN变化将导致额
外误差。解决方法:将 NMOS和PMOS晶体管 互相并联,形成所谓的 互补MOS型结构 (ComplementaryMOS,CMOS)。
JFET分为N沟道和P沟道两种,两者工作原理相同,都
是通过控制导电沟道两侧PN结上的电压,使导电沟道 “宽窄” 发生变化。如果PN结上的电压足够高(或者为 零),使导电沟道彻底关闭(或沟道宽度达到最大而电 阻最小),这就是JFET开关管的工作原理。
JFET具有导通电阻RON小(可以做到小于100Ω),并
VIN
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3)集成CMOS模拟多路开关
在数据采集系统中,使用最多的是CMOS型集成模拟
多路开关——在一个CMOS芯片集成了多个开关(通 道)以及相应的控制逻辑。
如果按照芯片中所集成的独立(指有单独的控制逻
辑)的单元电路个数以及每个单元所具有的输入通道 数量进行分类,集成MUX芯片可以统一表示为: ( N:1 )× K。其中K为芯片中独立的单元个数,N为每 个单元的输入通道数。 例如,早期的CD4051、AD7501、AD7503等产品就 属于( 8:1 )×1 ;CD4052、AD7502等产品则属于 ( 4:1 )×2,亦即一个芯片上集成了2个独立的4选1多 开关(双4选1)。
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MOSFET也分为N沟道(NMOS)FET和P沟道
(PMOS)FET ,每种又有增强型和耗尽型之分。
N沟道由P型衬底和两个高浓度N扩散区构成(如图所
示)。导通时,在栅源电压的作用下,两个高浓度n扩 散区之间靠近栅极处形成一层薄薄的N型导电沟道。
且RON不随信号电压和电源电压变化,接通时延小(可 小于100ns),可双向传输等优点。但需注意,在断电 时JFET的开关处于“导通”状态(即所谓常闭型)。
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JFET型IC的制造工艺较复杂。因此,JFET型MUX的
集成电路芯片很少。例如,ADI目前MUX产品目录中 有MUX08/16/24等少数几种是JFET型;NS公司的 LF13508/09等早已停产;Maxim公司有500多种电子 开关(包括MUX)产品,但没有一个是JFET型。
指从控制信号到达最终值的50%时,到开关输出到达 最终稳定值的90%之间的时延。
控制信号
开关输出
tON
tOFF
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IC
:开关接通电流。指开关闭合时所能承受的流经开 关的平均电流强度。
ILKG
:泄漏电流。在电子式开关中,因芯片内部半导 器件的缺陷,有微小的电流自输入端流出,经信号源 内阻产生干扰(如下图所示)。ILKG又分为开关断开时 的IDOFF(漏极)和ISOFF(源极),以及开关闭合时的 IDON和ISON。
结构:如图所示。 簧片采用高导磁率、低矫顽
的材料(早期坡莫合金,现 非晶态金属),为避免老化 减少RON,触点采用铂铑或铂 钌等贵金属合金电镀。
i
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干簧继电器(相对其它电磁继电器)特点:
速度快:每秒开关频率可达50次。 体积小:如图。 一般都带有磁屏蔽,安装方位和角度不限。 触点负载能力差,一般小于50mA,28VDC。负载过
第五章 模拟多路开关
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本章内容
5.1 概述 5.2 模拟多路开关的工作原理和特点 5.3 如何选择集成MUX产品
——选择集成MUX产品时需要考虑的因素和指标
5.4 典型MUX芯片简介
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正是由于电磁继电器具有上述
簧片
的突出优点,仍然在数据(尤 其是微弱信号)采集系统中有 广泛应用。其中应用较多的是 小型化的干簧继电器(Reed Relays / Switches )。

线圈
触点
电磁继电器原理图
干簧(磁簧、舌簧)继电器
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5.2 模拟多路开关的工作原理和特点
一、电磁继电器型(机电式)开关

原理:
驱动电流流经线圈,产生磁场对衔铁或簧片进行吸
合,从而控制开关的状态。
常开型(NO-Normal Open),常闭型(NC)

特点:
RON小,ROFF大,IC大带负载能力强,断开隔离度高, 没有泄漏电流,也没有通道串扰。 体积大,速度慢,需要较大的驱动,驱动电路、线圈 和触点等会产生较大的干扰。
3
5.1 概述

模拟多路开关:又称为模拟多路复用器(Analog Multiplexer),其作用是将多路输入的模拟信 号,按照时分多路(TDM)的原理,分别与输出 端连接,以使得多路输入信号可以复用(共用) 一套后端的装置。 核心是电控开关。电控开关的类型主要有:
机电式:例如各种类型的继电器。 电子式:包括双极型和MOS型等。 固态继电器(SSR):功率器件,主要用于控制领域。
利用三极管的开关特性
Ui1 模拟信号1 UC1 T1 R21 通道选择 1 R11 T1
+15V
Uo
Ti饱和导通/截至,第i路 开关闭合/断开。 接通时延小,速度快。 泄漏电流大,导通电阻 RON大,断开电阻ROFF 小,通道串扰大。 属于电流控制器件,功 大,集成度低,并且只 单向传输。
——选择集成MUX产品时需要考虑的因素和指标
通道数量
集成MUX包括多个通道。通道数量对传输信号的精度 和开关切换速率有直接影响,通道数越多,泄漏电流 就越大。因为当选通一路时,其它阻断的通道并不是 完全断开,而是处于高阻状态,会有泄漏电流对导通 通道产生影响。另外通道越多,杂散电容越大,通道 之间的串扰(交调干扰)也越严重。 在实际应用中,所选用产品的通道数往往大于实际需 要。多余通道应接模拟地,或接Vref(等同于交流接 地),一方面减少干扰,另外可用于自动校准。
VIN
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CMOS开关原理
电路如右上图所 示,Q1和Q2为 一对控制管, Q3和Q4为一对 开关管。
CMOS开关的
RON与VIN之间的 关系如右下图所 示,RON不再随 VIN变化而改 变,但RON仍然 与电源电压和温 度有关。
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如果是(
1:N )×K则是多路分配器(DEMUX),如果是 ( M:N )×K则属于模拟多路交叉矩阵开关。
从理论上说,开关不能选择电流的方向,也就是说,开
关是没有方向性的。但是受制造工艺限制,或者为了防 止CMOS器件因ESD(静电放电—Electrostatic Discharge)而受到损毁,有些AMUX不能反向运用。 例如AD7501和AD7502等。而有些则对输入输出没有限 制,可以反向运用,例如CD4051。 CD4051正向使用 是8选1模拟MUX,反向使用则是1选8 分配器。
P沟道由N型衬底和两个高浓度P扩散区构成,导通时
在两个p扩散区之间靠近栅极处也有P型导电沟道。
增强型和耗尽型的区别是
前者在栅源电压VGS=0 时,漏源之间没有导电沟 道;而后者在VGS=0时, 漏源之间(因掺杂)就有 导电沟道存在。
n型沟道
N沟道MOS管结构示意图
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根据集成MUX内部各个通道之间的关系,按照传统开关
的称呼,又分为SPST(Single Pole Single Throw, 单刀单掷)、DPDT(双刀双掷)、SPDT(单刀双掷) 和(DPST)双刀单掷等。
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5.3 如何选择集成MUX产品
百度文库
(2) 绝缘栅场效应晶体管(Isolated Gate FET )
IGFET的栅极与源极之间、栅极与漏极之间均有一层
缘层(多为二氧化硅SiO2) ,“绝缘栅”故而得名。又 因其栅极上沉积了一层金属(原多为铝,现也有铜) 作为引线,其分层结构为金属-氧化物-半导体,所以 IGFET更多地被称为“MOSFET”或MOS晶体管。与 JFET相比,MOSFET的温度稳定性好、IC工艺简单, 因而广泛应用于LSI和VLSI制造。也是目前使用最为广 泛的电子式模拟多路开关。
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