第4讲 多路模拟开关

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0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1
CMOS MUX CD4067：
16选1多路模拟开关（略）
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多路开关的电路特性：
根据管脚功能图，用法简单，但需要进一步了 解其电路特性，尤其是在一些高精度、高标准要求 的信号处理电路中，尤为重要。只有了解了电路的 特性，才能了解误差的来源及可能的误差大小，才 能去克服，达到DAS的设计要求。
采水器开关
触底开关
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（3）主要指标 换线速率：100 ch/s
激励时间：2 ms
释放时间：2 ms
接通电阻：20～50mΩ
断开电阻：500 MΩ
触头定额：10 mA，10V
寿命：>200 亿次动作 开关噪声：起始→275μv；4ms后→ 10μv
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半导体开关
因半导体开关体积小、重量轻、可靠性高、 驱动动力小、速度快、没有触头等优点，因而得 到广泛应用。
100 100 t s TC ln ＝Ron （ COT C L ) ln %误差 0.1 100 (100 10－12 20 10－12 ) ln(1000) 82.8 ns
多路模拟开关
多路开关在DAS中是一个常用部件，尤其在信 号较多且速度要求不是太快场合应用普遍。可以共 用S/H和A/D，从而降低硬件成本。
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多路开关的功能：
把多路信号依次或按预定的程序送往一公共 的信号调理或A/D转换系统，以改善DAS性能， 降低成本。 多路开关的分类及其特点： 1、半导体式多路开关（集成芯片）：
换线速率：180 ch/S
接通电阻：< 1 Ω 断开电阻：> 100 兆欧（50V 空气导电率） 通道数：一般 4×180 通道/导电环 寿命：运行1000小时（需清洗，接触点电阻增大） 缺点：只能依次顺序接通各通道；不能接到任意通道上。
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顺便提及“滑环”概念： 连续导通：滑片连续接触
舞台灯、绞车电连接等应用
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二、舌簧继电器
干簧继电器 湿簧继电器
1、干簧继电器原理图（应用很广机械式的） 组成：玻璃壳内充满惰性气体，继电器线圈控制
玻璃壳
惰性气体 不易氧化
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2、工作原理 在充有惰性气体的玻璃壳内，装有一对用金、银 等贵重金属材料制成的舌簧触头，使其免受氧化；簧 片在弹力作用下是分开的，但当绕在玻璃壳外的继电 器线圈通电时，簧片被磁化，互吸而闭合。
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在工程估算中，有时化简为下图：
当RS << Ron 忽略CI影响
当RS >> Ron
可以证明：对于一个时间常数为TC的RC电路， 其设定时间ts为：
100 t s TC ln %误差
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设定时间： 当RS≈Ron 且 CI << CT 时，
时间常数 TC＝（RS+Ron）×CT
当RS << Ron 时， 时间常数 TC＝Ron × CT 当RS >> Ron 时， 时间常数 TC＝RS ×（CI＋CT）
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（2）Vi与VCH、VCL的关系
VCH ViMAX VCL Vi min VP VD
其中：VD为二极管压降； VP为 J-FET管压降。
（3）缺点：没有多路集成产品 断电时全导通，将信号连在一起，慎用！
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三、P－MOS 和 N－MOS场效应管
1、特点：
（1）优点：有多路集成产品，且为增强型的； VGS＝0时，不会导通，避免信号短接 （2）缺点：速度较 J－FET慢，导通电阻较大
IR＝2nA，Ron＝300Ω，RS＝1KΩ，RL＝10MΩ， 求：漏电流引起的误差电压EOE＝？ 解：EOE＝（n－1） × IR × （Ron+Rs） ＝（16－1）×2 ×10－9 ×（300＋1000） ＝39 μV
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分析：
（1）设输入100mv信号，用12位A/D转换此信号，
则每个量化级电压为：
优点：体积小、重量轻、动作速度快；得到广泛应用；
缺点：开关导通时电阻较大，断开时有漏电流，集成芯
片之间有串扰。
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2、电气机械式多路开关（机械式）
优点：直接接通、无串扰、无漏电流、导通电阻小；
缺点：体积大；动作速度慢（继电器式）

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主要内容：
电气机械式开关 半导体开关 多路开关的电路特性
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断开开关相当二个背靠背的二极管；1个导通， n－1个断开，总的漏电流将通过导通的开关流经信 号源，则在输出端形成一个误差电压EOE 一般：RL >> RON＋RS
由图可得出：EOE＝（n－1）IR（RON＋RS）
这种误差电压影响采集精度，有时是不允许的！
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举例：
设两个8路MUX构成16ch多选器，参数如下：
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3、典型特性参数 换线速率：10 M 通道/s
接通电阻：5～25mΩ
操作噪声：5μv典型值
断开电阻：1 MΩ
失调电压：20～50 μv
输入范围： ± 5 mV～±10mV
可靠性：1500小时（MBTF～平均无故障时间）
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二、结型场效应管（ J－FET ）模拟开关 1、N沟道 J－FET 结构示意图（只有耗尽型） 2、原理简介 耗尽层夹断
0 1
1 1 0 0
S2－out 1，S6－out2
S3－out 1，S7－out2 S4－out 1，S8－out2
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CMOS MUX CD4051：
AD7501-AD7503为单向开关，即信号只允许从 输入向输出端传送，而CD4051允许双向使用。
INH 1 0 0 0 0 0 0 0 0 C X B A X X 导通 无导通 S0～OUT S1～OUT S2～OUT S3～OUT S4～OUT S5～OUT S6～OUT S7～OUT
MBTF～平均无故障时间 >1000小时
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CMOS >100 Kch/s 50～80Ω <5μv 109Ω ～5 μv
多路开关芯片简介：
AD7501/AD7502/AD7503
CD4051/CD4052/CD4067
AD7501：
8入1出，3条地址 线A1/A2/A3，1条 使能端EN；控制 电平与TTL/CMOS 兼容；双列直插式。
VGS＝0时，S－D导通；
VGD<0时（负压）， S－D夹断；
此时，源漏之间的导电沟道将为耗尽层所夹断而 失去导电能力（电阻很大），相当于开关断开。
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3、N沟道 J－FET 驱动电路
说明：
（1）当VC=VH→D反偏→VGS=0 →Vi通→VO=Vi
当VC=VL→D通→VGS<0 →夹断→VO不通 C：起加速作用，即VC由低→高时，给G与S极提供放 电通路，加速FET从断开到导通的转换。
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2、P－MOS场效应管开关结构示意图 当VGS＝0时，开关断开的； 当VGS<0时，在氧化层与半导体界面积累正电荷； 当VGS达到某临界VT时，使S－D导通。 注意：
使用时，应始终 保持衬底对源和 漏的电压为正。
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四、C－MOS模拟开关 两个增强型MOS-FET构成，互补对称结构，一 个为P-MOS，另一个为N-MOS。如图所示：
注： （1）一般EN 及A2A0由地址 译码或锁存器 控制； （2）AD7503 与AD7501的区 别是“EN”控 制电平相反。
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AD7502：
双四通道MUX，A0、A1及EN控制8路中的二路。
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控制逻辑：
EN
0 1
A1 A0
X 0 X 0
导通状态
X S1－out 1，S5－out2
1
1 1
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4、步进选择器的主要特性参数 换线速率：1～2S/ch
接通电阻：20～200 mΩ
断开电阻：不低于100 MΩ（50V 空气导电率）
通道数：一般 24 或 48
寿命：运行1000小时（需清洗，接触点电阻增大）
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电驱动换接器简介：
接通原理与“步进选择器”相似，用步进电机 驱动一转动臂，依次将分布在圆筒上的输入触头与 作为输出触头的导电环接通。参数如下：
分层 接法
若 n＝ 8
方法1： →23 IR；
方法2： →9 IR；
显然小很多！
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2、交流或动态响应
（1）开关的转换时间（带宽）
从一个通道切换到另一个通道且达到稳定所 需的时间称为开关的转换时间。 等效电路如下： 图中：CT为连接到测试 点所有开关输出电容 COT与负载电容CL之和 即 CT＝COT＋CL
100 mV/212 ＝24.4 μV 即每 bit 分辨率 24.4 μV < 39 μV 表明误差电压比分辨率大，影响A/D精度 ！
（2）从EOE＝（n－1） × IR × （Ron+Rs）可知：
n 增大或 RS增大→ EOE增加；
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（3） 改进措施
a、提高输入电压的幅值，使A/D每位的分辨率提高 如：100mv → 10v 则 1 bit＝10/4096＝2.44 mv >> 39 μV b、采用分层组合电路
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控制逻辑：
EN 0 1 1 1 1 1 1 1 1
A2 A1 A0 X X X 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1
导通 无导通 S1～OUT S2～OUT S3～OUT S4～OUT S5～OUT S6～OUT S7～OUT S8～OUT
3、驱动电路
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4、干簧继电器主要参数 换线速率：200～500ch/s