第五章 模拟多路开关

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。
Ui8 Ui1 模拟信号1 UC1 T1 R21 通道选择 1 R11 T1
+15V
Uo
. . .
模拟信号8 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）
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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， 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。
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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
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。
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 体器件的缺陷，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。
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 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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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：
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。 类型：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。
结构：如图所示。 簧片采用高导磁率、低矫顽 力的材料（早期坡莫合金， 现用非晶态金属），为避免 老化和减少RON，触点采用铂 铑或铂钌等贵金属合金电镀。
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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 大会导致簧片抖动。
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正是由于电磁继电器具有上述 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 ）。
簧片
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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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。 注意：RON与泄漏电流、寄生电容和开关速度是矛盾的。 要求RON小，则应扩大沟道面积，结果造成泄漏电流增大 和寄生电容增加，也使得开关速度降低。
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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。 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。
示波器
CD1
CD2
中国科学技术大学电子工程与信息科ຫໍສະໝຸດ Baidu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
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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。
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
利用三极管的开关特性 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 耗大，集成度低，并且 只能单向传输。
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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。
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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沟道是由P型衬底和两个高浓度N扩散区构成的（如 图所示）。导通时，两个高浓度n扩散区之间在靠近栅 极的地方形成一层薄薄的N型导电沟道。 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。
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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 路开关（双4选1）。
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。
(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 绝缘层（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。
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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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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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 只有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，没有没有一个是JFET型。
n型沟道
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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 外的误差。为消除这一现 象，将一个NMOS和一个 PMOS并联，形成COMS （ComplementaryMOS，互补MOS）。