测控电路第六章
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S1 S2 S3 S4
S5 输出/ 输入
S6 S7 S8
第一节 模拟开关
多路模拟开关
多路模拟开关（多路模拟转换器），它由地址译码器和多路双向 模拟开关组成，可以根据外部地址输入信号经内部地址译码器译 码，选通与地址码相应的模拟开关单元，从N路模拟输入信号中 选取某一路传送到输出端，或把一路模拟输入信号送到N个输出 端中的某一端输出。以8选1多路模拟开关为例，它由逻辑电平转 换电路、8选1译码电路和8个CMOS开关单元S1~S8三部分组成， A、B、C是3位二进制地址输入端，其输入电平与TTL兼容。INH 是地址输入禁止端，它为高电平时，地址输入无效。CD4051有8 个输入／输出端、一个输出／输入端、一个正电源端+E和两个负 电源端-E1、-E2。逻辑电平转换电路的主要作用是把地址输入端 A、B、C和地址输入禁止端INH输入的TTL逻辑电平转换成 CMOS电平、使开关单元能用TTL电平控制，8选1地址译码电路 的主要作用是把来自逻辑电平转换电路的地址输入信号转换成相 应的开关单元选通信号，并把相应开关单元接通。
在栅极上加高电平uc=UcH，当ui＜ucH-uT时，开关导通，导 通电阻Ron随ui不同而有所改变．若导通电流足够小，则ui越低， Ron越小。当ui>ucH-UT时，会导致N沟道MOSFET移出可变电 阻区。通常使用中，Ron限制在几干欧范围内，因此要限制ui的 电平范围。
当栅极G加以低电平时，ui在MOSFET正负电源电压范围内均 不能使管子满足导通条件，因而关断，此时开关截止电阻约为
集成模拟开关广泛地使用于程控放大器、寻址式采样／保持 电路、程控频率振荡器、数字滤波器等电子技术中。
第一节 模拟开关
多路模拟开关
输入/输出
+E
76 5 4 32 10
16
4 2 5 1 12 15 14 13
A 11
逻辑电平转换电路
8
B 10
选
1
译
C9
码 电
路
INH 6
8
7
-E1
-E2
CD4051
模拟开关的性能参数 静态特性：主要指开关导通和断开时输入
端与输出端之间的电阻Ron和Roff，此外还有最 大开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。
动态特性：开关动作延迟时间，包括开关
导通延迟时间Ton和开关截止延迟时间Toff，通 常Ton>Toff，理想模拟开关时Ton→0，Toff→0
模拟开关
跨于它两端的电压总与被换接的电压Vx有关， 而且通过开关的电流与负载RL有关。
电流模拟开关的特点是：不管负载电阻RL 的大小如何，流过开关的电流总是和被换接 的电流Ix相等，而且换接的电压则由RL*Ix决 定。
第一节 模拟开关 元件性能的影响和要求
模拟开关的分类（电压和电流开关）
第一节 模拟开关
模拟开关的分类（电压和电流开关）
R2
R2
R1
-
+VR
R1 V0
+VR
-
V0
+
+
第一节 模拟开关
模拟开关的分类
按切换的对象使用的元件： 机械触点式和电子式开关
机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机
械振子继 电器等。
电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效
应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关等。
第一节 模拟开关
信号转换电路
信号转换电路
从信息形态变化的观点将各种转换分为三种： ① 从自然界物理量到电量的转换 ② 电量之间的转换 ③ 从电量到物理量的转换
在进行信号转换时，需要考虑以下两个问题：
①转换电路应具有线性特性；
②要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输 出阻抗以与之相联的器件阻抗匹配。
第一节 模拟开关
1、N沟道增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）
i
i
R on
S BD
D BS
ui
uo
ui
uo
G uc
a)
吸电流方式
G uc
b)
拉电流方式
O
u
u
i
i
o
模拟开关
1、增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）
为保证其正常工作，衬底B应处于最低电位，位B与S和D之间
的两个PN结反偏。N沟道管工作于可变电阻区的条件为0＜uGSuT，其中uT为开启电压，则得：ui＜uc-UT
模拟开关
模拟开关是一种在数字信号控制下
将模拟信号接通或断开的元件或电路。
该开关由开关元件和控制（驱动）电
路两部分组成。
通常有三个端子： 控制端C，
I
信号输入端I，
输出端O。
开关元件
O
控制电路
C
第一节 模拟开关
元件性能的影响和要求
模拟开关的分类 按切换的对象分：电压和电流开关 电压模拟开关的特点是：当开关断开时，
在基本模拟开关V1和V2基础上增加了辅助传输门V3和V4，负 载管V5及两个非门DG1和DG2。当开关导通(Uc=+E)时，V3、V4及 V5可保证NMOS-FET的衬底与输入信号保持等电位，这是为了 克服衬底B至S之间的偏置电压所引起导通电阻的变化、即 NMOS-FET衬底调制效应。而PMOS-FET衬底虽接固定电位+E， 但因其衬底调制效应很小，故可以忽略。 各模拟开关单元共 用一个正、负电源端。通常要求开关控制信号Uc的幅度在-E~+E 之间，当Uc=+E时，相应开关单元导通而闭合，当Uc=-E(<0)， 则相应开关单元截止而断开。每个开关单元输入模拟信号幅度ui 范围为-E<ui<+E。
ห้องสมุดไป่ตู้
采样保持电路
第二节 采样保持电路
采样/保持(S/H)电路具有采集某一瞬间的模拟 输入信号。
根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。在 “采样”状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号。 转为“保持”状态后，电路的输出保持采样结束时 刻的瞬时模拟输入信号、直至进入下一次采样状态 为止。
模拟开关
2、CMOS开关电路
uGP R on(P )
+E
ui
-E
uo
uGN a)
R on Ron(N )
Ron(C )
O
o
u iu i
b)
模拟开关
2、CMOS开关电路
P沟道增强型MOSFET的衬底接+E，外加栅极控制电 压与N沟道增强型MOSFET相反，当控制电压 uGN=+E，uGP=-E时，二管均导通；而当uGN=-E， uGP=+E时。二管均截止。
CMOS开关在-E~+E范围内较为平坦，且Ron比较小， Ron波动范围约为350 Ω ±100 Ω 。
模拟开关
3、单片集成CMOS开关电路
单片集成 CMOS四模 拟开关电路， 在同一芯片 上集成了四 个独立的电 路结构完全 相同的 CMOS双向 模拟开关单 元。
第一节 模拟开关
3、CMOS开关电路
S5 输出/ 输入
S6 S7 S8
第一节 模拟开关
多路模拟开关
多路模拟开关（多路模拟转换器），它由地址译码器和多路双向 模拟开关组成，可以根据外部地址输入信号经内部地址译码器译 码，选通与地址码相应的模拟开关单元，从N路模拟输入信号中 选取某一路传送到输出端，或把一路模拟输入信号送到N个输出 端中的某一端输出。以8选1多路模拟开关为例，它由逻辑电平转 换电路、8选1译码电路和8个CMOS开关单元S1~S8三部分组成， A、B、C是3位二进制地址输入端，其输入电平与TTL兼容。INH 是地址输入禁止端，它为高电平时，地址输入无效。CD4051有8 个输入／输出端、一个输出／输入端、一个正电源端+E和两个负 电源端-E1、-E2。逻辑电平转换电路的主要作用是把地址输入端 A、B、C和地址输入禁止端INH输入的TTL逻辑电平转换成 CMOS电平、使开关单元能用TTL电平控制，8选1地址译码电路 的主要作用是把来自逻辑电平转换电路的地址输入信号转换成相 应的开关单元选通信号，并把相应开关单元接通。
在栅极上加高电平uc=UcH，当ui＜ucH-uT时，开关导通，导 通电阻Ron随ui不同而有所改变．若导通电流足够小，则ui越低， Ron越小。当ui>ucH-UT时，会导致N沟道MOSFET移出可变电 阻区。通常使用中，Ron限制在几干欧范围内，因此要限制ui的 电平范围。
当栅极G加以低电平时，ui在MOSFET正负电源电压范围内均 不能使管子满足导通条件，因而关断，此时开关截止电阻约为
集成模拟开关广泛地使用于程控放大器、寻址式采样／保持 电路、程控频率振荡器、数字滤波器等电子技术中。
第一节 模拟开关
多路模拟开关
输入/输出
+E
76 5 4 32 10
16
4 2 5 1 12 15 14 13
A 11
逻辑电平转换电路
8
B 10
选
1
译
C9
码 电
路
INH 6
8
7
-E1
-E2
CD4051
模拟开关的性能参数 静态特性：主要指开关导通和断开时输入
端与输出端之间的电阻Ron和Roff，此外还有最 大开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。
动态特性：开关动作延迟时间，包括开关
导通延迟时间Ton和开关截止延迟时间Toff，通 常Ton>Toff，理想模拟开关时Ton→0，Toff→0
模拟开关
跨于它两端的电压总与被换接的电压Vx有关， 而且通过开关的电流与负载RL有关。
电流模拟开关的特点是：不管负载电阻RL 的大小如何，流过开关的电流总是和被换接 的电流Ix相等，而且换接的电压则由RL*Ix决 定。
第一节 模拟开关 元件性能的影响和要求
模拟开关的分类（电压和电流开关）
第一节 模拟开关
模拟开关的分类（电压和电流开关）
R2
R2
R1
-
+VR
R1 V0
+VR
-
V0
+
+
第一节 模拟开关
模拟开关的分类
按切换的对象使用的元件： 机械触点式和电子式开关
机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机
械振子继 电器等。
电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效
应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关等。
第一节 模拟开关
信号转换电路
信号转换电路
从信息形态变化的观点将各种转换分为三种： ① 从自然界物理量到电量的转换 ② 电量之间的转换 ③ 从电量到物理量的转换
在进行信号转换时，需要考虑以下两个问题：
①转换电路应具有线性特性；
②要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输 出阻抗以与之相联的器件阻抗匹配。
第一节 模拟开关
1、N沟道增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）
i
i
R on
S BD
D BS
ui
uo
ui
uo
G uc
a)
吸电流方式
G uc
b)
拉电流方式
O
u
u
i
i
o
模拟开关
1、增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）
为保证其正常工作，衬底B应处于最低电位，位B与S和D之间
的两个PN结反偏。N沟道管工作于可变电阻区的条件为0＜uGSuT，其中uT为开启电压，则得：ui＜uc-UT
模拟开关
模拟开关是一种在数字信号控制下
将模拟信号接通或断开的元件或电路。
该开关由开关元件和控制（驱动）电
路两部分组成。
通常有三个端子： 控制端C，
I
信号输入端I，
输出端O。
开关元件
O
控制电路
C
第一节 模拟开关
元件性能的影响和要求
模拟开关的分类 按切换的对象分：电压和电流开关 电压模拟开关的特点是：当开关断开时，
在基本模拟开关V1和V2基础上增加了辅助传输门V3和V4，负 载管V5及两个非门DG1和DG2。当开关导通(Uc=+E)时，V3、V4及 V5可保证NMOS-FET的衬底与输入信号保持等电位，这是为了 克服衬底B至S之间的偏置电压所引起导通电阻的变化、即 NMOS-FET衬底调制效应。而PMOS-FET衬底虽接固定电位+E， 但因其衬底调制效应很小，故可以忽略。 各模拟开关单元共 用一个正、负电源端。通常要求开关控制信号Uc的幅度在-E~+E 之间，当Uc=+E时，相应开关单元导通而闭合，当Uc=-E(<0)， 则相应开关单元截止而断开。每个开关单元输入模拟信号幅度ui 范围为-E<ui<+E。
ห้องสมุดไป่ตู้
采样保持电路
第二节 采样保持电路
采样/保持(S/H)电路具有采集某一瞬间的模拟 输入信号。
根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。在 “采样”状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号。 转为“保持”状态后，电路的输出保持采样结束时 刻的瞬时模拟输入信号、直至进入下一次采样状态 为止。
模拟开关
2、CMOS开关电路
uGP R on(P )
+E
ui
-E
uo
uGN a)
R on Ron(N )
Ron(C )
O
o
u iu i
b)
模拟开关
2、CMOS开关电路
P沟道增强型MOSFET的衬底接+E，外加栅极控制电 压与N沟道增强型MOSFET相反，当控制电压 uGN=+E，uGP=-E时，二管均导通；而当uGN=-E， uGP=+E时。二管均截止。
CMOS开关在-E~+E范围内较为平坦，且Ron比较小， Ron波动范围约为350 Ω ±100 Ω 。
模拟开关
3、单片集成CMOS开关电路
单片集成 CMOS四模 拟开关电路， 在同一芯片 上集成了四 个独立的电 路结构完全 相同的 CMOS双向 模拟开关单 元。
第一节 模拟开关
3、CMOS开关电路