第4讲多路模拟开关

1、1多路模拟开关多路模拟开关 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。2 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。多路开关的功能：多路开关的功能：多路开关的分类及其特点：多路开关的分类及其特点：1、半导体式多路开关（集成芯片）：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。3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）2、电气机械式多路开关（机械式）4主要内容：

2、 电气机械式开关 半导体开关 多路开关的电路特性5电气机械式多路开关（功率大、老式汽车点火）电气机械式多路开关（功率大、老式汽车点火）一、步进选择器与一、步进选择器与电驱动换接器电驱动换接器1、原理示意图：、原理示意图：62、原理简介：、原理简介： 在圆周上有一系列互相绝缘、导电性良好的固定触头，分别与输入通道相接，而在中心位置有一个滑动触头，用步进马达带动作圆周运动。步进马达每转动一步，动触头就依次接到下一个固定触头，即接通下一通道。3、特点：、特点： 步进选择器是开关中性能最接近理想开关的一种；接通电阻为零，断开电阻为无穷大。 转换速率低，且只能依次顺序接通各通道；不能按需要从一个通道接到

3、任意通道上。74、步进选择器的主要特性参数、步进选择器的主要特性参数 换线速率：12S/ch 接通电阻：20200 m 断开电阻：不低于100 M（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）8 换线速率：180 ch/S 接通电阻： 100 兆欧（50V 空气导电率） 通道数：一般 4180 通道/导电环 寿命：运行1000小时（需清洗，接触点电阻增大）电驱动换接器简介：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：缺点：只能依次顺序接通各通道

4、；不能接到任意通道上。9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10二、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玻璃壳惰性气体惰性气体不易氧化不易氧化112、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。3、驱动电路124、干簧继电器主要参数F 换线速率：200500ch/sF 激励时间：7001000sF 释放时间：50700sF 接通电阻：10150m

5、F 断开电阻：500 GF 触头定额：1mA，10VF 寿命：10 亿次动作F 开关噪声：起始 100v；50s后 1v135、湿簧继电器（1）特点：触头功率较大，但速度较低。（2）结构：与干簧相似，但底部加有水银。目的：下触头会漫浸一层水银，有利于消除触头闭合时的跳动从而减少触头磨损，使触点负载能力加大。 加水银后，动作速率稍下降，且安装要求垂直，使用不便。14计数传感器转速测量（德国、俄罗斯、国产）采水器开关触底开关应用：永磁铁代替线圈；15F 换线速率：100 ch/sF 激励时间：2 msF 释放时间：2 msF 接通电阻：2050mF 断开电阻：500 MF 触头定额：10 mA，1

6、0VF 寿命：200 亿次动作F 开关噪声：起始275v；4ms后 10v（3）主要指标16半导体开关半导体开关 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。分类： 二极管桥开关 JFET N（P）MOS CMOS17一、二极管桥开关1、原理图2、原理简介 Vc：交流控制电压 Tp：变压器 信号接在二极管桥的3端，输出接在4端。前提：若桥平衡的，则控制电压不会引入信号回路；在Vc正半周，所有二极管正偏，信号由二极管传输；在Vc负半周，所有二极管截止，阻止信号通过。18F 换线速率：10 M 通道/sF 接通电阻：525mF 操作噪声：5v典型值F

7、 断开电阻：1 MF 失调电压：2050 vF 输入范围： 5 mV10mVF 可靠性：1500小时（MBTF平均无故障时间）3、典型特性参数19二、结型场效应管（ JFET ）模拟开关1、N沟道 JFET 结构示意图（只有耗尽型）2、原理简介VGS0时，SD导通；VGD0时（负压）， SD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。耗尽层夹断203、N沟道 JFET 驱动电路说明：（1）当VC=VHD反偏VGS=0 Vi通VO=Vi 当VC=VLD通VGS0 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

8、导通的转换。21（2）Vi与VCH、VCL的关系（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！DPiCLiMAXCHVVVVVVmin其中：VD为二极管压降； VP为 J-FET管压降。22三、PMOS 和 NMOS场效应管1、特点：（1）优点：有多路集成产品，且为增强型的； VGS0时，不会导通，避免信号短接（2）缺点：速度较 JFET慢，导通电阻较大232、PMOS场效应管开关结构示意图当VGS0时，开关断开的；当VGS100 Kch/s 100 Kch/s F 导通电阻 525 1001K 5080F 操作噪声 5v 5v 1000小时26多路开关芯片简介：多路开关芯

9、片简介： AD7501/AD7502/AD7503 CD4051/CD4052/CD4067AD7501：8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。27控制逻辑：ENA2 A1 A0导通0X X X无导通注：（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。28AD7502：双四通道MUX，A0、A1及EN控制8路中的二路。29控制逻辑：30CMOS 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。INHC

10、 B A导通1X X X无导通31CMOS MUX CD4067： 16选1多路模拟开关（略）32 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。多路开关的电路特性：多路开关的电路特性：下面了解下面了解MUX的几个重要参数：的几个重要参数：33一、一、MUX等效电路等效电路图中：VS ROFF RS CIO CI C0 RON RL CL 341、泄漏（IR）定义：通过断开的模拟开关的漏电流。设MUX的漏电流为IR，n个开关，1个通，n1

11、个断开，则等效电路如下：测点35 断开开关相当二个背靠背的二极管；1个导通，n1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 RONRS由图可得出：EOE（n1）IR（RONRS） 这种误差电压影响采集精度，有时是不允许的！36举例：设两个8路MUX构成16ch多选器，参数如下：IR2nA，Ron300，RS1K，RL10M，求：漏电流引起的误差电压EOE？解：EOE（n1） IR （Ron+Rs） （161）2 109 （3001000） 39 V37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： 100 mV

12、/212 24.4 V 即每 bit 分辨率 24.4 V 39 Vb、采用分层组合电路（3） 改进措施39例：3n个通道分为三组 常规做法：漏电流为（3n1） IR 分层接法：漏电流为（n1） IR 设第1个接通，前（n1） IR 可以进入；对第2个而言，本身还有（3n1） IR （并非并非nn）即总漏电流为： （n1） IR （31） IR （n1） IR 40若 n8 方法1： 23 IR； 方法2： 9 IR；显然小很多！常规接法分层接法412、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

13、测试点所有开关输出电容COT与负载电容CL之和即 CTCOTCL42在工程估算中，有时化简为下图：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：误差%100lnCsTt43设定时间：当RSRon 且 CI CT 时， 时间常数 TC（RS+Ron）CT当RS Ron 时， 时间常数 TCRS （CICT）44例：设Ron100，COT100PF，CL20PF， RL10M，CI5PF，要求精度0.1%，求：当RS0 或 RS2K时，模拟开关的设立时间ts解：当RS0时（即RS Ron） 则ns 82.8 ln(1000)102010(100100 1 .0100ln)%100lntC T %100ln1212sTC（误差误差LOTonCLOTTonCsC