中科大数据采集与处理技术课件-模拟多路开关资料

1、第3章 模拟多路开关3.2 多路开关的工作原理及 主要技术指标3.3 多路开关集成芯片3.4 多路开关的电路特性3.5 多路开关的配置3.6 模拟多路开关的应用3.1 概述3.1 概述多路开关：在多路被测信号共用一路A/D转换器的数据采集系统中，用来将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换，以便计算机能对多路被测信号进行处理。四选一多路开关D0D1D2D3A1A2Y多路开关： 机电式：用于大电流、高电压，低 速切换场所； 电子式：用于小电流、低电压，高 速切换场所。类型：机电式：电子式：电子多路开关由于是一种集成化无触点开关，不仅寿命长、体积小，而且对系统的干扰小。3.1 概述多路开关：

2、双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为：BECNPNBECPNP 场效应晶体管开关 结型 绝缘栅型(MOS)双极型晶体管3.1 概述多路开关： 集成电路开关 双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为： 场效应晶体管开关 结型 绝缘栅型(MOS)3.1 概述多路开关： 集成电路开关 双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为： 场效应晶体管开关 结型 绝缘栅型(MOS)3.1 概述多路开关： 集成电路开关 GSDGSDGSDGSDN沟道耗尽型P沟道耗尽型N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅型场效应管 双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为： 场效应晶体管开关 结型 绝缘栅型(MOS)

3、3.1 概述多路开关： 集成电路开关 PMOS和NMOS结合可以构成CMOS(互补对称MOS：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor 互补型金属氧化物半导体) CMOS型场效应管开关的优点： 导通电阻RON随信号电 压变化波动小；信号电压RONNMOSPMOSCMOS 双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为： 场效应晶体管开关 结型 绝缘栅型(MOS)3.1 概述多路开关： 集成电路开关 PMOS和NMOS结合可以构成CMOS(互补对称MOS：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Tr

4、ansistor 互补型金属氧化物半导体) CMOS型场效应管开关的优点： 开关接通时间短，小 于100ns； 功耗低； 工作电压范围宽 抗干扰能力强 温度稳定性能好 易于和驱动电路集成 双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为： 场效应晶体管开关 结型 绝缘栅型(MOS)3.1 概述多路开关： 集成电路开关 集成电路开关是将场效应管、地址计数器、译码器及控制电路等集成制造在一块芯片上而构成的器件。特点：除了具有场效应管的特性之外，还具有体积小、使用方便等优点。3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标1. 多路开关工作原理 双极型晶体管开关 其工作原理如下： 设选择第1路模拟信号。则令通道

5、控制信号UC1= 0，晶体管T1截止，集电极为高电平，晶体管T1导通，输入信号电压Ui1被选中。 +15V+15VT1T1T8T8.通道选择1通道选择8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模拟信号1模拟信号8双极型晶体管开关电路VDD同理，当令通道控制信号UC2= 0 时，则选中第2路模拟信号， UO = Ui2。 3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标1. 多路开关工作原理 双极型晶体管开关 +15V+15VT1T1T8T8.通道选择1通道选择8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模拟信号1模拟信号8双极型晶体管开关电路VDD注意： 在控制信号UC1 UC8

6、中不能同时有两个或两个以上为0。 优点：开关速度快。缺点： 电流控制器件，功耗大，集成度低，一个方向传送信号。 漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。 场效应管开关 结型场效应管开关工作原理如下：设选择第1路信号。则令通道控制信号UC1=1，开关控制管T1导通，集电极为低电平，场效应管T1导通，UO=Ui1。 当UC1 =0时，T1截止，T1也截止，第1路输入信号被切断。3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标1. 多路开关工作原理其他各路操作与第一路相同。 .T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道选择1通道选择8UoR1828R11R21R结型场效应管多路开关VDDVDD 场效应管开关 结

7、型场效应管开关3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标1. 多路开关工作原理.T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道选择1通道选择8UoR1828R11R21R结型场效应管多路开关VDDVDD优点：开关切换速度快，导通电阻小，可两个方向传送信号。 缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。 场效应管开关 绝缘栅场效应管开关3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标1. 多路开关工作原理其工作原理与结型场效应管多路开关类似。+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8.绝缘栅场效应管多路开关优点：开关切换速度快，导通电阻小，且

8、随信号电压变化波动小；易于和驱动电路集成。缺点：衬底要有保护电压，P沟道加正电压，N沟道加负电压。 集成电路开关3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标1. 多路开关工作原理1231516.四-十六线译码器四位计数器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U计数23222120.集成多路开关工作原理如下：设选择第1路信号。则计算机输出一个4位二进制码，把计数器置成0001状态，经四-十六线译码器后，第1根线输出高电平，场效应管T1导通，UO= Ui1，选中第1路信号。 如果要连续选通第1路到第3路的信号，可以在计数器加入计数脉冲，每加入一次脉冲，计数器加1，状态依次变为 0

9、001，0010，0011。 2. 多路开关的主要指标 RON：导通电阻；3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开关的导通电阻RON（一般为数10至1k左右）比机械开关的接触电阻（一般为m量级）大得多，对自动数据采集的信号传输精度或程控制增益放大的增益影响较明显。而且RON随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化，因而其影响难以进行后期修正。实践中一般是设法减小RON来降低其影响。以CD4051为例，测试发现：CD4051的RON随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。当VDD=5V、VEE=0V时，RON=280，且随Vi的变化突变；当VDD10V、VEE=0V时，RON=100，且

10、随Vi的变化缓变。可见，适当提高CD4051的VDD有利于减小RON的影响。 2. 多路开关的主要指标 RON：导通电阻； RONVS：导通电阻温度漂移； IC：开关接通电流； IS ：开关断开时的泄漏电流； CS：开关断开时，开关对地电容； COUT：开关断开时，输出端对地电容； tON：选通信号EN达到50%这一点时到开关接通时的延 迟时间； tOFF：选通信号EN达到50%这一点时到开关断开时的 延迟时间； tOPEN：开关切换时间，即当两个通道均为断开时， 开关从一个通道的接通状态转到另一个通道 的接通状态并达到稳定所用的时间。3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标1. 无译码器的多

11、路开关 芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端。AD7510芯片:3.3 多路开关集成芯片 12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC优点：每一个开关可单独通断，也可同时通断，使用方式比较灵活。 缺点：引脚较多，使得片内所集成的开关较少。当巡回检测点较多时，控制复杂。 TL182C，AD7510，AD7511，AD7512，CD4066，TS12A44513，TS3A4741，TS3A24159， 3.3 多路开关集成芯片 1. 无译码器的多路开关 RON 0.3TS12A44513芯片CD4066芯片2. 有译码

12、器的多路开关 AD7501（AD7503） 3.3 多路开关集成芯片 AD7501（AD7503）芯片结构及引脚功能.电平转换译码驱动OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501.片上所有逻辑输入与TTLDTL及CMOS电路兼容。AD7501真值表 2. 有译码器的多路开关 AD7501（AD7503） 3.3 多路开关集成芯片 A2A1A0EN导通00001111001100110101010111111111012345678无AD750

13、3 除EN 端的控制逻辑电平相反外, 其它与AD7501相同。2. 有译码器的多路开关 AD75023.3 多路开关集成芯片 电平转换ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7502OUT(14)(58).译码驱动OUTS8S1USS(-15V)地SS45OUTAD7502芯片结构及引脚功能AD7502真值表 2. 有译码器的多路开关 AD75023.3 多路开关集成芯片 A1A0EN导通00110101111101和52和63和74和8无AD7501，AD7502，AD7503 芯片都

14、是单向多到一的多路开关，即信号只允许从多个 (8个) 输入端向一个输出端传送。CD4501为8通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多到一的切换输出， 也可用于一到多的输出切换。电平转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUTCD4501芯片结构及引脚功能2. 有译码器的多路开关 CD45013.3 多路开关集成芯片

15、CD4501真值表 CBAINH导通000011110011001101010101000000001S1S2S3S4S5S6S7S8无2. 有译码器的多路开关 CD45013.3 多路开关集成芯片 2. 有译码器的多路开关 CD45023.3 多路开关集成芯片 UDD(-15V)(+15V)地UEE8111612345712131415电平转换译码驱动INH6B9A10Y(OUT/IN)X(OUT/IN)X(IN/OUT)Y(IN/OUT)12345678910111213141516GNDUDDCD4502ABINHUEE(IN/OUT)Y(OUT/IN)YY(IN/OUT)(IN/OUT

16、)X(OUT/IN)XX(IN/OUT)CD4502芯片结构及引脚功能CD4502真值表2. 有译码器的多路开关 CD45023.3 多路开关集成芯片 输入接通通道INHABXY00001001101010123无0123无CD4502和CD4501一样，允许双向使用。2. 有译码器的多路开关 SN74LV40513.3 多路开关集成芯片 SN74LV4051芯片结构及引脚功能2. 有译码器的多路开关 SN74LV40513.3 多路开关集成芯片 SN74LV4051真值表2. 有译码器的多路开关 3.3 多路开关集成芯片 部分多路开关性能参数RON()RONVSIS(nA)IC(nA)tON

17、(us)tOFF(us)AD7501AD7503AD7502AD7506CD45011703003004002700.5%/0.5%/0.5%/0.5%/0.220.220.220.0515150.650.030.080.80.80.80.80.80.80.80.8特性型号CS(pF)COUT(pF)逻辑电平(V)电源输入方式输入电流、电压AD7501AD7503AD7502AD7506CD45015555303015400.830.830.830.831.53.515V,800uA15V,800uA15V,800uA15V,1mA+5V+15V8路8路双4路16路8路双向35mA，两开关间电

18、压25V特性型号3.4 多路开关的电路特性 为了便于讨论，模拟多路开关中的一个开关用下图所示的等效电路来表示。USRSCICIORONROFFCOCLRL模拟多路开关中一个开关的等效电路RS为信号源内阻，CI为开关的输入电容，RON是开关的导通电阻，ROFF是开关断开时的电阻，CIO是跨接在开关输入与输出端上的电容，CO是输出电容，RL和CL为负载的电阻和电容。1. 漏电流漏电流:通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。 3.4 多路开关的电路特性 在n个模拟开关的并联组合中，当一个开关导通时，其它n1个开关是断开的，未导通开关的漏电流将通过导通的开关流经信号源。这样，将在输出端形成一个误差电压

19、UOE。 I导通开关测量点UOERLRONRSIIISSSS断开开关漏电流电路1. 漏电流漏电流:通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。 3.4 多路开关的电路特性 I导通开关测量点UOERLRONRSIIISSSS断开开关漏电流电路输出端的误差电压： 一般情况下：式中 n：并联的模拟开关数； IS：单个开关断开时的漏 电流。如用两个AD7503构成16路输入通道。AD7503每个通道断开时的漏电流IS=2nA（25），其导通内阻RON=300，设RS=1000，则可以算出漏电流引起的输出误差电压为：1. 漏电流3.4 多路开关的电路特性 例子：设该系统的满量程输入电压为100mV，采用12位

20、A/D转换器，每个量化级是24.4V，则误差电压大于系统的量化单位。讨论：如果通道数增加或信号源内阻很大时，情况还要严重。 改进的方法：采用分级结合电路。1. 漏电流3.4 多路开关的电路特性 .ABC输出12n12n12n多路开关的分级组合将3n个通道分成3组，再用3个第二级的开关接到输出端。这样将使流到输出端的漏电流由(3n1)IS降到(n+1)IS，差不多减至1/3。2. 动态响应与动态响应有关的参数： 开关切换时间（设定时间） 开关闭合后系统的带宽3.4 多路开关的电路特性 USRSRONCICTRL多路开关的动态响应等效电路其中CT表示所有开关输出电容COT与负载电容CL之和。该等效

21、电路不是很精确，但可以用来进行估算，如果估算出的值是实际需要值的25倍，则相应系统多数能满足要求。反之，如果估算出来的值比需要的值差12倍，那就必须做更详细的分析。 开关切换时间tS （设定时间）设 CI RON+RS，则得时间常数:则 3.4 多路开关的电路特性 2. 动态响应USRSRONCICTRL多路开关的动态响应等效电路误差：以百分数表示的误差数值中百分号前的数字。 开关切换时间tS （设定时间）设RON=100，COT=100pF，CL=20pF，RL=10M， CI=5pF，精度0.1%，求设定时间。3.4 多路开关的电路特性 2. 动态响应例子：解：当RS = 0 时当RS =

22、 2000时3.4 多路开关的电路特性 开关切换时间tS （设定时间）2. 动态响应讨论：等效电路的带宽：RS对多路开关的切换时间有重要影响， RS越小，开关的动作就越快；对于高内阻的信号源，可用阻抗变换器(如跟随器)，将阻抗变低再接多路开关。同样，RON越小，开关的动作就越快；通常可以通过提高多路开关的电源电平，来减少RON，从而加快开关动作。COT越小，开关的动作就越快；可以采用开关分级组合结构，将使输出总电容由3nCO降至(n+3)CO。 3. 源负载效应误差源负载效应误差：信号源电阻RS和开关导通电阻RON 与多路开关所接器件的等效电阻 RL分压而引起的误差。3.4 多路开关的电路特性

23、 RSRONRLUS源负载效应的等效电路源负载效应误差= 3. 源负载效应误差3.4 多路开关的电路特性 由于负载效应是一种分压作用，它使输出到RL上的信号减小，因此应合理设计： 提高负载内阻，使 RL RS+RON ； 根据负载效应误差，计算出由此引起的 衰减，然后在下级提高增益加以补偿。设某通道RS=300，RON=200，RL=5M，求负载效应误差。例子：解：负载效应误差 = 4.串扰 串扰：断开通道的信号电压耦合到接收通道引起 的干扰。 3.4 多路开关的电路特性 US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)计算串扰的等效电路在多路开关系统中，串扰是通过断开

24、开关之间的分布电容进入的。如果RON2RS1和RS2US1C10UOECCOT+LRON(b)4.串扰 串扰：断开通道的信号电压耦合到接收通道引起 的干扰。 3.4 多路开关的电路特性 US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)计算串扰的等效电路在多路开关系统中，串扰是通过断开开关之间的分布电容进入的。如果RON2RS1和RS2(c)RS1C10COT+CLCin2+UOERS2Cin1US14.串扰 串扰：断开通道的信号电压耦合到接收通道引起 的干扰。 3.4 多路开关的电路特性 US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)计算串扰的

25、等效电路在多路开关系统中，串扰是通过断开开关之间的分布电容进入的。减小RS2与RON，有利于减小串扰。加大CL也能减小串扰，但不利于动态响应。讨论： 5.其他特性与问题 3.4 多路开关的电路特性 了解所给出的导通电阻值导通电阻随温度、导通程度、芯片电压等变化而变化。 开关是否有死区死区一般发生在栅极电压不够高的情况下。 开关动作是否“先断后合”多路开关在做通道转换时，应选用“先断后合”的多路开关。然而，在程控增益放大器中，若用多路开关来改变集成运算放大器的反馈电阻，以改变放大器的增益，就不宜选用“先断后合”的多路开关。 开关速度和功耗的关系多路开关的功耗是其速度的函数，须按工作频率估算。 噪

26、声（热噪声，1/f 噪声等）能够采集的最低信号电平受噪声的限制。 -+.模拟地US1RS1US2RS2USnRSnRfUcm单端接法 (a)3.5 多路开关的配置 1. 单端接法 单端接法：把所有输入信号源的一端接至同一信号地， 另一端各自接至多路开关的相应输入端。信号地与模拟地很接近；较好的共模抑制能力；比较难实现，应用范围较窄。最大限度利用通道数；易受共模干扰；仅适用于所有输入信号均参考一个公共电位的情况；各信号源需置于同样的噪声环境；特点： 单端接法 (b). -+UO.模拟地信号地US1RS1US2RS2USnRSnUcm1RfUcm2Ucmn3.5 多路开关的配置 1. 单端接法 单

27、端接法：把所有输入信号源的一端接至同一信号地， 另一端各自接至多路开关的相应输入端。信号地与模拟地相离较远；抗共模干扰能力差；比较容易实现。3.5 多路开关的配置 2. 双端接法 双端接法：把所有输入信号源的两端各自 分别接至多路开关的输入端。 -+US1RS1US2RS2RSnUSnUcm1Ucm2UcmnUORf双端接法优点：抗共模干扰能 力强。缺点：只能使用系统 的一半通道。注意：当信号源的信 噪比较小时， 必须使用此接 法。A + -Q Q 74LS273D D3.5 多路开关的配置 例子：设计一个数据采集传输通道，要求单端接法时能提供 32条通道，双端接法时提供16条通道。S0S7C

28、H0CH7SmINHACBU1S0S7CH8CH15SmINHACBU2S0S7CH16CH23SmINHACBU3S0S7CH24CH31SmINHACBU4采样/保持347813141718256912151619D0D1D2D3D4D5D6D711W2345611234KAKBCD4501US11US19D0D7与CPU相连，D0D2分布作为多路开关的地址线A，B和C，D3D6分布作为U1U4的控制信号INH单端接法A + -Q Q 74LS273D D3.5 多路开关的配置 例子：设计一个数据采集传输通道，要求单端接法时能提供 32条通道，双端接法时提供16条通道。S0S7CH0CH7

29、SmINHACBU1S0S7CH8CH15SmINHACBU2S0S7CH16CH23SmINHACBU3S0S7CH24CH31SmINHACBU4采样/保持347813141718256912151619D0D1D2D3D4D5D6D711W2345611234KAKBCD4501US11D0D7与CPU相连，D0D2分布作为多路开关的地址线A，B和C，D3D6分布作为U1U4的控制信号INH双端接法UI+UI-3.5 多路开关的配置 消除抖动引起的误差 和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖动过程，会出现瞬变现象，使输出产生短暂的尖峰电压。若此时采集多路开关的输出信号，就可能引入很大的误差。 硬件方法：用硬件电路来实现，即用 RC滤波器消除抖动；软件方法：用软件延时的方法来解决。 消除抖动的常用方法：通常，软件方法较硬件方法更有优势。3.6 模拟多路开关的应用 1. 通道的扩展方法以CD4501为例，扩展通道的方法有：将n片CD4501加以组合，用门电路组成地址译码器，产生n个选址信号（相当于片选信号），分别接各片CD4501的片选端；将n片CD4501加以组合，采用集成的地址译码器产生n个选址信号；将n片CD4501加以组合，另外使用一片C