《模拟多路开关》PPT课件.ppt

,3.3 模拟多路开关,3.3.2 多路开关的工作原理及 主要技术指标,3.3.3 多路开关集成芯片,多路开关的电路特性,多路开关的配置,3.3.6 模拟多路开关的应用,3.3.1 概述,3.3.1 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,D0,D1,D2,D3,A1,A2,Y,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。,3.3.1 概述,多路开关：,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),双极型晶体管,3.3.1 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),3.3.1 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),3.3.1 概述,多路开关：,集成电路开关,G,S,D,G,S,D,G,S,D,G,S,D,N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,RON,NMOS,PMOS,CMOS,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：,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),3.3.1 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。,3.3.2 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。,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。,3.3.2 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,注意：,在控制信号UC1 UC8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。,3.3.2 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。,场效应管开关,结型场效应管开关,3.3.2 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,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,3.3.2 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。,优点：,开关切换速度快，导通电阻小，且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,3.3.2 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,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 0001，0010，0011。,2.多路开关的主要指标,RON：导通电阻；,3.3.2 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。,3.3.2 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:,3.3.3 多路开关集成芯片,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，,3.3.3 多路开关集成芯片,1.无译码器的多路开关,RON 0.3,TS12A44513芯片,CD4066芯片,2.有译码器的多路开关,AD7501（AD7503）,3.3.3 多路开关集成芯片,AD7501（AD7503）芯片结构及引脚功能,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）,3.3.3 多路开关集成芯片,AD7503 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,AD7502,3.3.3 多路开关集成芯片,AD7502真值表,2.有译码器的多路开关,AD7502,3.3.3 多路开关集成芯片,AD7501，AD7502，AD7503 芯片都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。,2.有译码器的多路开关,CD4501,3.3.3 多路开关集成芯片,CD4501真值表,2.有译码器的多路开关,CD4501,3.3.3 多路开关集成芯片,2.有译码器的多路开关,CD4502,3.3.3 多路开关集成芯片,CD4502芯片结构及引脚功能,CD4502真值表,2.有译码器的多路开关,CD4502,3.3.3 多路开关集成芯片,CD4502和CD4501一样，允许双向使用。,2.有译码器的多路开关,SN74LV4051,3.3.3 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,SN74LV4051,3.3.3 多路开关集成芯片,SN74LV4051真值表,2.有译码器的多路开关,3.3.3 多路开关集成芯片,部分多路开关性能参数,特性,型号,特性,型号,3.3.4 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。,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。,3.3.4 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UOE。,1.漏电流,漏电流:通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。,3.3.4 多路开关的电路特性,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,3.3.4 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。,1.漏电流,3.3.4 多路开关的电路特性,.,.,.,.,.,.,.,.,.,A,B,C,输出,1,2,n,1,2,n,1,2,n,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,3.3.4 多路开关的电路特性,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,3.3.4 多路开关的电路特性,2.动态响应,U,S,R,S,R,ON,C,I,C,T,R,L,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。,3.3.4 多路开关的电路特性,2.动态响应,例子：,解：,当RS=0 时,当RS=2000时,3.3.4 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。,3.3.4 多路开关的电路特性,3.源负载效应误差,3.3.4 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。,3.3.4 多路开关的电路特性,U,S1,R,S1,R,ON2,R,S2,C,in2,C,in1,C,10,C,C,OT,+,L,U,OE,(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RS2,4.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。,3.3.4 多路开关的电路特性,U,S1,R,S1,R,ON2,R,S2,C,in2,C,in1,C,10,C,C,OT,+,L,U,OE,(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),R,S1,C,10,C,OT,+,C,L,C,in2,+,U,OE,R,S2,C,in1,U,S1,4.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。,3.3.4 多路开关的电路特性,U,S1,R,S1,R,ON2,R,S2,C,in2,C,in1,C,10,C,C,OT,+,L,U,OE,(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。,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,3.3.4 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。,3.3.5 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：,3.3.5 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。,信号地与模拟地相离较远；抗共模干扰能力差；比较容易实现。,3.3.5 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。,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 D,3.3.5 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。,S0,S7,CH0,CH7,Sm,INH,A,C,B,U1,S0,S7,CH8,CH15,Sm,INH,A,C,B,U2,S0,S7,CH16,CH23,Sm,INH,A,C,B,U3,S0,S7,CH24,CH31,Sm,INH,A,C,B,U4,采样/保持,3,4,7,8,13,14,17,18,2,5,6,9,12,15,16,19,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,11,W,2,3,4,5,6,1,1,2,3,4,KA,KB,CD4501,US11,US19,单端接法,A,+-,Q Q 74LS273D D,3.3.5 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。,S0,S7,CH0,CH7,Sm,INH,A,C,B,U1,S0,S7,CH8,CH15,Sm,INH,A,C,B,U2,S0,S7,CH16,CH23,Sm,INH,A,C,B,U3,S0,S7,CH24,CH31,Sm,INH,A,C,B,U4,采样/保持,3,4,7,8,13,14,17,18,2,5,6,9,12,15,16,19,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,11,W,2,3,4,5,6,1,1,2,3,4,KA,KB,CD4501,US11,双端接法,UI+,UI-,3.3.5 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。,3.3.6 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CD4501完成地址译码功能。,3.3.6 模拟多路开关的应用,1.通道的扩展方法,例子,B,A,C,INH0,0,.,7,I/O1,IC0,CD4501,.,B,A,C,INH1,8,.,15,I/O2,IC1,CD4501,.,B,A,C,INH2,16,.,23,I/O3,IC2,CD4501,.,B,A,C,INH3,24,.,31,I/O4,IC3,CD4501,.,SW,UO,INH4,+,H1,+,H2,+,H3,+,H4,A,B,C,D,E,F1,F2,32路单端输入时CD4501的连接方法,利用或门H1H4和反相器F1和F2,将原来的三位地址扩展成五位地址。,3.3.6 模拟多路开关的应用,1.通道的扩展方法,例子,32路单端输入时CD4501的连接方法,高位地址与禁止端的逻辑关系,3.3.6 模拟多路开关的应用,2.组成增益可程控的电压运算放大器,增益：,运算放大器两输入端的等效电阻应相等：,为了实现运放增益的程控，只需程控R1或R2。同时也必须相应调节R3的大小。,3.3.6 模拟多路开关的应用,2.组成增益可程控的电压运算放大器,例子,3.3.6 模拟多路开关的应用,习题,某数据采集系统具有16个模拟通道。各通道输入信号的频率不超过200Hz，至少要用每个采样周期10个采样点的速度进行采样。问：（1）多路开关的切换速率应是多少？（2）如果采用两个CD4501芯片，来组成该多路开关。画出简要的电路连线图。,由于输入信号的频率不超过200Hz，而每个采样周期至少 要10个采样点，因此对每个通道的采样频率至少是：200*10=2000（Hz）由于采集系统具有16个通道，因此开关的切换速率至少为：2000*16=32000（Hz）,答：,3.3.6 模拟多路开关的应用,习题,某数据采集系统具有16个模拟通道。各通道输入信号的频率不超过200Hz，至少要用每个采样周期10个采样点的速度进行采样。问：（1）多路开关的切换速率应是多少？（2）如果采用两个CD4501芯片，来组成该多路开关。画出简要的电路连线图。,答：,(2)电路连线图如下图所示：,