第4講多路模擬開關(guān)

1、1多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān) 多路開關(guān)在DAS中是一個(gè)常用部件，尤其在信號(hào)較多且速度要求不是太快場(chǎng)合應(yīng)用普遍?？梢怨灿肧/H和A/D，從而降低硬件成本。2 把多路信號(hào)依次或按預(yù)定的程序送往一公共的信號(hào)調(diào)理或A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以改善DAS性能，降低成本。多路開關(guān)的功能：多路開關(guān)的功能：多路開關(guān)的分類及其特點(diǎn)：多路開關(guān)的分類及其特點(diǎn)：1、半導(dǎo)體式多路開關(guān)（集成芯片）：優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、動(dòng)作速度快；得到廣泛應(yīng)用；缺點(diǎn)：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電阻較大，斷開時(shí)有漏電流，集成芯片之間有串?dāng)_。3優(yōu)點(diǎn)：直接接通、無串?dāng)_、無漏電流、導(dǎo)通電阻??；缺點(diǎn)：體積大；動(dòng)作速度慢（繼電器式）2、電氣機(jī)械式多路開關(guān)（機(jī)械式）4主要內(nèi)容：

2、 電氣機(jī)械式開關(guān) 半導(dǎo)體開關(guān) 多路開關(guān)的電路特性5電氣機(jī)械式多路開關(guān)（功率大、老式汽車點(diǎn)火）電氣機(jī)械式多路開關(guān)（功率大、老式汽車點(diǎn)火）一、步進(jìn)選擇器與一、步進(jìn)選擇器與電驅(qū)動(dòng)換接器電驅(qū)動(dòng)換接器1、原理示意圖：、原理示意圖：62、原理簡(jiǎn)介：、原理簡(jiǎn)介： 在圓周上有一系列互相絕緣、導(dǎo)電性良好的固定觸頭，分別與輸入通道相接，而在中心位置有一個(gè)滑動(dòng)觸頭，用步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)作圓周運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)馬達(dá)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，動(dòng)觸頭就依次接到下一個(gè)固定觸頭，即接通下一通道。3、特點(diǎn)：、特點(diǎn)： 步進(jìn)選擇器是開關(guān)中性能最接近理想開關(guān)的一種；接通電阻為零，斷開電阻為無窮大。 轉(zhuǎn)換速率低，且只能依次順序接通各通道；不能按需要從一個(gè)通道接到

3、任意通道上。74、步進(jìn)選擇器的主要特性參數(shù)、步進(jìn)選擇器的主要特性參數(shù) 換線速率：12S/ch 接通電阻：20200 m 斷開電阻：不低于100 M（50V 空氣導(dǎo)電率） 通道數(shù)：一般 24 或 48 壽命：運(yùn)行1000小時(shí)（需清洗，接觸點(diǎn)電阻增大）8 換線速率：180 ch/S 接通電阻： 100 兆歐（50V 空氣導(dǎo)電率） 通道數(shù)：一般 4180 通道/導(dǎo)電環(huán) 壽命：運(yùn)行1000小時(shí)（需清洗，接觸點(diǎn)電阻增大）電驅(qū)動(dòng)換接器簡(jiǎn)介：電驅(qū)動(dòng)換接器簡(jiǎn)介： 接通原理與“步進(jìn)選擇器”相似，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)臂，依次將分布在圓筒上的輸入觸頭與作為輸出觸頭的導(dǎo)電環(huán)接通。參數(shù)如下：缺點(diǎn)：只能依次順序接通各通道

4、；不能接到任意通道上。9順便提及“滑環(huán)”概念：連續(xù)導(dǎo)通：滑片連續(xù)接觸舞臺(tái)燈、絞車電連接等應(yīng)用10二、舌簧繼電器干簧繼電器濕簧繼電器1、干簧繼電器原理圖（應(yīng)用很廣機(jī)械式的）組成：玻璃殼內(nèi)充滿惰性氣體，繼電器線圈控制玻璃殼玻璃殼惰性氣體惰性氣體不易氧化不易氧化112、工作原理 在充有惰性氣體的玻璃殼內(nèi)，裝有一對(duì)用金、銀等貴重金屬材料制成的舌簧觸頭，使其免受氧化；簧片在彈力作用下是分開的，但當(dāng)繞在玻璃殼外的繼電器線圈通電時(shí)，簧片被磁化，互吸而閉合。3、驅(qū)動(dòng)電路124、干簧繼電器主要參數(shù)F 換線速率：200500ch/sF 激勵(lì)時(shí)間：7001000sF 釋放時(shí)間：50700sF 接通電阻：10150m

5、F 斷開電阻：500 GF 觸頭定額：1mA，10VF 壽命：10 億次動(dòng)作F 開關(guān)噪聲：起始 100v；50s后 1v135、濕簧繼電器（1）特點(diǎn)：觸頭功率較大，但速度較低。（2）結(jié)構(gòu)：與干簧相似，但底部加有水銀。目的：下觸頭會(huì)漫浸一層水銀，有利于消除觸頭閉合時(shí)的跳動(dòng)從而減少觸頭磨損，使觸點(diǎn)負(fù)載能力加大。 加水銀后，動(dòng)作速率稍下降，且安裝要求垂直，使用不便。14計(jì)數(shù)傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量（德國、俄羅斯、國產(chǎn)）采水器開關(guān)觸底開關(guān)應(yīng)用：永磁鐵代替線圈；15F 換線速率：100 ch/sF 激勵(lì)時(shí)間：2 msF 釋放時(shí)間：2 msF 接通電阻：2050mF 斷開電阻：500 MF 觸頭定額：10 mA，1

6、0VF 壽命：200 億次動(dòng)作F 開關(guān)噪聲：起始275v；4ms后 10v（3）主要指標(biāo)16半導(dǎo)體開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān) 因半導(dǎo)體開關(guān)體積小、重量輕、可靠性高、驅(qū)動(dòng)動(dòng)力小、速度快、沒有觸頭等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。分類： 二極管橋開關(guān) JFET N（P）MOS CMOS17一、二極管橋開關(guān)1、原理圖2、原理簡(jiǎn)介 Vc：交流控制電壓 Tp：變壓器 信號(hào)接在二極管橋的3端，輸出接在4端。前提：若橋平衡的，則控制電壓不會(huì)引入信號(hào)回路；在Vc正半周，所有二極管正偏，信號(hào)由二極管傳輸；在Vc負(fù)半周，所有二極管截止，阻止信號(hào)通過。18F 換線速率：10 M 通道/sF 接通電阻：525mF 操作噪聲：5v典型值F

7、 斷開電阻：1 MF 失調(diào)電壓：2050 vF 輸入范圍： 5 mV10mVF 可靠性：1500小時(shí)（MBTF平均無故障時(shí)間）3、典型特性參數(shù)19二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（ JFET ）模擬開關(guān)1、N溝道 JFET 結(jié)構(gòu)示意圖（只有耗盡型）2、原理簡(jiǎn)介VGS0時(shí)，SD導(dǎo)通；VGD0時(shí)（負(fù)壓）， SD夾斷；此時(shí)，源漏之間的導(dǎo)電溝道將為耗盡層所夾斷而失去導(dǎo)電能力（電阻很大），相當(dāng)于開關(guān)斷開。耗盡層夾斷203、N溝道 JFET 驅(qū)動(dòng)電路說明：（1）當(dāng)VC=VHD反偏VGS=0 Vi通VO=Vi 當(dāng)VC=VLD通VGS0 夾斷VO不通 C：起加速作用，即VC由低高時(shí)，給G與S極提供放電通路，加速FET從斷開到

8、導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換。21（2）Vi與VCH、VCL的關(guān)系（3）缺點(diǎn)：沒有多路集成產(chǎn)品 斷電時(shí)全導(dǎo)通，將信號(hào)連在一起，慎用！DPiCLiMAXCHVVVVVVmin其中：VD為二極管壓降； VP為 J-FET管壓降。22三、PMOS 和 NMOS場(chǎng)效應(yīng)管1、特點(diǎn)：（1）優(yōu)點(diǎn)：有多路集成產(chǎn)品，且為增強(qiáng)型的； VGS0時(shí)，不會(huì)導(dǎo)通，避免信號(hào)短接（2）缺點(diǎn)：速度較 JFET慢，導(dǎo)通電阻較大232、PMOS場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)VGS0時(shí)，開關(guān)斷開的；當(dāng)VGS100 Kch/s 100 Kch/s F 導(dǎo)通電阻 525 1001K 5080F 操作噪聲 5v 5v 1000小時(shí)26多路開關(guān)芯片簡(jiǎn)介：多路開關(guān)芯

9、片簡(jiǎn)介： AD7501/AD7502/AD7503 CD4051/CD4052/CD4067AD7501：8入1出，3條地址線A1/A2/A3，1條使能端EN；控制電平與TTL/CMOS兼容；雙列直插式。27控制邏輯：注：（1）一般EN及A2A0由地址譯碼或鎖存器控制；（2）AD7503與AD7501的區(qū)別是“EN”控制電平相反。28AD7502：雙四通道MUX，A0、A1及EN控制8路中的二路。29控制邏輯：30CMOS MUX CD4051： AD7501-AD7503為單向開關(guān)，即信號(hào)只允許從輸入向輸出端傳送，而CD4051允許雙向使用。31CMOS MUX CD4067： 16選1多路

10、模擬開關(guān)（略）32 根據(jù)管腳功能圖，用法簡(jiǎn)單，但需要進(jìn)一步了解其電路特性，尤其是在一些高精度、高標(biāo)準(zhǔn)要求的信號(hào)處理電路中，尤為重要。只有了解了電路的特性，才能了解誤差的來源及可能的誤差大小，才能去克服，達(dá)到DAS的設(shè)計(jì)要求。多路開關(guān)的電路特性：多路開關(guān)的電路特性：下面了解下面了解MUX的幾個(gè)重要參數(shù)：的幾個(gè)重要參數(shù)：33一、一、MUX等效電路等效電路圖中：VS ROFF RS CIO CI C0 RON RL CL 341、泄漏（IR）定義：通過斷開的模擬開關(guān)的漏電流。設(shè)MUX的漏電流為IR，n個(gè)開關(guān)，1個(gè)通，n1個(gè)斷開，則等效電路如下：測(cè)點(diǎn)35 斷開開關(guān)相當(dāng)二個(gè)背靠背的二極管；1個(gè)導(dǎo)通，n1

11、個(gè)斷開，總的漏電流將通過導(dǎo)通的開關(guān)流經(jīng)信號(hào)源，則在輸出端形成一個(gè)誤差電壓EOE 一般：RL RONRS由圖可得出：EOE（n1）IR（RONRS） 這種誤差電壓影響采集精度，有時(shí)是不允許的！36舉例：設(shè)兩個(gè)8路MUX構(gòu)成16ch多選器，參數(shù)如下：IR2nA，Ron300，RS1K，RL10M，求：漏電流引起的誤差電壓EOE？解：EOE（n1） IR （Ron+Rs） （161）2 109 （3001000） 39 V37分析：（1）設(shè)輸入100mv信號(hào)，用12位A/D轉(zhuǎn)換此信號(hào)， 則每個(gè)量化級(jí)電壓為： 100 mV/212 24.4 V 即每 bit 分辨率 24.4 V 39 Vb、采用分層

12、組合電路（3） 改進(jìn)措施39例：3n個(gè)通道分為三組 常規(guī)做法：漏電流為（3n1） IR 分層接法：漏電流為（n1） IR 設(shè)第1個(gè)接通，前（n1） IR 可以進(jìn)入；對(duì)第2個(gè)而言，本身還有（3n1） IR （并非并非nn）即總漏電流為： （n1） IR （31） IR （n1） IR 40若 n8 方法1： 23 IR； 方法2： 9 IR；顯然小很多！常規(guī)接法分層接法412、交流或動(dòng)態(tài)響應(yīng)（1）開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間（帶寬） 從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道且達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間稱為開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。等效電路如下：圖中：CT為連接到測(cè)試點(diǎn)所有開關(guān)輸出電容COT與負(fù)載電容CL之和即 CTCOTCL42在工程估算中

13、，有時(shí)化簡(jiǎn)為下圖：當(dāng)RS Ron 可以證明：對(duì)于一個(gè)時(shí)間常數(shù)為TC的RC電路，其設(shè)定時(shí)間ts為：誤差%100lnCsTt43設(shè)定時(shí)間：當(dāng)RSRon 且 CI CT 時(shí)， 時(shí)間常數(shù) TC（RS+Ron）CT當(dāng)RS Ron 時(shí)， 時(shí)間常數(shù) TCRS （CICT）44例：設(shè)Ron100，COT100PF，CL20PF， RL10M，CI5PF，要求精度0.1%，求：當(dāng)RS0 或 RS2K時(shí)，模擬開關(guān)的設(shè)立時(shí)間ts解：當(dāng)RS0時(shí)（即RS Ron） 則ns 82.8 ln(1000)102010(100100 1 .0100ln)%100lntC T %100ln1212sTC（誤差誤差LOTonCLOTTonCsCCR