3模拟多路开关.

1SDUT数据采集与处理3.1概述3.2多路开关的工作原理及主要技术指标3.3多路开关集成芯片第3章模拟多路开关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2SDUT数据采集与处理3.1概述第3章模拟多路开关作用：将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换。机电式：电子式：类型用于大电流、低速切换用于小电流、高速切换3SDUT数据采集与处理3.1概述双极性晶体管开关场效应晶体管开关电子式类型结型绝缘栅型集成电路开关4SDUT数据采集与处理3.2多路开关的工作原理及主要技术指标第3章模拟多路开关1.多路开关工作原理⑴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图3.2双极型晶体管开关电路其工作原理如下：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。5SDUT数据采集与处理3.2多路开关的工作原理及主要技术指标同理：当令通道控制信号UC2=0时，则选中第2路模拟信号，UO=Ui2。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：缺点：②电流控制器件，功耗大，集成度低，一个方向传送信号。①漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。开关速度快。6SDUT数据采集与处理3.2多路开关的工作原理及主要技术指标2.场效应管开关⑴结型场效应晶体管开关开关电路如图3.3所示。...T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道选择1通道选择8UoR1828R11R21R图3.3结型场效应管多路开关工作原理如下：设选择第1路信号。则令通道控制信号UC1=1，则开关控制管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。7SDUT数据采集与处理3.2多路开关的工作原理及主要技术指标优点：缺点：开关切换速度快，导通电阻小，可两个方向传送信号。为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。⑵绝缘栅场效应管开关8SDUT数据采集与处理3.2多路开关的工作原理及主要技术指标+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8...图3.4绝缘栅场效应管多路开关其工作原理与结型场效应管多路开关类似。9SDUT数据采集与处理3.2多路开关的工作原理及主要技术指标优点：缺点：3.集成电路开关集成电路开关——将多路开关、计数器、译码器制造在一个芯片上。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。衬底要有保护电压。10SDUT数据采集与处理3.2多路开关的工作原理及主要技术指标1231516......四-十六线译码器四位计数器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U计数23222120............图3.5集成多路开关工作原理如下：设选择第1路输入信号，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。11SDUT数据采集与处理3.2多路开关的工作原理及主要技术指标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；12SDUT数据采集与处理第3章模拟多路开关3.3多路开关集成芯片1.无译码器的多路开关开关类型：TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等。13SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC图3.6AD7510芯片芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端。14SDUT数据采集与处理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。2.有译码器的多路开关⑴AD7501（AD7503）15SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片...电平转换译码驱动OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501...图3.7AD7501（AD7503）芯片结构及引脚功能片上所有逻辑输入与TTL／DTL及CMOS电路兼容。16SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片表3.1AD7501真值表A2A1A0EN导通00001111×00110011×01010101×11111111012345678无17SDUT数据采集与处理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。⑵AD7502电平转换ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7502OUT(1～4)(5～8)......译码驱动OUTS8S1USS(-15V)地SS45OUT图3.8AD7502芯片结构及引脚功能18SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片表3.2AD7502真值表A1A0EN接通通道0011×0101×111101和52和63和74和8无19SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片注意：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。⑶CD450120SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片电平转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUT{{图3.9CD4501芯片结构及引脚功能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。21SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片表3.3CD4501真值表INHCBA接通通道00000000100001111×00110011×01010101×S0S1S2S3S4S5S6S7无22SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片⑷CD4502UDD(-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)X(OUT/IN)XX(IN/OUT){{}}图3.10CD4502芯片结构及引脚功能23SDUT数据采集与处理3.3多路开关集成芯片表3.4CD4502真值表输入接通通道ABXY0000010100111××00112233均不通INH24SDUT数据采集与处理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图3.11所示的等效电路来表示。第3章模拟多路开关25SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性~USRSCICIORONROFFCOCLRL图3.11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。26SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性1.漏电流漏电流——通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。27SDUT数据采集与处理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n－1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，如图3.12所示。I导通开关测量点UOERLRONRSIIISSSS断开开关图3.12漏电流电路这样，将在输出端形成一个误差电压UOE。28SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性输出端的误差电压：UnIRROESSON()()1式中IS—单个开关的漏电流。举例：如用两个AD7503构成16路输入通道。由表3.5可知，AD7503每个通道断开时的漏电流IS=2nA（25℃），其导通内阻RON=300Ω，设RS=1000Ω，则由式(3-1)可以算出漏电流引起的输出误差电压为：29SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性)V(1039)103.1()102(15639OEU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24.4V，则误差电压大于系统的量化单位。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。30SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性将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(3n－1)降到(n－1)，差不多减至13.........ABC输出12n12n12n①②③图3.13多路开关的分级组合31SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性2.动态响应响应参数开关切换时间（设定时间）开关闭合后系统带宽USRSRONCICTRL~图3.14多路开关的动态响应等效电路32SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性⑴设定时间tS设CICT，则化简图3.14，得TRRCCSONT()则tTSCln100误差【例3.1】设RON=100Ω，COT=100pF，CL=20pF，RL=10MΩ，CI=5pF，精度0.1%，求设定时间。33SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性解：当RS=0时tRRCSSONTns()lnln..ln..1001001201010001120101000829108291288误差当RS=2000Ω时s74.1101.1741000ln102.251.0100ln1012021008-812St34SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性从以上计算可以看到：RS↓，开关切换↑。因此，要想法降低RS和总输出电容COT。⑵等效电路的带宽fRRCdBSONT312()35SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性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。计算源负载效应误差的等效电路如图3.15所示。36SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性RSRONRLUS~图3.15源负载效应的等效电路源负载效应误差=RRRRRSONSONL100%37SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性由于负载效应是一种分压作用，使输出到上的信号减小，因此应合理设计①提高负载内阻，RLRS+RON②根据负载效应误差，在下级提高增益来补偿【例3.2】设某通道RS=300Ω，RON=200Ω，RL=5MΩ，求误差。38SDUT数据采集与处理3.4多路开关的电路特性解：负载效应误差=%011.0%100105250300250300%1006LONSONSRRR