数据采集与智能仪器2016_ch5_yjs_mux

1、1 第五章第五章第五章 第五章 模拟多路开关模拟多路开关模拟多路开关模拟多路开关 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 2 本章内容本章内容本章内容本章内容 5.1 5.1 概述概述概述概述 5.2 5.2 模拟多路开关的工作原理和特点模拟多路开关的工作原理和特点模拟多路开关的工作原理和特点模拟多路开关的工作原理和特点 5.3 5.3 如何选择集成如何选择集成如何选择集成如何选择集成MUXMUX产品产品产品产品 选择集成选择集成选择集成选择集成MUXMUX产品时需要考虑的因素和指标产品时需要考虑的因素和指标产品时需要考虑的因素和指标产品时需要考虑的因素和指标 5.4 5.4 典型典型典型典型MUXMUX芯片简介芯片简介芯片简介芯片简介 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信

2、息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 3 5.1 5.1 概述概述概述概述 模拟多路开关：又称为模拟多路复用器（模拟多路开关：又称为模拟多路复用器（模拟多路开关：又称为模拟多路复用器（模拟多路开关：又称为模拟多路复用器（Analog Analog MultiplexerMultiplexer），其作用是将多路输入的模拟信），其作用是将多路输入的模拟信），其作用是将多路输入的模拟信 ），其作用是将多路输入的模拟信 号，按照时分多路（号，按照时分多路（号，按照时分多路（号，按照时分多路（TDMTDM）的原理，分别与输出）的原理，分别与输出）的原理，分别与输出 ）的原理，分别与输出 端连接，以使得多路输入信号可以复用（共用）端连接，以使得多路输入信号可以复用（共用）端连接，以使得多路输入信号可以复用（共用） 端连接，以使得多路输入信号可以复用（共用） 一套后端的装置。一套后端的装置。一套后端的装置。一套后端的装置。 核心是电控开关。电控开关的类型主要有：核心是电控开关。电控开关的类型主要有：核心是电控开关。电控开关的类型主要有：核心是电控开关。电控开关的类型主要有： 机电式：例如各种

3、类型的继电器。机电式：例如各种类型的继电器。机电式：例如各种类型的继电器。机电式：例如各种类型的继电器。 电子式：包括双极型和电子式：包括双极型和电子式：包括双极型和电子式：包括双极型和MOSMOS型等。型等。型等。型等。 固态继电器（固态继电器（固态继电器（固态继电器（SSRSSR）：功率器件，主要用于控制领域。）：功率器件，主要用于控制领域。）：功率器件，主要用于控制领域。）：功率器件，主要用于控制领域。 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 4 主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标： R R ONON： ：导通电阻，指开关闭合后，开关两端的等效电阻导通电阻，指开关闭合后，开关两端的等效电阻导通电阻，指开关闭合后，开关两端的等效电阻 导通电阻，指开关闭合后，开关两端的等效电阻 阻值。理想开关的阻值。理想开关的阻值。理想开关的阻值。理想开关的R RON ON 0 0。 R R OFFOF

4、F： ： 断开电阻，指开关断开后，开关两端的电阻等效断开电阻，指开关断开后，开关两端的电阻等效断开电阻，指开关断开后，开关两端的电阻等效 断开电阻，指开关断开后，开关两端的电阻等效 电阻阻值。理想开关的电阻阻值。理想开关的电阻阻值。理想开关的电阻阻值。理想开关的R ROFF OFF 。 t t ONON、 、 、 t t OFFOFF： ：接通（延迟）时间和断开（延迟）时间，接通（延迟）时间和断开（延迟）时间，接通（延迟）时间和断开（延迟）时间， 接通（延迟）时间和断开（延迟）时间， 指指指指从控制信号到达最终值的从控制信号到达最终值的从控制信号到达最终值的从控制信号到达最终值的50%50%时，到开关输出到达时，到开关输出到达时，到开关输出到达 时，到开关输出到达 最终稳定值的最终稳定值的最终稳定值的最终稳定值的90%90%之间的时延。之间的时延。之间的时延。之间的时延。 t t ONON t t OFFOFF 控制信号控制信号 开关输出开关输出 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息

5、科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 5 I I C C ：开关接通电流。指开关闭合时所能承受的流经开开关接通电流。指开关闭合时所能承受的流经开开关接通电流。指开关闭合时所能承受的流经开 开关接通电流。指开关闭合时所能承受的流经开 关的平均电流强度。关的平均电流强度。关的平均电流强度。关的平均电流强度。 I I LKGLKG ： ：泄漏电流。在电子式开关中，因芯片内部半导泄漏电流。在电子式开关中，因芯片内部半导泄漏电流。在电子式开关中，因芯片内部半导 泄漏电流。在电子式开关中，因芯片内部半导 器件的缺陷，有微小的电流自输入端流出，经信号源器件的缺陷，有微小的电流自输入端流出，经信号源器件的缺陷，有微小的电流自输入端流出，经信号源 器件的缺陷，有微小的电流自输入端流出，经信号源 内阻产生干扰（如下图所示）。内阻产生干扰（如下图所示）。内阻产生干扰（如下图所示）。内阻产生干扰（如下图所示）。I ILKG LKG又分为开关断开时 又分为开关断开时又分为开关断开时 又分为开关断开时 的的的的I IDOFF DOFF（漏极）和 （漏极）和（漏极）和（漏极

6、）和I ISOFF SOFF（源极），以及开关闭合时的 （源极），以及开关闭合时的（源极），以及开关闭合时的 （源极），以及开关闭合时的 I I DONDON和 和和和I ISON SON。 。 lsOFF 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 6 在在在在MOSMOS型开关器件中，型开关器件中，型开关器件中， 型开关器件中， 各级之间以及相邻通道各级之间以及相邻通道各级之间以及相邻通道 各级之间以及相邻通道 之间的杂散电容（如图之间的杂散电容（如图之间的杂散电容（如图 之间的杂散电容（如图 所示）也是重要的参所示）也是重要的参所示）也是重要的参 所示）也是重要的参 数，这些电容将影响开数，这些电容将影响开数，这些电容将影响开 数，这些电容将影响开 关的高频性能和带宽。关的高频性能和带宽。关的高频性能和带宽。关的高频性能和带宽。 Off IsolationOff Isolation：关断隔离度。指开关断开时

7、，输入信号关断隔离度。指开关断开时，输入信号关断隔离度。指开关断开时，输入信号 关断隔离度。指开关断开时，输入信号 通过上图所示的电容通过上图所示的电容通过上图所示的电容通过上图所示的电容C CDS DS和 和和和C C D D ，对输出回路的影响程度，对输出回路的影响程度，对输出回路的影响程度 ，对输出回路的影响程度 （如下图所示），一般用分贝表示。显然，该指标与输（如下图所示），一般用分贝表示。显然，该指标与输（如下图所示），一般用分贝表示。显然，该指标与输 （如下图所示），一般用分贝表示。显然，该指标与输 入信号的频率有关。入信号的频率有关。入信号的频率有关。入信号的频率有关。 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 7 示波器示波器 C C D1D1 C C D2D2 CrosstalkCrosstalk：通道之间的（通道之间的（通道之间的（通道之间的（ChannelChannel- -toto- -

8、ChannelChannel）交调）交调）交调 ）交调 干扰（串扰）。这是由于通道之间的电容干扰（串扰）。这是由于通道之间的电容干扰（串扰）。这是由于通道之间的电容干扰（串扰）。这是由于通道之间的电容C CSS SS（见上页 （见上页（见上页 （见上页 图）引起的，显然该指标也与输入信号的频率有关。图）引起的，显然该指标也与输入信号的频率有关。图）引起的，显然该指标也与输入信号的频率有关。图）引起的，显然该指标也与输入信号的频率有关。 当模拟开关切换时，开关输出端与地之间的电容还会引当模拟开关切换时，开关输出端与地之间的电容还会引当模拟开关切换时，开关输出端与地之间的电容还会引 当模拟开关切换时，开关输出端与地之间的电容还会引 起严重的起严重的起严重的起严重的毛刺干扰毛刺干扰毛刺干扰毛刺干扰。在下图所示的电路中，假设某个时。在下图所示的电路中，假设某个时。在下图所示的电路中，假设某个时。在下图所示的电路中，假设某个时 刻刻刻刻S S 2 2 闭合，闭合，闭合，闭合，S S 1 1 断开，断开，断开， 断开， C C D2D2和 和和和C CD1 D1都充电至 都充电至都充电至都充电至-

9、 - 5V5V；当切换至；当切换至；当切换至；当切换至S S 1 1 闭闭闭 闭 合，合，合，合，S S 2 2 断开时，放大断开时，放大断开时，放大 断开时，放大 器器器器A A的输出端将出现的输出端将出现的输出端将出现 的输出端将出现 一个一个一个一个负跳变的毛刺负跳变的毛刺负跳变的毛刺负跳变的毛刺。 。 在示波器上拍摄的波在示波器上拍摄的波在示波器上拍摄的波 在示波器上拍摄的波 形照片如下页所示。形照片如下页所示。形照片如下页所示。形照片如下页所示。 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系中国科学技术大学电子工程与信息科学系 8 X轴每格为轴每格为200ns 开关控制信号 每格 开关控制信号 每格5V 放大器放大器A输出 每格 输出 每格500mV 在电子式开关中，由于工艺的原因，某些指标之间存在在电子式开关中，由于工艺的原因，某些指标之间存在在电子式开关中，由于工艺的原因，某些指标之间存在 在电子式开关中，由于工艺的原因，某些指标之间存在 相互制约。例如，某些低相互制约。例如，某些低相互制约。例如，某些低相互制约。例如，某些低R RON ON（小于 （小于（小于（小于1010）的）的）的）的MOSMOS型开型开型开 型开 关，关，关，关，为了减小为了减小为了减小为了减小R RON ON，需要占据较大的芯片面积，导致更 ，需要占据较大的芯片面积，导致更，需要占据较大的芯片面积，导致更 ，需要占据较大的芯片面积，导致更 大的分布电容，大的分布电容，大的分布电容，大的分布电容，反而对开关的高频特性产生不利的影反而对开关的高频特性产生不利的影反而对开关的高频特性产生不利的影 反而对开关的高频特性产生不利的影 响。事实上，响。事实上，响。事实上，响。事实上，只要后端电路的输入阻抗大于只要后端电路的输入阻抗大于只要后端电路的输入阻抗大于只要后端电路的输入阻抗大于10M10M或者或者或者 或者 更高，几十更高，几十更高，几十更

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