检测系统数字化测试技术 教学课件 作者 姚敏第五章 第五章.ppt

第五章 模拟开关 5.1 模拟开关简介 模拟开关是一种将模拟信号接通或断开的元件或电路 5.1.1 模拟开关的特性 模拟开关由开关元件和控制（驱动）电路组成。 表示模拟开关的性能参数有静态特性和动态特性。 模拟开关的静态特性 模拟开关的静态特性主要是指开关元件输入端和输出端之间的电阻。 开关导通时的电阻称导通电阻Ron， 开关截止（断开）时的电阻称断开电阻Roff，（有时用漏电流Ioff表示）。 此外还有最大开关电压、最大开关电流、驱动功耗等。理想模拟开关的Ron→0，Roff→∞。 模拟开关的动态特性 模拟开关的动态特性是指开关动作延迟时间，包括开关导通延迟时间ton和开关截止延迟时间toff，通常ton＞toff， 理想模拟开关ton→0，toff→0。 模拟开关的分类 机械模拟开关：理想的静态特性；动态特性较差，寿命较短 电子模拟开关： 速度快、体积小，但导通电阻大 5.2 电子模拟开关 5.2.2集成模拟开关 CMOS 模拟门 CMOS模拟门是可双向传输的模拟开关和驱动电路的组合电路。 MOS模拟开关其Ron随 VGS而改变，即随Vi而改变，这是单沟道 MOS开关的主要缺点。采用互补对称CMOS模拟开关，能克服此缺点，所以 CMOS模拟门是利用一个P沟道增强型 MOS管和一个 N沟道增强型 MOS管并联构成的，是 CMOS电路的基本单元电路。 CMOS 模拟门 CMOS 模拟门 CMOS 模拟门优点 CMOS模拟门主要用作电压控制开关，由于 MOS管结构对称，源极和漏极可以互换，所以模拟门具有双向特性，电流能从门的两个方向流通，故称作双向模拟开关。 由于N沟道和P沟道MOS管电阻变化特性相反，两管电阻可以互补，其等效导通电阻基本恒定，与模拟信号大小无关， 其 Ron比 P－MOS和 N－MOS管都小，并且输出电压和输入电压线性度好、开关速度高、功耗低、抗干扰能力强等。 CMOS 模拟门不足 (1)需同时加两个反相的控制电压。 (2)若栅极控制电压VGSN、VGSP选择不合适会引起导通性能变差，Ron增大。 (3)若两管衬底电平固定，当Vi改变时，使衬底对源极形成一个变化的偏置电压，这一变化的电压将引起类似于结型场效应管栅极的控制作用,使沟道导通电阻变化，这就是衬底偏置效应（或称背栅调变效应）。VT也随衬底与源极电压的变化而改变。 二、CMOS模拟门实例分析 三、使用 CMOS双向模拟开关应注意的有关问题 (1) 传输电压范围不能超过电源电压范围(VDD一Vss)，否则影响开关特性(Ron和Ioff均会增大)，甚至损坏器件。为减小Ron，输入信号宜大于3V，且比Vdd低2 V，若VDD=15 V，则Vi=3～11V为宜。 (2) 模拟开关属于电压控制器件控制，电流极小。被传输的信号常是电压信号，它要求后接电路有高阻输入特性。 (3) 若要求传输正弦信号，应采用双电源工作，正负电源电压值应根据输入正弦信号的最大峰值而定，但不能超过最大工作电压。 使用 CMOS双向模拟开关应注意的有关问题 使用 CMOS双向模拟开关应注意的有关问题 若模拟开关采用单电源工作，被传输的又是正弦信号，应在开关的输入端加分压式偏置电路，将输入端偏置在1/2VDD上。另外输入端还应加隔直电容C。上图中R1 =R2 =100kΩ，C＝0.01～10 μF，电容容量与被传输信号的频率有关。 使用 CMOS双向模拟开关应注意的有关问题 (4) CMOS开关，一般Ron ≤ 500Ω，Roff≥ 50 MΩ，为兼顾开关两种工作状态，负载电阻一般取100～200kΩ，这样传输损耗和截止泄漏均可在百分之零点几以下。负载电阻减小，有利于减小截止泄漏，不利于导通，线性度变差． 5.2.3 模拟多通道开关电路 模拟多通道开关电路 不等周期数据采集系统 多路通道选择方式 译码器方式 移位寄存器方式 译码器方式 5.3模拟开关应用需注意的问题 导通电阻 模拟开关的导通电阻RON会使信号电压产生跌落，这一跌落量应处在系统允许的误差范围之内。 开关时间 较低的导通电阻RON需要占据较大的芯片面积,从而产生较大的电容。时间常数?=RC，取决于负载电阻R和开关电容C，这说明低RON开关具有更长的导通和关断时间。 系统电源 由于模拟开关只能处理幅度在电源电压摆幅以内的信号，因此输入信号幅度必须保证在所规定的电源电压范围内。 二、4051实例 二、4051实例 * * 可编程放大器 A/D转换器 微机系统 数字显示器 CRT显示器 打印机或 绘图仪 磁记录设备 显示器（记录仪） 模拟开关 多路 传感器1 . . . 传感器2 传感器n 一、CMOS 模拟门 当Vc为高电平时, T1截止，T2、T3导通, T4衬底电压等于V