第3章模擬多路開關3.2多路開關的工作原理及主要技術指標3.3多路開關集成芯片3.4

多路開關的電路特性3.5

多路開關的配置3.6模擬多路開關的應用3.1概述3.1概述多路開關：在多路被測信號共用一路A/D轉換器的數據采集系統中，用來將多路被測信號分別傳送到A/D轉換器進行轉換，以便計算機能對多路被測信號進行處理。四選一多路開關D0D1D2D3A1A2Y多路開關：

機電式：用于大電流、高電壓，低速切換場所；電子式：用于小電流、低電壓，高速切換場所。類型：機電式：電子式：電子多路開關由于是一種集成化無觸點開關，不僅壽命長、體積小，而且對系統的干擾小。3.1概述多路開關：雙極性晶體管開關電子多路開關根據結構可分為：BECNPNBECPNP場效應晶體管開關結型絕緣柵型(MOS)雙極型晶體管3.1概述多路開關：集成電路開關雙極性晶體管開關電子多路開關根據結構可分為：場效應晶體管開關結型絕緣柵型(MOS)3.1概述多路開關：集成電路開關雙極性晶體管開關電子多路開關根據結構可分為：場效應晶體管開關結型絕緣柵型(MOS)3.1概述多路開關：集成電路開關GSDGSDGSDGSDN溝道耗盡型P溝道耗盡型N溝道增強型P溝道增強型絕緣柵型場效應管雙極性晶體管開關電子多路開關根據結構可分為：場效應晶體管開關結型絕緣柵型(MOS)3.1概述多路開關：集成電路開關PMOS和NMOS結合可以構成CMOS(互補對稱MOS：ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor互補型金屬氧化物半導體)

CMOS型場效應管開關的優點：導通電阻RON隨信號電壓變化波動小；信號電壓RONNMOSPMOSCMOS雙極性晶體管開關電子多路開關根據結構可分為：場效應晶體管開關結型絕緣柵型(MOS)3.1概述多路開關：集成電路開關PMOS和NMOS結合可以構成CMOS(互補對稱MOS：ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor互補型金屬氧化物半導體)

CMOS型場效應管開關的優點：開關接通時間短，小于100ns；功耗低；工作電壓范圍寬抗干擾能力強溫度穩定性能好易于和驅動電路集成雙極性晶體管開關電子多路開關根據結構可分為：場效應晶體管開關結型絕緣柵型(MOS)3.1概述多路開關：集成電路開關集成電路開關是將場效應管、地址計數器、譯碼器及控制電路等集成制造在一塊芯片上而構成的器件。特點：除了具有場效應管的特性之外，還具有體積小、使用方便等優點。3.2多路開關的工作原理及主要技術指標1.多路開關工作原理雙極型晶體管開關其工作原理如下：設選擇第1路模擬信號。則令通道控制信號UC1=0，晶體管T1′截止，集電極為高電平，晶體管T1導通，輸入信號電壓Ui1被選中。+15V+15VT1T1T8T8...通道選擇1通道選擇8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模擬信號1模擬信號8雙極型晶體管開關電路VDD同理，當令通道控制信號UC2=0時，則選中第2路模擬信號，UO=Ui2。

……3.2多路開關的工作原理及主要技術指標1.多路開關工作原理雙極型晶體管開關+15V+15VT1T1T8T8...通道選擇1通道選擇8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模擬信號1模擬信號8雙極型晶體管開關電路VDD注意：在控制信號UC1～UC8中不能同時有兩個或兩個以上為0。優點：開關速度快。缺點：電流控制器件，功耗大，集成度低，一個方向傳送信號。漏電流大，開路電阻小，導通電阻大。場效應管開關結型場效應管開關工作原理如下：設選擇第1路信號。則令通道控制信號UC1=1，開關控制管T1′導通，集電極為低電平，場效應管T1導通，UO=Ui1。當UC1=0時，T1′截止，T1也截止，第1路輸入信號被切斷。3.2多路開關的工作原理及主要技術指標1.多路開關工作原理其他各路操作與第一路相同。

...T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道選擇1通道選擇8UoR1828R11R21R結型場效應管多路開關VDDVDD場效應管開關結型場效應管開關3.2多路開關的工作原理及主要技術指標1.多路開關工作原理...T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道選擇1通道選擇8UoR1828R11R21R結型場效應管多路開關VDDVDD優點：開關切換速度快，導通電阻小，可兩個方向傳送信號。缺點：為分立元件，需專門的電平轉換電路驅動，使用不方便。場效應管開關絕緣柵場效應管開關3.2多路開關的工作原理及主要技術指標1.多路開關工作原理其工作原理與結型場效應管多路開關類似。+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8...絕緣柵場效應管多路開關優點：開關切換速度快，導通電阻小，且隨信號電壓變化波動小；易于和驅動電路集成。缺點：襯底要有保護電壓，P溝道加正電壓，N溝道加負電壓。集成電路開關3.2多路開關的工作原理及主要技術指標1.多路開關工作原理1231516......四-十六線譯碼器四位計數器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U計數23222120............集成多路開關工作原理如下：設選擇第1路信號。則計算機輸出一個4位二進制碼，把計數器置成0001狀態，經四-十六線譯碼器后，第1根線輸出高電平，場效應管T1導通，UO=Ui1，選中第1路信號。

如果要連續選通第1路到第3路的信號，可以在計數器加入計數脈沖，每加入一次脈沖，計數器加1，狀態依次變為

0001，0010，0011。

2.多路開關的主要指標

RON：導通電阻；3.2多路開關的工作原理及主要技術指標多路開關的導通電阻RON（一般為數10Ω至1kΩ左右）比機械開關的接觸電阻（一般為mΩ量級）大得多，對自動數據采集的信號傳輸精度或程控制增益放大的增益影響較明顯。而且RON隨電源電壓高低、傳輸信號的幅度等的變化而變化，因而其影響難以進行后期修正。實踐中一般是設法減小RON來降低其影響。以CD4051為例，測試發現：CD4051的RON隨電源電壓和輸入模擬電壓的變化而變化。當VDD=5V、VEE=0V時，RON=280Ω，且隨Vi的變化突變；當VDD>10V、VEE=0V時，RON=100Ω，且隨Vi的變化緩變。可見，適當提高CD4051的VDD有利于減小RON的影響。

2.多路開關的主要指標

RON：導通電阻；

RONVS：導通電阻溫度漂移；

IC：開關接通電流；

IS

：開關斷開時的泄漏電流；

CS：開關斷開時，開關對地電容；

COUT：開關斷開時，輸出端對地電容；

tON：選通信號EN達到50%這一點時到開關接通時的延遲時間；

tOFF：選通信號EN達到50%這一點時到開關斷開時的延遲時間；

tOPEN：開關切換時間，即當兩個通道均為斷開時，開關從一個通道的接通狀態轉到另一個通道的接通狀態并達到穩定所用的時間。3.2多路開關的工作原理及主要技術指標1.無譯碼器的多路開關芯片中無譯碼器，四個通道開關都有各自的控制端。AD7510芯片:3.3多路開關集成芯片12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC優點：每一個開關可單獨通斷，也可同時通斷，使用方式比較靈活。缺點：引腳較多，使得片內所集成的開關較少。當巡回檢測點較多時，控制復雜。TL182C，AD7510，AD7511，AD7512，CD4066，TS12A44513，TS3A4741，TS3A24159，……3.3多路開關集成芯片1.無譯碼器的多路開關RON<0.3ΩTS12A44513芯片CD4066芯片2.有譯碼器的多路開關AD7501（AD7503）3.3多路開關集成芯片AD7501（AD7503）芯片結構及引腳功能...電平轉換譯碼驅動OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501...片上所有邏輯輸入與TTL／DTL及CMOS電路兼容。AD7501真值表

2.有譯碼器的多路開關AD7501（AD7503）3.3多路開關集成芯片A2A1A0EN導通00001111×00110011×01010101×11111111012345678無AD7503除EN端的控制邏輯電平相反外,其它與AD7501相同。2.有譯碼器的多路開關AD75023.3多路開關集成芯片電平轉換ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7502OUT(1~4)(5~8)......譯碼驅動OUTS8S1USS(-15V)地SS45OUTAD7502芯片結構及引腳功能AD7502真值表

2.有譯碼器的多路開關AD75023.3多路開關集成芯片A1A0EN導通0011×0101×111101和52和63和74和8無AD7501，AD7502，AD7503芯片都是單向多到一的多路開關，即信號只允許從多個(8個)輸入端向一個輸出端傳送。CD4501為8通道單刀結構形式，它允許雙向使用，即可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的輸出切換。電平轉換譯碼驅動S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUT{{CD4501芯片結構及引腳功能2.有譯碼器的多路開關CD45013.3多路開關集成芯片CD4501真值表

CBAINH導通00001111×00110011×01010101×000000001S1S2S3S4S5S6S7S8無2.有譯碼器的多路開關CD45013.3多路開關集成芯片2.有譯碼器的多路開關CD45023.3多路開關集成芯片UDD(-15V)(+15V)地UEE8111612345712131415電平轉換譯碼驅動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){{}}CD4502芯片結構及引腳功能CD4502真值表2.有譯碼器的多路開關CD45023.3多路開關集成芯片輸入接通通道INHABXY000010011×0101×0123無0123無CD4502和CD4501一樣，允許雙向使用。2.有譯碼器的多路開關SN74LV40513.3多路開關集成芯片SN74LV4051芯片結構及引腳功能2.有譯碼器的多路開關SN74LV40513.3多路開關集成芯片SN74LV4051真值表2.有譯碼器的多路開關3.3多路開關集成芯片部分多路開關性能參數RON(Ω)RONVSIS(nA)IC(nA)tON(us)tOFF(us)AD7501AD7503AD7502AD7506CD4501170300300400270~0.5%/℃~0.5%/℃~0.5%/℃~0.5%/℃0.2~20.2~20.2~20.051~51~50.6~50.03±0.080.80.80.80.80.80.80.80.8特性型號CS(pF)COUT(pF)邏輯電平(V)電源輸入方式輸入電流、電壓AD7501AD7503AD7502AD7506CD45015555303015400.8~30.8~30.8~30.8~31.5~3.5±15V,800uA±15V,800uA±15V,800uA±15V,1mA+5V~+15V8路8路雙4路16路8路雙向35mA，兩開關間電壓25V特性型號3.4多路開關的電路特性為了便于討論，模擬多路開關中的一個開關用下圖所示的等效電路來表示。~USRSCICIORONROFFCOCLRL模擬多路開關中一個開關的等效電路RS為信號源內阻，CI為開關的輸入電容，RON是開關的導通電阻，ROFF是開關斷開時的電阻，CIO是跨接在開關輸入與輸出端上的電容，CO是輸出電容，RL和CL為負載的電阻和電容。1.漏電流漏電流:通過斷開的模擬開關的電流，用IS表示。3.4多路開關的電路特性在n個模擬開關的并聯組合中，當一個開關導通時，其它n－1個開關是斷開的，未導通開關的漏電流將通過導通的開關流經信號源。這樣，將在輸出端形成一個誤差電壓UOE。

I導通開關測量點UOERLRONRSIIISSSS斷開開關漏電流電路1.漏電流漏電流:通過斷開的模擬開關的電流，用IS表示。3.4多路開關的電路特性I導通開關測量點UOERLRONRSIIISSSS斷開開關漏電流電路輸出端的誤差電壓：一般情況下：式中

n：并聯的模擬開關數；

IS：單個開關斷開時的漏電流。如用兩個AD7503構成16路輸入通道。AD7503每個通道斷開時的漏電流IS=2nA（25℃），其導通內阻RON=300Ω，設RS=1000Ω，則可以算出漏電流引起的輸出誤差電壓為：1.漏電流3.4多路開關的電路特性例子：設該系統的滿量程輸入電壓為100mV，采用12位A/D轉換器，每個量化級是24.4V，則誤差電壓大于系統的量化單位。討論：如果通道數增加或信號源內阻很大時，情況還要嚴重。改進的方法：采用分級結合電路。1.漏電流3.4多路開關的電路特性.........ABC輸出12n12n12n①②③多路開關的分級組合將3n個通道分成3組，再用3個第二級的開關接到輸出端。這樣將使流到輸出端的漏電流由(3n－1)IS降到(n－1)IS，差不多減至1/3。2.動態響應與動態響應有關的參數：開關切換時間（設定時間）開關閉合后系統的帶寬3.4多路開關的電路特性USRSRONCICTRL~多路開關的動態響應等效電路其中CT表示所有開關輸出電容COT與負載電容CL之和。該等效電路不是很精確，但可以用來進行估算，如果估算出的值是實際需要值的2~5倍，則相應系統多數能滿足要求。反之，如果估算出來的值比需要的值差1~2倍，那就必須做更詳細的分析。

開關切換時間tS

（設定時間）設

CI<<CT

，RL>>RON+RS，則得時間常數:則3.4多路開關的電路特性2.動態響應USRSRONCICTRL~多路開關的動態響應等效電路誤差：以百分數表示的誤差數值中百分號前的數字。

開關切換時間tS

（設定時間）設RON=100Ω，COT=100pF，CL=20pF，RL=10MΩ，CI=5pF，精度0.1%，求設定時間。3.4多路開關的電路特性2.動態響應例子：解：當RS

=0時當RS

=2000Ω時3.4多路開關的電路特性

開關切換時間tS

（設定時間）2.動態響應討論：等效電路的帶寬：RS對多路開關的切換時間有重要影響，RS越小，開關的動作就越快；對于高內阻的信號源，可用阻抗變換器(如跟隨器)，將阻抗變低再接多路開關。同樣，RON越小，開關的動作就越快；通常可以通過提高多路開關的電源電平，來減少RON，從而加快開關動作。COT越小，開關的動作就越快；可以采用開關分級組合結構，將使輸出總電容由3nCO降至(n+3)CO。

3.源負載效應誤差源負載效應誤差：信號源電阻RS和開關導通電阻RON

與多路開關所接器件的等效電阻

RL分壓而引起的誤差。3.4多路開關的電路特性RSRONRLUS~源負載效應的等效電路源負載效應誤差=

3.源負載效應誤差3.4多路開關的電路特性由于負載效應是一種分壓作用，它使輸出到RL上的信號減小，因此應合理設計：

提高負載內阻，使RL>>RS+RON；根據負載效應誤差，計算出由此引起的衰減，然后在下級提高增益加以補償。設某通道RS=300Ω，RON=200Ω，RL=5MΩ，求負載效應誤差。例子：解：負載效應誤差=

4.串擾串擾：斷開通道的信號電壓耦合到接收通道引起的干擾。

3.4多路開關的電路特性US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)~計算串擾的等效電路在多路開關系統中，串擾是通過斷開開關之間的分布電容進入的。如果RON2>>RS1和RS2US1C10UOECCOT+LRON~(b)4.串擾串擾：斷開通道的信號電壓耦合到接收通道引起的干擾。

3.4多路開關的電路特性US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)~計算串擾的等效電路在多路開關系統中，串擾是通過斷開開關之間的分布電容進入的。如果RON2<<RS1和RS2(c)RS1~C10COT+CLCin2+UOERS2Cin1US14.串擾串擾：斷開通道的信號電壓耦合到接收通道引起的干擾。

3.4多路開關的電路特性US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)~計算串擾的等效電路在多路開關系統中，串擾是通過斷開開關之間的分布電容進入的。減小RS2與RON，有利于減小串擾。加大CL也能減小串擾，但不利于動態響應。討論：

5.其他特性與問題3.4多路開關的電路特性了解所給出的導通電阻值導通電阻隨溫度、導通程度、芯片電壓等變化而變化。開關是否有死區死區一般發生在柵極電壓不夠高的情況下。開關動作是否“先斷后合”多路開關在做通道轉換時，應選用“先斷后合”的多路開關。然而，在程控增益放大器中，若用多路開關來改變集成運算放大器的反饋電阻，以改變放大器的增益，就不宜選用“先斷后合”的多路開關。開關速度和功耗的關系多路開關的功耗是其速度的函數，須按工作頻率估算。噪聲（熱噪聲，1/f噪聲等）能夠采集的最低信號電平受噪聲的限制。

-+......模擬地US1RS1US2RS2USnRSnRfUcm單端接法(a)3.5多路開關的配置1.單端接法單端接法：把所有輸入信號源的一端接至同一信號地，另一端各自接至多路開關的相應輸入端。信號地與模擬地很接近；較好的共模抑制能力；比較難實現，應用范圍較窄。最大限度利用通道數；易受共模干擾；僅適用于所有輸入信號均參考一個公共電位的情況；各信號源需置于同樣的噪聲環境；特點：

單端接法(b)...

-+UO...模擬地信號地US1RS1US2RS2USnRSnUcm1RfUcm2Ucmn3.5多路開關的配置1.單端接法單端接法：把所有輸入信號源的一端接至同一信號地，另一端各自接至多路開關的相應輸入端。信號地與模擬地相離較遠；抗共模干擾能力差；比較容易實現。3.5多路開關的配置2.雙端接法雙端接法：把所有輸入信號源的兩端各自分別接至多路開關的輸入端。

-+US1RS1US2RS2RSnUSnUcm1Ucm2UcmnUORf雙端接法優點：抗共模干擾能力強。缺點：只能使用系統的一半通道。注意：當信號源的信噪比較小時，必須使用此接法。A

+

-QQ

74LS273DD3.5多路開關的配置例子：設計一個數據采集傳輸通道，要求單端接法時能提供32條通道，雙端接法時提供16條通道。S0S7CH0CH7SmINHACBU1S0S7CH8CH15SmINHACBU2S0S7CH16CH23SmINHACBU3S0S7CH24CH31SmINHACBU4采樣/保持347813141718256912151619D0D1D2D3D4D5D6D711W2345611234KAKBCD4501US11US19D0~D7與CPU相連，D0~D2分布作為多路開關的地址線A，B和C，D3~D6分布作為U1~U4的控制信號INH單端接法A

+

-QQ

74LS273DD3.5多路開關的配置例子：設計一個數據采集傳輸通道，要求單端接法時能提供32條通道，雙端接法時提供16條通道。S0S7CH0CH7SmINHACBU1S0S7CH8CH15SmINHACBU2S0S7CH16CH23SmINHACBU3S0S7CH24CH31SmINHACBU4采樣/保持347813141718256912151619D0D1D2D3D4D5D6D711W2345611234KAKBCD4501US11D0~D7與CPU相連，D0~D2分布作為多路開關的地址線A，B和C，D3~D6分布作為U1~U4的控制信號INH雙端接法UI+UI-3.5多路開關的配置消除抖動引起的誤差和機械開關類似，多路開關在通道切換時也存在抖動過程，會出現瞬變現象，使輸出產生短暫的尖峰電壓。若此時采集多路開關的輸出信號，就可能引入很大的誤差。硬件方法：用硬件電路來實現，即用

RC濾波器消除抖動；軟件方法：用軟件延時的方法來解決。消除抖動的常用方法：通常，軟件方法較硬件方法更有優勢。3.6模擬多路開關的應用1.通道的擴展方法以CD4501為例，擴展通道的方法有：將n片CD4501加以組合，用門電路組成地址譯碼器，產生n個選址信號（相當于片選信號），分別接各片CD4501