数据采集与智能仪器2016_ch5_yjs_MUX

16
理论上，MOSFET管也具有双向特性，可以传输
双极性信号。由于开关对电流的流向不存在选择问 题，没有严格的输入端与输出端之分。但是NMOS 和PMOS的导通电阻RON与输入信号电压VIN有关， RON与VIN的关系曲线如图所示。
RON随VIN变化将导致额
外误差。解决方法：将 NMOS和PMOS晶体管 互相并联，形成所谓的 互补MOS型结构 （ComplementaryMOS，CMOS）。
P沟道由N型衬底和两个高浓度P扩散区构成，导通时
在两个p扩散区之间靠近栅极处也有P型导电沟道。
增强型和耗尽型的区别是
前者在栅源电压VGS=0 时，漏源之间没有导电沟 道；而后者在VGS=0时， 漏源之间（因掺杂）就有 导电沟道存在。
n型沟道
N沟道MOS管结构示意图
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
——选择集成MUX产品时需要考虑的因素和指标
通道数量
集成MUX包括多个通道。通道数量对传输信号的精度 和开关切换速率有直接影响，通道数越多，泄漏电流 就越大。因为当选通一路时，其它阻断的通道并不是 完全断开，而是处于高阻状态，会有泄漏电流对导通 通道产生影响。另外通道越多，杂散电容越大，通道 之间的串扰（交调干扰）也越严重。 在实际应用中，所选用产品的通道数往往大于实际需 要。多余通道应接模拟地，或接Vref（等同于交流接 地），一方面减少干扰，另外可用于自动校准。
且RON不随信号电压和电源电压变化，接通时延小（可 小于100ns），可双向传输等优点。但需注意，在断电 时JFET的开关处于“导通”状态（即所谓常闭型）。
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
14
JFET型IC的制造工艺较复杂。因此，JFET型MUX的
集成电路芯片很少。例如，ADI目前MUX产品目录中 有MUX08/16/24等少数几种是JFET型；NS公司的 LF13508/09等早已停产；Maxim公司有500多种电子 开关（包括MUX）产品，但没有一个是JFET型。
第五章 模拟多路Βιβλιοθήκη 关1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
5.1 概述 5.2 模拟多路开关的工作原理和特点 5.3 如何选择集成MUX产品
——选择集成MUX产品时需要考虑的因素和指标
5.4 典型MUX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
VIN
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
17
CMOS开关原理
电路如右上图所 示，Q1和Q2为 一对控制管， Q3和Q4为一对 开关管。
CMOS开关的
RON与VIN之间的 关系如右下图所 示，RON不再随 VIN变化而改 变，但RON仍然 与电源电压和温 度有关。
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
21

RON的一致性与平坦度
RON导致精度降低，尤其是开关的负载阻抗较低时影响越 严重，现已有大量RON＜10Ω的产品面世。 CMOS开关RON随输入电压Vin的变化还是有一些波动， RON的平坦度△RON是指在限定的VIN范围内RON的最大起 伏值，△RON＝RONMAX－RONMIN。△RON应越小越好。 RON的一致性表示各通道RON的差值。RON的一致性好， 系统在采集各路信号时由开关引起的误差也就越小。 CMOS开关的RON的值还与电源电压有直接关系，通常电 源电压越大，RON就越小。 在MUX的输出端加高输入阻抗的射级跟随器，可以有效 地减少RON 以及△RON不一致所带来的影响。
根据集成MUX内部各个通道之间的关系，按照传统开关
的称呼，又分为SPST（Single Pole Single Throw， 单刀单掷）、DPDT（双刀双掷）、SPDT（单刀双掷） 和（DPST）双刀单掷等。
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
20
5.3 如何选择集成MUX产品

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

Crosstalk：通道之间的（Channel-to-Channel）交调 干扰（串扰）。这是由于通道之间的电容CSS（见上页 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 起严重的毛刺干扰。在下图所示的电路中，假设某个时 刻S2闭合，S1断开， CD2和CD1都充电至5V；当切换至S1闭 合，S2断开时，放大 器A的输出端将出现 一个负跳变的毛刺。 在示波器上拍摄的波 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
9
5.2 模拟多路开关的工作原理和特点
一、电磁继电器型（机电式）开关

原理：
驱动电流流经线圈，产生磁场对衔铁或簧片进行吸
合，从而控制开关的状态。
常开型（NO-Normal Open），常闭型（NC）

特点：
RON小，ROFF大，IC大带负载能力强，断开隔离度高， 没有泄漏电流，也没有通道串扰。 体积大，速度慢，需要较大的驱动，驱动电路、线圈 和触点等会产生较大的干扰。
利用三极管的开关特性
Ui1 模拟信号1 UC1 T1 R21 通道选择 1 R11 T1
+15V
Uo
Ti饱和导通/截至，第i路 开关闭合/断开。 接通时延小，速度快。 泄漏电流大，导通电阻 RON大，断开电阻ROFF 小，通道串扰大。 属于电流控制器件，功 大，集成度低，并且只 单向传输。

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：
RON：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RON＝0。
ROFF：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ROFF∞。
tON、 tOFF：接通（延迟）时间和断开（延迟）时间，
(2) 绝缘栅场效应晶体管（Isolated Gate FET ）
IGFET的栅极与源极之间、栅极与漏极之间均有一层
缘层（多为二氧化硅SiO2） ，“绝缘栅”故而得名。又 因其栅极上沉积了一层金属（原多为铝，现也有铜） 作为引线，其分层结构为金属-氧化物-半导体，所以 IGFET更多地被称为“MOSFET”或MOS晶体管。与 JFET相比，MOSFET的温度稳定性好、IC工艺简单， 因而广泛应用于LSI和VLSI制造。也是目前使用最为广 泛的电子式模拟多路开关。
. . .
模拟信号8 Ui8 T8 R28 通道选择 8 UC8 R18 T8
+15V
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
13
2）场效应晶体管
场效应晶体管（FET—Field
Effect Transistor ）分
为结型和绝缘栅型两种。 (1) 结型场效应管（JFET—Junction FET）
指从控制信号到达最终值的50%时，到开关输出到达 最终稳定值的90%之间的时延。
控制信号
开关输出
tON
tOFF
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
IC
：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。
ILKG
：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 内阻产生干扰（如下图所示）。ILKG又分为开关断开时 的IDOFF（漏极）和ISOFF（源极），以及开关闭合时的 IDON和ISON。
大会导致簧片抖动。

电磁继电器的驱动
需要较大的驱动，一般用OC门或三
极管进行驱动（如图）。为防止三 极管截至时，因电感中的电流突变 在线圈两端产生过高的感生电动 势，利用D和C进行保护和吸能。
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
12
二、电子式模拟多路开关
1）双极型晶体管
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
15
MOSFET也分为N沟道（NMOS）FET和P沟道
（PMOS）FET ，每种又有增强型和耗尽型之分。
N沟道由P型衬底和两个高浓度N扩散区构成（如图所
示）。导通时，在栅源电压的作用下，两个高浓度n扩 散区之间靠近栅极处形成一层薄薄的N型导电沟道。
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
10
正是由于电磁继电器具有上述
簧片
的突出优点，仍然在数据（尤 其是微弱信号）采集系统中有 广泛应用。其中应用较多的是 小型化的干簧继电器（Reed Relays / Switches ）。

线圈
触点
电磁继电器原理图
干簧（磁簧、舌簧）继电器
3
5.1 概述

模拟多路开关：又称为模拟多路复用器（Analog Multiplexer），其作用是将多路输入的模拟信 号，按照时分多路（TDM）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） 一套后端的装置。 核心是电控开关。电控开关的类型主要有：
机电式：例如各种类型的继电器。 电子式：包括双极型和MOS型等。 固态继电器（SSR）：功率器件，主要用于控制领域。
示波器

CD1
CD2
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 开关控制信号 每格5V