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  • 多通道模拟开关
    2021-01-13 17:06:19

    第4讲 多路模拟开关

    CMOS MUX CD4067: 16选1多路模拟开关(略) 根据管脚功能图,用法简单,但需要进一步了解其电路特性,尤其是在一些高精度、高标准要求的信号处理电路中,尤为重要。只有了解了电路的特性,才能了解误差的来源及可能的误差大小,才能去克服,达到DAS的设计要求。 多路开关的电路特性: 下面了解MUX的几个重要参数: 一、MUX等效电路 图中:VS ~信号源 ROFF ~开关断开时电阻 RS ~信号源内阻 CIO ~输入输出间电容 CI ~开关输入电容 C0 ~输出电容 RON ~开关导通电阻 RL 、 CL ~负载电阻电容 * * 多路模拟开关 多路开关在DAS中是一个常用部件,尤其在信号较多且速度要求不是太快场合应用普遍。可以共用S/H和A/D,从而降低硬件成本。 把多路信号依次或按预定的程序送往一公共的信号调理或A/D转换系统,以改善DAS性能,降低成本。 多路开关的功能: 多路开关的分类及其特点: 1、半导体式多路开关(集成芯片): 优点:体积小、重量轻、动作速度快;得到广泛应用; 缺点:开关导通时电阻较大,断开时有漏电流,集成芯片之间有串扰。 优点:直接接通、无串扰、无漏电流、导通电阻小; 缺点:体积大;动作速度慢(继电器式) 2、电气机械式多路开关(机械式) 主要内容: 电气机械式开关 半导体开关 多路开关的电路特性 电气机械式多路开关(功率大、老式汽车点火) 一、步进选择器与电驱动换接器 1、原理示意图: 2、原理简介: 在圆周上有一系列互相绝缘、导电性良好的固定触头,分别与输入通道相接,而在中心位置有一个滑动触头,用步进马达带动作圆周运动。步进马达每转动一步,动触头就依次接到下一个固定触头,即接通下一通道。 3、特点: 步进选择器是开关中性能最接近理想开关的一种;接通电阻为零,断开电阻为无穷大。 转换速率低,且只能依次顺序接通各通道;不能按需要从一个通道接到任意通道上。 4、步进选择器的主要特性参数 换线速率:1~2S/ch 接通电阻:20~200 mΩ 断开电阻:不低于100 MΩ(50V 空气导电率) 通道数:一般 24 或 48 寿命:运行1000小时(需清洗,接触点电阻增大) 换线速率:180 ch/S 接通电阻:< 1 Ω 断开电阻:> 100 兆欧(50V 空气导电率) 通道数:一般 4×180 通道/导电环 寿命:运行1000小时(需清洗,接触点电阻增大) 电驱动换接器简介: 接通原理与“步进选择器”相似,用步进电机驱动一转动臂,依次将分布在圆筒上的输入触头与作为输出触头的导电环接通。参数如下: 缺点:只能依次顺序接通各通道;不能接到任意通道上。 顺便提及“滑环”概念: 连续导通:滑片连续接触 舞台灯、绞车电连接等应用 二、舌簧继电器 干簧继电器 湿簧继电器 1、干簧继电器原理图(应用很广机械式的) 组成:玻璃壳内充满惰性气体,继电器线圈控制 玻璃壳 惰性气体 不易氧化 2、工作原理 在充有惰性气体的玻璃壳内,装有一对用金、银等贵重金属材料制成的舌簧触头,使其免受氧化;簧片在弹力作用下是分开的,但当绕在玻璃壳外的继电器线圈通电时,簧片被磁化,互吸而闭合。 3、驱动电路 4、干簧继电器主要参数 换线速率:200~500ch/s 激励时间:700~1000μs 释放时间:50~700μs 接通电阻:10~150mΩ 断开电阻:500 GΩ 触头定额:1mA,10V 寿命:>10 亿次动作 开关噪声:起始→ 100μv;50μs后→ 1μv 5、湿簧继电器 (1)特点:触头功率较大,但速度较低。 (2)结构:与干簧相似,但底部加有水银。 目的:下触头会漫浸一层水银,有利于消除触头闭合时的跳动从而减少触头磨损,使触点负载能力加大。 加水银后,动作速率稍下降,且安装要求垂直,使用不便。 计数传感器 转速测量(德国、俄罗斯、国产) 采水器开关 触底开关 应用:永磁铁代替线圈; 换线速率:100 ch/s 激励时间:2 ms 释放时间:2 ms 接通电阻:20~50mΩ 断开电阻:500 MΩ 触头定额:10 mA,10V 寿命:>200 亿次动作 开关噪声:起始→275μv;4ms后→ 10μv (3)主要指标 半导体开关 因半导体开关体积小、重量轻、可靠性高、驱动动力小、速度快、没有触头等优点,

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  • 多通道采样常用模拟开关简介

    千次阅读 2022-03-12 20:38:33
    通常的做法是信号调理及ADC部分共用,采样则是多通道分时采样,这就涉及到采样切换开关,最常用与最方便的就是模拟开关模拟开关的英文名为Analog Switch,它可以通过逻辑信号方便实现模拟信号切换。说起模拟开关,...

    在设计测试设备时,通常会遇到一套测试设备需测试多个不同点的同类物理量。通常的做法是信号调理及ADC部分共用,采样则是多通道分时采样,这就涉及到采样切换开关,最常用与最方便的就是模拟开关,模拟开关的英文名为Analog Switch,它可以通过逻辑信号方便实现模拟信号切换。说起模拟开关,我们可能很容易想到CD4051,CD4052,CD4053等,是不是所有模拟开关都可以用于测试采样?答案是否定的。特别是对于被测信号为小的微弱直流信号时,如果用于多通道选择采样的模拟开关选择不当的话,根本检测不到被测信号,如果你对模拟开关不是很熟悉,此时,你最好干脆采用信号继电器来做多通道选择采样,不然你可能会面临意想不到的困难。但是,用信号继电器,又会面临切换速度慢的问题。信号继电器要完成通道切换,直到信号稳定,一般耗时不会小于25毫秒。下面介绍几款用于多通道选择采样的模拟开关。

    1. DG406 DG406是16选一模拟开关,它具有漏流小、导通阻抗小等特点可用于多通道采样。

    下面是MAXIM DG406的介绍:

    The DG406 is a 1 of 16 multiplexer/demultiplexer,operate with a +4.5V to +30V single
    supply and with ±4.5V to ±20V dual supplies. ESD pro-tection is guaranteed to be greater than 2000V perMethod 3015.7 of MIL-STD 883.

    Guaranteed Matching Between Channels, 8Ω Max.

    Guaranteed On-Resistance Flatness, 9Ω Max

    Guaranteed Low Charge Injection, 15pC Max

     Low On-Resistance 100Ω Max

     Input Leakage, 5nA Max at +85°C

    Low Power Consumption, 1.25mW Max

    Rail-to-Rail Signal Handling

    Digital Input Controls TTL/CMOS Compatible

    ESD Protection >2000V per Method 3015.7

    Applications

    Sample-and-Hold Circuits
    Test Equipment
    Guidance and Control Systems
    Communications Systems
    Data-Acquisition Systems
    Audio Signal Routing

    Pin脚定义如下:

     真值表如下:

     有多家厂商生产DG406,Pin脚定义及真值表完全相同,但电气参数不尽相同。如VISHAY的DG406,其导通电阻大概是MAXIM的一半(50Ω Max)。

    2. DG407  DG407的电气特性与DG406一致。不同的是,DG407是一个8选一差分模拟开关,可用来切换差分模拟信号, DG407的Pin脚定义如下:

     DG407的真值表如下:

     

     3. DG408/DG409 DG408是一款8选一的模拟开关,DG409是一款4选一的差分模拟开关。下面是Intersil的DG408/DG409介绍:

    The DG408 Single 8-Channel, and DG409 Differential 4-Channel monolithic CMOS analog multiplexers are drop-in replacements for the popular DG508A and DG509A series
    devices. They each include an array of eight analog switches, a TTL/CMOS compatible digital decode circuit for channel selection, a voltage reference for logic thresholds and an ENABLE input for device selection when several multiplexers are present.

    Features
    • ON Resistance (Max, 25 o C). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Ω
    • Low Power Consumption (P D ) . . . . . . . . . . . . . . . <11mW
    • Fast Switching Action
    - t TRANS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<250ns
    - t ON/OFF(EN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .<150ns
    • Low Charge Injection
    • Upgrade from DG508A/DG509A
    • TTL, CMOS Compatible
    • Single or Split Supply Operation
    Applications
    • Data Acquisition Systems
    • Audio Switching Systems
    • Automatic Testers
    • Hi-Rel Systems
    • Sample and Hold Circuits
    • Communication Systems
    • Analog Selector Switch

    DG408的Pin脚定义如下:

     DG409的Pin脚定义如下:

    DG408的真值表如下:

     DG409的真值表如下:

     4. ADG706/ADG707   ADG706是一款16选一模拟开关,ADG707是一款8选一差分模拟开关。ADG706/ADG707的Pin脚定义与DG406/DG407一致,但是封装存在差异,可能没法直接替代。

    ADG706/ADG707的Pin脚定义如下:

     

     ADG706/ADG707的真值表如下:

     个人觉得ADG706/ADG707更适合于多通道采样,下面是ADG706/ADG707的部分特点描述。

    FEATURES
    +1.8 V to +5.5 V Single Supply
    +/-2.5 V Dual Supply
    2.5 ON Resistance
    0.5 ON Resistance Flatness
    100 pA Leakage Currents
    40 ns Switching Times
    Single 16-to-1 Multiplexer ADG706
    Differential 8-to-1 Multiplexer ADG707
    28-Lead TSSOP Package
    Low-Power Consumption
    TTL/CMOS-Compatible Inputs
    APPLICATIONS
    Data Acquisition Systems
    Communication Systems
    Relay Replacement
    Audio and Video Switching
    Battery-Powered Systems

    5. ADG408/ADG409 ADG408是一款8选一的模拟开关,ADG409是一款4选一模拟开关。下面是ADG408/ADG409的部分特点描述:

    FEATURES
    44 V Supply Maximum Ratings
    V SS to V DD Analog Signal Range
    Low On Resistance (100 V max)
    Low Power (I SUPPLY < 75 mA)
    Fast Switching
    Break-Before-Make Switching Action
    Plug-in Replacement for DG408/DG409
    APPLICATIONS
    Audio and Video Routing
    Automatic Test Equipment
    Data Acquisition Systems
    Battery Powered Systems
    Sample and Hold Systems
    Communication Systems

    PRODUCT HIGHLIGHTS
    1. Extended Signal Range
    The ADG408/ADG409 are fabricated on an enhanced
    LC 2 MOS process giving an increased signal range that
    extends to the supply rails.
    2. Low Power Dissipation
    3 Low R ON
    4. Single Supply Operation
    For applications where the analog signal is unipolar, the
    ADG408/ADG409 can be operated from a single rail power
    supply. The parts are fully specified with a single +12 V
    power supply and will remain functional with single supplies
    as low as +5 V.

    DG408/DG409的Pin脚定义与DG408/DG409的Pin脚一致。DG408/DG409的Pin脚定义如下:

    DG408/DG409的真值表如下:

     6. SGM84782  SGM4782是一款4选一差分模拟开关,是一款本土企业产品。其部分特点描述如下:

    The SGM84782 is high-speed, low-voltage, low
    on-resistance, CMOS analog multiplexer/switch that
    configured as two 4-channel multiplexers. It operates
    from a single +1.8V to +4.2V power supply. Targeted
    applications include battery powered equipment that
    benefit from low R ON (4Ω) and fast switching speeds
    (t ON = 17ns, t OFF = 9ns).
    The SGM84782 can handle rail-to-rail analog signals
    and is available in Green TQFN-3×3-16L and
    TSSOP-16 packages.
    APPLICATIONS
    Communication Systems
    Cell Phones
    Portable Instrumentation
    Audio Signal Routing
    Audio and Video Switching
    Computer Peripherals
    Low-Voltage Data-Acquisition Systems

    FEATURES
      Voltage Operation: 1.8V to 4.2V
      Low On-Resistance: 4Ω (TYP) at 4.2V
      Low On-Resistance Flatness
      -3dB Bandwidth: 150MHz
      Fast Switching Times (+4.2V)
    t ON 17ns
    t OFF 9ns
      Low Crosstalk: -92dB at 10MHz
      Rail-to-Rail Input and Output Operation
      Typical Power Consumption (< 0.01μW)
      TTL/CMOS Compatible
      Break-Before-Make Switching
      -40 ℃ to +85 ℃ Operating Temperature Range
      Available in Green TQFN-3×3-16L and TSSOP-16
    Package

    SGM84782的Pin脚定义如下:

    SGM84782的真值表如下:

     

     

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    STM32控制CD74HC4067十六通道模拟开关

    CD74HC4067

    CD74HC4067 作用是选通一路对十六路模拟信号,更详细的说,根据芯片上 S0-S3 四个不同管脚的组合,让SIG管脚和C0-C15导通。因此,最常见的用法是用来测试模拟信号。比如,Arduino Uno上面只有6个模拟输入,用一个CD74HC4067可以多扩展出来16个,于是可以支持 6+16-1=21个模拟引脚。
    一开始原理图上没注意使能引脚接地的,默认是使能状态,换句话说,EN使能引脚是可以通过电平控制的(后面在做项目的时候由于默认低电平使能吃亏了)后面我会在具体说。(高电平断开 低电平使能)
    芯片手册概述如图所示
    在这里插入图片描述

    STM32控制原理和代码

    一开始默认使能状态,就直接通过S0-S3引脚的组合来控制C0-C15(16个通道的导通就可以了)

    具体的代码思路就是把四个使能的引脚写到一个数组当中,然后用一个二维数组模拟出16个通道的情况,在用循环把4个通道的情况写入。不多说,具体看代码。

    // 写入到函数当中,方便MAIN中调用
    void readMux1(int channel)
    {
    	int controlpin[4]={GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_14,GPIO_PIN_15}; //这里我使用的是PB12-PB14
    	int i;
    	int muxChannel[16][4]=
    	{
    
        {0,0,0,0}, //channel 0
    
        {1,0,0,0}, //channel 1
    
        {0,1,0,0}, //channel 2
    
        {1,1,0,0}, //channel 3
    
        {0,0,1,0}, //channel 4
    
        {1,0,1,0}, //channel 5
    
        {0,1,1,0}, //channel 6
    
        {1,1,1,0}, //channel 7
    
        {0,0,0,1}, //channel 8
    
        {1,0,0,1}, //channel 9
    
        {0,1,0,1}, //channel 10
    
        {1,1,0,1}, //channel 11
    
        {0,0,1,1}, //channel 12
    
        {1,0,1,1}, //channel 13
    
        {0,1,1,1}, //channel 14
    
        {1,1,1,1}  //channel 15
    
      };
    	
    	for(i = 0; i < 4; i ++)
    	{
    	   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,controlpin[i],muxChannel[channel][i]);
    	
    	}
    }
    
    // MAIN函数的调用
    int main()
    {
    		 for(j = 0; j < 16; j++)
    		{
    			  readMux(j); //调用需要配置的通道
                HAL_Delay(1);  //这里配置完一个通道需要进行延迟,不然通道会出现问题
            }
            return 0;
    }
    
    

    出现的问题以及解决方法

    因为项目的需要,需要两个模拟开关对32个通道进行循环开启,所以直接就把两个模拟开关打在同一个板子上面,并且两个使能引脚同时接地,以为没有问题,结果程序写好之后,发现两个芯片会产生干扰,一个模拟开关的通道会影响另一个模拟开关的所有通道。最后找了半天问题发现两个开关不能同时使能工作。解决方法就是把两个开关的使能引脚接入MCU,通过MCU来进行使能。
    解决了两个通道相互影响的问题。大概代码如下。

    	PB11_ENABLE;  
        PB10_DISABLE;//防止对另一个通道造成影响
        HAL_Delay(1); //突变的原因是因为使能之后不能立刻读取数据,需要延迟一下
       	for(k=0;k<16;k++)
       	{
       	    readMux1(k);  //控制通断
            HAL_Delay(1);
        }
       PB10_ENABLE;
       PB11_DISABLE;
       HAL_Delay(1);
    		
      for(j = 0; j < 16; j++)
    	{
            readMux1(j);  //控制通断
            HAL_Delay(1);
        }
    

    第一次写博客,简单的记录一下。工程都是HAL库配置的
    参考链接:http://www.lab-z.com/cd74hc4067/

    展开全文
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    问:ADI公司不给出ADG系列模拟开关和多路转换器的带宽,这是为什么?

    答:ADG系列模拟开关和多路转换器的输入带宽虽然高达数百兆赫,但是其带宽指标本身不是很有意义的。因为在高频情况下,关断隔离(offisolation)和关扰指标都明显变坏。例如,在1MHz情况下,开关的关断隔离典型值为70dB,串扰典型值为-85dB。由于这两项指标都按20dB/+倍频下降,所以在10MHz时,关断隔离降为50dB,串扰增加为-65dB;在100MHz时,关断隔离降为30dB,而串扰增加为-45dB。所以,仅仅考虑带宽是不够的,必须考虑在所要求的高频工作条件下这两项指标下降是否能满足应用的要求。(关断隔离是指当开关断开时,对耦合无用信号的一种度量——译者注。)

    问:哪种模拟开关和多路转换器在电源电压低于产品说明中的规定值情况下仍能正

    常工作?

    答:ADG系列全部模开关和多路转换器在电源电压降到+5V或±5V情况下都能正常工作。受电源电压影响的技术指标有响应时间、导通电阻、电源电流和漏电流。降低电源电压会降低电源电流和漏电流。例如,在125°C,±15V时,ADG411关断状态源极漏电流IS(OFF)和漏极漏电流ID(OFF)都为±20nA,导通状态漏极漏电流ID(ON)为±40nA;在同样温度下,当电源电压降为±5V,IS(OFF)和ID(OFF)降为±25nA,ID(ON)降为±5nA。在+125°C,±15V时,电源电流I DD ,I SS 和IL最大为5μA;在±5V时,电源电流,最大值降为1μA。导通电阻和响应时间随电源电压降低而增加。图1和图2分别示出了ADG408的导通电阻和响应时间随电源电压变化的关系曲线。

    图1 导通电阻与电源

    电压的关系曲线

    问:有些ADG系列模拟开关是用DI工艺制造的,DI是怎么回事?

    答:DI是英文Dielectric Isolation介质隔离的缩写,按照DI工艺要求,每

    个CMOS开关的NMOS管和PMOS管之间都有一层绝缘层(沟道)。这样可以消除普通的模拟开关之间的寄生PN结,所以可以制造出完全防闩锁的开关。在采用PN结隔离(不是沟道)工艺中,

    图2 响应时间与电源电压的关系曲线

    图3 DI工艺结构示意

    PMOS和NMOS管中的N沟道和P沟道构成一种反向偏置正常工作的二极管,当模拟输入信号超过电源电压时,开关处于过压或断电状态,二极管正向偏置,构成双晶体管组成的类似可控硅(SCR)电路。由于它对此电流剧烈地放大,最终导致闩锁。然而,采用DI工艺制造的CMOS开关不会产生这种二极管效应,因此使器件防闩锁。

    问:带故障保护的多路开关或通道保护器是如何工作的?

    答:带故障保护的多路开关的一个通道或通道保护器是由两个NMOS管和两个PMOS管组成的。其中一个PMOS管不放在直接信号路经上,通常将另一个PMOS管的源极接到它的衬底(背栅极)。这样可以起到降低阈值电压的作用,从而可增加正常工作条件下输入信号的范围。基于同样理由,将一个NMOS管的源极和另一个管子的背栅极相连。正常工作期间,带故障保护的多路转换器和普通器件一样工作。当输入通道出现故障时,这意味着输入信号超过由电源电压决定的阈值电压。阈值电压与电源电压的关系如下:

    对于正过压情况,阈值电压由(V DD -V TN )决定。其中V TN 为NMOS管的阈值电压(典型值15V);对于负过压情况,阈值电压由(V SS -V TP )决定。其中VTP 为PMOS管的阈值电压(典型值2V)。当输入电压超过上述阈值电压而且通道未加负载时,通道输出电压可箝住到阈值电压。

    问:当出现过压时,上述多路转换器如何工作?

    答:图4和图5示出了信号路经晶体管在过压条件下的工作情况。图4示出了当正过压信号加到通道时,NMOS,PMOS和NMOS三个管子串联工作的情况。当第一个NMOS管的漏极电压超过(V DD -V TN )时,它进入饱和工作状态。它的源极电位等于(V DD-V TN ),而其它两个MOS管则处于非饱和工作状态。

    图4 正过压施加在通道上的工作情况

    图5 负过压施加在通道上的工作情况

    当负过压施加通道上漏极电压超过阈值(V SS -V TP )时,PMOS管进入饱和工作方式。像正过压情况一样,其它两个MOS管都处于非饱和状态。

    问:负载如何影响箝位电压?

    答:当通道加负载时,其输出电压箝位在两个阈值电压之间。例如,负载为1kΩ,V DD =+15,在正过压情况下,输出电压箝位在(V DD -V TN -ΔV),其中ΔV为通道上两个非饱和MOS管上产生的电压降IR。这个例子说明被箝位的NMOS管的输出电压低于135V。因为其余两个MOS管的导通电阻通常为100Ω,所以流过的电流为135V/(1kΩ+100Ω)=1227mA,在这两个管子(NMOS和PMOS)上产生的电压降为12V,从而使箝位电压VCLAMP 为123V。因此出现故障期间的输出电流由负载决定,即V CLAMP /RL。

    图6 箝位电压的确定

    问:当电源断电时,带故障保护的多路转换开关和通道保护器还有保护作用吗?

    答:有。当电源电压降低或突然断电时,这种器件仍然有故障保护功能。

    当V DD 和V SS 等于0V时,如图7所示,管子处于断电状态,此时电流小到亚纳安

    级。

    问:什么是“电荷注入”?

    答:模拟开关和多路转换器中出现的电荷注入是指

    图7 电源断电状态

    与构成模拟开关的NMOS和PMOS管相伴的杂散电容引起的一种电荷变化。模拟开关的结构模型以及与其相伴的杂散电容如图8和9所示。模拟开关基本上由一个

    NMOS管和一个PMOS管并联而成。对于双极性输入信号,这种结构产生一个“浴盆”形电阻,其等效电路图示出了由电荷注入效应引起的主要寄生电容C GDN (NMOS管栅漏电容)和G GDP (PMOS管栅漏电容)。伴随PMOS管产生的栅漏电容大约是NMOS管产生的栅漏电容的2倍,因为这两种管子具有相同的导通电阻,PMOS管的面积大约是NMOS管的2倍。因此对于从市场上得到的典型模拟开关来说,伴随PMOS管产生的杂散电容大约是NMOS管的2倍。

    图8 由寄生电容表现出的CMOS模拟开关电路结构

    图9 由电荷注入效应引起的主要寄生电容表现出的等效电路

    当开关导通时,正电压加到NMOS管的栅极,而负电压加到PMOS管的栅极。因为寄生电容C

    GDN 和C GDP 失配,所以注入到漏极的正电荷和负电荷的数量不相等,这样就造成模拟开关输出端的电荷迁移,呈现出负向电压的尖脉冲。因为模拟开关现在处于导通状态,所以负电荷通过模拟开关的导通电阻(100Ω)很快地放电掉。在第5μs处的仿真的曲线可以说明这一点(见图10和11)。当开关断开时,负电压加到NMOS管的栅极,而正电压加到PMOS管的栅极。

    从而使充电电荷加到模拟开关的输出端。因为模拟开关现在处于断开状态,所以对这种注

    入正电荷的放电路经是一种高阻状态(100MΩ)。这样使开关在下次导通之前负载电容一直

    存贮这个电荷。这种仿真曲线清楚地说明,CL上带的电压(由于电荷注入)在第25μs再次

    导通之前一直保持170mV。在这一点又将等量的负电荷注入到输出端,从而使CL上的电压

    降到0V。在第35μs此模拟开关再次导通,上述过程以这种周期方式连续进行。

    图10 用于图11仿真输出曲线的时序图

    图11 100kHz模拟开关电荷注入效应仿真输出曲线

    当开关频率和负载电阻降低时,由于模拟开关在下次切换之前才能把注入电荷泄漏掉

    ,所以开关输出包含正向尖峰和负向尖峰,如图12所示。

    图12 在开关频率和负载电阻很低情况下模拟开关输出曲线

    问:如何改善模拟开关的电荷注入作用?

    答:如上所述,电荷注入效应是由于NMOS管和PMOS管的寄生栅漏电容的失配造成的。如果使寄生栅漏电容匹配,那么就几乎不会有电荷注入效应。ADI公司的CMOS模拟开关和多路转换器都能够很精密地做到这一点。通过在NMOS管的栅极和漏极之间引入一个虚拟电容(C DUMMY )的方法来解决它们之间的匹配问题,如图13所示。遗憾的是,只有在规定的条件下才能实现寄生电容的匹配,即PMOS管和NMOS管的源极电压都必须为0V。这样做是因为寄生电容C GDN 和C GDP 不恒定,而是随其源极电压变化而变化的。当NMOS和PMOS管

    图13 在V

    SOURCE =0V条件下,实现寄生电容的匹配

    的源极电压变化时,其通道深度变化,从而使C GDN 和C GDP 跟着变化。因此电荷注入效应在V SOURCE =0V时的匹配情况,对于V SOURCE 为其它值时提供参考。注:在匹配条件下,即V SOURCE =0V,模拟开关的产品说明中通常给出电荷注入值。在这种情况下,大多数模拟开关的电荷注入值一般都非常好,最大2~3pC,但对于V SOURCE 等于其它值,电荷注入值将增加,增加程度依具体器件而定。许多产品说明都给出电荷注入值与源极电压V SOURCE 关系曲线。

    问:在应用中,我如何减小电荷注入效应?

    答:由于一定量的电荷注入引起的电荷注入效应在模拟开关的输出端产生一种电压毛刺。尖峰幅度是模拟开关输出的负载电容以及开关的导通时间和关断时间的函数,负载电容越大,输出电压毛刺越小,即Q=C×V或V=Q/C,其中Q恒定。当然,增加负载电容不是总能做到的,因为它会减少通道的带宽。但是对于音频应用来说,增加负载电容是减少那些无用的“劈拍”和“卡搭”声的有效方法。选择导通时间和关断时间短的模拟开关也是减小输出端尖峰幅度有效方法。因为在较长的时间范围内注入相同数量的电荷,从而使电漏泄时间变长,因此使毛刺变宽,而幅度降低。有些音频模拟开关,例如SSM2401/SSM2412(其导通时间规定为10ms)采用上述方法是非常有效的。还值得指出的是,电荷注入效应与模拟开关的导通电阻密切相关。通常导通电阻R ON 越低,电荷注入作用越坏。其原因显然与导通电阻的几何尺寸有关,因为增加加NMOS和PMOS管的面积会降低R ON ,而增大C GDN 和C GDP 。因此适当选择R ON 来降低电荷注入效应的方法,对于许多应用也是一种选择。

    问:如何评估模拟开关和多路转换器的电荷注入作用?

    答:评估模拟开关和多路转换器电荷注入作用的最有效方法如图14(左)所示。用相当高的工作频率(>10kHz)控制开关的导通和断开,在(高阻探头)示波器的输出端观察输出波形,测得的类似曲线如图14(右)所示。注入到负载电容的电荷注入量按公式ΔVOUT ×CL计算,其中ΔV OUT 是输出脉冲幅度。

    图14 电荷注入作用的评估方法

    关键字:转换器

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