2.3 模拟开关

一、概述（模拟开关的定义）二、模拟开关的主要参数三、模拟开关的分类和集成模拟开关AD7510、CD4051、LF13508四、模拟开关的通道扩展二种方法§2.3模拟开关一、概述模拟量输入通道主要由采样单元、采样保持器、数据放大器、A/D转换器和控制电路等部分组成。采样单元也称为多路转换器或多路切换开关，它的作用是把已变成统一电压信号的测量信号按顺序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。采样单元一般由开关矩阵及其逻辑控制电路组成。逻辑控制电路是在软件或通道控制电路的控制下，保证以一定的速度和所要求的次序一个一个的选择被测模拟信号的输入。开关矩阵是由模拟开关的开关构成的。模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信号接通或断开的元件或电路。该开关由开关元件和控制（驱动）电路两部分组成。对模拟开关的要求是：接通时，接触电阻小，以减少开关压降，精密传送信号；断开时，截止电阻极大，可靠的断开与其它电路的联接；动作速度快，驱动功率小，使用寿命长。二、模拟开关的主要参数1、通道数量2、泄漏电流IS3、导通电阻RON4、导通电阻的平坦度△RON5、切换速度6、电源电压范围1、模拟开关的分类机械触点式开关：如干簧继电器，水银继电器。特点：导通电阻小，开路电阻大，但响应速度比较慢。而且使用的触点不易清洗，易有误动作。电子式开关：根据其结构可分为晶体管开关、CMOS场效应晶体管、集成电路开关。特点：开关速度快，使用寿命长，无机械磨损，接触电阻低（100Ω）,断开阻抗高（达109Ω以上）等优点。三、模拟开关的分类和集成模拟开关为了满足不同的需要，现已开发出各种各样的集成模拟开关。一般选择集成模拟开关首先考虑路数，常用的集成模拟开关有4选1，双4选1，8选1，双8选1，16选1，32选1等多种。如CD4051双向单8选1，AD7501单向单8选1；LF13508单端8选1。重点介绍三种集成模拟开关：AD7510、CD4051、LF13508。2、集成模拟开关芯片（1）AD7510（内部结构中无译码器）导通电阻：75Ω；泄漏电流：500pA；±17V供电（2）CD4051（内部结构中有译码器）CD4051是8选1模拟开关，主要由8路CMOS开关、译码电路和电平转换电路三部分组成。A0、A1、A2为二进制输入端，从000～111变化，改变A0、A1、A2的数值，可译出8种状态，并选中其中的一个通道，使输入与输出接通。INH：允许输入端，INH＝1时断开；INH＝0接通VCC=+5V~+15V,输入电压UIN＝0～VCC，VEE接负电源时，正负模拟电压可通过。接触电阻小，一般小于80Ω。CMOS传输门图1CMOS传输门(a)电路结构；(b)逻辑符号CCV2V1UI/UOUO/UIUDD(a)TGUI/UOUO/UICC(b)图2CMOS传输门中两个MOS管的工作状态CCUIUOUDDRLUOUICD1S1RLV1UOUIRLV2S2D2C当在控制端C加0V，在C端加UDD时，只要输入信号的变化范围不超出0~UDD，则V1和V2同时截止，输入与输出之间呈高阻态(＞109Ω)，传输门截止。反之，若C=UDD，C=0V，而且在RL远大于V1、V2的导通电阻的情况下，则当0＜UI＜UDD-UTN时V1将导通，而当|UTP|＜UI＜UDD时V2导通。因此，UI在0~UDD之间变化时，V1和V2至少有一个是导通的，使UI与UO两端之间呈低阻态(小于1kΩ)，传输门导通。由于V1、V2管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互换使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可以互易使用。传输门的一个重要用途是作模拟开关，它可以用来传输连续变化的模拟电压信号。模拟开关的基本电路由CMOS传输门和一个CMOS反相器组成，如图3所示。当C=1时，开关接通，C=0时，开关断开，因此只要一个控制电压即可工作。和CMOS传输门一样，模拟开关也是双向器件。图3CMOS(a)电路结构；(b)逻辑符号UI/UOUO/UISWUI/UOUO/UIC(b)TG1C(a)（3）LF13508（内部结构中有译码器）单端8通道多路开关3、常用模拟开关的主要性能和指标CD4051为8路模拟开关，如果使用的通道数超过8个，就需要进行扩展。扩展的方法有二种：方法1：将n片CD4051加以组合，用门电路组成地址译码器，产生n个选址信号（相当于片选信号，低电平有效），分别接各片CD4051的禁止端，即可扩展为8n个。四、模拟开关的通道扩展例1：用CD4051实现32路选1电路逻辑关系参见下表方法2：将n片CD4051加以组合，采用集成的地址译码器产生n个选址信号。例2：用两个8选1开关CD4051实现16选1工作过程：16选1需要4位二进制地址输入，即A0、A1、A2、A3。现将高位地址A3作为芯片片选信号，控制CD4051的使能端INH。当A3=0时，芯片U2被选中，芯片U1被禁止，控制器74HC193发出8个地址为0000、0001、0010、……、0111，低3位地址码依次选择芯片U2的8个通道。当A3=1时，芯片U1被选中，芯片U2被禁止，控制器74HC193发出8个地址为0000、0001、0010、……、0111，低3位地址码依次选择芯片U1的8个通道，这样就实现了16选1。4位二进制同步加/减计数器TCD：借位输出端（低电平有效）；TCU：进位输出端（低电平有效）；PL：预置数据控制端（低电平有效）；P0-P3：预置数据输入端；QAQBQCQD：计数输出端；MR:清零端；CU：加计数时钟输入端；CD：减计数时钟输入端；d0d1d2d3：P0-P3的稳态输入电平；H：高电平；L：低电平；×：任意电平；↑：低到高电平跳变HC193具有异步清零功能，当清除端MR为高电平时，不管计数时钟（CU、CD）状态如何，所有计数输出（QAQBQCQD）均为低电平。HC193的预置功能也是异步的，但预置数据控制端PL为低电平时，QAQBQCQD将随数据输入（P0P1P2P3）一起变化，同步计数方式消除了异步计数器常有的输出计数尖峰。计数方向由计数时钟确定。当计数上溢（为15）并且CU为低电平时，进位输出TCU产生一个低电平脉冲。当计数下溢（为0）并且CD为低电平时，借位输出TCD产生一个低电平脉冲。谢谢！