CD4501集成多路模拟开关的应用技巧

CD4501集成多路模拟开关的应用技巧 集成多路模拟开关的应用技巧 从应用的角度出发,研究了集成多路模拟开关的应用技巧,并结合实例进行了讨论。这些应用技巧具有较强的针对性和可操作性,对集成多路模拟开关的正确选择与合理使用具有指导意义。 关键词:集成多路模拟开关 传输精度 传输速度 集成多路模拟开关(以下简称多路开关)是自动数据采集、程控增益放大等重要技术领域的常用器件,其实际使用性能的优劣对系统的严谨和可靠性重要影响。关于多路开关的应用技术,些文献上介绍有两点不足:一是对器件自身介绍较多,而对器件与相关电路的合理搭配与协调介绍较少;二是原则性的东西介绍较多,而操作性的东西介绍较少。研究表明:只有正确选择多路开关的种类,注意多路开关与相关电路的合理搭配与协调,保证各电路单元有合适的工作状态,才能充分发挥多路开关的性能,甚至弥补某性能指标的欠缺,收到预期的效果。本文从应用的角度出发,研究多路开关的应用技巧。目前市场上的多路开关以CMOS电路为主,故以下的讨论除特别说明外,均针对这类产品。 1 “先断后通”与“先通后断”的选择 目前市场上的多路开关的通断切换方式大多为“先断后通”(Break-Before-Make)。 在自动数据采集中,应选用“先断后通”的多路开关。否则,就会发生两个通道短接的现象,严重时会损坏信号源或多路开关自身。 然而,在程控增益放大器中,若用多路开关来改变集成运算放大器的反馈电阻,以改变放大器的增,就不宜选用“先断后通”的多路开关。否则,放大器就会出现开环状态。放大器的开环增益极益 高,易破坏电路的正常工作,甚至损坏元器件,一般应予避免。 2 选择合适的传输信号输入方式 传输信号一般有单端输入和差动输入两种方式,分别适用于不同的场合。 单端输入方式如图1所示,即把所有信号源一端接同一信号地,信号地与ADC等的模拟地相接,各信号源的另一端分别接多路开关。图中Vs为传输信号,Vc为系统中的共模干扰信号。 图1(a)接法的优点是无需减少一半通道数,也可保证系统的共模抑制能力;缺点是仅适用于所有传输信号均参考一个公共电位,且各信号源均置于同样的噪声环境下,否则会引入附加的差模干扰。 1 图1(b)接法适用于所有传输信号相对于系统模拟公共地的测量,且信号电平明显大于系统中的共模干扰。其优点是可得到最多的通道数,缺点是系统基本失去了共模抑制能力。 差动输入方式如图2所示,即把所有信号源的两端分别接至多路开关的输入端。其优点是抗共模干扰的能力强,缺点是实际通道数只有单端输入方式的一半。当传输信号的信噪比较低时,必须使用差动输入方式。 3 减小导通电阻的影响 多路开关的导通电阻RON(一般为数10Ω至1kΩ左右)比机械开关的接触电阻(一般为mΩ量级)大得多,对自动数据采集的信号传输精度或程控制增益放大的增益影响较明显,而且RON通道随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化,因而其影响难以进行后期修正。实践中一般是设法减小RON来降低其影响。 以CD4051为例,测试发现[1]:CD4051的RON随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。当VDD=5V、VEE=0V时,RON=280Ω,且随V1的变化突变;当VDD>10V、VEE=0V时,RON=100Ω,且随V1的变化缓变。可见,适当提高CD4051的VDD有利于减小RON的影响。必须注意:提高VDD的同时,应相应提高选通控制端A、B、C的输入逻辑电平。例如:取VDD=12V(VEE=0V),可采用电源电压 使选通控制端信号的有效高电平不低于6V。这上拉箝位的方法,上拉电阻的阻值取1.5kΩ以上, 样,既保证CD4051理想导通(RON小,又实现了CMOS电平与TTL电平的转换(μP一般为TTL电平)。 可见,根据具体情况,适当提高多路开关的电源电压,是降低其RON影响的一种有效措施。此外,适当提高电源电压,还可以同时减小导通电阻路差ΔRON和加快开关速度。 4 消除抖动引起的误差 和机械开关类似,多路开关在通道切换时也存在抖动过程,会出现瞬变现象。若此时采集多路开关的输出信号,就可能引入很大的误差。例如[2]:某计算机自动数据采集与处理系统采集三个模拟量:水泵转速、流量、压力。三个模拟量对应的TTL电平分别为:1.5454V,1.5698V、2.9394V。采集系统从通道1、2、3分别对这三个模拟量连续采集10次,采集结果位于1.8554,1.8603、1.5625,1.5673、1.62207,1.62695之间,其中1、3、通道的误差很大。研究发现,这种误差是由于系统在多路开关通断切换未稳定下来就采集数据造成的。 2 消除抖动的常用方法有两种:一是用硬件电路来实现(硬件方法),即用RC滤波器除抖动;另一种是用软件延时的方法来解决(软件方法)。在有μP的系统中,软件方法较硬件方法更显优势。如上例中,只要在原QuickBASIC数据采集程序加入一循环语句来适当延时,则采集结果位于1.5454,1.5478、1.5698,1.5722、2.9394,2.9418之间,采集精度明显提高,采集结果正常。 5 提高切换速度 多路开关的切换速度与其自身的结构、工作条件以及外电路的情况都有关系。在实践中应注意以下几点: 所有的多路开关的平均传输延迟时间tpd均随VDD的升高而减小。以CD4051为例[3],当VDD=5V时,tpd=720ns;当VDD=10V时,tpd=320ns;当VDD=15V时,tpd=240ns。可见,适当提高多路开关的电源电压,可加快其开关速度。 传输信号的信号源内阻Rs对多路开关的切换时间有重要影响。分析表明:在其它条件不变的情况下,切换时间近似与Rs成正比,即Rs越小,开关的动作就越快。所以,对高内阻的信号源(一些传感器就是如此),宜用阻抗变换器(如电阻跟随器),将阻抗变低后再接入多路开关。此外,减小Rs还可同时减小多路开关的关断漏电流造成的误差。 当系统需要的信号通道数较多时,宜采用图3所示的两级联接方式。在图3 中,假设系统共需要32个信号通道,将这32个通道分成4组,各组分别接至4个 二级开关,信号由二级开关输出。设每个开关的输出电容为C0,则输出总电容由32Co至大约12Co,电路的时间常数减小,开关速度提高。此外,这种联接方式还可以使多路开关的总关断漏电流由31Iz降至大约10Iz(设每个开关的关断漏电流为Iz),从而减小关断漏电流造成的误差。对上述两种作用,通道数越多效果越显著。当然,这种联接方式需要的开关数相对多些,选通控制也相对复杂些,因而主要用于信号通道数较多的场合。 目前市场上的多路开关以RCA、AD、SILICONIX、MOTOROLA、MAXIN等公司的产品多见,种类繁多,性能、价格差异较大(详见有关公司的相关产品数据手册)。选择和使用多路开关时,考虑的重点是满足系统对信号传输精度和传输速度的要求,同时还必须注意以下两点: 3 第一,全面了解多路开关的特性,否则可能出现难以预料的问题。例如:CMOS多路开关在电源切断时是断开的,而结型FET多路开关在电源切断时是接通的。若未注意到这一点,就可能因电源的通断而损坏有关芯片。 第二,多路开关只有与相关电路合理搭配,协调工作,才能充分发挥其性能,甚至弥补某些性能的欠缺。否则,片面追求多路开关的高性能,忽略与相关电路的搭配与协调,不但会造成成本与性能指标的浪费,而且往往收不到预期的效果。 此外,受芯片种类或应用场合的限制,在实践中往往有多余的通道。由于多路开关的内部电路相互联系,所以多余的通道可能产生干扰信号,必要时应作适当处理。例如[4]:测试多路开关CC4097和CC4067时发现,所有多余通道的输入端都必须接地,否则将产生干扰信号。 近年来，便携式产品越来越多地采用多源设计，因此开关功能是视频、音频传输及处理过程中的一个重要组成部分。早期采用的机械开关具有可靠性低、体积大、功耗大的缺点，所以模拟开关已经引起了越来越多人的重视，并已被广泛应用于各种电子产品中。 尽管模拟开关具有机械开关不可取代的优势，然而它的应用较机械开关稍微复杂些，初次使用模拟开关的工程人员往往会由于模拟开关使用不当，引起整个系统的故障。本文通过将模拟开关与普通机械开关作比较，论述了模拟开关的若干基本概念，并结合实例对模拟开关应用的关键技术进行研究。 模拟开关的模拟特性 许多工程师第一次使用模拟开关，往往会把模拟开关完全等同于机械开关。其实模拟开关虽然具备开关性，但和机械开关有所不同，它本身还具有半导体特性: 1. 导通电阻(R)随输入信号(V)变化而变化 onIN 图1a是模拟开关的简单示意图，由图中可以看出模拟开关的常开常闭通道实际上是由两个对偶的N沟道MOSFET与P沟道MOSFET构成，可使信号双向传输，如果将不同V值所对应的P沟道INMOSFET与N沟道MOSFET的导通电阻并联，可得到图1b并联结构下R随输入电压(V)的变化关onIN系，如果不考虑温度、电源电压的影响，R随V呈线性关系，将导致插入损耗的变化，使模拟onin 开关产生总谐波失真(THD)。此外，R也受电源电压的影响，通常随着电源电压的上升而减小。 on 图1:a. 模拟开关原理图;b. 模拟开关导通电阻与输入电压关系 2. 模拟开关输入有严格的输入信号范围 4 由于模拟开关是半导体器件，当输入信号过低(低于零电势)或者过高(高于电源电压)时，MOSFET处于反向偏置，当电压达到某一值时(超出限值0.3V)，此时开关无法正常工作，严重者甚至损坏。因此模拟开关在应用中，一定要注意输入信号不要超出规定的范围。 3. 注入电荷 应用机械开关我们当然希望R越低越好，因为低阻可以降低信号的损耗。然而对于模拟开关而on 言，低R并非适用于所有的应用，较低的R需要占据较大的芯片面积，从而产生较大的输入电onon 容，在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流。时间常数t=RC，充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，一般持续几十纳秒。这说明低R具有更长的导通和关断时间。为此，选on 择模拟开关应该综合权衡R和注入电荷。 on 4. 开关断开时仍会有感应信号漏出 这一特性指的是当模拟开关传输交流信号时，在断开情况下，仍然会有一部分信号通过感应由输入端传到输出端，或者由一个通道传到另一个通道。通常信号的频率越高，信号泄漏的程度越严重。 5. 传输电流比较小 模拟开关不同于机械开关，它通常只能传输小电流，目前CMOS工艺的模拟开关允许连续传输的电流大多小于500mA。 6. 逻辑控制端驱动电流极小 机械开关逻辑控制端的驱动电流往往都是毫安级，有时单纯靠数字I/O很难驱动。而模拟开关的逻辑控制端驱动电流极小，一般低于纳安级。因此，它完全可以由数字I/O直接驱动，从而达到降低功耗、简化电路的目的。 模拟开关的开关特性 既然称之为模拟开关，自然它还具有开关性，具体表现如下: 1. 信号可双向传输 有些人习惯于把模拟开关的两个常开常闭端称之为输入端，公共端称之为输出端，其实这只是根据模拟开关的具体应用给予的临时定义。模拟开关大多可以使信号双向传输，如果忽略这一点，就很容易使电路生成问题，比如将电压反向偏置、电流倒灌等。 2. 开关断开后漏电流极小 模拟开关在断开(OFF)时会呈现高阻状态，两传输端间的漏电流极小，一般只有纳安级以下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模拟开关，其断开后的漏电流均为1nA。这么微弱的电流在应用中可忽略不计，模拟开关此时可被认为是理想断开的。 5 总之，模拟开关是具有开关功能的半导体器件，在应用过程中既要充分利用它的开关功能，又要考虑它的半导体特性，否则可能会出现意想不到的麻烦。 模拟开关应用实例分析 图2是一音响设备前端放大及信号选通部分电路，其中选用了SGM324(四通道运算放大器)和SGM3002(双通道模拟开关)。 图2:音响前端放大及信号选通电路 该 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计本意是当Input=0时，Line_outL和Line_outR音频信号选通;当Input=1时，Phone_outL和 Phone_outR音频信号选通。然而当实验机做出后，设计者发现当Input=1时，Line_outL和Line_outR通道有相当一部分信号分别漏到D1和D2端。应用网络分析仪HP/Agilent 3589A测试SGM3002的关断隔离度，当输入信号为10kHz时，SGM3002的关断隔离度仅为-120dB，因此芯片应该没有问题。 事实上，该电路在模拟开关应用上存在下面两处错误: 1. 模拟开关的输入信号缺少一个直流偏置 图2中模拟开关部分电路可以等效成图3，本文第一部分曾经提到模拟开关输入信号输入不能为负。 图3:模拟开关等效电路 6 通常来讲，CMOS工艺的模拟开关输入信号最小只能到-0.3V，如果再低于这个值，芯片将不能正常工作，甚至会损坏。图2中模拟开关输入信号没有直流偏置，所以输入信号有一部分处于负值区，模拟开关自然无法正常工作。 解决办法:将电容C2、C3均去掉，模拟开关输入信号便有了1/2VDC的直流偏置信号，此时模拟开关便可以轨到轨工作。此外，由于模拟开关公共端后面加了电容，所以直流信号依然可以被有效地隔离。 2. 在D1和D2端缺少耦合电阻 当模拟开关在断开的情况下，其输入与输出端等效串联了一个电容C，如果再假设在模拟开关输出端到地之间有一个等效电阻R，则模拟开关在断开时的等效电路如图4所示。 图4:模拟开关断开时的等效电路 此时的模拟开关其实等效为一个RC滤波电路，由此不难得出以下公式: 其中，u为模拟开关输出信号;u为模拟开关输入信号;R为模拟开关输出端电阻负载;C为模outin 拟开关断开时等效电容;f为输入信号频率。 由于模拟开关等效电容C会设计成很小，所以当输入信号f处于音频区时，增益A由R和f同时决定。当R取值较小时，f起主导作用，此时 A<<1，信号被有效隔离。当R取值较大时，此时R起主导作用，此时A—>1，信号几乎被完全泄漏过来。所以当输出端悬空时，其输出端与地之间电阻R—>+?，此时模拟开关完全导通。 修正以上两个错误后，该音频应用电路便可以正常工作了。由以上实例可以看出，充分理解模拟开关的基本概念是正确应用模拟开关的基础。 参考文献 1. 魏智:《CMOS模拟开关的选择与典型应用》Maxim公司，2004 2. Graham Ls Connolly:《在超便携应用中模拟开关的关键设计参数》飞兆半导体公司，2004 7 问:选择模拟开关主要需注意哪些参数, 答:模拟开关要根据不同的应用选择不同的参数，如果是应用在高频操作的状态下，导通阻抗和频宽，电容都比较重要，但是对一些小信号低电压的操作，电路通道的损耗还有电荷注入，泄露电流引起信号损耗和开关噪音这些都是比较重要的因素，所以还是要根据不同的情况做不同的选择。 问:模拟开光的泄漏电流和导通电阻是不是一对矛盾的量,能不能同时都做得很小, 答:模拟开关的泄漏电流和导通阻抗不是一对矛盾的量，模拟开关的导通阻抗和它的频宽相应的来说是对立的矛盾，正常来说，模拟开关的泄露电流是比较小的，都是在pA级的，对新的工艺来说，可以将导通电流和平宽同时进行优化，导通电阻降下来，负载的效率会有一定的提高，频带拓宽在高速传输应用。 问:高频操作，在结构上如何选择模拟开关, 答:高频信号的传输与模拟开关的动态电路和静态参数的优化，还与模拟开关的脚位，一些电源电路的线路的布局有关系，比如说在数据口的D+和D-，一般建议大家进行平行输出，不要有一些相互的交差。相反的，在其它有干扰的信号进来的时候，尽量不要和数据口作平行，这样会有一些耦合，然后在一些电源信号影响比较大的时候，建议和PCB的数据线做一个将近似90度直角，好处是可以保持信号的纯净。另外，就是电源的GND和信号线做适当屏蔽，这对高频的信号会有更好的传输。谢谢～ 问:模拟开关V+，是否要处于常开(ON)状态，对于直接电源供电。那如果电源拿开时还有信号加上，会发生什么状况,几种主要封装如QFN,CSP和miniQFN在跑SMT时有何特别要求不同, 答:模拟开关V+一般建议是常开的状态，因为信号在加进来的时候，我们需要电源保持常开，信号可以比较适当的去传输，电源关掉的时候，有可输入的信号直接串到输出端，这是一个不好的现象。实际在工作的时候，信号会超过半导体的一个阀值，比如说信号超过400个毫伏，它的模拟开关是有一个P,CH或N,CH的MOS管去并联的，当超过这个阀值时，它的信号会自然而然的传到输出端，所以我们建议电源是处在一个常开的状态。另外， VISHAY 在在这方面有一些新的模拟开关，欢迎垂询。CSP的引脚是一个锡球，一般就是锡球的推力强度会稍微大一点，我们已经超过工业的标准250克，我们的推力已经达到350克以上，这是我们理解的一个强势，MiniQFN是一个比较标准的引脚，它的封装的特性和我们之前的QFN是比较有相似的，跑SMT的时候，我们没有特别的要求。 问:新型模拟开关是如何解决接通瞬间的噪声, 答:模拟开关在开的过程中的噪音和应用电路有关，关键是看在哪一方面的应用。造成噪音主要有两方面的原因，一个是外部的信号源，这种状况常常发生在音频方面，我们会看到这些方面的事情，模拟开关因为是新MOS的制程，它有个指标是charge injection，在开关的瞬间，这个指标从开到关的过程中，有一个电荷会瞬间被down在负载面，从硬件来看，如果是音频的话，用Switch的方式来做，那个主要是解决DC偏执的不同，另外在选择模拟开关的时候，应该选择charge injection的比较小的模拟开关，长期以来一直使用一种新的设计就是对charge injection进行一个补偿的设置，N和P并在一起时，差不多是A的2.8倍，两边同时关的时候， 8 电容不一样，会造成噪声，所以常常会对A进行一个电容的补偿来平衡两边的电荷，减少对噪音的影响。 问:模拟开关在应用中，会出现注入电荷的问题，如何尽可能的减少其对输入信号的影响, 答:注入电荷的影响就是我们常说的charge injection的影响，如果控制不好，会引起很大的开关噪音，一些供应商包括我们在模拟开关上面也是做了一些内部的处理，在内部做了一些补偿，由于NP的基层电容所造成的，已经把charge injection降到最小的程度，另外是人工在布线的时候，也需要有一个相对的考量，尽量使用单点地或者是模拟和数字地之间，尽量使用一个大面积的铺地，来尽量减少由于线之间外部的charge injection 来对输出信号的影响。 问:模拟开关在电路使用结构上有几种方式,各有何特点, 答:在医疗工业产品的应用上面，在工艺医疗产品上面，有些公司会把模拟开关进行一些组合式的应用，最常见的是几个模拟开关的使用，这种应用可以增大通道的电流，从而减少通道的阻抗，同时它有比较弱的信号隔离度，也可以把模拟开关串联使用，这样会增大串联的阻抗，同时也可以提高信号的隔离度，一般很少使用到这种串联的应用，会结合一个Shuntswitch的开关共同使用，这种模拟开关的组合，可以有效的提高信号的隔离度，来减少对信号阻断的机会，也有很多人会使用这种组合，这种模型是两个开关串联在中间，同样使用一个Shuntswitch开关做一个接地，这种模型可以最大限度的提高信号的隔离，但是它的结构较为复杂，所以针对不同的应用，可以采取不同的模拟开关组合的方式。 问:我们在使用模拟开关作音频信号切换时，当开关关断后音频信号仍通过开关进入功放，请问发生此现象的原因及解决办法是什么, 电位的时候，答:模拟开关典型的电路是一对P/N沟道的MOS管去并联而成的，P沟道的门级在V+我们就会发现P沟道是一个负电压导通的，如果你的(输入)电压为零的时候，输入端是一个source就是源极，如果你的元件有接Drain的话，它的情况就会有导通，相同的就是一个源极有一个低电位，gate比source高出很多，这样的时候，如发现输入信号是一个高电平，那我们电源电压关断的时候，它的门级其实是一个零电平，如果输入信号是一个负电平的话，就会导通，所以功放从输入端到输出端，当高于电源的时候，实际上Gate相对于source是负电平，那这个管子就是导通的，自然而然的信号就从输入到输出，比较好的解决办法就是建议输入电源的电压不要关掉。 问:模拟开关在高频应用中EMI、EMC方面是否有影响, 答:可能EMI和EMC是一个比较通用的名词，一般是指电磁干扰和电磁耦合，其实一个是敏感度一个是骚扰源的问题，EMI是指干扰，那模拟开关是指有一个信号输入和输出，之所以它并不是一个信号源，模拟开关不存在EMI干扰的问题，还有一个就是EMC电磁敏感度。很多工程师说，模拟开关通过的时候，可能有一些噪声出来，这个可能是布线的时候，有一些比较敏感源在旁边，模拟开关仅仅是信号输入和输出，它可能会使信号过来，它的电源或者是地有一些信号可以串进来，还有就是我们周边可能会有一些射频的干扰，通过一些空间射频的干扰，会进行一些传导，这个不仅仅是模拟开关的问题，通过我们所有的器件，包括电阻也会产生一些噪音和干扰，正常的情况下，首先我们要认清EMI不是模拟开关的问题，必须在设计的时候，要找到最根本的干扰源在哪里，其次通过模拟开关进行试验的时候，发现有噪声出来，首先查电源是否干净，较大的干扰信号是否进行屏蔽，其它的可能有些开关的噪音包括你的设备里面可能会有一些上升沿和下 9 降沿，特别频繁的开关动作的时候，也会有一些耦合过来，这之间是不是有一些比较大的电容，在布线上有些耦合的影响，第三，是在布线的时候是否和我们的影线有垂直的关系，就是相同的信号我们尽量使它平行走，不同的信号我们尽量让它垂直走，尤其现在便携式设备上，设计的越来越紧凑，对工程师的布局有一些影响，但是这是一个基本的设计的规则，最后一个是我们现在发现有一些PCB有一些过孔，实际上最好不要让一些开关速度比较高的信号通过，因为过孔也是一个比较强烈的干扰源。 问:模拟开关输出信号进入ADC前应该做什么调理,其输出特性(输出阻抗)如何,对音频信号而言。 答:如果对音频信号而言，模拟开关输出信号进入ADC的时候，有一个切换的噪声，我们在选择开关的时候，应该注意charge injection 的噪音影响，那ADC的输入阻抗，因为charge injection 的ADC还有另外一个指标，要看下ADC的输入阻抗，然后找到对模拟开关可以接受的平衡点，来选择一个合适的模拟开关，不一定非得选择针对音频输出的低阻抗的开关，有比较大的选择的空间，建议不要用，因为是做ADC的处理，所以还会提供一些更大的电压范围可以带负压的可以提供平台的空间，它带正负电压的一些系列产品，像BG400L，BG94系列的那些9408，那些带正负压的会提供一些广阔的平台空间，可以做ADC的多路输入给ABC切换的应用产品。 问:我比较关心直流功率开关前的逻辑控制。因对贵公司产品没有了解，很多情况下用到一选二的开关。以前是用CD4066加反相器来做的。DG2612/3/DG2744合适吗, 答:CD4066是业界比较流行的开关，这个开关和刚才提到的CMOS模拟开关电压范围都是很接近的，最主要的区别就是低电压的特性Vishay的工艺有很大的改进，因此能够提供更低的工作电压，更平坦的导通曲线，还有跟CD4066相比有比较低的漏电流，在开关的逻辑选择那块Vishay新的模拟开关能够提供更低的逻辑界面和控制线路方面来进行interface,对直流功率不是特别的了解您的问题，如果是说希望有更大的功率的话，Vishay的开关具有更高的密度和更好的隔离度，也可以把多路的开关做一些并接的接法也是可以的 10