摘? 要: 從應(yīng)用的角度出發(fā),研究了集成多路模擬開關(guān)的應(yīng)用技巧,并結(jié)合實例進行了討論。這些應(yīng)用技巧具有較強的針對性和可操作性,對集成多路模擬開關(guān)的正確選擇與合理使用具有指導(dǎo)意義。?

　　關(guān)鍵詞: 集成多路模擬開關(guān)? 傳輸精度? 傳輸速度?

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　　集成多路模擬開關(guān)(以下簡稱多路開關(guān))是自動數(shù)據(jù)采集、程控增益放大等重要技術(shù)領(lǐng)域的常用器件,其實際使用性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的精度和可靠性有重要影響。關(guān)于多路開關(guān)的應(yīng)用技術(shù),一些文獻上的介紹有兩點不足:一是對器件自身介紹較多,而對器件與相關(guān)電路的合理搭配與協(xié)調(diào)介紹較少;二是原則性的東西介紹較多,而操作性的東西介紹較少。研究表明:只有正確選擇多路開關(guān)的種類,注意多路開關(guān)與相關(guān)電路的合理搭配與協(xié)調(diào),保證各電路單元有合適的工作狀態(tài),才能充分發(fā)揮多路開關(guān)的性能,甚至彌補某些性能指標(biāo)的欠缺,收到預(yù)期的效果。本文從應(yīng)用的角度出發(fā),研究多路開關(guān)的應(yīng)用技巧。目前市場上的多路開關(guān)以CMOS電路為主,故以下的討論除特別說明外,均針對這類產(chǎn)品。?

1 “先斷后通”與“先通后斷”的選擇?

　　目前市場上的多路開關(guān)的通斷切換方式大多為“先斷后通”(Break-Before-Make)。?

　　在自動數(shù)據(jù)采集中,應(yīng)選用“先斷后通”的多路開關(guān)。否則,就會發(fā)生兩個通道短接的現(xiàn)象,嚴重時會損壞信號源或多路開關(guān)自身。?

　　然而,在程控增益放大器中,若用多路開關(guān)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“先斷后通”的多路開關(guān)。否則,放大器就會出現(xiàn)開環(huán)狀態(tài)。放大器的開環(huán)增益極高,易破壞電路的正常工作,甚至損壞元器件,一般應(yīng)予避免。?

2 選擇合適的傳輸信號輸入方式?

　　傳輸信號一般有單端輸入和差動輸入兩種方式,分別適用于不同的場合。?

　　單端輸入方式如圖1所示,即把所有信號源一端接同一信號地,信號地與ADC等的模擬地相接,各信號源的另一端分別接多路開關(guān)。圖中Vs為傳輸信號,Vc為系統(tǒng)中的共模干擾信號。?

　　圖1(a)接法的優(yōu)點是無需減少一半通道數(shù),也可保證系統(tǒng)的共模抑制能力;缺點是僅適用于所有傳輸信號均參考一個公共電位,且各信號源均置于同樣的噪聲環(huán)境下,否則會引入附加的差模干擾。?

　　圖1(b)接法適用于所有傳輸信號相對于系統(tǒng)模擬公共地的測量,且信號電平明顯大于系統(tǒng)中的共模干擾。其優(yōu)點是可得到最多的通道數(shù),缺點是系統(tǒng)基本失去了共模抑制能力。?

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　　差動輸入方式如圖2所示,即把所有信號源的兩端分別接至多路開關(guān)的輸入端。其優(yōu)點是抗共模干擾的能力強,缺點是實際通道數(shù)只有單端輸入方式的一半。當(dāng)傳輸信號的信噪比較低時,必須使用差動輸入方式。?

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3 減小導(dǎo)通電阻的影響?

　　多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻R_ON(一般為數(shù)10Ω至1kΩ左右)比機械開關(guān)的接觸電阻(一般為mΩ量級)大得多,對自動數(shù)據(jù)采集的信號傳輸精度或程控增益放大的增益影響較明顯,而且R_ON通常隨電源電壓高低、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(shè)法減小R_ON來降低其影響。?

　　以CD4051為例,測試發(fā)現(xiàn)^[1]:CD4051的R_ON隨電源電壓和輸入模擬電壓的變化而變化。當(dāng)V_DD=5V、V_EE=0V時,R_ON≈280Ω,且隨Vi的變化突變;當(dāng)V_DD>10V、V_EE=0V時,R_ON≈100Ω,且隨V_i的變化緩變?？梢?適當(dāng)提高CD4051的V_DD有利于減小R_ON的影響。必須注意:提高V_DD的同時,應(yīng)相應(yīng)提高選通控制端A、B、C的輸入邏輯電平。例如:取V_DD=12V(V_EE=0V),可采用電源電壓上拉箝位的方法,上拉電阻的阻值取1.5kΩ以上,使選通控制端信號的有效高電平不低于6V。這樣,既保證CD4051理想導(dǎo)通(R_ON小),又實現(xiàn)了CMOS電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換(μP一般為TTL電平)。?

　　可見,根據(jù)具體情況,適當(dāng)提高多路開關(guān)的電源電壓,是降低其RON影響的一種有效措施。此外,適當(dāng)提高電源電壓,還可以同時減小導(dǎo)通電阻路差ΔRON和加快開關(guān)速度。?

4 消除抖動引起的誤差?

　　和機械開關(guān)類似,多路開關(guān)在通道切換時也存在抖動過程,會出現(xiàn)瞬變現(xiàn)象。若此時采集多路開關(guān)的輸出信號,就可能引入很大的誤差。例如^[2]:某計算機自動數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集三個模擬量:水泵轉(zhuǎn)速、流量、壓力。三個模擬量對應(yīng)的TTL電平分別為:1.5454V，1.5698V、2.9394V。采集系統(tǒng)從通道1、2、3分別對這三個模擬量連續(xù)采集10次,采集結(jié)果位于1.8554～1.8603、1.5625～1.5673、1.62207～1.62695之間,其中1、3通道的誤差很大。研究發(fā)現(xiàn),這種誤差是由于系統(tǒng)在多路開關(guān)通斷切換未穩(wěn)定下來就采集數(shù)據(jù)造成的。?

　　消除抖動的常用方法有兩種:一是用硬件電路來實現(xiàn)(硬件方法),即用RC濾波器濾除抖動;另一種是用軟件延時的方法來解決(軟件方法)。在有μP的系統(tǒng)中,軟件方法較硬件方法更顯優(yōu)勢。如上例中,只要在原Quick-BASIC數(shù)據(jù)采集程序中加入一循環(huán)語句來適當(dāng)延時,則采集結(jié)果位于1.5454～1.5478、1.5698～1.5722、2.9394～2.9418之間,采集精度明顯提高,采集結(jié)果正常。?

5 提高切換速度?

　　多路開關(guān)的切換速度與其自身的結(jié)構(gòu)、工作條件以及外電路的情況都有關(guān)系。在實踐中應(yīng)注意以下幾點:?

　　所有的多路開關(guān)的平均傳輸延遲時間t_pd均隨V_DD的升高而減小。以CD4051為例^[3],當(dāng)V_DD=5V時,t_pd=720ns;當(dāng)V_DD=10V時,t_pd=320ns;當(dāng)V_DD=15V時,t_pd=240ns?？梢?適當(dāng)提高多路開關(guān)的電源電壓,可加快其開關(guān)速度。?

　　傳輸信號的信號源內(nèi)阻R_s對多路開關(guān)的切換時間有重要影響。分析表明:在其它條件不變的情況下,切換時間近似與R_s成正比,即R_s越小,開關(guān)的動作就越快。所以,對高內(nèi)阻的信號源(一些傳感器就是如此),宜用阻抗變換器(如電壓跟隨器),將阻抗變低后再接入多路開關(guān)。此外,減小R_s還可同時減小多路開關(guān)的關(guān)斷漏電流造成的誤差。?

　　當(dāng)系統(tǒng)需要的信號通道數(shù)較多時,宜采用圖3所示的兩級聯(lián)接方式。在圖3中,假設(shè)系統(tǒng)共需要32個信號通道,將這32個通道分成4組,各組分別接至4個二級開關(guān),信號由二級開關(guān)輸出。設(shè)每個開關(guān)的輸出電容為C_O，則輸出總電容由32C_O降至大約12C_O,電路的時間常數(shù)減小,開關(guān)速度提高。此外,這種聯(lián)接方式還可以使多路開關(guān)的總關(guān)斷漏電流由31I_Z降至大約10I_Z(設(shè)每個開關(guān)的關(guān)斷漏電流為I_Z),從而減小關(guān)斷漏電流造成的誤差。對上述兩種作用,通道數(shù)越多效果越顯著。當(dāng)然,這種聯(lián)接方式需要的開關(guān)數(shù)相對多些,選通控制也相對復(fù)雜些,因而主要用于信號通道數(shù)較多的場合。?

　　目前市場上的多路開關(guān)以RCA、AD、SILICONIX、MOTOROLA、MAXIN等公司的產(chǎn)品為多見,種類繁多,性能、價格差異較大(詳見有關(guān)公司的相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊)。選擇和使用多路開關(guān)時,考慮的重點是滿足系統(tǒng)對信號傳輸精度和傳輸速度的要求,同時還必須注意以下兩點:?

　　第一,全面了解多路開關(guān)的特性,否則可能出現(xiàn)難以預(yù)料的問題。例如:CMOS多路開關(guān)在電源切斷時是斷開的,而結(jié)型FET多路開關(guān)在電源切斷時是接通的。若未注意到這一點,就可能因電源的通斷而損壞有關(guān)芯片。?

　　第二,多路開關(guān)只有與相關(guān)電路合理搭配,協(xié)調(diào)工作,才能充分發(fā)揮其性能,甚至彌補某些性能的欠缺。否則,片面追求多路開關(guān)的高性能,忽視與相關(guān)電路的搭配與協(xié)調(diào),不但會造成成本與性能指標(biāo)的浪費,而且往往收不到預(yù)期的效果。?

　　此外,受芯片種類或應(yīng)用場合的限制,在實踐中往往有多余的通道。由于多路開關(guān)的內(nèi)部電路相互聯(lián)系,所以多余的通道可能產(chǎn)生干擾信號,必要時應(yīng)作適當(dāng)處理。例如^[4]:測試多路開關(guān)CC4097和CC4067時發(fā)現(xiàn),所有多余通道的輸入端都必須接地,否則將產(chǎn)生干擾信號。?

??? 有關(guān)多路開關(guān)的基本應(yīng)用技術(shù),許多文獻上都有介紹^[5],本文不予贅述。?

參考文獻?

1 周勝海，王棟臣，馬建中.可變增益放大器的實現(xiàn)方法.儀表技術(shù)與傳感器，2001(7):32～34?

2 馬明建，周長城.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù).西安:西安交通大學(xué)出版社，1999:205～207?

3 王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1998:33?

4 房國良.模擬開關(guān)組合應(yīng)用設(shè)計原理.電子技術(shù)應(yīng)用，1997;23(11):15～16?