集成多路模擬開關的應用技巧
1 “先斷后通”與“先通后斷”的選擇
目前市場上的多路開關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,應選用“先斷后通”的多路開關。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自身。然而,在程控增益放大器中,若用多路開關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。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。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。
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。當傳輸信號的信噪比較低時,必須使用差動輸入方式。
3 減小導通電阻的影響
多路開關的導通電阻RON(一般為數(shù)10Ω至1kΩ左右)比機械開關的接觸電阻(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制增益放大的增益影響較明顯,而且RON通道隨電源電壓高低、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。實踐中一般是設法減小RON來降低其影響。
以CD4051為例,測試發(fā)現(xiàn)[1]:CD4051的RON隨電源電壓和輸入模擬電壓的變化而變化。當VDD=5V、VEE=0V時,RON=280Ω,且隨V1的變化突變;當VDD>10V、VEE=0V時,RON=100Ω,且隨V1的變化緩變??梢?,適當提高CD4051的VDD有利于減小RON的影響。必須注意:提高VDD的同時,應相應提高選通控制端A、B、C的輸入邏輯電平。例如:取VDD=12V(VEE=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理想導通(RON小,又實現(xiàn)了CMOS電平與TTL電平的轉換(μP一般為TTL電平)。
可見,根據(jù)具體情況,適當提高多路開關的電源電壓,是降低其RON影響的一種有效措施。此外,適當提高電源電壓,還可以同時減小導通電阻路差ΔRON和加快開關速度。
4 消除抖動引起的誤差
和機械開關類似,多路開關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:水泵轉速、流量、壓力。三個模擬量對應的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
5 提高切換速度
多路開關的切換速度與其自身的結構、工作條件以及外電路的情況都有關系。在實踐中應注意以下幾點:
所有的多路開關的平均傳輸延遲時間tpd均隨VDD的升高而減小。以CD4051為例[3],當VDD=5V時,tpd=720ns;當VDD=10V時,tpd=320ns;當VDD=15V時,tpd=240ns??梢姡m當提高多路開關的電源電壓,可加快其開關速度。
傳輸信號的信號源內阻Rs對多路開關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Rs成正比,即Rs越小,開關的動作就越快。所以,對高內阻的信號源(一些傳感器就是如此),宜用阻抗變換器(如電阻跟隨器),將阻抗變低后再接入多路開關。此外,減小Rs還可同時減小多路開關的關斷漏電流造成的誤差。
當系統(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,信號由二級開關輸出。設每個開關的輸出電容為C0,則輸出總電容由32Co至大約12Co,電路的時間常數(shù)減小,開關速度提高。此外,這種聯(lián)接方式還可以使多路開關的總關斷漏電流由31Iz降至大約10Iz(設每個開關的關斷漏電流為Iz),從而減小關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。當然,這種聯(lián)接方式需要的開關數(shù)相對多些,選通控制也相對復雜些,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以RCA、AD、SILICONIX、MOTOROLA、MAXIN等公司的產品多見,種類繁多,性能、價格差異較大(詳見有關公司的相關產品數(shù)據(jù)手冊)。選擇和使用多路開關時,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,全面了解多路開關的特性,否則可能出現(xiàn)難以預料的問題。例如:CMOS多路開關在電源切斷時是斷開的,而結型FET多路開關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芯片。
第二,多路開關只有與相關電路合理搭配,協(xié)調工作,才能充分發(fā)揮其性能,甚至彌補某些性能的欠缺。否則,片面追求多路開關的高性能,忽略與相關電路的搭配與協(xié)調,不但會造成成本與性能指標的浪費,而且往往收不到預期的效果。
此外,受芯片種類或應用場合的限制,在實踐中往往有多余的通道。由于多路開關的內部電路相互聯(lián)系,所以多余的通道可能產生干擾信號,必要時應作適當處理。例如[4]:測試多路開關CC4097和CC4067時發(fā)現(xiàn),所有多余通道的輸入端都必須接地,否則將產生干擾信號。
有關多路開關的基本應用技術,許多文獻上都有介紹,本文不予述。
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