【導(dǎo)讀】在測(cè)試測(cè)量相關(guān)應(yīng)用中，模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器有著非常廣泛的應(yīng)用，例如運(yùn)放的增益調(diào)節(jié)、ADC分時(shí)采集多路傳感器信號(hào)等等。雖然它的功能很簡(jiǎn)單，但是仍然有很多細(xì)節(jié)，需要大家在使用的過(guò)程中注意。所以，在這里為大家介紹一下模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器的基礎(chǔ)參數(shù)。
在開(kāi)始介紹基礎(chǔ)的參數(shù)之前，我們有必要介紹一下模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器的基本單元MOSFET開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)。
一. MOSFET開(kāi)關(guān)的架構(gòu)
MOSFET開(kāi)關(guān)常見(jiàn)的架構(gòu)有3種，如圖1所示。
1）NFET。
2）NFET和PFET。
3）帶有電荷泵的NFET。
三種架構(gòu)各有特點(diǎn)，詳細(xì)的介紹，可以參考《TI Precision Labs - Switches and Multiplexers》培訓(xùn)視頻和《Selecting the Right Texas Instruments Signal Switch》應(yīng)用文檔。本文主要基于NFET和PFET架構(gòu)展開(kāi)介紹和仿真，但是涉及到的概念在三種架構(gòu)中都是適用的。
圖 1 MOSFET開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)
另外，需要注意的是，此處的MOSFET結(jié)構(gòu)，S和D是對(duì)稱(chēng)的，所以在功能上是可以互換的，也因此，開(kāi)關(guān)是雙向的，為了便于討論，我們統(tǒng)一把S極作為輸入。
二.模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器直流參數(shù)介紹
1. 導(dǎo)通電阻 On Resistance
(1). 定義
圖 2 On Resistance 定義
(2). 特點(diǎn)
1） 隨輸入信號(hào)電壓而改變：當(dāng)芯片的供電電壓固定時(shí)，對(duì)于NMOS而言，S級(jí)的電壓越高，導(dǎo)通電阻越來(lái)越大，對(duì)于PMOS而言，S級(jí)的電壓越高，導(dǎo)通電阻越來(lái)越小。
圖 3 導(dǎo)通電阻隨輸入信號(hào)電壓變化的曲線
2） 導(dǎo)通電阻的阻值與溫度有關(guān)：當(dāng)VDD和VSS固定不變時(shí)，隨著溫度的升高，導(dǎo)通電阻的曲線整體向上平移。
圖 4 導(dǎo)通電阻隨溫度變化的曲線
3） 導(dǎo)通電阻的平坦度：On-resistance flatness
圖 5 On-resistance flatness
在一定的輸入電壓范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻的最大值與最小值的差稱(chēng)為導(dǎo)通電阻的平坦度，這個(gè)值越大，說(shuō)明導(dǎo)通電阻的變化幅度越大。
(3). 影響
在這里，我們通過(guò)一個(gè)仿真實(shí)例來(lái)觀察一下導(dǎo)通電阻及平坦度對(duì)于系統(tǒng)的影響，如圖6。為了更容易地觀察到影響，我們選擇設(shè)置R1和R2為100?。
圖 6 MUX36S08仿真電路
圖 7 輸入及輸出波形
從仿真的結(jié)果我們可以看出：
1） 輸出電壓并不是我們輸入電壓乘以放大比例后的結(jié)果，這是因?yàn)橛袑?dǎo)通電阻的存在。
2） 輸出電壓隨輸入電壓的并不是線性關(guān)系，這是因?yàn)镽on隨著Vin在變化，會(huì)在輸出端引入非線性誤差。所以，Ron的平坦度越小，輸出的非線性誤差越小。
2.漏電流 Leakage current
(1). 定義
1) Source off-leakage current: 在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，從源極流入或流出的電流稱(chēng)為
，如圖8。
，如圖8。2) Drain off-leakage current: 在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，從漏極流入或流出的電流稱(chēng)為
，如圖8
，如圖83) On-leakage current: 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，從漏極流入或流出的電流稱(chēng)為
，如圖8。
，如圖8。
圖 8 漏電流定義
(2). 特點(diǎn)
漏電流隨溫度變化劇烈。
圖 9 漏電流隨溫度變化的曲線
(3). 影響
在很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，接入MUX前的傳感器有可能是高阻抗的傳感器。這時(shí)，漏電流的影響就會(huì)凸顯出來(lái)。
例如，在圖10的仿真中，輸入源有1M?的源阻抗，我們對(duì)這個(gè)電阻進(jìn)行直流參數(shù)掃描，觀察它從1M?變化至10M?時(shí)，對(duì)輸出電壓的影響，結(jié)果可以看到，漏電流通過(guò)傳感器的內(nèi)阻會(huì)給輸出電壓帶來(lái)一個(gè)直流誤差。所以，在為高輸出阻抗的傳感器選擇MUX時(shí)，要盡可能選取低漏電流的芯片。
圖 10 漏電流仿真電路
圖 11 漏電流仿真結(jié)果
三. 模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器動(dòng)態(tài)參數(shù)介紹
1. 導(dǎo)通電容 On Capacitance
(1). 定義
CS和CD代表了開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)的源極和漏極電容。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，CON等于源極的電容和漏極的電容之和，如圖12。
圖 12 On Capacitance
(2). 影響
圖 13 MUX36S08 示例
當(dāng)MUX在不同通道之間切換時(shí)，CD也會(huì)隨著通道的切換被充電或者放電。例如，當(dāng)S1閉合時(shí)，CD會(huì)被充電至V1。那么此時(shí)CD上的電荷QD1：
當(dāng)MUX從S1切換至S2時(shí)，CD會(huì)被充電至V2。那么此時(shí)CD上的電荷QD2：
那么兩次CD上的電荷差就需要V2來(lái)提供，所以這時(shí)候，MUX輸出就會(huì)需要一定的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定。
對(duì)于一個(gè)N-bit的ADC：
K其實(shí)是代表RC電路中，電壓到達(dá)目標(biāo)誤差以?xún)?nèi)時(shí)所需要的時(shí)間常數(shù)的數(shù)量，例如10-bit accuracy (LSB % FS= 0.0977), K= -ln (0.0977/100)=6.931。
接下來(lái)用一個(gè)仿真來(lái)說(shuō)明這種現(xiàn)象：
為了更明顯地觀察到這種現(xiàn)象，在Vout 端加入一個(gè)電容C1，可以理解為增加了CD，也可以理解為負(fù)載電容和CD的并聯(lián)。
圖 14 On Capacitance對(duì)輸出影響的仿真示例電路
當(dāng)
時(shí)，整個(gè)回路的時(shí)間常數(shù)較大，需要更長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，所以在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通20uS之后，輸出電壓仍然沒(méi)有穩(wěn)定到信號(hào)源的電壓。
時(shí)，整個(gè)回路的時(shí)間常數(shù)較大，需要更長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，所以在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通20uS之后，輸出電壓仍然沒(méi)有穩(wěn)定到信號(hào)源的電壓。
圖 15 C1=50pF 仿真結(jié)果
當(dāng)
時(shí)，整個(gè)回路的時(shí)間常數(shù)較小，需要較短時(shí)間穩(wěn)定，所以在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通20uS之內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定到了信號(hào)源的電壓。
時(shí)，整個(gè)回路的時(shí)間常數(shù)較小，需要較短時(shí)間穩(wěn)定，所以在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通20uS之內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定到了信號(hào)源的電壓。
圖 16 C1=10pF 仿真結(jié)果
2. 注入電荷 Charge Injection
(1). 定義
注入電荷指的是從控制端EN耦合至輸出端的電荷。
(2). 影響
因?yàn)樵陂_(kāi)關(guān)導(dǎo)通的通道上，缺乏消耗這部分電荷的通路，所以當(dāng)這部分電荷流入漏極電容和輸出電容上時(shí)，會(huì)在輸出產(chǎn)生一個(gè)電壓誤差。
圖 17 Charge Injection過(guò)程示意圖
過(guò)程如下：
當(dāng)在EN端有一個(gè)階躍信號(hào)時(shí)，這個(gè)階躍電壓會(huì)通過(guò)柵極和漏極之間的寄生電容CGD，耦合至輸出端，輸出電壓的改變?nèi)Q于注入電荷QINJ，CD和CL。
所以，當(dāng)注入的電荷越小時(shí)，在輸出端引入的誤差會(huì)越小。
但同時(shí)，要注意到，注入電荷是一個(gè)與供電電壓、輸入信號(hào)都有關(guān)的一個(gè)參數(shù)。因此，當(dāng)輸入信號(hào)的電壓在變化時(shí)，會(huì)在輸出端產(chǎn)生一個(gè)非線性的誤差。所以在選在MUX時(shí)，除了要注意charge injection的值以外，也要注意charge injection在輸入范圍內(nèi)的平坦度。
圖 18 MUX36S08 charge injection 曲線
TMUX6104精密模擬多路復(fù)用器使用特殊的電荷注入消除電路，可將源極-漏極電荷注入在VSS = 0 V時(shí)降至-0.35 pC，在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)降至-0.41 pC。
圖 19 TMUX6104 Charge Injection 曲線
3. 帶寬Bandwidth
(1). 定義
當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，在漏極的輸出刪減至源極輸入衰減3dB時(shí)的頻率，如圖20所示。
圖 20 帶寬定義
(2). 計(jì)算方法
圖 21 簡(jiǎn)化的MUX內(nèi)部的開(kāi)關(guān)模型
為了簡(jiǎn)化分析，我們忽略RS和CS。根據(jù)圖21中的阻容網(wǎng)絡(luò)，我們可以寫(xiě)出該電路的傳遞函數(shù)：
其中，3dB cut off frequency:
根據(jù)這個(gè)公式，結(jié)合MUX和負(fù)載的參數(shù)，我們就可以算出來(lái)在當(dāng)前條件下MUX的帶寬了。
4. 通道間串?dāng)_ Channel to Channel crosstalk
(1). 定義
圖 22 通道間串?dāng)_示意圖
通道間串?dāng)_定義為當(dāng)已知信號(hào)施加到導(dǎo)通通道的源極引腳時(shí)，在截止通道的源極引腳上出現(xiàn)的電壓。
(2). 特點(diǎn)
圖 23 簡(jiǎn)化的MUX內(nèi)部的開(kāi)關(guān)模型及通道間串?dāng)_隨信號(hào)頻率的變化
Channel to Channel crosstalk是和頻率有關(guān)的一種現(xiàn)象。主要是由于關(guān)斷狀態(tài)下寄生電容導(dǎo)致的。有時(shí)，也會(huì)由于布局技術(shù)不佳而引入了寄生電容，表現(xiàn)為串?dāng)_。
CSS表示兩個(gè)輸入通道之間的寄生電容。 這可能是傳輸信號(hào)的兩個(gè)輸入走線之間的電容，或者是多路復(fù)用器的兩個(gè)輸入引腳之間的電容。
在較低頻率的時(shí)候，從S1到OUTPUT的阻抗是RON ，因?yàn)镾2是斷開(kāi)的，從S2到OUTPUT的阻抗非常高。隨著施加到S1的輸入信號(hào)的頻率增加，寄生電容CSD的阻抗變得更低，并在S2引入了一部分S1的輸入信號(hào)。
相同的原理，寄生電容CSS隨頻率的增加也會(huì)將一部分輸入信號(hào)直接耦合到斷開(kāi)的通道S2。
減少雜散電容的電路板布局技術(shù)也會(huì)有助于通道間的串?dāng)_問(wèn)題。
5. 關(guān)斷隔離 Off isolation
(1). 定義
關(guān)斷隔離定義為當(dāng)在關(guān)閉通道的源極引腳上施加已知信號(hào)時(shí)在多路復(fù)用器輸出引腳上引入的電壓。
圖 24 關(guān)斷隔離示意圖
(2). 特點(diǎn)
圖 25 簡(jiǎn)化的MUX內(nèi)部的開(kāi)關(guān)模型及關(guān)斷隔離隨信號(hào)頻率的變化
像串?dāng)_一樣，關(guān)斷隔離也是一種與頻率相關(guān)的現(xiàn)象，由于模擬開(kāi)關(guān)或多路復(fù)用器的OFF狀態(tài)寄生電容CSD而發(fā)生。而開(kāi)關(guān)在截止?fàn)顟B(tài)的寄生電容又取決于多個(gè)因素，例如器件封裝、引出線、制造工藝以及電路板布局技術(shù)。
較低的負(fù)載電阻將產(chǎn)生更好的OFF隔離，但由于導(dǎo)通電阻的存在，如果負(fù)載電阻過(guò)低，會(huì)引入失真。 較大的負(fù)載電容和漏極電容也將有助于更好的OFF隔離，但會(huì)限制多路復(fù)用器的帶寬。
關(guān)斷隔離和串?dāng)_規(guī)范都會(huì)分為相鄰和不相鄰?fù)ǖ纼深?lèi)。
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