【導讀】在測試測量相關(guān)應用中，模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器有著(zhù)非常廣泛的應用，例如運放的增益調節、ADC分時(shí)采集多路傳感器信號等等。雖然它的功能很簡(jiǎn)單，但是仍然有很多細節，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)和多路復用器的基礎參數。
在開(kāi)始介紹基礎的參數之前，我們有必要介紹一下模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器的基本單元MOSFET開(kāi)關(guān)的基本結構。
一. MOSFET開(kāi)關(guān)的架構
MOSFET開(kāi)關(guān)常見(jiàn)的架構有3種，如圖1所示。
1）NFET。
2）NFET和PFET。
3）帶有電荷泵的NFET。
三種架構各有特點(diǎn)，詳細的介紹，可以參考《TI Precision Labs - Switches and Multiplexers》培訓視頻和《Selecting the Right Texas Instruments Signal Switch》應用文檔。本文主要基于NFET和PFET架構展開(kāi)介紹和仿真，但是涉及到的概念在三種架構中都是適用的。
圖 1 MOSFET開(kāi)關(guān)結構
另外，需要注意的是，此處的MOSFET結構，S和D是對稱(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，我們統一把S極作為輸入。
二.模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器直流參數介紹
1. 導通電阻 On Resistance
(1). 定義
圖 2 On Resistance 定義
(2). 特點(diǎn)
1） 隨輸入信號電壓而改變：當芯片的供電電壓固定時(shí)，對于NMOS而言，S級的電壓越高，導通電阻越來(lái)越大，對于PMOS而言，S級的電壓越高，導通電阻越來(lái)越小。
圖 3 導通電阻隨輸入信號電壓變化的曲線(xiàn)
2） 導通電阻的阻值與溫度有關(guān)：當VDD和VSS固定不變時(shí)，隨著(zhù)溫度的升高，導通電阻的曲線(xiàn)整體向上平移。
圖 4 導通電阻隨溫度變化的曲線(xiàn)
3） 導通電阻的平坦度：On-resistance flatness
圖 5 On-resistance flatness
在一定的輸入電壓范圍內，導通電阻的最大值與最小值的差稱(chēng)為導通電阻的平坦度，這個(gè)值越大，說(shuō)明導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(guān)察一下導通電阻及平坦度對于系統的影響，如圖6。為了更容易地觀(guān)察到影響，我們選擇設置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果，這是因為有導通電阻的存在。
2） 輸出電壓隨輸入電壓的并不是線(xiàn)性關(guān)系，這是因為Ron隨著(zhù)Vin在變化，會(huì )在輸出端引入非線(xiàn)性誤差。所以，Ron的平坦度越小，輸出的非線(xiàn)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(xiàn)
(3). 影響
在很多數據采集系統中，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，我們對這個(gè)電阻進(jìn)行直流參數掃描，觀(guān)察它從1M?變化至10M?時(shí)，對輸出電壓的影響，結果可以看到，漏電流通過(guò)傳感器的內阻會(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 漏電流仿真結果
三. 模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器動(dòng)態(tài)參數介紹
1. 導通電容 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。當開(kāi)關(guān)導通時(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MUX在不同通道之間切換時(shí)，CD也會(huì )隨著(zhù)通道的切換被充電或者放電。例如，當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)穩定。
對于一個(gè)N-bit的ADC：
K其實(shí)是代表RC電路中，電壓到達目標誤差以?xún)葧r(shí)所需要的時(shí)間常數的數量，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)明這種現象：
為了更明顯地觀(guān)察到這種現象，在Vout 端加入一個(gè)電容C1，可以理解為增加了CD，也可以理解為負載電容和CD的并聯(lián)。
圖 14 On Capacitance對輸出影響的仿真示例電路
當
時(shí)，整個(gè)回路的時(shí)間常數較大，需要更長(cháng)時(shí)間穩定，所以在開(kāi)關(guān)導通20uS之后，輸出電壓仍然沒(méi)有穩定到信號源的電壓。
時(shí)，整個(gè)回路的時(shí)間常數較大，需要更長(cháng)時(shí)間穩定，所以在開(kāi)關(guān)導通20uS之后，輸出電壓仍然沒(méi)有穩定到信號源的電壓。
圖 15 C1=50pF 仿真結果
當
時(shí)，整個(gè)回路的時(shí)間常數較小，需要較短時(shí)間穩定，所以在開(kāi)關(guān)導通20uS之內，輸出電壓穩定到了信號源的電壓。
時(shí)，整個(gè)回路的時(shí)間常數較小，需要較短時(shí)間穩定，所以在開(kāi)關(guān)導通20uS之內，輸出電壓穩定到了信號源的電壓。
圖 16 C1=10pF 仿真結果
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
因為在開(kāi)關(guān)導通的通道上，缺乏消耗這部分電荷的通路，所以當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：
當在EN端有一個(gè)階躍信號時(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，輸出電壓的改變取決于注入電荷QINJ，CD和CL。
所以，當注入的電荷越小時(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、輸入信號都有關(guān)的一個(gè)參數。因此，當輸入信號的電壓在變化時(shí)，會(huì )在輸出端產(chǎn)生一個(gè)非線(xiàn)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在輸入范圍內的平坦度。
圖 18 MUX36S08 charge injection 曲線(xiàn)
TMUX6104精密模擬多路復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)信號范圍內降至-0.41 pC。
圖 19 TMUX6104 Charge Injection 曲線(xiàn)
3. 帶寬Bandwidth
(1). 定義
當開(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). 計算方法
圖 21 簡(jiǎn)化的MUX內部的開(kāi)關(guān)模型
為了簡(jiǎn)化分析，我們忽略RS和CS。根據圖21中的阻容網(wǎng)絡(luò )，我們可以寫(xiě)出該電路的傳遞函數：
其中，3dB cut off frequency:
根據這個(gè)公式，結合MUX和負載的參數，我們就可以算出來(lái)在當前條件下MUX的帶寬了。
4. 通道間串擾 Channel to Channel crosstalk
(1). 定義
圖 22 通道間串擾示意圖
通道間串擾定義為當已知信號施加到導通通道的源極引腳時(shí)，在截止通道的源極引腳上出現的電壓。
(2). 特點(diǎn)
圖 23 簡(jiǎn)化的MUX內部的開(kāi)關(guān)模型及通道間串擾隨信號頻率的變化
Channel to Channel crosstalk是和頻率有關(guān)的一種現象。主要是由于關(guān)斷狀態(tài)下寄生電容導致的。有時(shí)，也會(huì )由于布局技術(shù)不佳而引入了寄生電容，表現為串擾。
CSS表示兩個(gè)輸入通道之間的寄生電容。 這可能是傳輸信號的兩個(gè)輸入走線(xiàn)之間的電容，或者是多路復用器的兩個(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 ，因為S2是斷開(kāi)的，從S2到OUTPUT的阻抗非常高。隨著(zhù)施加到S1的輸入信號的頻率增加，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。
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 )有助于通道間的串擾問(wèn)題。
5. 關(guān)斷隔離 Off isolation
(1). 定義
關(guān)斷隔離定義為當在關(guān)閉通道的源極引腳上施加已知信號時(shí)在多路復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內部的開(kāi)關(guān)模型及關(guān)斷隔離隨信號頻率的變化
像串擾一樣，關(guān)斷隔離也是一種與頻率相關(guān)的現象，由于模擬開(kāi)關(guān)或多路復用器的OFF狀態(tài)寄生電容CSD而發(fā)生。而開(kāi)關(guān)在截止狀態(tài)的寄生電容又取決于多個(gè)因素，例如器件封裝、引出線(xiàn)、制造工藝以及電路板布局技術(shù)。
較低的負載電阻將產(chǎn)生更好的OFF隔離，但由于導通電阻的存在，如果負載電阻過(guò)低，會(huì )引入失真。 較大的負載電容和漏極電容也將有助于更好的OFF隔離，但會(huì )限制多路復用器的帶寬。
關(guān)斷隔離和串擾規范都會(huì )分為相鄰和不相鄰通道兩類(lèi)。
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