模仿开关首要是完结信号链路中的信号切换功用。选用MOS管的开关方法完成了对信号链路关断或许翻开;由于其功用类似于开关,而用模仿器材的特性完成,成为模仿开关。
模仿开关在电子设备中首要起接通信号或断开信号的作用。由于模仿开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和运用寿命长等特色,因而,在自动操控系统和计算机中得到了广泛使用
由于选用了MOS管的开断功用,模仿开关回路可以完成较高的关断阻抗,一般是兆欧姆以上的关断阻抗;和很低的导通阻抗,一般为几个欧姆等级,因而可以很好的完成信号链路切换和断开阻隔的作用。依据使用需求不同;模仿开关可以分为音频模仿开关、视频模仿开关、数字开关、通用模仿开关等。
多路模仿开关
是从多个模仿输入信号中切换挑选所需输入通道模仿输入信号电路。场效应晶体管作为模仿开关而得到广泛使用。其长处是作业速度可达10的6次方次/3,导通电阻低(5~25欧),截止电阻高达10的10次方欧。
研讨标明:只需正确挑选多路开关的品种,留意多路开关与相关电路的合理调配与和谐,确保各电路单元有适宜的作业状况,才干充分发挥多路开关的功用,乃至补偿某功用指标的短缺,收到预期的作用。现在市场上的多路开关以CMOS电路为主。
模仿开关是一种三稳态电路,它可以依据选通操控的电平,决议输入与输出的衔接状况。中选通操控处在使能状况时,输出端与输入端是导通状况的;中选通操控处在非使能状况时,输出与输入是阻断状况时,此刻,不管输入信号怎么改变,模仿开关输出均呈高阻状况。
最根本的模仿开关结构如下图所示:
其间,Q1为N交流JFET(JunctionField-Effect Transistor,结型场效应晶体管),当VGS=0时,源极与漏极之间是导通的,如下图所示:
此刻的电路等效如下图所示:
其间,电阻RDS(ON)表明N交流JFET导通时的漏-源导通电阻rDS(on)(StaTIc Drain Source On Resistance),也是模仿开关的通态电阻RON(”ON” Resistance),此刻负载RL两头的电压如下式:
关于多通道的模仿开关芯片,每个通道都有一个通态电阻RON,这些通态电阻之间的差值称为ΔRON(Δ”ON” Resistance Between any two switches)。
模仿开关有一个最大开关电流,即饱满漏极电流IDSS(Zero Gate voltage Drain Current),但有些数据手册中没有这个参数,一般在几百毫安以内。
当栅-源电压VGS《VGS(OFF)(栅-源夹断电压,一般在-1V~-10V)时,源极与漏极之间是断开的,如下图所示:
此刻电路等效如下:
其间,电阻RDS(OFF)表明模仿开关断开时出现的阻值,应足以到达按捺相邻两个信号链路彼此搅扰,此刻负载RL两头的电压如下式:
咱们一般将模仿开关表明如下图所示:
其间,O/C表明模仿开关操控引脚(Open/Close)
用P交流JFET也可以组成模仿开关,但现在最常用的仍是用MOSFET构成的开关,由于MOS技能是大规模数字集成电路的根底,这样可以在同一工艺下将模仿与数字功用完成在同一块芯片上,如下所示:
可是,不管是JFET或MOS构成的模仿开关,它们导通时漏-源通态电阻RDS(ON)都与栅-源电压VGS有关,而在输入信号Ui的改变过程中,VGS也是一向随之改变的,如下图所示:
在信号的传输过程中,真实施加在MOS管栅-源南北极的电压VGS=-(15V-UO),而UO是与Ui相关的,假如输入信号Ui足够大的话,乃至会在信号传输过程中将MOS管关断,这明显不是咱们想要的成果,由于咱们的方针是得到一个稳定的(或比较稳定的)导通电阻RON。咱们当然也期望导通电阻越小越好,可是在许多使用中,模仿开关的稳定通态电阻(导电率)是最重要的,也便是通态阻抗平整度RDS(flat),由于它关乎输出电压的精度。
比方,用高精度ADC(模数转换器)进行多路电压信号收集时,模仿开关的导通电阻RON不用强制要求有多小,但只需它们的导通电阻RON是稳定的,可以在算法上将其带来的差错铲除。
用一对互补MOSFET(即CMOS)即可消除这些缺陷,它的结构如下图所示:
当O/C操控引脚为高电平时,Q1(PMOS)因栅-源电压VGS《VGS(ON)而导通(PMOS的导通阈值为负电压),相同,Q2(NMOS)因栅-源电压VGS》VGS(ON)而导通(NMOS的导通阈值为正电压),如下图所示:
此刻模仿开关的导通电阻为两个MOS管导通电阻RDS(ON)的并联,它们的特性曲线如下图所示:
NMOS管在信号比较低时的导通电阻较小,而PMOS管则在输入信号较高时的导通电阻较小,两个电阻并联后,则在整个信号的有用范围内都比较低。
当O/C操控引脚为低电平时,两个MOS管均为阻断状况,如下图所示:
有些数据手册也会给出这个导通电阻的信息,如下图所示:(来自intersil的CD4051数据手册)
这种根本的结构也叫做传输栅,有些标准书中以下面的符号表明:
比方,CD4066的原理框图如下所示:(下图来自UTC的CD4066数据手册)
已然模仿开关由MOS管构成,天然也有相应频率响应的最大值,这个值一般可以到达数十兆,它包括两种状况:即开关分别在导通状况下与阻断状况下频率响应。开关在导通状况下的频率响应(FrequencyResponse-Switch “ON”)比较好了解,便是在模仿开关导通状况下,信号可以经过的最大频率,那么阻断状况下的频率响应又是个神马东西?如下图所示:(以下均来自UTC的模仿开关CD4066数据手册)
其间,Feedthrough –Switch “OFF”表明在模仿开关阻断状况下的馈通频率,咱们看看Fig.4的测验电路图,如下所示:
上图现已说了,当VCON=VSS(即模仿开关阻断时)时,电路用来测验馈通(Feedthrough)状况下的频率响应。理论上,在模仿开关阻断状况下,不管有没有输入信号VIS,其相应的输出VOS是不会有输出的,可是MOS管自身是有寄生电容的(如上表中的CIO,也称为CDS,即漏极-源极电容),在关断状况下假如输入信号频率超越必定值,那信号就阻断不了了,它会经过电容CIO以高频耦合的方法经过开关,使得开关出现导通状况。如下图所示:
还有一个参数是操控引脚的最大开关频率(Maximum Control Input),一般咱们说模仿开关的速度便是指这个参数,而不是上面说到的频率响应的最大值。它的测验电路如下所示:
模仿开关芯片有多个通道时,通道与通道间也会有信号的串扰,这与PCB板走线串扰是相同的道理,如下图所示:
它是指没有输入信号的选通通道(下侧)接纳到来自相邻通道(上侧)信号引起的搅扰,即VOS(2),留意表格中的测验条件:下侧的VCON(2)=VSS不是0,而是5V,也便是选通状况。