1、组会报告专业：电子与通信工程姓名：张威威2015年4月18日一、模拟开关的电路组成及工作原理二、常用的模拟开关集成电路 三、模拟开关集成电路的应用 模拟开关，英文名Analog switches；主要是完成信号链路中的信号切换功能。采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开；由于其功能类似于开关，而用模拟器件的特性实现，成为模拟开关。 模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输入端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于
2、模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成，如图一所示。模拟开关的真值表见表一。E A B 1 0 0 1 1 1 0 0 高阻状态 0 1 高阻状态 表一模拟开关的工作原理如下： 当选通端和输入端同为1时，则S2端为，1端为，这时1导通，2截止，输出端输出为，=，相当于输入端和输出端接通。 当选通为1时，而输入端为时，则S2端为1，S1端为，这时1截止，VT2导通，输出端为，也相当于输入端和输出端接通。 当选通端为时，这时1和2均为截止状态，电路输出呈高阻状态。 从上面的
3、分析可以看出，只有当选通端为高电平时，模拟开关才会被接通，此时可从向传送信息；当输入端为低电平时，模拟开关关闭，停止传送信息。 在模拟开关的集成过程中，晶体三极管和场效应晶体管均可用来做模拟开关的有源器件，实际上，由于场效应晶体管特性的对称性不存在残余电压等优点，所以在模拟开关中用的最多的还是场效应晶体管。 开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器，当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时，继电器就吸合或释放，其触点接通或断开电路。 CMOS模拟开关是一种可控开关，它不象继电器那样可以用在大电流、高电压场合，只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。
4、1. 无译码器的多路开关 开关类型：TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等。 12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC图图3 3. .6 6 A AD D7 75 51 10 0芯芯片片 芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端。防闩锁型介质隔离CMOS开关，可提供最高超出电源电压25 V的过压保护,低导通电阻75，低泄漏电流500pA。优点：每一个开关可单独通断，也可同时通断，使用方式比较灵活。 缺点：引脚较多，使得片内所集成的开关较少。当巡回检测点较多时，控制复杂。 四双向模拟开关四双向模拟开
5、关CD4066CD4066 CD4066的每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。 当控制端加高电平时，开关导通，导通电阻为几十欧姆；当控制端加低电平时开关截止呈现很高的阻抗，可以看成为开路。 模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为50dB。 CD4066CD4066引脚功能图引脚功能图2. 有译码器的多路开关 AD7501（AD7503） .电平转换译码驱动OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516
6、A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501.图图3 3. .7 7 A AD D7 75 50 01 1（A AD D7 75 50 03 3）芯芯片片结结构构及及引引脚脚功功能能 片上所有逻辑输入与TTLDTL及CMOS电路兼容。 表3.1 AD7501真值表 A2A1A0EN 导通 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 无 AD7503 除EN 端的控制逻辑电平相反外, 其它与AD7501相同。 AD7502 电平转换ENA
7、1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7502OUT(1 4)(5 8).译码驱动OUTS8S1USS(-15V)地SS45OUT图图3 3. .8 8 A AD D7 75 50 02 2芯芯片片结结构构及及引引脚脚功功能能表3.2 AD7502真值表 A1A0EN 接通通道 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1和5 2和6 3和7 4和8 无注意： AD7501，AD7502，AD7503 芯片都是单向多到一的多路开关，即信号只允许从多个 (8个) 输入端向一个输出端传
8、送。单八路模拟开关单八路模拟开关CD4051CD4051 CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。 “INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。 CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V，VSS=0V，当VEE=5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。 CD4051CD4051引脚功能图引脚功能图
9、电平转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUT图图3 3. .9 9 C CD D4 45 50 01 1芯芯片片结结构构及及引引脚脚功功能能CD4051CD4051通道选择真值表输入状态输入状态接通通道接通通道INHCBA0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”
10、0111“7”1均不接通均不接通双四路模拟开关双四路模拟开关CD4052CD4052 CD4052相当于一个双刀四掷开关，具体接通哪一通道，由输入地址码AB来决定。 UDD(-15V)(+15V)地UEE8111612345712131415电平转换译码驱动INH6B9A10Y(OUT/IN)X(OUT/IN)X(IN/OUT)Y(IN/OUT)12345678910111213141516GNDUDDCD4502ABINHUEE(IN/OUT)Y(OUT/IN)YY(IN/OUT)(IN/OUT)X(OUT/IN)XX(IN/OUT)图图3 3. .1 10 0 C CD D4 45 50
11、02 2芯芯片片结结构构及及引引脚脚功功能能CD4052CD4052通道选择真值表输入状态输入状态接通通道接通通道INHBA000“0”X、“0”Y001“1”X、“1”Y010“2”X、“2”Y011“3”X、“3”Y1均不接通均不接通三组二路模拟开关三组二路模拟开关CD4053CD4053 CD4053内部含有3组单刀双掷开关，3组开关具体接通哪一通道，由输入地址码ABC来决定。 CD4053CD4053通道选择真值表输入状态输入状态接通通道接通通道INHCBA0000cX、bX、aX0001cX、bX、aY0010cX、bY、aX0011cX、bY、aY0100cY、bX、aX0101c
12、Y、bX、aY0110cY、bY、aX0111cY、bY、aY1均不接通均不接通CD4067相当于一个单刀十六掷开关，具体接通哪一通道，由输入地址码ABCD来决定。INH为“1”时断开所有通道的接通。 DCBAINH接通通道接通通道00000“0”00010“1”00100“2”00110“3”01000“4”01010“5”01100“6”01110“7”10000“8”10010“9”10100“10”10110“11”11000“12”11010“13”11100“14”11110“15”1均不接通均不接通高压型模拟开关高压型模拟开关高压模拟开关采用全数字电路，时间为数字拨码设置，可实现
13、模拟断路器跳合闸时间设置、三相/分相操作选择、输入信号逻辑控制等作用，从而模拟断路器的跳、合闸动作高压模拟开关特性高压模拟开关特性 模拟断路器可模拟跳闸和合闸时间，时间设置为拨码开关设置，精度高。跳闸时间设置范围为20-200ms，合闸时间设置范围为20-100ms。 模拟断路器跳合闸电源电压为DC220V和DC110V两档，试验前必须选择好电压和输入电压一致。 在模拟回路中设有继电器A、B、C各输出一组转换触点，动断触点闭合或断开触点断开的触点和操作电源完全隔离，可和微机型继电保护试验设备进行配合。 高压模拟开关采用全数字电路，时间为数字拨码设置，可实现模拟断路器跳合闸时间设置、三相/分相操
14、作选择、输入信号逻辑控制等作用，从而模拟断路器的跳、合闸动作。 高压模拟开关可以模拟分相操作断路器，也可模拟三相操作断路器，跳合闸阻抗选择为400欧、200欧、110欧任意选择，当模拟分相操作断路器时，其跳合闸输入端子分别为A合、A跳、B合、B跳、C合、C跳；当模拟三相操作断路器时，其跳合闸输入端子为三跳、三合。另外，面板上还设有手动合闸和手动跳闸按钮，并设有跳合闸信号灯，分别为A合、B合、C合三个红色信号灯和A跳、B跳、C跳三个绿色信号灯，在模拟三相操作断路器时，A、B、C三相信号灯同时明灭。高压模拟开关技术参数高压模拟开关技术参数1.跳闸时间选择：20-100ms2.供电电源AC200V1
15、0%3.跳合闸操作为电源电压：DC220V、DC110V4.合闸时间选择：20-200ms5.跳合闸阻抗选择400、200、1106.模拟断路器常闭/常开接点容量为AC220V/5A高压模拟开关应用高压模拟开关应用高压模拟开关主要用于电力系统断电保护装置或成套继电保护屏的整组试验，可真实地模拟断路器的跳合闸时间。在整组试验时模拟高压断路器的跳闸及合闸，以避免由于重复的整组试验造成断路器反复分合带来的不良影响。MAX4800A,MAX4802A 高压模拟开关高压模拟开关MAX4800A/MAX4802A可为超声成像和打印机应用提供8通道高压开关。该器件采用BCDMOS工艺，提供8个高压低电荷注入
16、SPST开关，由20MHz串行接口控制。数据被移入到内部8位移位寄存器，并通过带使能和清除输入的可编程锁存器保持数据。上电复位功能确保所有开关在上电时为开启状态。关键特性20MHz快速SPI接口灵活的高压电源，可高达VPP - VNN = 200V低电荷注入、低电容的22开关直流至10MHz模拟信号频率范围在5MHz下，关断隔离为-77dB10A的低静态电流低阻型模拟开关4 单刀双掷低阻模拟开关芯片 CH4402 单刀四掷低阻模拟开关芯片 CH4444 单刀单掷低阻模拟开关芯片 CH441CH440 是 4 通道低阻宽带双向模拟开关芯片，包含 4 通道单刀双掷模拟开关；CH444是 双 通道低
17、阻宽带双向模拟开关芯片，包含 2通道单刀四掷模拟开关；CH441 是 4 通道低阻宽带双向模拟开关芯片，包含 4 通道相互独立的单刀单掷模拟开关；它们均具有高带宽，低导通电阻，可以用于视频或者 USB 信号切换。特点 低导通电阻，Ron 典型值为 5。 高带宽，Bw 典型值为 570MHz。 支持视频信号，支持低速、全速和高速 USB 信号。 切换快速，Ton/Toff 典型值小于 5nS。 ESD 支持 4KV HBM。 CH440 和 CH444 提供全局使能引脚，多通道模拟开关统一使能、统一切换。 CH441 提供 4 通道相互独立的模拟开关，兼容 74HC4066 引脚。 支持 5V
18、电源电压、3.3V 电源电压以及 3V 电源电压，低静态功耗。 CH440 和 CH444 采用 SOP-16 无铅封装，CH441 采用 SOP-14 无铅封装，兼容 RoHS。CH440引脚功能CH444引脚功能CH441引脚功能电气参数应用1. 视频信号切换CH440、CH444、和CH441的高带宽和低电阻特性使之比较适用于视频信号切换，例如从2路或者4路视频信号源中选择。由于模拟电路与数字电路共用VCC和GND,为减少干扰，GND引脚必须接触良好，VCC引脚必须外接退耦电容，并且建议将数字输入信号的边沿适当放缓，降低传输频率。2. USB 信号切换CH440、CH444、和CH441
19、支持低速、全速或者高速USB信号切换。几种特殊的模拟开关：1、高频T型开关2、微型封装3、ESD保护开关4、故障保护型开关5、加载-感应开关6、校准型多路复用器1、高频T型开关 T 型开关适用于视频及其它频率高于10MHz的应用，如图所示，它由两个模拟开关(S1、S3)串联组成，另一开关S2 接在地和S1、S3的交点之间，这种结构的开关其关断隔离高于单个开关，由于寄生电容与每个串联开关并联，断开状态的T 型开关其容性串扰随频率的提高而增大。因此，影响开关高频特性的关键在于开关的断开状态而不是接通状态。 当T 型开关导通时，S1 和S3 闭合，S2 断开;当开关断开时，S1、S2 断开，S3 闭
20、合，此时，那些要通过串联MOSFET 的寄生电容耦合到输出端的输入信号被S3 旁路，断开状态下的10MHz 视频T 型开关(MAX4545)的关断隔离达-80dB，而标准模拟开关(MAX312)的关断隔离度只有-36dB。2、微型封装 CMOS开关的优点还包括小的封装尺寸，如6脚SOT23开关不含任何机械部件(与舌簧继电器不同)，Maxim 提供的小型视频开关(MAX4529)及标准的低电压SPDT 开关(MAX4544)均采用6 脚SOT23 封装，供电范围为2.7V 至12V。另外，Maxim 具有多种如同CD4066 的通用模拟开关，例如新发布的MAX4610-MAX4612 低成本四模
21、拟开关，其中，MAX4610 引脚兼容于工业标准的4066，而且能够工作在更低的电源电压(低至2V)，具有较高的精度，通道间最大失配电阻为4;平坦度在8以内。这些型号有三种不同的开关设置，低导通电阻(5V时小于100)适用于低电压应用，采用紧凑的14 脚TSSOP 封装(6.5 x 5.1 x 1.1 mm3)解决了线路板尺寸紧张问题。3、ESD保护开关 基于Maxim 成功的ESD 保护接口产品，15kV ESD 保护电路被引入到某些模拟开关中，新推出的可承受15kV 静电冲击的模拟开关完全符合IEC1000-4-2 Level 4 标准，所有模拟输入通路均经过人体模型ESD 检测和IEC1
22、000-4-2 规定的空气间隙放电模式检验。 MAX4551-4553 引脚与多种标准开关(如DG201/211 和MAX391 等)兼容，针对多路复用器系列产品，如74HC4051 和MAX4581，Maxim 还研制生产了带有ESD 保护的多路复用器。在新的设计中，无需再采用昂贵的TranszorbsTM器件对模拟输入进行保护。4、故障保护型开关 模拟开关的电源电压限制了输入信号的范围，一般情况下，这种限制对模拟开关的使用没有影响，但在某些应用中，系统断电时模拟开关的输入端仍有信号存在，此时，由于输入信号超出了电源电压的范围，将造成开关的永久性损坏。 Maxim 带有故障保护的新型模拟开关
23、和多路复用器能够提供25V 的过压保护，掉电时保护电压达40V，同时可处理满电源摆幅信号，并具有较低的导通电阻。故障状态下，输入端被置成高阻态，与开关状态和负载电阻无关，只有nA级的泄漏电流流过信号源。5、加载-感应开关 在过去几年中，Maxim 推出了一系列新型模拟开关，其中MAX4554-MAX4556 加载-感应型开关，适用于自动检测设备(ATE)中的Kelvin 检测。每中型号包含有用于加载电流的低电阻、大电流开关和用于检测电压或切换保护线的高阻开关。15V 供电时，电流开关导通电阻仅6，感应开关导通电阻为60，MAX4556内置三路SPDT开关。 加载感应开关主要用于高精度系统和远距
24、离测量系统，在4线测量中，2线为负载加载电压或电流，其余2线直接与负载感应线连接。2 线系统中，负载电压感应线与加载线连接到负载的两端。由于加载电压或电流会沿线产生压降，所以负载电压比信号源电压略低，负载与信号源间的距离以及负载电流、导通电阻等都将造成负载电压的衰减。采用4线方式可减小信号衰落，4 线方式中的2 条附加电压感应线上流过的电流可忽略。新型加载感应开关简化了许多应用，例如nV级电压表、飞欧级电阻计等。6、校准型多路复用器 校准型多路复用器(Cal-muxes)主要用于高精度A/D 转换器和自监控系统，芯片内的组合结构主要包括：从输入基准电压产生精密电压比的模拟开关，高精度电阻分压器
25、，用于选择不同输入的多路复用器。该类器件中，MAX4539 和MAX4540 可用于修正A/D 转换中的两个主要误差：失调误差与增益误差。利用内部精密的分压器，在微处理器的串行接口控制下测量增益和失调电压，参考比为15/4096 和4081/4096，精确到15 位，对于基准为4.096V的A/D转换器，15/4096倍的基准电压为15mV，二进制数字输出为000000001111，为测量失调误差，控制器记录二进制数000000001111 与ADC 实际输出之差，用该误差值对失调电 压 加 以 修 正 。 为 测 量 增 益 误 差 ， 校 准 多 路 复 用 器 用4081/4096 代替
26、(VREFHI - VREFLO)，微控制器记录二进制数111111110000 与ADC 实际输出之差，已知ADC 的失调误差和增益误差后，系统软件可建立修正系数，调节后续输出到修正值。模拟开关选型.pdf图3.1示出数字控制电阻网络电阻值大小的电路。在图3.1中,CD4066的四个独立开关分别并接在四个串接电阻上,电阻的值是按二进制位权关系选择的。当某个开关接通时,并接在该开关上的电阻被短路,此处假设该电阻阻值R=RON（RON为模拟开关的导通电阻）;当某个开关断开时,电阻两端阻值仍保持原阻值不变,此处假设该电阻阻值R=ROFF（ROFF为模拟开关断开时的电阻）。四个开关的控制端由四位二进
27、制数A、B、C、D控制,因此,在A、B、C、D端输入不同的四位二进制数,可控制电阻网络的电阻变化,并从其上获得216种不同的电阻值。按图3.1所给的电阻值,该电阻网络所对应的16种阻值列于表3.1中。1.数控电阻网络数控电阻网络图3.1 数控电阻网络输入二进制数电阻值(M)DCBA00003.7500013.5000103.2500113.0001002.7501012.5001102.2501112.0000001.7510011.5010101.2510111.0011000.7511010.5011100.2511114RON2k2.单按钮音量控制器单按钮音量控制器单按钮音量控制器电路见
28、图3.2。VMOS管VT1作为一个可变电阻并接在音响装置的音量电位器输出端与地之间。VT1的D极和S极之间的电阻随VGS成反比变化,因此控制VGS就可实现对音量大小的控制。VT1的G极接有3个模拟开关S1S3和一个100F的电容,其中100F电容起电压保持作用。由于VMOS管的G极和S极之间的电阻极高,故100F电容上的电压可长时间基本保持不变。模拟开关S1为电容提供充电回路,当S1导通时,电源通过S1给电容充电,电容上电压不断增高,使VT1导通电阻越来越小,使音量也越来越小。模拟开关S2为电容提供放电回路,当S2导通时,电容通过S2放电,电容上电压不断下降,使音量越来越大。模拟开关S3起开机
29、音量复位作用,开机时,电源在S3控制端产生一短暂的正脉冲,使S3导通,由于与S3连接的电阻较小,故使电容很快充到一定的电压,使起始音量处于较小的状态。F1F6及其外围元件组成长短脉冲识别电路。静态时,F1、F2输入为高电平,当较长时间按压按钮开关AN时,F4输出变高,经100k电阻给3.3F电容充电,当充电电压超过CMOS门转换电压时,F5输出由高变低,F6输出由低变高,模拟开关S2导通,100F电容放电,音量变大。与此同时,F1输出也变高,也给电容充电,但F1输出的一次正跳变不足以使电容上电压超过转换电压,故F2输出仍为高电平,F3输出低电平,模拟开关S1保持截止。当连续按动按钮开关AN时,
30、F4输出也不断变化,输出为高时,给电容充电,而输出变低时,电容又很快通过二极管VD3放电,故电容上电压总是达不到转换电压,因此F6输出一直为低。而此时F1输出连续高低变化,经二极管整流不断给电容充电,使3.3F电容上电压迅速达到转换电压,F2输出变低,F3输出变高,模拟开关S1导通,给电容充电,音量变小。由此,利用一只按钮开关,实现了对音量的大小控制。图3.2 单按钮音量控制电路3.四路视频信号切换器四路视频信号切换器四路视频信号切换器电路见图3.3。“与非”门YF3、YF4组成脉冲振荡器,振荡频率由100k电位器调节。若嫌调节范围不够,可适当更换0.47F电容和100k电阻。脉冲振荡器受YF
31、1、YF2组成的双稳态电路的控制,按S1时,YF1输出低电平,脉冲振荡器停振;按S2时,YF1输出高电平,脉冲振荡器开始振荡。脉冲振荡器的输出作为CD4017十进制计数器的时钟,使Y0Y3依次出现高电平,相应的四个模拟开关依次导通,由Vi1Vi4输入的视频信号被依次切换至输出端,完成了四路视频信号的切换。显然,增加一片CD4066可做成八路视频信号切换器,相应地,由Y0Y7进行模拟开关控制,Y8连至Cr。依此类推,可做成更多路数的视频信号切换器。而且,输入、输出也可以是其它形式的信号。如要求视频、音频信号同传,则并接上相应数量的模拟开关即可。图3.3 四路视频信号切换器4.音量调节电路音量调节
32、电路音量调节电路见图9。音频信号由Vi端输入,经分压电阻R11和隔直电容加到由R1R10构成的加减电阻网络。CD40192为十进制加减计数器,“与非”门YF3、YF4构成低频振荡器,“与非”门YF1、YF2分别为加计数端CPU和减计数端CPD的计数闸门。图3.4 音量调节电路当D1端为高电平时,闸门YF1开通,低频脉冲经YF1加到CD40192的CPU端,使其作加法计数,输出端Q0Q3数据增大,使16路模拟开关的刀向低端转换,顺序接通R1R10,接通的电阻增大,经与R11分压后,使输出音频信号Vo增大;当D2端为高电平时,闸门YF2开通,低频脉冲经YF2加到CD40192的CPD端,使其作减法计数,输出端Q0Q3数据减小,使16路模拟开关的刀向高端转换,顺序接通R10R1,接通的电阻减小,经与R11分压后,使输出音频信号Vo减小。
