Other Parts Discussed in Post: MUX36S08, TMUX6104
作者：現(xiàn)場應(yīng)用工程師 蘇智超 Rock Su
在測試測量相關(guān)應(yīng)用中，模擬開關(guān)和多路復(fù)用器有著非常廣泛的應(yīng)用，例如運放的增益調(diào)節(jié)、ADC分時采集多路傳感器信號等等。雖然它的功能很簡單，但是仍然有很多細(xì)節(jié)，需要大家在使用的過程中注意。所以，在這里為大家介紹一下模擬開關(guān)和多路復(fù)用器的基礎(chǔ)參數(shù)。
在開始介紹基礎(chǔ)的參數(shù)之前，我們有必要介紹一下模擬開關(guān)和多路復(fù)用器的基本單元MOSFET開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)。
一. MOSFET開關(guān)的架構(gòu)
MOSFET開關(guān)常見的架構(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，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是對稱的，所以在功能上是可以互換的，也因此，開關(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
1） 隨輸入信號電壓而改變：當(dāng)芯片的供電電壓固定時，對于NMOS而言，S級的電壓越高，導(dǎo)通電阻越來越大，對于PMOS而言，S級的電壓越高，導(dǎo)通電阻越來越小。
圖 3 導(dǎo)通電阻隨輸入信號電壓變化的曲線
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，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為導(dǎo)通電阻的平坦度，這個值越大，說明導(dǎo)通電阻的變化幅度越大。
(3). 影響
在這里，我們通過一個仿真實例來觀察一下導(dǎo)通電阻及平坦度對于系統(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，這是因為有導(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，這是因為Ron隨著Vin在變化，會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: 在開關(guān)斷開時，從源極流入或流出的電流稱為
，如圖8。
2) Drain off-leakage current: 在開關(guān)斷開時，從漏極流入或流出的電流稱為
，如圖8
3) On-leakage current: 當(dāng)開關(guān)閉合時，從漏極流入或流出的電流稱為
，如圖8。
圖 8 漏電流定義
(2). 特點
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，漏電流的影響就會凸顯出來。
例如，在圖10的仿真中，輸入源有1M?的源阻抗，我們對這個電阻進(jìn)行直流參數(shù)掃描，觀察它從1M?變化至10M?時，對輸出電壓的影響，結(jié)果可以看到，漏電流通過傳感器的內(nèi)阻會給輸出電壓帶來一個直流誤差。所以，在為高輸出阻抗的傳感器選擇MUX時，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. 模擬開關(guān)和多路復(fù)用器動態(tài)參數(shù)介紹
1. 導(dǎo)通電容 On Capacitance
(1). 定義
CS和CD代表了開關(guān)在斷開時的源極和漏極電容。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，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，CD也會隨著通道的切換被充電或者放電。例如，當(dāng)S1閉合時，CD會被充電至V1。那么此時CD上的電荷QD1：
當(dāng)MUX從S1切換至S2時，CD會被充電至V2。那么此時CD上的電荷QD2：
那么兩次CD上的電荷差就需要V2來提供，所以這時候，MUX輸出就會需要一定的時間來穩(wěn)定。
對于一個N-bit的ADC：
K其實是代表RC電路中，電壓到達(dá)目標(biāo)誤差以內(nèi)時所需要的時間常數(shù)的數(shù)量，例如10-bit accuracy (LSB % FS= 0.0977), K= -ln (0.0977/100)=6.931。
接下來用一個仿真來說明這種現(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對輸出影響的仿真示例電路
當(dāng) 
時，整個回路的時間常數(shù)較大，需要更長時間穩(wěn)定，所以在開關(guān)導(dǎo)通20uS之后，輸出電壓仍然沒有穩(wěn)定到信號源的電壓。
圖 15 C1=50pF 仿真結(jié)果
當(dāng)
時，整個回路的時間常數(shù)較小，需要較短時間穩(wěn)定，所以在開關(guān)導(dǎo)通20uS之內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定到了信號源的電壓。
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
因為在開關(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，會在輸出產(chǎn)生一個電壓誤差。
圖 17 Charge Injection過程示意圖
過程如下：
當(dāng)在EN端有一個階躍信號時，這個階躍電壓會通過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，在輸出端引入的誤差會越小。
但同時，要注意到，注入電荷是一個與供電電壓、輸入信號都有關(guān)的一個參數(shù)。因此，當(dāng)輸入信號的電壓在變化時，會在輸出端產(chǎn)生一個非線性的誤差。所以在選在MUX時，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時降至-0.35 pC，在整個信號范圍內(nèi)降至-0.41 pC。
圖 19 TMUX6104 Charge Injection 曲線
3. 帶寬Bandwidth
(1). 定義
當(dāng)開關(guān)打開時，在漏極的輸出刪減至源極輸入衰減3dB時的頻率，如圖20所示。
圖 20 帶寬定義
(2). 計算方法
圖 21 簡化的MUX內(nèi)部的開關(guān)模型
為了簡化分析，我們忽略RS和CS。根據(jù)圖21中的阻容網(wǎng)絡(luò)，我們可以寫出該電路的傳遞函數(shù)：
其中，3dB cut off frequency:
根據(jù)這個公式，結(jié)合MUX和負(fù)載的參數(shù)，我們就可以算出來在當(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)已知信號施加到導(dǎo)通通道的源極引腳時，在截止通道的源極引腳上出現(xiàn)的電壓。
(2). 特點
圖 23 簡化的MUX內(nèi)部的開關(guān)模型及通道間串?dāng)_隨信號頻率的變化
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，也會由于布局技術(shù)不佳而引入了寄生電容，表現(xiàn)為串?dāng)_。
CSS表示兩個輸入通道之間的寄生電容。 這可能是傳輸信號的兩個輸入走線之間的電容，或者是多路復(fù)用器的兩個輸入引腳之間的電容。
在較低頻率的時候，從S1到OUTPUT的阻抗是RON ，因為S2是斷開的，從S2到OUTPUT的阻抗非常高。隨著施加到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隨頻率的增加也會將一部分輸入信號直接耦合到斷開的通道S2。
減少雜散電容的電路板布局技術(shù)也會有助于通道間的串?dāng)_問題。
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時在多路復(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
圖 25 簡化的MUX內(nèi)部的開關(guān)模型及關(guān)斷隔離隨信號頻率的變化
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。而開關(guān)在截止?fàn)顟B(tài)的寄生電容又取決于多個因素，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)載電阻過低，會引入失真。 較大的負(fù)載電容和漏極電容也將有助于更好的OFF隔離，但會限制多路復(fù)用器的帶寬。
關(guān)斷隔離和串?dāng)_規(guī)范都會分為相鄰和不相鄰?fù)ǖ纼深悺?/p>
以上就是本篇文檔介紹的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器的基本參數(shù)，希望能夠幫助您更好的理解TI的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器，優(yōu)化產(chǎn)品的性能。
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參考文檔：
[1] Is charge injection causing output voltage errors in your industrial control system? https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/10/18/is-charge-injection-causing-output-voltage-errors-in-your-industrial-control-system
[2] Multiplexers: not so simple
https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2016/11/18/multiplexers-not-so-simple
[3] TI Precision Labs - Switches and Multiplexers
https://training.ti.com/ti-precision-labs-multiplexers
[4] Multiplexers and Signal Switches Glossary
http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/slla471/slla471.pdf
[5] Selecting the Right Texas Instruments Signal Switch
http://www.ti.com/lit/an/szza030b/szza030b.pdf
