集成多路模拟开关的应用技巧

集成多路模拟开关（以下简称多路开关）是自动数据采集、程控增益放大等重要技术领域的常用器件，其实际使用性能的优劣对系统的严谨和可靠性重要影响。  关于多路开关的应用技术，些文献上介绍有两点不足：一是对器件自身介绍较多，而对器件与相关电路的合理搭配与协调介绍较少；二是原则性的东西介绍较多，而操作性的东西介绍较少。研究表明：只有正确选择多路开关的种类，注意多路开关与相关电路的合理搭配与协调，保证各电路单元有合适的工作状态，才能充分发挥多路开关的性能，甚至弥补某性能指标的欠缺，收到预期的效果。本文从应用的角度出发，研究多路开关的应用技巧。目前市场上的多路开关以CMOS电路为主，故以下的讨论除特别说明外，均针对这类产品。

　　1 “先断后通”与“先通后断”的选择

　　目前市场上的多路开关的通断切换方式大多为“先断后通”（Break-Before-Make）。

　　在自动数据采集中，应选用“先断后通”的多路开关。否则，就会发生两个通道短接的现象，严重时会损坏信号源或多路开关自身。然而，在程控增益放大器中，若用多路开关来改变集成运算放大器的反馈电阻，以改变放大器的增益，就 
不宜选用“先断后通”的多路开关。否则，放大器就会出现开环状态。放大器的开环增益极高，易破坏电路的正常工作，甚至损坏元器件，一般应予避免。

　　2 选择合适的传输信号输入方式

　　传输信号一般有单端输入和差动输入两种方式，分别适用于不同的场合。

　　单端输入方式如图1所示，即把所有信号源一端接同一信号地，信号地与ADC等的模拟地相接，各信号源的另一端分别接多路开关。图中Vs为传输信号，Vc为系统中的共模干扰信号。

　　图1（a）接法的优点是无需减少一半通道数，也可保证系统的共模抑制能力；缺点是仅适用于所有传输信号均参考一个公共电位，且各信号源均置于同样的噪声环境下，否则会引入附加的差模干扰。

　　图1（b）接法适用于所有传输信号相对于系统模拟公共地的测量，且信号电平明显大于系统中的共模干扰。其优点是可得到最多的通道数，缺点是系统基本失去了共模抑制能力。

　　差动输入方式如图2所示，即把所有信号源的两端分别接至多路开关的输入端。其优点是抗共模干扰的能力强，缺点是实际通道数只有单端输入方式的一半。当传输信号的信噪比较低时，必须使用差动输入方式。

　　3 减小导通电阻的影响

　　多路开关的导通电阻RON（一般为数10Ω至1kΩ左右）比机械开关的接触电阻（一般为mΩ量级）大得多，对自动数据采集的信号传输精度或程控制增益放大的增益影响较明显，而且RON通道随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化，因而其影响难以进行后期修正。实践中一般是设法减小RON来降低其影响。

　　以CD4051为例，测试发现[1]：CD4051的RON随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。当VDD=5V、VEE=0V时，RON=280Ω，且随V1的变化突变；当VDD>10V、VEE=0V时，RON=100Ω，且随V1的变化缓变。可见，适当提高CD4051的VDD有利于减小RON的影响。必须注意：提高VDD的同时，应相应提高选通控制端A、B、C的输入逻辑电平。例如：取VDD=12V(VEE=0V)，可采用电源电压上拉箝位的方法，上拉电阻的阻值取1.5kΩ以上，使选通控制端信号的有效高电平不低于6V。这样，既保证CD4051理想导通（RON小，又实现了CMOS电平与TTL电平的转换（μP一般为TTL电平）。

　　可见，根据具体情况，适当提高多路开关的电源电压，是降低其RON影响的一种有效措施。此外，适当提高电源电压，还可以同时减小导通电阻路差ΔRON和加快开关速度。

　　4 消除抖动引起的误差

　　和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖动过程，会出现瞬变现象。若此时采集多路开关的输出信号，就可能引入很大的误差。例如[2]：某计算机自动数据采集与处理系统采集三个模拟量：水泵转速、流量、压力。三个模拟量对应的TTL电平分别为：1.5454V，1.5698V、2.9394V。采集系统从通道1、2、3分别对这三个模拟量连续采集10次，采集结果位于1.8554～1.8603、1.5625～1.5673、1.62207～1.62695之间，其中1、3、通道的误差很大。研究发现，这种误差是由于系统在多路开关通断切换未稳定下来就采集数据造成的。

　　消除抖动的常用方法有两种：一是用硬件电路来实现（硬件方法），即用RC滤波器除抖动；另一种是用软件延时的方法来解决（软件方法）。在有μP的系统中，软件方法较硬件方法更显优势。如上例中，只要在原QuickBASIC数据采集程序加入一循环语句来适当延时，则采集结果位于1.5454～1.5478、1.5698～1.5722、2.9394～2.9418之间，采集精度明显提高，采集结果正常。