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理论上，MOSFET管也具有双向特性，可以传输
双极性信号。由于开关对电流的流向不存在选择问 题，没有严格的输入端与输出端之分。但是NMOS 和PMOS的导通电阻RON与输入信号电压VIN有关， RON与VIN的关系曲线如图所示。
RON随VIN变化将导致额
外误差。解决方法：将 NMOS和PMOS晶体管 互相并联，形成所谓的 互补MOS型结构 （ComplementaryMOS，CMOS）。
P沟道由N型衬底和两个高浓度P扩散区构成，导通时
在两个p扩散区之间靠近栅极处也有P型导电沟道。
增强型和耗尽型的区别是
前者在栅源电压VGS=0 时，漏源之间没有导电沟 道；而后者在VGS=0时， 漏源之间（因掺杂）就有 导电沟道存在。
n型沟道
N沟道MOS管结构示意图
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——选择集成MUX产品时需要考虑的因素和指标
通道数量
集成MUX包括多个通道。通道数量对传输信号的精度 和开关切换速率有直接影响，通道数越多，泄漏电流 就越大。因为当选通一路时，其它阻断的通道并不是 完全断开，而是处于高阻状态，会有泄漏电流对导通 通道产生影响。另外通道越多，杂散电容越大，通道 之间的串扰（交调干扰）也越严重。 在实际应用中，所选用产品的通道数往往大于实际需 要。多余通道应接模拟地，或接Vref（等同于交流接 地），一方面减少干扰，另外可用于自动校准。
且RON不随信号电压和电源电压变化，接通时延小（可 小于100ns），可双向传输等优点。但需注意，在断电 时JFET的开关处于“导通”状态（即所谓常闭型）。
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JFET型IC的制造工艺较复杂。因此，JFET型MUX的
集成电路芯片很少。例如，ADI目前MUX产品目录中 有MUX08/16/24等少数几种是JFET型；NS公司的 LF13508/09等早已停产；Maxim公司有500多种电子 开关（包括MUX）产品，但没有一个是JFET型。
第五章 模拟多路Βιβλιοθήκη 关1中国科学技术大学电子工程与信息科学系 中国科学技术大学电子工程与信息科学系
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本章内容
5.1 概述 5.2 模拟多路开关的工作原理和特点 5.3 如何选择集成MUX产品
——选择集成MUX产品时需要考虑的因素和指标
5.4 典型MUX芯片简介
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VIN
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CMOS开关原理
电路如右上图所 示，Q1和Q2为 一对控制管， Q3和Q4为一对 开关管。
CMOS开关的
RON与VIN之间的 关系如右下图所 示，RON不再随 VIN变化而改 变，但RON仍然 与电源电压和温 度有关。
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RON的一致性与平坦度
RON导致精度降低，尤其是开关的负载阻抗较低时影响越 严重，现已有大量RON＜10Ω的产品面世。 CMOS开关RON随输入电压Vin的变化还是有一些波动， RON的平坦度△RON是指在限定的VIN范围内RON的最大起 伏值，△RON＝RONMAX－RONMIN。△RON应越小越好。 RON的一致性表示各通道RON的差值。RON的一致性好， 系统在采集各路信号时由开关引起的误差也就越小。 CMOS开关的RON的值还与电源电压有直接关系，通常电 源电压越大，RON就越小。 在MUX的输出端加高输入阻抗的射级跟随器，可以有效 地减少RON 以及△RON不一致所带来的影响。
根据集成MUX内部各个通道之间的关系，按照传统开关
的称呼，又分为SPST（Single Pole Single Throw， 单刀单掷）、DPDT（双刀双掷）、SPDT（单刀双掷） 和（DPST）双刀单掷等。
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5.3 如何选择集成MUX产品

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Crosstalk：通道之间的（Channel-to-Channel）交调 干扰（串扰）。这是由于通道之间的电容CSS（见上页 图）引起的，显然该指标也与输入信号的频率有关。 当模拟开关切换时，开关输出端与地之间的电容还会引 起严重的毛刺干扰。在下图所示的电路中，假设某个时 刻S2闭合，S1断开， CD2和CD1都充电至5V；当切换至S1闭 合，S2断开时，放大 器A的输出端将出现 一个负跳变的毛刺。 在示波器上拍摄的波 形照片如下页所示。
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5.2 模拟多路开关的工作原理和特点
一、电磁继电器型（机电式）开关

原理：
驱动电流流经线圈，产生磁场对衔铁或簧片进行吸
合，从而控制开关的状态。
常开型（NO-Normal Open），常闭型（NC）

特点：
RON小，ROFF大，IC大带负载能力强，断开隔离度高， 没有泄漏电流，也没有通道串扰。 体积大，速度慢，需要较大的驱动，驱动电路、线圈 和触点等会产生较大的干扰。
利用三极管的开关特性
Ui1 模拟信号1 UC1 T1 R21 通道选择 1 R11 T1
+15V
Uo
Ti饱和导通/截至，第i路 开关闭合/断开。 接通时延小，速度快。 泄漏电流大，导通电阻 RON大，断开电阻ROFF 小，通道串扰大。 属于电流控制器件，功 大，集成度低，并且只 单向传输。

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主要技术指标：
RON：导通电阻，指开关闭合后，开关两端的等效电阻
阻值。理想开关的RON＝0。
ROFF：断开电阻，指开关断开后，开关两端的电阻等效
电阻阻值。理想开关的ROFF∞。
tON、 tOFF：接通（延迟）时间和断开（延迟）时间，
(2) 绝缘栅场效应晶体管（Isolated Gate FET ）
IGFET的栅极与源极之间、栅极与漏极之间均有一层
缘层（多为二氧化硅SiO2） ，“绝缘栅”故而得名。又 因其栅极上沉积了一层金属（原多为铝，现也有铜） 作为引线，其分层结构为金属-氧化物-半导体，所以 IGFET更多地被称为“MOSFET”或MOS晶体管。与 JFET相比，MOSFET的温度稳定性好、IC工艺简单， 因而广泛应用于LSI和VLSI制造。也是目前使用最为广 泛的电子式模拟多路开关。
. . .
模拟信号8 Ui8 T8 R28 通道选择 8 UC8 R18 T8
+15V
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2）场效应晶体管
场效应晶体管（FET—Field
Effect Transistor ）分
为结型和绝缘栅型两种。 (1) 结型场效应管（JFET—Junction FET）
指从控制信号到达最终值的50%时，到开关输出到达 最终稳定值的90%之间的时延。
控制信号
开关输出
tON
tOFF
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IC
：开关接通电流。指开关闭合时所能承受的流经开 关的平均电流强度。
ILKG
：泄漏电流。在电子式开关中，因芯片内部半导 器件的缺陷，有微小的电流自输入端流出，经信号源 内阻产生干扰（如下图所示）。ILKG又分为开关断开时 的IDOFF（漏极）和ISOFF（源极），以及开关闭合时的 IDON和ISON。
大会导致簧片抖动。

电磁继电器的驱动
需要较大的驱动，一般用OC门或三
极管进行驱动（如图）。为防止三 极管截至时，因电感中的电流突变 在线圈两端产生过高的感生电动 势，利用D和C进行保护和吸能。
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二、电子式模拟多路开关
1）双极型晶体管
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MOSFET也分为N沟道（NMOS）FET和P沟道
（PMOS）FET ，每种又有增强型和耗尽型之分。
N沟道由P型衬底和两个高浓度N扩散区构成（如图所
示）。导通时，在栅源电压的作用下，两个高浓度n扩 散区之间靠近栅极处形成一层薄薄的N型导电沟道。
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正是由于电磁继电器具有上述
簧片
的突出优点，仍然在数据（尤 其是微弱信号）采集系统中有 广泛应用。其中应用较多的是 小型化的干簧继电器（Reed Relays / Switches ）。

线圈
触点
电磁继电器原理图
干簧（磁簧、舌簧）继电器
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5.1 概述

模拟多路开关：又称为模拟多路复用器（Analog Multiplexer），其作用是将多路输入的模拟信 号，按照时分多路（TDM）的原理，分别与输出 端连接，以使得多路输入信号可以复用（共用） 一套后端的装置。 核心是电控开关。电控开关的类型主要有：
机电式：例如各种类型的继电器。 电子式：包括双极型和MOS型等。 固态继电器（SSR）：功率器件，主要用于控制领域。
示波器

CD1
CD2
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