6.1 TI 高精度实验室 - 多路复用器：导通电阻平坦度和电容

大家好，欢迎参加 TI 高精度实验室系列的

模拟多路复用器基本知识培训。

本视频将提供多路复用器 DC 性能参数

的概览。

本视频系列旨在 让您了解

多路复用器的 DC 性能参数，

以及它们对数据采集系统的性能 会产生怎样的影响。

本视频系列介绍了 如何通过

模拟多路复用器 数据表中

列出的参数 了解系统性能限制

和错误来源。

在本视频中， 我们将第一次

简短讨论 CMOS 开关的 基本构造。

接下来，我们将讨论 导通电阻和导通电容。

特别是，我们将了解 导通电阻如何造成

增益误差和非线性， 以及

导通电容 如何影响多路复用器

沉降行为。

这个演示的 主要目的是

重点介绍 DC 参数和多路复用器，

并了解它们 如何影响

数据采集系统的性能。

在介绍多路复用器 基本知识前，

我们首先来了解一下 CMOS 开关的

基本构造和 它的特性。

这里的幻灯片显示了 CMOS 开关的 典型构造。

CMOS 开关是通过将 N 通道 MOSFET 和

P 通道 MOSFET 并行连接形成的， 如这里显示的。

这种安排 让我们可以

同样轻松地在输出的正电压 和负电压

之间切换。

NMOS 栅的逻辑高 信号将

启用这个 MOSFET， 并允许负电压

传递到输出， 而 PMOS 栅

的逻辑低将 启用这个 MOSFET，

并允许正电压 传递到输出。

反相器用来 在逻辑高输入

应用到控制信号时打开两个 晶体管，

或通过逻辑低输入 关闭它们。

几个 CMOS 开关可以与 某些简单的逻辑

控制组合来制作多路复用器。

虽然 CMOS 开关 输入引脚和输出引脚

可以互换的， 但为了简便起见，

我们将假设源引脚 是 CMOS 开关的输入，

漏引脚是 输出。

PMOS 和 NMOS 开关都有 电压依赖型电阻，

它随输入信号的 变化而变化。

这在导通电阻 与输入电压曲线

这里显示。

PMOS 开关为 正输入电压

提供更低的导通电阻， NMOS 开关为

负输入电压提供更低的 导通电阻。

这两个设备的 并联组合

有组合导通电阻， 其输入电压幅度的

变化要 低很多，

从而让我们能够 同样轻松地传递

两个信号极性。

现在，我们来讨论第一个 重要的多路复用器

参数。

开关导通电阻 是开关关闭时

源引脚和漏引脚 之间的电阻。

像我们之前说的， 开关导通电阻

随输入电压变化而变化。

特定输入电压范围内 导通电阻的

最大值和最小值 称为

R ON 平面度。

R ON 平面度指标 以及导通电阻

与漏源 电压曲线在

数据表中已给出。

MUX 36 SOE 设备的 典型 R ON 曲线，

转换。

更大的 R ON 值 将产生更大的增益误差。

而且，当泄漏电流 流过多路复用器时，

更大的 R ON 值会产生 偏移电压误差。

最后，根据 电路配置，

输入电压的 R ON 调制

可能造成 变化和增益误差，

这会导致 与信号有关的失真。

我们稍后将 详细介绍失真，

并说明某些电路配置 如何实际地

消除这个问题。

这张幻灯片介绍， 如果将多路复用器

与放大器增益设置电阻器 R1 串联，它的导通

电阻会如何 产生非线性增益

误差。

请注意，导通电阻 将直接增加到

R1，形成有效增益 或 AG。

这通过以下方程式 计算得出：

AG = -RF/(R ON+R1)。

请注意，R ON 值 取决于输入

信号.

在本例中，由于开关的 R ON 平面度存在限制，

输入信号在 -12 伏 至 +12 伏范围内变化，

R ON 则在约 120 欧姆 至 150 欧姆

范围内浮动。

由于导通电阻 随输入信号变化而变化，

增益也会随输入信号 发生改变。

增益与输入信号 出现的这种变化

会导致传递函数中 产生非线性因数。

在本例中，最糟糕的情况下， 非线性能够达到约 1%。

请注意， 非线性误差通过

建立适合 传递函数的端点，

并比较测量的传递函数 和端点出口

进行计算。

本示例特意使用 小增益设置电阻器

来使非线性 和增益更加明显。

但是，在电流 流过多路复用器的

电路中， 导通电阻

将产生增益和 非线性误差。

在下一张幻灯片中， 我们将了解

如何使用缓冲放大器 来避免

增益和 非线性。

这个电路说明了 避免出现

与前一个电路有关的失真 和增益误差的方法。

请注意，与多路复用器的 导通电阻比较，

任何运算放大器的 输入阻抗

都非常高。

比如，OPA209 的 通用模式阻抗

是 1 千兆欧姆。

这个高输入阻抗 将消除所有的增益误差，

以及因多路复用器 R ON 和 R ON 平面度产生的

增益误差非线性。

在这种情况下， 与导通电阻相关的主要误差

是由多路复用器泄漏 电流和流过 R ON 的放大器偏压

电流造成的。

对于本示例，多路复用器 泄漏电流通常为

1 皮安， 放大器偏压电流

通常为 1 纳安。

150 欧姆导通电阻 会形成约 150 纳伏的

极小误差，这在多数情况下 都是微不足道的。

一般来说， 当流过多路复用器的

电流非常小时， 导通电阻都

不会造成问题，比如， 当多路复用器连接到

高阻抗输入时。

这张幻灯片说明 多路复用器导通电阻

如何确定沉降性能 和瞬态性能。

电磁干扰。

这个图说明了 多路复用器的简化模型。

多路复用器的每个通道 都可以建模为电容器和电阻器的

串联组合。

CS 和 CD 分别代表开关关闭时， 开关的

源电容和 漏电容。

同样，R ON 是 多路复用器的导通电阻。

通常，多路复用器的 串电容

要高于源电容。

当开关打开时， 我们可以预估出多路复用器

导通电容 C ON 等于 CS ON 加 CD ON。

大多数多路复用器数据表 提供这个电容以及

这个电容对比源电压的 典型值和

最大值。

当多路复用器更改 通道时，漏电容 CD

从一个通道切换到另一个， 这个电容需要

再次充电达到 新通道的

输入电压。

这一转换将确定 多路复用器沉降，

我们将在下一个幻灯片中 详细介绍。

这张幻灯片介绍 多路复用器的瞬时行为，

以及导通电容对 多路复用器输出电压稳定

的影响。

我们来考虑一个示例， 在本示例中，多路复用器

从通道 1 切换到 通道 1，通道 1

和通道 2 的输入电压源 分别为 V1 V2，

通道 1 和通道2 的 源输出阻抗分别为

RS1 和 RS2。

电容 CD 的电荷 在通道 1 打开时为

Q D1 等于 V1 乘以 CD。

电容 CD 的电荷在 通道 2 打开时为

Q D2 等于 V2 乘以 CD。

在从通道 1 切换到 通道 2 时，

V1 将必须提供电荷 δQ 的 差异。

δQ 的方程式 为：δQ =

V1 - V2 × CD。

因为更低的 δQ 能够帮助实现更快的沉降，

所以 δQ 值 应该尽量取最小值。

这可以通过选择 导通电容非常低的多路复用器来实现。

多路复用器结束位精度的沉降时间 计算方法为，

T多路复用器沉降等于 K × (R ON + RS2 × (CD + CS))，

其中，K 是 设定结束位

精确系统 所需的

时间常量值。

由于多路复用器的 导通电容 C ON 通过

C ON = CD + CX 这个方程式来计算，

因此上述方程式还可进行简化。

为了解在典型应用中 多路复用器的

沉降情况，我们来比较一下 只有导通电容存在差异的

两种不同 类型的

多路复用器。

一种多路复用器 有 10 皮法拉

非电容， 另一种有

30 皮法拉 导通电容。

每个多路复用器 供以高阻抗输入源，

如图中所示。

输入源 VN1 为典型的 5 伏电压输出，

输入 VN2 为典型的 1 伏 电压输出。

为了简单起见， 假设每个源

有 100 千欧的 串联阻抗。

多路复用器通道以 10 微秒时间间隔

切换。

源的串联阻抗 或者说 100 千欧

形成一个 RC 滤波器， 有多路复用器导通电容，

时间常量等于 R 乘以 C。 当多路复用器通道以 10 微秒

间隔切换时， 导通电容为

30 皮法拉的多路复用器 不能沉降为输入源

的最终值，这是由于它的 高时间常量。

另一方面， 有 10 皮法拉

非电容的多路复用器 则可以沉降为最终值。

因此，为了最大限度地减少 多路复用器沉降时间，

我们需要选择导通电容 非常低并且 R ON

较低的多路复用器。

通常，导通电阻较低的 多路复用器

导通电容较高， 反过来也是。

更低的 R ON 会最大程度地 减少增益相关误差，

而更低的导通电容则 有助于实现更快的沉降性能。

而且，更高的导通电容 有可能在输入通道

快速切换的系统中 导致

失真。

所以，根据具体的 应用，

我们需要在这两个参数 之间取舍。

概括起来，我们讨论了多路复用器的 的导通电阻和导通电容

参数 是如何定义的，

以及它们如何影响 系统性能。

请继续关注 下一个视频，

我们将详细讨论 另外两个多路复用器参数--

电荷注入 和泄漏电流。

谢谢。

请尝试完成测验以 检查您对本视频

大家好，欢迎参加 TI 高精度实验室系列的

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本视频将提供多路复用器 DC 性能参数

的概览。

本视频系列旨在 让您了解

多路复用器的 DC 性能参数，

以及它们对数据采集系统的性能 会产生怎样的影响。

本视频系列介绍了 如何通过

模拟多路复用器 数据表中

列出的参数 了解系统性能限制

和错误来源。

在本视频中， 我们将第一次

简短讨论 CMOS 开关的 基本构造。

接下来，我们将讨论 导通电阻和导通电容。

特别是，我们将了解 导通电阻如何造成

增益误差和非线性， 以及

导通电容 如何影响多路复用器

沉降行为。

这个演示的 主要目的是

重点介绍 DC 参数和多路复用器，

并了解它们 如何影响

数据采集系统的性能。

在介绍多路复用器 基本知识前，

我们首先来了解一下 CMOS 开关的

基本构造和 它的特性。

这里的幻灯片显示了 CMOS 开关的 典型构造。

CMOS 开关是通过将 N 通道 MOSFET 和

P 通道 MOSFET 并行连接形成的， 如这里显示的。

这种安排 让我们可以

同样轻松地在输出的正电压 和负电压

之间切换。

NMOS 栅的逻辑高 信号将

启用这个 MOSFET， 并允许负电压

传递到输出， 而 PMOS 栅

的逻辑低将 启用这个 MOSFET，

并允许正电压 传递到输出。

反相器用来 在逻辑高输入

应用到控制信号时打开两个 晶体管，

或通过逻辑低输入 关闭它们。

几个 CMOS 开关可以与 某些简单的逻辑

控制组合来制作多路复用器。

虽然 CMOS 开关 输入引脚和输出引脚

可以互换的， 但为了简便起见，

我们将假设源引脚 是 CMOS 开关的输入，

漏引脚是 输出。

PMOS 和 NMOS 开关都有 电压依赖型电阻，

它随输入信号的 变化而变化。

这在导通电阻 与输入电压曲线

这里显示。

PMOS 开关为 正输入电压

提供更低的导通电阻， NMOS 开关为

负输入电压提供更低的 导通电阻。

这两个设备的 并联组合

有组合导通电阻， 其输入电压幅度的

变化要 低很多，

从而让我们能够 同样轻松地传递

两个信号极性。

现在，我们来讨论第一个 重要的多路复用器

参数。

开关导通电阻 是开关关闭时

源引脚和漏引脚 之间的电阻。

像我们之前说的， 开关导通电阻

随输入电压变化而变化。

特定输入电压范围内 导通电阻的

最大值和最小值 称为

R ON 平面度。

R ON 平面度指标 以及导通电阻

与漏源 电压曲线在

数据表中已给出。

MUX 36 SOE 设备的 典型 R ON 曲线，

转换。

更大的 R ON 值 将产生更大的增益误差。

而且，当泄漏电流 流过多路复用器时，

更大的 R ON 值会产生 偏移电压误差。

最后，根据 电路配置，

输入电压的 R ON 调制

可能造成 变化和增益误差，

这会导致 与信号有关的失真。

我们稍后将 详细介绍失真，

并说明某些电路配置 如何实际地

消除这个问题。

这张幻灯片介绍， 如果将多路复用器

与放大器增益设置电阻器 R1 串联，它的导通

电阻会如何 产生非线性增益

误差。

请注意，导通电阻 将直接增加到

R1，形成有效增益 或 AG。

这通过以下方程式 计算得出：

AG = -RF/(R ON+R1)。

请注意，R ON 值 取决于输入

信号.

在本例中，由于开关的 R ON 平面度存在限制，

输入信号在 -12 伏 至 +12 伏范围内变化，

R ON 则在约 120 欧姆 至 150 欧姆

范围内浮动。

由于导通电阻 随输入信号变化而变化，

增益也会随输入信号 发生改变。

增益与输入信号 出现的这种变化

会导致传递函数中 产生非线性因数。

在本例中，最糟糕的情况下， 非线性能够达到约 1%。

请注意， 非线性误差通过

建立适合 传递函数的端点，

并比较测量的传递函数 和端点出口

进行计算。

本示例特意使用 小增益设置电阻器

来使非线性 和增益更加明显。

但是，在电流 流过多路复用器的

电路中， 导通电阻

将产生增益和 非线性误差。

在下一张幻灯片中， 我们将了解

如何使用缓冲放大器 来避免

增益和 非线性。

这个电路说明了 避免出现

与前一个电路有关的失真 和增益误差的方法。

请注意，与多路复用器的 导通电阻比较，

任何运算放大器的 输入阻抗

都非常高。

比如，OPA209 的 通用模式阻抗

是 1 千兆欧姆。

这个高输入阻抗 将消除所有的增益误差，

以及因多路复用器 R ON 和 R ON 平面度产生的

增益误差非线性。

在这种情况下， 与导通电阻相关的主要误差

是由多路复用器泄漏 电流和流过 R ON 的放大器偏压

电流造成的。

对于本示例，多路复用器 泄漏电流通常为

1 皮安， 放大器偏压电流

通常为 1 纳安。

150 欧姆导通电阻 会形成约 150 纳伏的

极小误差，这在多数情况下 都是微不足道的。

一般来说， 当流过多路复用器的

电流非常小时， 导通电阻都

不会造成问题，比如， 当多路复用器连接到

高阻抗输入时。

这张幻灯片说明 多路复用器导通电阻

如何确定沉降性能 和瞬态性能。

电磁干扰。

这个图说明了 多路复用器的简化模型。

多路复用器的每个通道 都可以建模为电容器和电阻器的

串联组合。

CS 和 CD 分别代表开关关闭时， 开关的

源电容和 漏电容。

同样，R ON 是 多路复用器的导通电阻。

通常，多路复用器的 串电容

要高于源电容。

当开关打开时， 我们可以预估出多路复用器

导通电容 C ON 等于 CS ON 加 CD ON。

大多数多路复用器数据表 提供这个电容以及

这个电容对比源电压的 典型值和

最大值。

当多路复用器更改 通道时，漏电容 CD

从一个通道切换到另一个， 这个电容需要

再次充电达到 新通道的

输入电压。

这一转换将确定 多路复用器沉降，

我们将在下一个幻灯片中 详细介绍。

这张幻灯片介绍 多路复用器的瞬时行为，

以及导通电容对 多路复用器输出电压稳定

的影响。

我们来考虑一个示例， 在本示例中，多路复用器

从通道 1 切换到 通道 1，通道 1

和通道 2 的输入电压源 分别为 V1 V2，

通道 1 和通道2 的 源输出阻抗分别为

RS1 和 RS2。

电容 CD 的电荷 在通道 1 打开时为

Q D1 等于 V1 乘以 CD。

电容 CD 的电荷在 通道 2 打开时为

Q D2 等于 V2 乘以 CD。

在从通道 1 切换到 通道 2 时，

V1 将必须提供电荷 δQ 的 差异。

δQ 的方程式 为：δQ =

V1 - V2 × CD。

因为更低的 δQ 能够帮助实现更快的沉降，

所以 δQ 值 应该尽量取最小值。

这可以通过选择 导通电容非常低的多路复用器来实现。

多路复用器结束位精度的沉降时间 计算方法为，

T多路复用器沉降等于 K × (R ON + RS2 × (CD + CS))，

其中，K 是 设定结束位

精确系统 所需的

时间常量值。

由于多路复用器的 导通电容 C ON 通过

C ON = CD + CX 这个方程式来计算，

因此上述方程式还可进行简化。

为了解在典型应用中 多路复用器的

沉降情况，我们来比较一下 只有导通电容存在差异的

两种不同 类型的

多路复用器。

一种多路复用器 有 10 皮法拉

非电容， 另一种有

30 皮法拉 导通电容。

每个多路复用器 供以高阻抗输入源，

如图中所示。

输入源 VN1 为典型的 5 伏电压输出，

输入 VN2 为典型的 1 伏 电压输出。

为了简单起见， 假设每个源

有 100 千欧的 串联阻抗。

多路复用器通道以 10 微秒时间间隔

切换。

源的串联阻抗 或者说 100 千欧

形成一个 RC 滤波器， 有多路复用器导通电容，

时间常量等于 R 乘以 C。 当多路复用器通道以 10 微秒

间隔切换时， 导通电容为

30 皮法拉的多路复用器 不能沉降为输入源

的最终值，这是由于它的 高时间常量。

另一方面， 有 10 皮法拉

非电容的多路复用器 则可以沉降为最终值。

因此，为了最大限度地减少 多路复用器沉降时间，

我们需要选择导通电容 非常低并且 R ON

较低的多路复用器。

通常，导通电阻较低的 多路复用器

导通电容较高， 反过来也是。

更低的 R ON 会最大程度地 减少增益相关误差，

而更低的导通电容则 有助于实现更快的沉降性能。

而且，更高的导通电容 有可能在输入通道

快速切换的系统中 导致

失真。

所以，根据具体的 应用，

我们需要在这两个参数 之间取舍。

概括起来，我们讨论了多路复用器的 的导通电阻和导通电容

参数 是如何定义的，

以及它们如何影响 系统性能。

请继续关注 下一个视频，

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电荷注入 和泄漏电流。

谢谢。

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