硬件工程师手册

主题

进阶#模拟开关#多路复用#MUX#传输门#电荷注入

模拟开关与多路复用 Analog Switch & MUX ​

1. 设计动机 ​

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数字开关（逻辑门）只能传 0/1，但很多时候我们要用数字信号去"接通/切断"一个模拟信号通路：ADC 前端轮询多路传感器、增益切换、信号路由、采样保持。模拟开关（Analog Switch）就是压控的、能双向通过模拟电压的电子开关；把多个开关按树形组合，就是多路复用器（MUX，Multiplexer）——一根输出线上选通多路输入中的一路。

2. 原理图 ​

CMOS 传输门（Transmission Gate）：NMOS 与 PMOS 并联，由一对互补控制信号驱动，在整个信号幅度范围内保持低导通电阻。

CMOS 模拟开关：PMOS 与 NMOS 并联，IN 与 OUT 双向，控制信号由高/低互补驱动
CMOS 模拟开关：PMOS 与 NMOS 并联，IN 与 OUT 双向，控制信号由高/低互补驱动

4 选 1 MUX：四个开关的输出端接在一起，由地址译码选通其中一路到公共输出。

3. 静态分析（DC） ​

  • 开关导通（ON）时，等效为一个小电阻 RonR_{on}，信号可双向通过；
  • 开关断开（OFF）时，等效为极大电阻（MΩ~GΩ）+ 微小漏电流 IoffI_{off}；
  • 传输门的优势：NMOS 传不好弱高电平、PMOS 传不好弱低电平，二者并联后整个轨到轨范围都低阻导通。
  • 静态误差主要来自 RonR_{on} 与负载分压、以及漏电流在源电阻上的压降。

4. 动态分析（AC / 瞬态） ​

  • 导通电阻 RonR_{on}：典型 1Ω~100Ω，好的器件在整个信号范围内基本平坦；
  • 带宽：RonR_{on} 与负载/寄生电容决定 f−3dB=1/(2πRonCL)f_{-3dB}=1/(2\pi R_{on}C_L)，通常几十 MHz；
  • 电荷注入（Charge Injection）：开关断开瞬间，沟道电荷 QQ 注入采样电容，产生电压尖峰 ΔV=Q/C\Delta V=Q/C；
  • 关断隔离（Off-Isolation）与串扰（Crosstalk）：断开通道对导通通道的信号泄漏，dB 表示。

下面是典型 RonR_{on} 随输入信号电压的变化（在靠近电源轨时 RonR_{on} 会抬升）：

5. 环路分析 ​

模拟开关本身不含反馈环路，它是一个受控电阻。但它接在信号链里会引入误差源：

  • 分压误差：导通时 RonR_{on} 与后级输入阻抗 RLR_L 分压，Vout=Vin⋅RL/(Ron+RL)V_{out}=V_{in}\cdot R_L/(R_{on}+R_L)。要误差小，需 Ron≪RLR_{on}\ll R_L。
  • 建立时间：开关切换后，RonR_{on} 给采样电容充电需时间 τ=RonC\tau=R_{on}C，ADC 采样前要等它稳定。
  • 串扰：MUX 相邻通道的寄生电容把高速信号耦合过去，高阻节点更敏感。
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NMOS 在 VinV_{in} 接近 VDDV_{DD} 时 VGSV_{GS} 变小、沟道夹断，电阻飙升；PMOS 在 VinV_{in} 接近 0 时同理。并联互补后，二者"接力"：信号中段一个管强导通、靠近某一轨另一个管顶上，整体 RonR_{on} 在中间平坦、两端略抬升。选器件时要看 datasheet 的 Ron-vs-Vin 曲线，而不是只看典型值。

6. 元件取值与工程权衡 ​

  • RonR_{on}：按负载分压误差选。后级是高阻（运放缓冲）时几十Ω即可；低阻负载要选 <5Ω。
  • 带宽：信号频率 × 10 < f−3dBf_{-3dB}，留裕量。
  • 电荷注入：采样保持/精密采样场景选带"零注入"或先断后通（Break-Before-Make）的器件，或增大保持电容 CC 压低 ΔV=Q/C\Delta V=Q/C。
  • 供电范围：模拟信号幅度必须落在开关供电轨之内；轨到轨开关可 0~Vcc 全范围。
  • 通道数与吞吐率：MUX 通道越多，寄生电容越大、带宽越低。
  • 先断后通（BBM）：多路切换时防止两通道瞬间短接。

7. 完整设计示例 ​

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  1. 需求：8 路 0~3.3V 传感器，源内阻 1kΩ，后级运放输入阻抗 1MΩ，要求通道间误差 <0.1%。
  2. 算允许 Ron：分压误差 ≈Ron/Rin\approx R_{on}/R_{in}（RinR_{in} 为后级阻抗），0.1%=0.0010.1\%=0.001，允许 Ron<0.001×1MΩ=1kΩR_{on}<0.001\times1\text{M}\Omega=1\text{k}\Omega，留裕量选 Ron<100ΩR_{on}<100\Omega。
  3. 带宽：信号最高 10kHz，选 f−3dB>1MHzf_{-3dB}>1\text{MHz} 的 MUX。
  4. 电荷注入：ADC 采样电容约 20pF，选 Q<1pC 的低注入开关，ΔV=Q/C=1pC/20pF=50mV\Delta V=Q/C=1\text{pC}/20\text{pF}=50\text{mV}——偏大；改选 Q<0.1pC 或加缓冲跟随器。
  5. 选型：选单电源 3.3V、8 通道、Ron<50ΩR_{on}<50\Omega、带 BBM 的 CMOS MUX（如 ADG708 类）。
  6. 验算：Ron=50ΩR_{on}=50\Omega 时分压误差 50/1M=0.005%50/1\text{M}=0.005\%，远小于 0.1%。

8. 仿真与实验 ​

LTspice 用开关行为模型：

  • 控制脚加数字方波，观察信号通断；
  • 测导通时输出与输入差值，换算 RonR_{on}；
  • 切换瞬间观察输出尖峰（电荷注入），换低注入器件对比；
  • MUX：选通不同通道，观察输出在各路间切换、未选通通道几乎无输出（隔离度）。

扩展与变种电路 ​

扩展1：多路复用+仪表放大器 Mux + InAmp ​

MUX 选通多路传感器，后接仪表放大器放大小信号——多通道数据采集（ECG、应变片、温度轮询）的标准链路。

MUX + 仪表放大器：多路输入经 MUX 选通，再进 InAmp
MUX + 仪表放大器：多路输入经 MUX 选通，再进 InAmp
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MUX 的 RonR_{on} 与 InAmp 输入阻抗分压：Vout/Vin=Rin/(Ron+Rin)V_{out}/V_{in}=R_{in}/(R_{on}+R_{in})。要误差小需 Ron≪RinR_{on}\ll R_{in}。

取值：选 Ron<100ΩR_{on}<100\Omega 的 MUX；InAmp 输入阻抗 >100MΩ>100\text{M}\Omega。

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RonR_{on} 与源电阻、后级阻抗分压引入增益误差。后级必须高输入阻抗。

扩展2：开关电容可编程增益 Switched-Capacitor Gain ​

用两相时钟控制的开关给电容反复充放电，等效为一个"电阻"，其等效阻值 R≈1/(fC)R\approx 1/(fC)——可用频率编程增益。

开关电容：两相 Φ1/Φ2 开关给 C1 充放电，等效电阻
开关电容：两相 Φ1/Φ2 开关给 C1 充放电，等效电阻
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每周期把 Q=C1VQ=C_1 V 搬运一次，等效平均电流 I=fC1VI=f C_1 V，故等效电阻：

Req=VI=1fC1R_{eq}=\frac{V}{I}=\frac{1}{f C_1}

改变时钟频率 ff 即可"编程"等效电阻与放大器增益。

取值：时钟频率需远高于信号频率（≥10 倍），否则混叠。

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开关时钟会通过寄生电容馈到信号路径，产生毛刺。选低注入开关、加抗混叠滤波。

扩展3：模拟开关做斩波稳定 Chopper Stabilization ​

用开关把直流信号"斩"成交流，经交流放大后再同步解调——把低频/直流失调与 1/f 噪声搬到高频滤掉，实现零失调放大。

斩波稳定：输入开关调制到交流，放大后同步解调
斩波稳定：输入开关调制到交流，放大后同步解调
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输入开关以固定频率把直流信号调制到交流频率；交流级只放大这个交流（不放大运放自身的低频失调）；输出开关同步解调回直流，失调与 1/f 噪声落在调制频带之外被滤除。

取值：斩波频率取几 kHz~几十 kHz；输出需低通滤除斩波纹波。

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斩波开关在输出留下与斩波频率相同的纹波，后级必须加低通滤波。

扩展4：双刀差分多路复用 Differential Mux ​

同时选通一对差分信号的正端与负端——用于差分传感器（应变片、热电偶、InAmp 前端）的多路切换。

差分 MUX：双端输入双端输出，同时切换差分正负
差分 MUX：双端输入双端输出，同时切换差分正负
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正端负端同步切换，保证差分对对称。两通道的 RonR_{on} 失配会变成共模误差，需选通道间 RonR_{on} 匹配的器件。

取值：选差分结构 MUX；通道间 RonR_{on} 匹配度优先于绝对阻值。

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正负端 RonR_{on} 不等会把共模电压转化为差分误差。选高对称性器件。

9. 常见坑与故障现象 ​

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  • 信号幅度超出开关供电轨：输出失真/锁死，甚至损坏器件。解决：开关供电覆盖信号全幅，选轨到轨型号。
  • 导通电阻导致分压误差：后级阻抗低时信号被衰减。解决：选低 RonR_{on} 开关，或后级加缓冲。
  • 采样瞬间电压尖峰：电荷注入引起误码。解决：选低注入开关、增大保持电容、先断后通。
  • 通道间串扰：高速通道信号窜入相邻通道。解决：降低后级阻抗、PCB 上隔离走线、选高隔离度器件。
  • 先通后断导致两通道短接：切换瞬间两路信号互相拉。解决：选 Break-Before-Make 器件。

10. 自测题 ​

模拟开关 Ron=50Ω，后级负载 10kΩ，导通时信号分压误差约多少？

Vout/Vin=RL/(Ron+RL)=10000/10050≈0.995V_{out}/V_{in}=R_L/(R_{on}+R_L)=10000/10050\approx0.995，误差约 0.5%（衰减 0.5%）。要更小误差需选更低 Ron 或更高阻抗负载。

什么是电荷注入？它对采样保持电路有什么影响？

开关断开时，沟道里存储的电荷 QQ 被挤进采样节点，在电容上产生电压跳变 ΔV=Q/C\Delta V=Q/C。这会让采样值出现固定/随信号变化的误差，精密 ADC 系统必须选低电荷注入开关或增大电容。

NMOS 和 PMOS 单独做开关各有什么短板？为什么并联成传输门？

NMOS 传弱高电平差（靠近 VDD 时 VGSV_{GS} 不足），PMOS 传弱低电平差（靠近 0 时）。二者并联互补驱动，正好"接力"覆盖整个 0~VDD 范围，使导通电阻在全幅内都低。

11. 参考资料 ​

  • Horowitz & Hill, The Art of Electronics (3rd Ed.)，模拟开关与传输门
  • P. Wilson, The Circuit Designer's Companion (3rd Ed.)，模拟开关工程要点
  • TI / ADI 模拟开关与 MUX 数据手册（ADG7xx、CD405x 等）