信号转换I 模拟开关采样保持电路课件

1、1第六章第六章 信号转换电路信号转换电路从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从信息形态变化的观点将各种转换分为三种： 从自然界物理量到电量的转换（传感器）从自然界物理量到电量的转换（传感器） 电量之间的转换电量之间的转换1.从电量到物理量的转换从电量到物理量的转换信号转换电路用途：信号转换电路用途：将各类型的信号进行相互转换，使具有不同输将各类型的信号进行相互转换，使具有不同输入、输出的器件可以联用。入、输出的器件可以联用。23便携式摄相机电子框图便携式摄相机电子框图45第一节第一节 采样保持电路电路采样保持电路电路采样保持电路具有采集某一瞬间的模拟输入信采样保持电路具有采集某一瞬间的模拟

2、输入信号，根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。号，根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。采样：采样：电路的输出跟踪输入模拟信号；电路的输出跟踪输入模拟信号；保持：保持：电路输出保持采样结束时刻的瞬时模拟输入信电路输出保持采样结束时刻的瞬时模拟输入信号，直至下一次采样状态为止。号，直至下一次采样状态为止。6一、基本理论一、基本理论7采样采样: : 采集器必须与输入信号相连接，且不影响输入采集器必须与输入信号相连接，且不影响输入信号；采样的信号是被采信号的信号；采样的信号是被采信号的“拷贝拷贝”。保持：保持：能储存信号（信号的存在是以能量来刻画）能储存信号（信号的存在是以能量来刻画）能够存储

3、能量的元件：电感和电容能够存储能量的元件：电感和电容如何实现采样和保持？u 通常电感体积大，价格高，在集成电路中制造较通常电感体积大，价格高，在集成电路中制造较困难，同时困难，同时, ,电流的信号也很难处理电流的信号也很难处理, ,故较少使用。故较少使用。u 通过分析，我们用一个开关和电容就可实现信号通过分析，我们用一个开关和电容就可实现信号的采样和保持。的采样和保持。8简单的采样保持电路简单的采样保持电路9如何实现采样和保持？1 1、新的问题：信号如何保持住？、新的问题：信号如何保持住？要求信号能够输出且能保持住，电容不应形成放电要求信号能够输出且能保持住，电容不应形成放电回路。对电容的回路

4、。对电容的负载负载， 必须是高阻！必须是高阻！2 2、新的问题：如何可以不影响输入信号？、新的问题：如何可以不影响输入信号？放大器跟随器可实现信号跟踪而不影响输入信号。放大器跟随器可实现信号跟踪而不影响输入信号。10采样保持电路的基本性质组成：采样保持电路的基本性质组成：模拟开关模拟开关模拟信号存储电容模拟信号存储电容1. 输入输入/输出缓冲放大器输出缓冲放大器 S Uc uo ui C - + + N1 - + + N2 输入信号加跟随器的作用？输入信号加跟随器的作用？减小负载影响，提高充电电流减小负载影响，提高充电电流。111 1、满足采样定理、满足采样定理2 2、精度和速度、精度和速度

5、为提高实际电路的精度和速度，可从为提高实际电路的精度和速度，可从元件元件和和电路电路两方面着手解决。两方面着手解决。对采样保持电路的主要要求：对采样保持电路的主要要求：12 f O fmin fmax a) F(f) b) E0 E1 E2 O fs 2fs f Fs(f) O fmin fmax fs- fmax fs+ fmax fs 2 fs f F(f)* Fs(f) fs+fminfs-fmin1、采样定理：、采样定理：maxmaxmax2fffffss输入信号频谱输入信号频谱采样信号频谱采样信号频谱c) S/H电路输出信号频谱电路输出信号频谱13 S Uc uo ui C - +

6、+ N1 - + + N2 2、元件性能的影响和要求：、元件性能的影响和要求：输入输出缓冲器输入输出缓冲器 ：提高负载能力和减小负载对信号提高负载能力和减小负载对信号源的影响；源的影响； 特别需注意的参数：特别需注意的参数：输入偏置电流输入偏置电流以及以及带宽带宽，上升速率上升速率和和最大输出电流最大输出电流等性能参数等性能参数。 S Uc uo ui C - + + N1 - + + N2 带宽，上升速率和最大输出带宽，上升速率和最大输出电流电流输入偏置电流输入偏置电流14电子开关：电子开关：开关的状态受电压的控制。开关的状态受电压的控制。在数据采集中在数据采集中, ,常用来控制信号的接通或

7、关断常用来控制信号的接通或关断模拟开关是构成采样保持电路（模拟开关是构成采样保持电路（S/H）、模数转）、模数转换器换器(D/A)、函数发生器、斩波放大器、开关电、函数发生器、斩波放大器、开关电源等的主要元件。源等的主要元件。二、模拟开关二、模拟开关15电子开关相对于机械开关：电子开关相对于机械开关：优点：优点：切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。作可靠且容易控制等。缺点：缺点：导通电阻较大，输入电流容量有限，动态范导通电阻较大，输入电流容量有限，动态范围小等。因而集成模拟开关主要使用在高速围小等。因而集成模拟开关主要使用在高速切换、

8、要求系统体积小的场合。切换、要求系统体积小的场合。 结型FET开关 MOSFET开关 双极性结型晶体管开关（BJT）16理想开关及其理想开关及其I-VI-V特性特性开关开关SWSW的闭合或断开由控制信号的闭合或断开由控制信号C/OC/O决定：当决定：当SWSW闭合时，闭合时，无论电流多少，它的电压为零；当开关断开时，无论电无论电流多少，它的电压为零；当开关断开时，无论电压是多少，它的电流为零。压是多少，它的电流为零。17( (一一) )、双极性结型晶体管（、双极性结型晶体管（BJTBJT）开关：）开关：BJTBJT三个工作区域：三个工作区域：放大区（线性区）、截止区和饱和区（非线性区）；放大区

9、（线性区）、截止区和饱和区（非线性区）；当发射结和集电结都反向偏置时，当发射结和集电结都反向偏置时，BJTBJT截止；截止；当发射结正向偏置而集电结反向偏置，当发射结正向偏置而集电结反向偏置，BJTBJT工作在放大区；工作在放大区；当发射结和集电结都正向偏置时，当发射结和集电结都正向偏置时，BJTBJT饱和。饱和。双极性结型晶体管又称为晶体三极管或晶体管，因为其双极性结型晶体管又称为晶体三极管或晶体管，因为其工作过程中两种载流子都参与导电，所以称其为工作过程中两种载流子都参与导电，所以称其为双极性双极性。BJTBJT模拟开关用到的是模拟开关用到的是BJTBJT的非线性区的非线性区BJTBJT截

10、止时：集电极与发射极间漏电流很小，认为断开；截止时：集电极与发射极间漏电流很小，认为断开；BJTBJT饱和时：饱和时：集电极与发射极间压降很小，认为短接；集电极与发射极间压降很小，认为短接；18BJTBJT构成的模拟开关构成的模拟开关1 1：当控制信号当控制信号VcVc为正时，为正时，V V饱和导通，饱和导通，集电极和发射极间的电压集电极和发射极间的电压VceVce0，输出与地短接，输出与地短接，Vo 0；当控制信号当控制信号VcVc为负时，为负时，V V截止，所以截止，所以输出信号跟随输入信号，输出信号跟随输入信号，Vo Vi19BJTBJT构成的模拟开关构成的模拟开关2 2：当控制信号当控

11、制信号VcVc为负时，为负时，V V截止，电阻截止，电阻R R上没有压降，上没有压降，Vo 0；当控制信号当控制信号VcVc为正时，为正时，V V饱和导通，饱和导通，集电极和发射极间的电压集电极和发射极间的电压Vce0，所以输出信号跟随输入信号，所以输出信号跟随输入信号，Vo Vi20( (二二) )、场效应晶体管（、场效应晶体管（FETFET）模拟开关：）模拟开关：场效应晶体管也称场效应晶体管也称场效应管场效应管，它是利用电场来控制半导，它是利用电场来控制半导体载流子运动。体载流子运动。在场效应管中，参与导电的只有一种载流子，所以称为在场效应管中，参与导电的只有一种载流子，所以称为单极性晶体

12、管单极性晶体管。FET分类：分类：结型场效应晶体管（结型场效应晶体管（JFET）模拟开关和绝缘栅型场效应）模拟开关和绝缘栅型场效应管（管（IGFET），最常用的绝缘栅型场效应管是金属），最常用的绝缘栅型场效应管是金属-氧化氧化物物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFET）与与BJTBJT相比相比优点：优点：场效应管不仅体积小、重量轻、寿命长，而且具有动态范场效应管不仅体积小、重量轻、寿命长，而且具有动态范围大、热稳定性好、制造工艺简单和便于集成的优点。围大、热稳定性好、制造工艺简单和便于集成的优点。FETFET非常小的导通电阻、非常大的截止电阻及具有高的通非常小的导通电阻、非常大的截止电

13、阻及具有高的通断电阻比的特性，非常适合用来做模拟开关断电阻比的特性，非常适合用来做模拟开关21JFETJFET开关开关-n-n沟道沟道截止导通 0pGSGSVvvA A、结型场效应晶体管（、结型场效应晶体管（JFETJFET）模拟开关：）模拟开关：22结型场效应管开关结型场效应管开关（JFETJFETN)N)假设输入电压的范围为假设输入电压的范围为V V2 2到到V V1 1, ,且且V V1 1VV2 2。右图。右图JFETJFET作为一串联开关。作为一串联开关。（1) 1) 如果如果VGS=0, VGS=0, JFETJFET导通导通; ;(2) (2) 如果如果VGV2-VP, VGV2

14、-VP, JFETJFET关闭。关闭。JFET JFET 模拟开关模拟开关由于源级电位的变化，VGS=0不易实现23 结型场效应管开关（结型场效应管开关（JFET-N)JFET-N)导通状态，导通状态，JFETJFET受二级管保护受二级管保护二极管反相偏置：二极管反相偏置：如果如果V VC C比输入信号正的最大值比输入信号正的最大值还大的时候，使还大的时候，使G G与与V VC C断断开，开，V VGSGS=0=0得到实现得到实现24例子：若输入信号范围例子：若输入信号范围为为-10VVi10V,-10VVi10V,且且Vp=6V. Vp=6V. 右图开关的控制电压右图开关的控制电压VcVc应

15、为多少？应为多少？（1) 1) 使使JFETJFET关闭：关闭：VGV2-VP, V2=-10VVGV2-VP, V2=-10VV VG G-10-6VP VGSVP 关闭关闭27结型场效应管开关（结型场效应管开关（JFET-P)JFET-P)分析右图分析右图P-P-沟道开沟道开关的工作原理关的工作原理, ,放大放大器输出电压器输出电压, , 开关开关的夹断电压小于的夹断电压小于4 4伏伏. . 控制电压控制电压VcVc的电压的电压选多少为宜选多少为宜? ?28B B、增强型、增强型MOSFETMOSFET开关（绝缘栅型）开关（绝缘栅型）MOSFETMOSFET是运用半导体表面的电场效应运行工

16、作的，是运用半导体表面的电场效应运行工作的，所以也称为所以也称为表面场效应器件表面场效应器件。MOSFETMOSFET与与JFETJFET相似也有栅极（相似也有栅极（G G）、源极（）、源极（S S）和漏）和漏极（极（D D），其），其源极和漏极是对称的，可以互换源极和漏极是对称的，可以互换。与。与JFETJFET不同的是不同的是MOSFETMOSFET还有一个从衬底引出的衬底极（还有一个从衬底引出的衬底极（B B）。）。MOSFETMOSFET模拟开关因其容易集成，成本低，而应用广模拟开关因其容易集成，成本低，而应用广泛泛MOSFETMOSFET根据导电沟道不同，分为根据导电沟道不同，分为N

17、 N沟道和沟道和P P沟道；沟道；MOSFETMOSFET根据栅源电压根据栅源电压V VGSGS=0V=0V时，导电沟道是否存在分时，导电沟道是否存在分为为增强型和耗尽型增强型和耗尽型。增强型增强型MOSFETMOSFET是是CMOSCMOS技术的基础，所以比较常用技术的基础，所以比较常用29N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET开关（绝缘栅型）开关（绝缘栅型） N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET基本上是一种左右对称的拓基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在扑结构，它是在P P型半导体上生成一层型半导体上生成一层SiOSiO2 2 薄膜绝缘薄膜绝缘层，然后用光刻工艺

18、扩散两个高掺杂的层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N N型区，从型区，从N N型型区引出电极，一个是区引出电极，一个是漏极漏极D D，一个是，一个是源极源极S S。在源极和。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极栅极G G。P P型半型半导体称为导体称为衬底衬底，用符号，用符号B B表示。表示。 控制原理：电容、感应电荷、漏极电流。控制原理：电容、感应电荷、漏极电流。30开启电压开启电压V VGS(th)GS(th)( (或或V VT T) )：开启电压是开启电压是MOSMOS增强型管的参数。增强型管的参数。V VGSGS小于小于V VGS(th)GS

19、(th)的绝对值的绝对值, , 场效应管不能导通。场效应管不能导通。N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET衬底衬底B B应处于最低电位才能正常工作应处于最低电位才能正常工作31N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET开关原理开关原理D B S G ui uo uc i b) S B D G ui uo uc i a) ui o Ron O ui 当当ui吸入电流时，吸入电流时，ui端为端为S S，uo为为D D；当当u uo o吸入电流时，吸入电流时，uo端为端为S S，ui为为D D；a)a)吸电流；吸电流；b b）拉电流）拉电流N N沟道沟道MOSFETMOSFET的

20、的Ron-ui特性特性R Ronon随随u ui i不同而变化不同而变化32P P沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET开关（绝缘栅型）开关（绝缘栅型）P P沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET衬底衬底B B接高电位才能正常工作接高电位才能正常工作VGS小于小于VT的绝对值的绝对值, , 场效应管不能导通。场效应管不能导通。33CMOSCMOS开关电路：开关电路：将一个将一个P P沟道、沟道、N N沟道的增强型沟道的增强型MOSFETMOSFET并联构成并联构成当当uGN=+E, uGP=-E，两管均导通；，两管均导通；当当uGP=+E, uGN=-E，两管均截止；，两管均截止；

21、两管两管R Ronon变化特性相反，变化特性相反，可以互补，等效电阻可以互补，等效电阻恒定恒定CMOSCMOS开关电路开关电路RonuiRonui特性特性34静态特性：静态特性：主要指开关导通和断开时输入端与输主要指开关导通和断开时输入端与输出端之间的电阻出端之间的电阻R Ronon和和R Roffoff, ,此外还有最大开关电此外还有最大开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。压、最大开关电流和驱动功耗等。（三）、模拟开关的性能参数（三）、模拟开关的性能参数动态特性动态特性：开关动作延迟时间，包括开关导通延开关动作延迟时间，包括开关导通延迟时间迟时间T Tonon和开关截止延迟时间和开关截止延迟

22、时间T Toffoff, , 通常通常T TononTToffoff, , 理想模拟开关时理想模拟开关时T Tonon00，T Toffoff0035元件性能的影响和要求元件性能的影响和要求为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通电阻和反向漏电流等参数都应小。导通电阻和反向漏电流等参数都应小。实际的场效应模拟开关模型实际的场效应模拟开关模型 1 1 当闭合时当闭合时, ,相当一个小电阻相当一个小电阻 ( (如如DG403, RDG403, RONON3030欧

23、姆欧姆) ) 2 2 当断开时当断开时, ,相当一个小的电容相当一个小的电容 ( (如如DG403;DG403;约约0.5PF)0.5PF) 3 3 当 断 开 时当 断 开 时 , , 还 存 在 一 定 量 的 泄 漏 电 流还 存 在 一 定 量 的 泄 漏 电 流(DG403;0.5NA) (DG403;Uc1。39采样保持电路的性能参数采样保持电路的性能参数捕捉时间：捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上输入信号为止，所需的时间定义为捕捉时间定地跟踪上输入信号为止，所需的时间定义为捕捉时间. .关断时间关断时间: : 从发出保

24、从发出保持指令地时刻起，直持指令地时刻起，直到输出信号稳定下来到输出信号稳定下来为止，所需的时间定为止，所需的时间定义为关断时间义为关断时间捕捉时间长，电路的跟踪特性差捕捉时间长，电路的跟踪特性差;关断时间长，电关断时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。40总结总结从元件方面来看：从元件方面来看：提高精度的重要措施提高精度的重要措施是减小各种漏电流和偏是减小各种漏电流和偏置电流，选用介质吸附效应小的电容器，减置电流，选用介质吸附效应小的电容器，减小开关导通电阻等的影响。小开关导通电阻等的影响。a)a) 提高工作速度的措施提高工作速度的措施是提高开关速度，减小是提高开关速度，减小开关极间电容的影响，选用上升速率和输出开关极间电容的影响，选用上升速率和输出电流大的运算放大器。电流大的运算放大器。 41三、采用保持电路三、采用保持电路通过减小模拟开关漏电流对存储电容的影响提高精度通过减小模拟开关漏电流对存储