物联网系统中可靠性高体积小功耗低的开关控制方案_模拟开关详解

物联网系统中为什么要使用模拟开关

在物联网系统中使用模拟开关的原因主要基于模拟开关的多个关键特性和其在物联网应用中的重要作用。以下是详细的解释：

模拟开关的关键特性

精确控制电流：模拟开关具有精确控制电流的能力，可以在微观尺度上调整电流的大小，使电流通过电路的部分或全部。这种特性在物联网设备中尤为重要，因为物联网设备往往需要精细的电流控制来实现各种功能。

低功耗设计：模拟开关在开启和关闭时，能将电流控制在最低可行范围内，有效减少能量消耗，避免不必要的能量浪费。这对于物联网设备，尤其是那些依赖电池供电的设备来说，是至关重要的。

高稳定性和长寿命：模拟开关在开关操作过程中几乎没有接触电阻或机械磨损，从而提高了其使用寿命。此外，由于模拟开关精确控制电流，不会产生过大的电流冲击，进一步降低了元件的损坏风险。这种稳定性和长寿命的特性使得模拟开关在需要高可靠性和持久性的物联网应用中非常重要。

便于集成和控制：模拟开关具有较小的尺寸和便于集成的特点，可以方便地嵌入到各种物联网设备中。同时，模拟开关也可以通过数字信号进行远程控制，使得用户可以灵活地控制电流的开启和关闭。这种特性使得模拟开关在物联网系统中得到广泛应用。

模拟开关在物联网系统中的作用

信号切换与传输：模拟开关主要完成信号链路中的信号切换功能，采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开。在物联网系统中，模拟开关可以确保信号在不同设备或模块之间准确、高效地传输。

优化系统性能：通过精确控制电流和信号传输，模拟开关有助于优化物联网系统的整体性能。例如，在需要精确控制设备状态的场景中，模拟开关可以确保设备以最佳状态运行，从而提高系统的稳定性和效率。

降低系统成本：由于模拟开关具有低功耗、高稳定性和长寿命等特点，使用模拟开关可以降低物联网系统的整体成本。例如，通过减少能量消耗和降低元件损坏率，模拟开关可以延长设备的使用寿命并降低维护成本。

本文会再为大家详解传感器家族中的一员——模拟开关。

模拟开关定义

模拟开关，英文名Analog switches；主要是完成信号链路中的信号切换功能，用模拟器件的特性实现，称为模拟开关。模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输入端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。

模拟开关与其他开关对比

模拟开关与普通机械开关对比

模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。与其他机械开关相比，模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。

模拟开关与数字开关对比

当模拟开关集成芯片（IC）开启时，会将模拟和数字信号从输入引脚传导到输出引脚，而且无论信号的传播方向如何，它们都可以传输模拟信号和数字信号。而数字开关只能接受数字信号，并在输出引脚上复制输入引脚上的逻辑电平。当模拟开关关闭时，模拟开关还可在其端子处隔离设备，而数字开关关闭时，它将返回默认逻辑状态。

模拟开关与继电器差别

控制方式的不同

继电器是通过电磁吸合机构控制回路的开关元件，其控制方式基于数字信号，例如计算机信号或PLC控制信号等。而模拟开关则通过机械结构或半导体元件实现开关功能，控制方式基于模拟信号，如电压或电流等。

工作原理的不同

继电器的原理是利用电磁感应产生的磁力来控制开关动作，电磁线圈产生磁场后吸引动作部件，触点实现闭合或断开。而模拟开关则是通过机械或电子元件的物理特性来实现开关状态的改变，例如调节电阻或电容等。

精度和电气特性的不同

在精度方面，继电器的动作时间和重复性相对较差，普遍在几毫秒至几十毫秒之间，而模拟开关的操作精度比较高，通常在数微秒至数毫秒之间。同时，继电器的绝缘性和电流承载能力相比模拟开关也更强，但正因如此，继电器的价格相对较高，体积也较大，而模拟开关则更为轻便和便宜。

应用场景的不同

继电器适用于需要控制高电流或高压电路的场合，例如电力系统、通信等领域。而模拟开关则适用于需要精细调节或直接控制模拟信号的场合，例如音频系统、传感器应用等领域。

模拟开关的工作原理

模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成，如图一所示。模拟开关的真值表见下表。

E	A	B
1	0	0
1	1	1
0	0	高阻状态
0	1	高阻状态

模拟开关的工作原理如下：当选通端Ｅ和输人端Ａ同为1时，则S2端为０，Ｓ1端为１，这时ＶＴ1导通，ＶＴ2截止，输出端Ｂ输出为１，Ａ=Ｂ，相当于输入端和输出端接通。

当选通Ｅ为0时，而输人端Ａ为０时，则S2端为1，S1端为０，这时ＶＴ1截止，VT2导通，输出端Ｂ为０，Ａ＝Ｂ，也相当于输人端和输出端接通。

当选通端Ｅ为０时，这时ＶＴ1和ＶＴ2均为截止状态，电路输出呈高阻状态。

从上面的分析可以看出，只有当选通端Ｅ为高电平时，模拟开关才会被接通，此时可从Ａ向Ｂ传送信息；当输人端Ａ为低电平时，模拟开关关闭，停止传送信息。

模拟开关的分类

由于采用了MOS管的开断性能，模拟开关回路可以实现较高的关断阻抗，一般是兆欧姆以上的关断阻抗；和很低的导通阻抗，一般为几个欧姆级别，因此可以很好的实现信号链路切换和断开隔离的作用。根据应用需求不同；模拟开关可以分为音频模拟开关、视频模拟开关、通用模拟开关，多路模拟开关等。

多路模拟开关

是从多个模拟输入信号中切换选择所需输入通道模拟输入信号电路。场效应晶体管作为模拟开关而得到广泛应用。其优点是工作速度可达10的6次方次/3，导通电阻低（5~25欧），截止电阻高达10的10次方欧。

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。目前市场上的多路开关以CMOS电路为主。

模拟开关的性能指标

模拟开关由于采用的是集成MOS管作为开关的器件实现开关功能；由于MOS管自身物理特性，在使用的时候需要注意一下几个性能指标：

开关速度：

模拟开关的开关速度一般能达到兆Hz的速度，可以快速实现链路切换。

开关耐压：

模拟开由于其应用的信号链路为电子板低压工作环境，关耐压值一般在15v以内；常见的有3.3v、5v、12v、15、等最大耐压值；选择时必须注意信号链路的最大电压与器件最大耐压值。

开关最大电流：

模拟开关的导通能够承受的最大电流值，现在常见的模拟开关的开关最大电流一般在几百毫安以内；安培级别的模拟开关很少。

导通电阻：

常见的模拟开关的导通阻抗一般从几个欧姆到100欧姆之间；在模拟信号和弱信号设计的时候使用模拟开关必须注意这个参数。

关断阻抗：

关断阻抗代表着开关的关断能力，关断好坏，一般产品的关断阻抗足以达到抑制相邻两个信号链路相互干扰的能力。

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