物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中可靠性高體積小功耗低的開(kāi)關(guān)控制方案_模擬開(kāi)關(guān)詳解

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用模擬開(kāi)關(guān)

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用模擬開(kāi)關(guān)的原因主要基于模擬開(kāi)關(guān)的多個(gè)關(guān)鍵特性和其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的重要作用。以下是詳細(xì)的解釋：

模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵特性

精確控制電流：模擬開(kāi)關(guān)具有精確控制電流的能力，可以在微觀尺度上調(diào)整電流的大小，使電流通過(guò)電路的部分或全部。這種特性在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中尤為重要，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備往往需要精細(xì)的電流控制來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。

低功耗設(shè)計(jì)：模擬開(kāi)關(guān)在開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，能將電流控制在最低可行范圍內(nèi)，有效減少能量消耗，避免不必要的能量浪費(fèi)。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，尤其是那些依賴電池供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)，是至關(guān)重要的。

高穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命：模擬開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)操作過(guò)程中幾乎沒(méi)有接觸電阻或機(jī)械磨損，從而提高了其使用壽命。此外，由于模擬開(kāi)關(guān)精確控制電流，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的電流沖擊，進(jìn)一步降低了元件的損壞風(fēng)險(xiǎn)。這種穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命的特性使得模擬開(kāi)關(guān)在需要高可靠性和持久性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中非常重要。

便于集成和控制：模擬開(kāi)關(guān)具有較小的尺寸和便于集成的特點(diǎn)，可以方便地嵌入到各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。同時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)也可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使得用戶可以靈活地控制電流的開(kāi)啟和關(guān)閉。這種特性使得模擬開(kāi)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

模擬開(kāi)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的作用

信號(hào)切換與傳輸：模擬開(kāi)關(guān)主要完成信號(hào)鏈路中的信號(hào)切換功能，采用MOS管的開(kāi)關(guān)方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)鏈路關(guān)斷或者打開(kāi)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，模擬開(kāi)關(guān)可以確保信號(hào)在不同設(shè)備或模塊之間準(zhǔn)確、高效地傳輸。

優(yōu)化系統(tǒng)性能：通過(guò)精確控制電流和信號(hào)傳輸，模擬開(kāi)關(guān)有助于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體性能。例如，在需要精確控制設(shè)備狀態(tài)的場(chǎng)景中，模擬開(kāi)關(guān)可以確保設(shè)備以最佳狀態(tài)運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

降低系統(tǒng)成本：由于模擬開(kāi)關(guān)具有低功耗、高穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，使用模擬開(kāi)關(guān)可以降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體成本。例如，通過(guò)減少能量消耗和降低元件損壞率，模擬開(kāi)關(guān)可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命并降低維護(hù)成本。

本文會(huì)再為大家詳解傳感器家族中的一員——模擬開(kāi)關(guān)。

模擬開(kāi)關(guān)定義

模擬開(kāi)關(guān)，英文名Analog switches；主要是完成信號(hào)鏈路中的信號(hào)切換功能，用模擬器件的特性實(shí)現(xiàn)，稱為模擬開(kāi)關(guān)。模擬開(kāi)關(guān)是一種三穩(wěn)態(tài)電路，它可以根據(jù)選通端的電平，決定輸人端與輸出端的狀態(tài)。當(dāng)選通端處在選通狀態(tài)時(shí)，輸出端的狀態(tài)取決于輸入端的狀態(tài)；當(dāng)選通端處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則不管輸入端電平如何，輸出端都呈高阻狀態(tài)。模擬開(kāi)關(guān)在電子設(shè)備中主要起接通信號(hào)或斷開(kāi)信號(hào)的作用。由于模擬開(kāi)關(guān)具有功耗低、速度快、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)、體積小和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。

模擬開(kāi)關(guān)與其他開(kāi)關(guān)對(duì)比

模擬開(kāi)關(guān)與普通機(jī)械開(kāi)關(guān)對(duì)比

模擬開(kāi)關(guān)在電子設(shè)備中主要起接通信號(hào)或斷開(kāi)信號(hào)的作用。與其他機(jī)械開(kāi)關(guān)相比，模擬開(kāi)關(guān)具有功耗低、速度快、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)、體積小和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。

模擬開(kāi)關(guān)與數(shù)字開(kāi)關(guān)對(duì)比

當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)集成芯片（IC）開(kāi)啟時(shí)，會(huì)將模擬和數(shù)字信號(hào)從輸入引腳傳導(dǎo)到輸出引腳，而且無(wú)論信號(hào)的傳播方向如何，它們都可以傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。而數(shù)字開(kāi)關(guān)只能接受數(shù)字信號(hào)，并在輸出引腳上復(fù)制輸入引腳上的邏輯電平。當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)還可在其端子處隔離設(shè)備，而數(shù)字開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，它將返回默認(rèn)邏輯狀態(tài)。

模擬開(kāi)關(guān)與繼電器差別

控制方式的不同

繼電器是通過(guò)電磁吸合機(jī)構(gòu)控制回路的開(kāi)關(guān)元件，其控制方式基于數(shù)字信號(hào)，例如計(jì)算機(jī)信號(hào)或PLC控制信號(hào)等。而模擬開(kāi)關(guān)則通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體元件實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，控制方式基于模擬信號(hào)，如電壓或電流等。

工作原理的不同

繼電器的原理是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁力來(lái)控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作，電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)后吸引動(dòng)作部件，觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)閉合或斷開(kāi)。而模擬開(kāi)關(guān)則是通過(guò)機(jī)械或電子元件的物理特性來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的改變，例如調(diào)節(jié)電阻或電容等。

精度和電氣特性的不同

在精度方面，繼電器的動(dòng)作時(shí)間和重復(fù)性相對(duì)較差，普遍在幾毫秒至幾十毫秒之間，而模擬開(kāi)關(guān)的操作精度比較高，通常在數(shù)微秒至數(shù)毫秒之間。同時(shí)，繼電器的絕緣性和電流承載能力相比模擬開(kāi)關(guān)也更強(qiáng)，但正因如此，繼電器的價(jià)格相對(duì)較高，體積也較大，而模擬開(kāi)關(guān)則更為輕便和便宜。

應(yīng)用場(chǎng)景的不同

繼電器適用于需要控制高電流或高壓電路的場(chǎng)合，例如電力系統(tǒng)、通信等領(lǐng)域。而模擬開(kāi)關(guān)則適用于需要精細(xì)調(diào)節(jié)或直接控制模擬信號(hào)的場(chǎng)合，例如音頻系統(tǒng)、傳感器應(yīng)用等領(lǐng)域。

模擬開(kāi)關(guān)的工作原理

模擬開(kāi)關(guān)電路由兩個(gè)或非門、兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管及一個(gè)非門組成，如圖一所示。模擬開(kāi)關(guān)的真值表見(jiàn)下表。

模擬開(kāi)關(guān)的工作原理如下：當(dāng)選通端Ｅ和輸人端Ａ同為1時(shí)，則S2端為０，Ｓ1端為１，這時(shí)ＶＴ1導(dǎo)通，ＶＴ2截止，輸出端Ｂ輸出為１，Ａ=Ｂ，相當(dāng)于輸入端和輸出端接通。

當(dāng)選通Ｅ為0時(shí)，而輸人端Ａ為０時(shí)，則S2端為1，S1端為０，這時(shí)ＶＴ1截止，VT2導(dǎo)通，輸出端Ｂ為０，Ａ＝Ｂ，也相當(dāng)于輸人端和輸出端接通。

當(dāng)選通端Ｅ為０時(shí)，這時(shí)ＶＴ1和ＶＴ2均為截止?fàn)顟B(tài)，電路輸出呈高阻狀態(tài)。

從上面的分析可以看出，只有當(dāng)選通端Ｅ為高電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)才會(huì)被接通，此時(shí)可從Ａ向Ｂ傳送信息；當(dāng)輸人端Ａ為低電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)關(guān)閉，停止傳送信息。

模擬開(kāi)關(guān)的分類

由于采用了MOS管的開(kāi)斷性能，模擬開(kāi)關(guān)回路可以實(shí)現(xiàn)較高的關(guān)斷阻抗，一般是兆歐姆以上的關(guān)斷阻抗；和很低的導(dǎo)通阻抗，一般為幾個(gè)歐姆級(jí)別，因此可以很好的實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈路切換和斷開(kāi)隔離的作用。根據(jù)應(yīng)用需求不同；模擬開(kāi)關(guān)可以分為音頻模擬開(kāi)關(guān)、視頻模擬開(kāi)關(guān)、通用模擬開(kāi)關(guān)，多路模擬開(kāi)關(guān)等。

多路模擬開(kāi)關(guān)

是從多個(gè)模擬輸入信號(hào)中切換選擇所需輸入通道模擬輸入信號(hào)電路。場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為模擬開(kāi)關(guān)而得到廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是工作速度可達(dá)10的6次方次/3，導(dǎo)通電阻低（5~25歐），截止電阻高達(dá)10的10次方歐。

研究表明：只有正確選擇多路開(kāi)關(guān)的種類，注意多路開(kāi)關(guān)與相關(guān)電路的合理搭配與協(xié)調(diào),保證各電路單元有合

適的工作狀態(tài)，才能充分發(fā)揮多路開(kāi)關(guān)的性能，甚至彌補(bǔ)某性能指標(biāo)的欠缺,收到預(yù)期的效果。目前市場(chǎng)上的多路開(kāi)關(guān)以CMOS電路為主。

模擬開(kāi)關(guān)的性能指標(biāo)

模擬開(kāi)關(guān)由于采用的是集成MOS管作為開(kāi)關(guān)的器件實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能；由于MOS管自身物理特性，在使用的時(shí)候需要注意一下幾個(gè)性能指標(biāo)：

開(kāi)關(guān)速度：

模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度一般能達(dá)到兆Hz的速度，可以快速實(shí)現(xiàn)鏈路切換。

開(kāi)關(guān)耐壓：

模擬開(kāi)由于其應(yīng)用的信號(hào)鏈路為電子板低壓工作環(huán)境，關(guān)耐壓值一般在15v以內(nèi)；常見(jiàn)的有3.3v、5v、12v、15、等最大耐壓值；選擇時(shí)必須注意信號(hào)鏈路的最大電壓與器件最大耐壓值。

開(kāi)關(guān)最大電流：

模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通能夠承受的最大電流值，現(xiàn)在常見(jiàn)的模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)最大電流一般在幾百毫安以內(nèi)；安培級(jí)別的模擬開(kāi)關(guān)很少。

導(dǎo)通電阻：

常見(jiàn)的模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通阻抗一般從幾個(gè)歐姆到100歐姆之間；在模擬信號(hào)和弱信號(hào)設(shè)計(jì)的時(shí)候使用模擬開(kāi)關(guān)必須注意這個(gè)參數(shù)。

關(guān)斷阻抗：

關(guān)斷阻抗代表著開(kāi)關(guān)的關(guān)斷能力，關(guān)斷好壞，一般產(chǎn)品的關(guān)斷阻抗足以達(dá)到抑制相鄰兩個(gè)信號(hào)鏈路相互干擾的能力。

供應(yīng)商A：江蘇潤(rùn)石科技

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對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

硬件參考設(shè)計(jì)

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

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審核編輯 黃宇