用模擬開關(guān)實現(xiàn)信號復(fù)用

　　請注意模擬開關(guān)和多路復(fù)用器，它們是信號通道的關(guān)鍵元件。設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)了解這些重要模擬部件的應(yīng)用和規(guī)格。

　　要 點

　　模擬開關(guān)的主要規(guī)格是電壓、導(dǎo)通電阻、電容、電荷注入、速度和封裝。

　　介質(zhì)絕緣工藝可防止一些開關(guān)的閂鎖。

　　開關(guān)的工作范圍從直流到 400 MHz ，甚至更高。

　　MEMS （微機(jī)電系統(tǒng)）開關(guān)在高頻下運(yùn)行良好，但存在可靠性問題，并且封裝費(fèi)用昂貴。
　　如果您是在仿真一個模擬開關(guān)，要確保對全部寄生成分的建模。

　　沒有哪個 IC 原理圖符號能比模擬開關(guān)的符號更簡單（圖 1a ）。一個基本開關(guān)僅包括輸入、輸出、控制腳和一對電源腳。然而，在這簡單的外觀（圖 1b ）后面，隱藏著極其復(fù)雜的東西。很多規(guī)格，包括電源電壓和導(dǎo)通電阻，都對部件運(yùn)行非常重要。模擬開關(guān)也有許多交流規(guī)格，如帶寬和開關(guān)時間。所有這些規(guī)格（包括泄漏電流）都會隨溫度而變化，有時是徹底改變。與其它所有模擬部件一樣，開關(guān)也有相互作用并有一組連續(xù)值的規(guī)格。這些規(guī)格并非白或黑，而是灰色梯度（參考文獻(xiàn) 1 ）。

　　一個模擬開關(guān)是復(fù)雜的，但要把它們聯(lián)結(jié)成組，或者把它們集成到一個 IC 里以提供 DPDT （雙刀雙擲）功能或多路復(fù)用器，就會更加復(fù)雜。例如，一個為 ADC 送入信號的多路復(fù)用器應(yīng)當(dāng)是一種先開后合的器件——也就是說，在接通之前，它應(yīng)當(dāng)斷開觸點，防止輸入信號相互短路。但是一個音頻輸出上的多路復(fù)用器可能需要先合后開器件——也就是說，它必須先接通，然后再斷開，以防止音頻信號中出現(xiàn)令人不快的卡嗒聲和爆破音。如所有模擬部件一樣，事情要比第一眼看上去更復(fù)雜。

　　尋找新用途

　　模擬開關(guān)總是在儀器和工業(yè)市場中占有一席之地。數(shù)據(jù)采集卡重定模擬輸入的路徑，為接至 ADC 的測量提供多個通道，并把模擬輸出傳遞到連接器或內(nèi)部電路節(jié)點。這些卡中的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器傳統(tǒng)上是高壓部件，以保持它們的工業(yè)、軍用和醫(yī)用傳統(tǒng)。這些有幾十年歷史的應(yīng)用將永遠(yuǎn)存在，但是幾項新的技術(shù)進(jìn)展正在使模擬開關(guān)的使用發(fā)生巨大的變化。

　　模擬開關(guān)最大規(guī)模用途之一是手機(jī)和其它的手提消費(fèi)設(shè)備。Fairchild Semiconductor 的開關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)線總監(jiān) Jerry Johnston 稱：“我不知道哪款手機(jī)里一個開關(guān)也沒有。”大小和功能是電話中使用模擬開關(guān)的推動因素。手機(jī)外殼中只有很小的空間放置連接器，這意味著模擬開關(guān)必須將信號從多個 IC 傳遞到一個 USB 端口、視頻端口、音頻端口或電源連接器。這些開關(guān)也有多種功能，這更增加了在手機(jī)中的應(yīng)用。一款手機(jī)通常包括一只基帶 IC 和 RF 信號鏈。一款全功能手機(jī)也可能要帶有數(shù)碼相機(jī)和攝像頭，兩者都有相關(guān)的閃存系統(tǒng)，并且能做 MP3 和視頻播放器。它也支持 USB、藍(lán)牙和無線 LAN 連接。Johnston了解一些高端手機(jī)有多達(dá) 14 個模擬開關(guān)。

　　基于類似的原因，模擬開關(guān)日益增長的另一應(yīng)用是便攜計算機(jī)。即使最基本的筆記本電腦也有攝像頭、 IR（紅外線）端口、藍(lán)牙和無線功能。此外與手機(jī)類似，便攜計算機(jī)只有有限的外表面供放置連接器。盡管不像手機(jī)的空間限制那么嚴(yán)格，但是這種約束仍然為模擬開關(guān)提供了許多應(yīng)用。

　　家庭娛樂設(shè)施是模擬開關(guān)的另一種大批量應(yīng)用。任何一個裝配電視、 DVD 播放機(jī)、立體聲收音機(jī)、游戲系統(tǒng)、有線系統(tǒng)和計算機(jī)的人，都可以證實這些任務(wù)要求的視頻與音頻信號布線挑戰(zhàn)。如同手機(jī)一樣，這些家庭娛樂系統(tǒng)可能用到一些數(shù)字信號，但是仍然必須使用模擬開關(guān)來完成該設(shè)備的信號傳送。例如，許多家庭娛樂系統(tǒng)有多個 HDMI（高清晰多媒體接口）數(shù)字信號通道，這些產(chǎn)品需要模擬開關(guān)傳送那些信號，因為使用數(shù)字開關(guān)能引起扭曲及延遲。數(shù)字開關(guān)在完成功率時會建立一個或多個門延遲，那些延遲可能不確定，而是隨著開關(guān)路由或溫度而更改，門的上升和下降次數(shù)可能更改數(shù)字信號的占空比。

　　模擬開關(guān)的另一個大量應(yīng)用是車載娛樂設(shè)備，它有與家庭娛樂系統(tǒng)一樣的信號路由問題，而且空間更少。汽車電子設(shè)備，或“telematics”（車載通信系統(tǒng)）同時包含了信號路由以及娛樂、計算機(jī)和手機(jī)環(huán)境的管理挑戰(zhàn)。

　　重要規(guī)格

　　模擬開關(guān)能經(jīng)受的電壓與機(jī)械開關(guān)的額定電壓一樣重要，有時它指示出開關(guān)的預(yù)期市場。12V到 36V開關(guān)的目標(biāo)常常是儀表、軍用和醫(yī)用市場。那些必須從外部測量一些未知電壓的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也得益于采用高額定電壓的模擬開關(guān)。因為設(shè)計人員無法控制所測電壓的水平，所以，重要的是開關(guān)能承受盡可能高的電壓。對于可靠性的同樣要求，促進(jìn)了對介質(zhì)絕緣模擬開關(guān)和故障保護(hù)模擬開關(guān)的開發(fā)。

　　介質(zhì)絕緣是把 IC 中每個晶體管放在自己的玻璃外套中（圖2和參考文獻(xiàn)2）。玻璃有比硅更低的介電常數(shù)，對介質(zhì)絕緣的部件產(chǎn)生非常低的內(nèi)電容。因此，如果輸入信號超出電源軌（圖3），寄生SCR （可控硅整流器）的形成就能引起IC基材的閂鎖。制造商通常采用廉價的 CMOS 工藝為電子消費(fèi)產(chǎn)品制造部件，而這些部件的最大額定電壓為5.5V。例如，F(xiàn)airchild的 FSA2270T雙路SPDT （單刀雙擲）模擬開關(guān)擺幅低于負(fù)電壓軌，這樣在沒有負(fù)電源軌情況下也能通過雙極音頻信號（參考文獻(xiàn)3）。另外一個例子是德州儀器公司的 TS3USB221 多路復(fù)用器/解復(fù)用器開關(guān)，其工作電壓為 2.3V。

　　故障保護(hù)是另一個重要規(guī)格。具備這一特性的器件，即使其輸入電壓超過電源軌也不會導(dǎo)致?lián)p壞。例如，Maxim 公司的 MAX388 模擬多路復(fù)用器的故障防護(hù)達(dá) 100V 。除提供內(nèi)部故障保護(hù)之外，線路還可以設(shè)計為在過壓情況下保護(hù)模擬開關(guān)（參考文獻(xiàn)4）。

　　導(dǎo)通電阻是模擬開關(guān)的另一個極為重要的規(guī)格。如果您的設(shè)計包含了一個為模擬開關(guān)提供緩沖的運(yùn)算放大器，導(dǎo)通電阻似乎并不重要。運(yùn)算放大器的輸入阻抗可能在兆歐水平，所以把一個 100Ω的模擬開關(guān)與輸入端串聯(lián)，意味著這個阻抗是可忽略的，但是僅對直流。開關(guān)的導(dǎo)通電阻能對放大器的雜散電容和輸入電容作出反應(yīng)。這個反應(yīng)能建立一個極點，使信號鏈的頻率響應(yīng)驟降，可能達(dá)到無法接受的水平。許多其它信號通路應(yīng)用需要更低的導(dǎo)通電阻。盡管幾十年前100Ω是可以接受的，那時工程師使用的是Fairchild通用CD4066 CMOS 模擬開關(guān)，但許多器件的導(dǎo)通電阻很快降低到 10Ω，現(xiàn)在已有多款低于 1Ω的模擬開關(guān)。例如， Pericom 公司的 PI3A3159 SPDT 模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻為0.4Ω。這些新部件可以在低至 2.7V 的工作電壓下，實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。

　　另一個重要規(guī)格是關(guān)態(tài)電阻，它量度的是開關(guān)阻擋信號的能力。模擬開關(guān)的基本關(guān)態(tài)電阻就是 MOS 晶體管的關(guān)態(tài)電阻，通常高于多數(shù)線路的需求。關(guān)態(tài)電阻也是 ESD （靜電放電）保護(hù)二極管的一個功能，這些二極管在 IC 片芯上，防止晶體管的處理和組裝中出現(xiàn)損壞（圖 4）。把關(guān)態(tài)電阻看成是一個泄露規(guī)格可能更有幫助。因為泄漏每 10℃會加倍，應(yīng)總是在預(yù)期的電路最高工作溫度上檢查關(guān)態(tài)電阻。此外，關(guān)態(tài)電阻和泄漏是應(yīng)用于直流或低頻的規(guī)格。在更高頻率時，開關(guān)電容支配著關(guān)態(tài)電阻和泄漏。

　　對于現(xiàn)代模擬開關(guān)這么小的東西，不可避免會存在電容。引腳挨的很近，因此可以預(yù)計它們之間有數(shù)皮法的耦合電容。另外還必須處理晶體管結(jié)構(gòu)和基材之間的電容。制造商采用專有工藝生產(chǎn)現(xiàn)代部件，這樣部件就能在 RF 范圍工作，輕易地達(dá)到數(shù)百兆赫。

　　Maxim Intergratd Products公司的副業(yè)務(wù)經(jīng)理Manav Malhotra 稱，一些客戶要求制造商確定模擬開關(guān)的插入損耗和回波損耗，這是與射頻（RF）設(shè)計相關(guān)的規(guī)格。半導(dǎo)體模擬開關(guān)也有其弱點：各引腳與地或電源之間的電容。舌簧繼電器和 MEMS （微機(jī)電系統(tǒng)）開關(guān)有較小的雜散電容，使它們適合于延伸至千兆赫范圍的頻率，但是繼電器和 MEMS 都是機(jī)械性器件，在幾十萬到數(shù)百萬次的運(yùn)行循環(huán)中會磨損。舌簧繼電器開關(guān)的激勵需要很大功率；MEMS 器件的運(yùn)行需要成本昂貴的封裝，將硅梁保持在一個空區(qū)中。即使信號僅是數(shù)百千赫，也應(yīng)當(dāng)觀察模擬開關(guān)的引腳（包括地和電源）之間的電容，確定該器件是否能提供所需的隔離和串?dāng)_規(guī)格。

　　電荷注入是模擬開關(guān)中的另一個重要規(guī)格。打開開關(guān)會使電荷注入信號通道，在采樣保持穩(wěn)壓器和饋入放大器的多路復(fù)用器中，這可能會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。那些配合內(nèi)部電容的 IC設(shè)計能盡可能減少電荷注入。啟動信號的上升沿越快，電荷注入的問題就會越嚴(yán)重。降低模擬開關(guān)控制信號的轉(zhuǎn)換速率有可能把電荷注入降低到可接受的水平。如果在設(shè)計的信號通道中有任何高阻抗節(jié)點，請一定要評估這個因素。電荷注入常常是含模擬開關(guān)音頻電路產(chǎn)生爆破聲和卡嗒聲的原因。如同所有規(guī)格一樣，要在預(yù)期的全部設(shè)計工作溫度范圍上檢查這個因素。

　　許多模擬開關(guān)要傳送快速的數(shù)字信號，因此對于許多用戶來說，激勵速度是一個重要規(guī)格。即使在傳統(tǒng)應(yīng)用中，如數(shù)據(jù)采集多路復(fù)用器，必須在采樣保持分析時考慮開關(guān)速度因素，以確保在 ADC 測量之前，信號已經(jīng)穩(wěn)定到一個準(zhǔn)確的水平。也應(yīng)當(dāng)注意信號鏈中任何模擬開關(guān)的 PSRR （電源抑制比）。正如輸出和電源之間的電容能快速衰減信號一樣，同一個電容也能把電源軌上的高頻噪聲成份傳入輸出信號。最近，很多模擬電路采用開關(guān)電源供電。一定要檢查電源軌的頻譜內(nèi)容。如果頻率足夠高，它們將通過模擬開關(guān)的內(nèi)部電容進(jìn)入設(shè)計的輸出。在部件的電源腳串接一只電阻或電感，并在靠近模擬開關(guān)的位置放一個或多個去耦電容，可確保電源噪聲不會進(jìn)入設(shè)計的信號通道。這也會使線路對 RFI（射頻干擾，參考文獻(xiàn) 5）有更強(qiáng)的抗干擾能力。

　　還有一個規(guī)格的重要性和其它規(guī)格一樣，這就是部件采用的封裝。如果設(shè)計一種手持式儀器或手機(jī)，就需要使器件采用 SC-70 或更小的封裝。如果要使用的是電源切換部件，那么可能需要大型封裝幫助功率耗散，防止部件變得過熱。另外一個封裝考慮是與標(biāo)準(zhǔn)部件引出腳的一致性。例如，如果需要更換一個 Intersil DG403單片模擬開關(guān)，那么需要一個有相同封裝和出腳的部件。要得到一個低導(dǎo)通電阻的小封裝部件是一個挑戰(zhàn)。Maxim Integrated Products公司的接口開關(guān)和保護(hù)業(yè)務(wù)部的執(zhí)行董事 Jeffery DeAngelis 稱：“多數(shù)開關(guān)面臨的挑戰(zhàn)是物理問題。要得到更小的導(dǎo)通電阻，得在 FET 中并排放多個金手指 （柵極結(jié)構(gòu)）。這么做得到了更低的導(dǎo)通電阻，但是片芯增大。”

　　電流消耗是另一個關(guān)鍵參數(shù)。一些部件會根據(jù)應(yīng)用的控制信號電平而改變電源的電流。要在電路試驗板上評估電源的電流，不要假設(shè)數(shù)據(jù)單上的標(biāo)稱數(shù)值就適用于電路。此外要注意電源電流會隨著溫度而變化。

　　處理權(quán)衡問題

　　由于需要考慮那么多規(guī)格，一位勤勉的模擬工程師應(yīng)當(dāng)審視那些模擬開關(guān)固有的基本權(quán)衡。所有工程師都知道最重要的規(guī)格是成本。低成本的開關(guān)無過于老式的 CD4066 CMOS 模擬開關(guān)。它的工作電壓高達(dá) 15V，可以并聯(lián)使用多個開關(guān)，實現(xiàn)適當(dāng)級別的導(dǎo)通電阻。在另一個極端上，介質(zhì)隔離的 Intersil H 303ARH 擁有抗輻射加固的硅柵，使它適合軍事和人造衛(wèi)星應(yīng)用。另一個權(quán)衡涉及電源電壓。通常情況下，電源電壓越高，導(dǎo)通電阻越低。例如，STMicroelectronics使用新工藝制作 STG3699B 四單刀雙擲開關(guān)，使之有 0.5Ω的導(dǎo)通電阻。

　　另外一個權(quán)衡是電源電流。高速運(yùn)行的器件需要更高的電源電流，能以更快的速率轉(zhuǎn)換晶體管門。CMOS 或 DMOS 模擬開關(guān)常常有低的電源電流。例如， STMicro 的 STG3684 單刀雙擲開關(guān)僅僅使用200 nA。此電流隨著溫度而上升。該公司某些部件的規(guī)格設(shè)定在+ 85℃，如 STG3689。

　　其他權(quán)衡包括封裝的大小和功耗。電源切換（開關(guān)電源）設(shè)計需要較大的封裝，從而可能需要低導(dǎo)通電阻，因為管芯越大，電阻越低。新穎的工藝和電路技術(shù)也已經(jīng)在這個領(lǐng)域做出了巨大的進(jìn)步。Vishay 現(xiàn)在提供 14 種導(dǎo)通電阻小于 1Ω的開關(guān)。而且這些部件的封裝和 SC-70 一樣小，底面積為 3mm × 2mm。

　　可能忽略的一個權(quán)衡是導(dǎo)通電阻會跟隨施加的信號而發(fā)生變化。如果使用高壓電源和小信號擺幅，那么這種變化可能不是問題。然而，如果信號是軌至軌地擺至電源電壓，將需要一種較新的器件，它能在通過的信號電壓范圍上提供一致的導(dǎo)通電阻。

　　CMOS 模擬開關(guān)會更便宜，但是運(yùn)行電壓更低。DMOS 開關(guān)有更高的電壓，轉(zhuǎn)換更快。DMOS 開關(guān)通常有更嚴(yán)格的驅(qū)動器要求。Vishay 開發(fā)了 DG611 開關(guān)，它同時使用 CMOS 和 DMOS 以獲得實現(xiàn)兩種工藝的優(yōu)點（參考文獻(xiàn) 6）。Analog Devices 公司產(chǎn)品經(jīng)理Liam S渋lleabh噄n 認(rèn)為，辨別模擬開關(guān)制造商的一個條件是看它提供定制或?qū)Ｓ泄に嚨哪芰?，如該公司?35V iCMOS 工藝，它能使部件適合于具體的應(yīng)用。他說：“如果比較一下 ADG408 和我們的新產(chǎn)品 ADG1408，408 的導(dǎo)通電阻為 100Ω，而 1408 的導(dǎo)通電阻為 4.7Ω。 公司提供的1408采用相同的 TSSOP 封裝，但是也有另外的封裝選擇 LFCSP，它要小 70%。”

　　MEMS 部件可能是模擬開關(guān)的未來權(quán)衡?，F(xiàn)在的問題是機(jī)械可靠性和價格。MEMS 開關(guān)是機(jī)械式的，雖然可以預(yù)期它們的可靠性優(yōu)于舌簧繼電器開關(guān)，但它們?nèi)匀粫p或徹底損壞。此外，MEMS 結(jié)構(gòu)不能采用環(huán)氧樹脂作密封，所以  MEMS 封裝總是比硅模擬開關(guān)封裝更貴。此外， MEMS 開關(guān)的切換時間較長，因為它們是機(jī)械式的。

　　放眼審視模擬開關(guān)的大量應(yīng)用和多面性的規(guī)格，您能夠發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容遠(yuǎn)超過眼前這些無處不在的小部件所呈現(xiàn)的東西（參考文獻(xiàn) 7）。在您設(shè)計自己的下一個信號鏈時，一定理解它們的使用和規(guī)格。如果您正在做一個包含模擬開關(guān)的 Spice仿真，要確保模型是完整的，能顯示寄生和雜散電容和打線的電感。許多Spice模型沒有考慮電荷注入，或?qū)娮桦S外加電壓而發(fā)生的變化。如果實驗板出現(xiàn) Spice運(yùn)行時不曾出現(xiàn)的問題，不必感到驚訝。在溫度范圍內(nèi)檢查一切，確保能買到您選擇的部件，并且它會在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)保持量產(chǎn)。如果正確地使用了模擬開關(guān)，就可以實現(xiàn)各種性能，并降低成本，這是其他方式不能做到的。

參考文獻(xiàn)
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3. "Fairchild's Negative Voltage Swing Audio Switches," Fairchild Semiconductor.
4. "Overvoltage Protection for CMOS Switches and Multiplexers," Application Note AN205, Vishay Siliconix, Aug 6, 2003.
5. Rako, Paul, "RFI: keeping noise out of your designs," EDN, Jan 10, 2008, pg 25.
6. "12ns DG611 Switch Family Combines Benefits of CMOS and DMOS Technologies," Application Note AN207, Vishay Siliconix, Aug 3, 1999.
7. "Selecting the Right CMOS Analog Switch," Application Note 638, Maxim Integrated Products, Sept 3, 2002.