模擬開關(guān)的作用、模擬開關(guān)的選擇方法

模擬開關(guān)定義

模擬開關(guān)（Analog switches）主要是完成信號鏈路中的信號切換功能。采用MOS管的開關(guān)方式實現(xiàn)了對信號鏈路關(guān)斷或者打開，由于其功能類似于開關(guān)，而用模擬器件的特性實現(xiàn)，稱為模擬開關(guān)。模擬開關(guān)回路可以實現(xiàn)較高的關(guān)斷阻抗，一般是兆歐姆以上的關(guān)斷阻抗，這是模擬開關(guān)的作用之一。為增加大家對模擬開關(guān)的認識，本文將介紹模擬開關(guān)的作用、模擬開關(guān)的選擇方法。

工作原理

圖1 模擬開關(guān)工作原理

模擬開關(guān)工作原理如圖1，當IN端輸入低時，通過邏輯控制使得COM和NC之間的通道閉合，COM和NO之間的通道斷開，IN端為高時，則與之相反。

圖2 傳輸門開關(guān)原理圖

圖2為NO/NC口的FET（傳輸門）的原理圖，由一個N溝道晶體管和一個并聯(lián)的P溝道晶體管組成，當OE端輸入為高時，經(jīng)過反相器后，P溝道導(dǎo)通，N溝道導(dǎo)通，此時A到B導(dǎo)通。與之相反，當OE端輸出為低時，P溝道與N溝道阻斷，此時A到B關(guān)斷。

如何選擇模擬開關(guān)

模擬開關(guān)作用主要是用于信號的切換。目前集成模擬電子開關(guān)在小信號領(lǐng)域已成為主導(dǎo)產(chǎn)品，與以往的機械觸點式電子開關(guān)相比，集成電子開關(guān)有許多優(yōu)點，例如切換速率快、無抖動、耗電省、體積小、工作可靠且容易控制等。但也有若干缺點，如導(dǎo)通電阻較大、輸入電流容量有限、動態(tài)范圍小等。因而集成模擬開關(guān)主要使用在高速切換、要求系統(tǒng)體積小的場合。天中半導(dǎo)體的模擬開關(guān)采用CMOS工藝制成，均可應(yīng)用于較寬的頻段范圍。

選擇模擬開關(guān)時需考察以下指標：

1. 通道數(shù)量

集成模擬開關(guān)通常包括多個通道。通道數(shù)量對傳輸信號的精度和開關(guān)切換速率有直接的影響，通道數(shù)越多，寄生電容就越大。因為當選通一路時，其它阻斷的通道并不是完全斷開，而是處于高阻狀態(tài)，存在泄漏電流，另外通道之間也存在著耦合與寄生電容，所以存在通道之間的相互干擾。

2. 泄漏電流

一個理想的開關(guān)要求導(dǎo)通時電阻為零，斷開時電阻趨于無限大，漏電流為零。而實際開關(guān)斷開時為高阻狀態(tài)，漏電流不為零，常規(guī)的CMOS漏電流約1nA。如果信號源內(nèi)阻很高，傳輸信號是電流量，就特別需要考慮模擬開關(guān)的泄漏電流，一般希望泄漏電流越小越好。

3. 導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通電阻的平坦度與導(dǎo)通電阻一致性。導(dǎo)通電阻會損失信號，使精度降低，尤其是當開關(guān)串聯(lián)的負載為低阻抗時損失更大。應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇導(dǎo)通電阻足夠低的開關(guān)。必須注意，導(dǎo)通電阻的值與電源電壓有直接關(guān)系，通常電源電壓越大，導(dǎo)通電阻就越小，而且導(dǎo)通電阻和泄漏電流是矛盾的。要求導(dǎo)通電阻小，則應(yīng)擴大溝道，結(jié)果會使泄漏電流增大。導(dǎo)通電阻隨輸入電壓的變化會產(chǎn)生波動，導(dǎo)通電阻平坦度是指在限定的輸入電壓范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻的最大起伏值ΔRON=ΔRONMAX—ΔRONMIN。它表明導(dǎo)通電阻的平坦程度，ΔRON應(yīng)該越小越好。導(dǎo)通電阻一致性代表各通道導(dǎo)通電阻的差值，導(dǎo)通電阻的一致性越好，系統(tǒng)在采集各路信號時由開關(guān)引起的誤差也就越小。

4. 開關(guān)速度

指開關(guān)接通或斷開的速度。通常用接通時間TON和斷開時間TOFF表示。對于需要傳輸快速變化信號的場合，要求模擬開關(guān)的切換速度高，同時還應(yīng)該考慮與后級采樣保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器的速度相適應(yīng)，從而以最優(yōu)的性能價格比來選擇器件。

5. 開關(guān)耐壓

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

6. THD(總諧波失真)

該指標可以衡量模擬開關(guān)對于音頻信號的還原度，一些音頻的信號處理對THD要求嚴格，THD定義為，信號功率與諧波及噪聲的dB比值。THD與模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻的平坦度相關(guān)。一般來說，隨著導(dǎo)通阻抗的增加，導(dǎo)通阻抗平坦度(即導(dǎo)通阻抗在輸入電壓范圍的變化)也相應(yīng)升高。而導(dǎo)通阻抗平坦度的升高會降低THD性能。也就是說，在輸入電壓范圍內(nèi)，導(dǎo)通阻抗越平坦，THD性能就越好。

模擬開關(guān)應(yīng)用

模擬開關(guān)與機械開關(guān)不同，在使用時需要考慮它的半導(dǎo)體特性：

1. 導(dǎo)通電阻(Ron)隨輸入信號(VIN)變化而變化

圖3 Ron與VIN關(guān)系

2.  注入電荷

應(yīng)用機械開關(guān)我們當然希望Ron越低越好，因為低阻可以降低信號的損耗。然而對于模擬開關(guān)而言，低Ron并非適用于所有的應(yīng)用，較低的Ron需要占據(jù)較大的芯片面積，從而產(chǎn)生較大的輸入電容，在每個開關(guān)周期其充電和放電過程會消耗更多的電流。時間常數(shù)t=RC，充電時間取決于負載電阻(R)和電容(C)，一般持續(xù)幾十納秒。這說明低Ron具有更長的導(dǎo)通和關(guān)斷時間。為此，選擇模擬開關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡Ron和注入電荷。

3. 開關(guān)耐壓

當輸入信號過低(低于零電勢)或者過高(高于電源電壓)時，MOSFET處于反向偏置，當電壓達到某一值時(超出限值0.3V)，此時開關(guān)無法正常工作，甚至損壞。因此模擬開關(guān)在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號不可超出規(guī)定的范圍。

圖四是一音響設(shè)備前端放大及信號選通部分電路，其中使用了四通道運算放大器和雙通道模擬開關(guān)：

圖4 音響前端放大及信號選通電路

該方案設(shè)計本意是當Input=0時，Line_outL和Line_outR音頻信號選通。當Input=1時，Phone_outL和Phone_outR音頻信號選通。然而當實驗機做出后，發(fā)現(xiàn)當Input=1時，Line_outL和Line_outR通道有相當一部分信號分別漏到D1和D2端。用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試模擬開關(guān)的關(guān)斷隔離度，當輸入信號為10kHz時，開關(guān)的關(guān)斷隔離度為-120dB，因此芯片應(yīng)該沒有問題。

事實上，該電路在模擬開關(guān)應(yīng)用上存在下面兩處錯誤：

1. 模擬開關(guān)的輸入信號缺少一個直流偏置

模擬開關(guān)部分電路可以等效成圖五，CMOS工藝的模擬開關(guān)輸入信號最小只能到-0.3V，如果再低于這個值，芯片將不能正常工作，甚至會損壞。圖四中模擬開關(guān)輸入信號沒有直流偏置，所以輸入信號有一部分處于負值區(qū)，模擬開關(guān)自然無法正常工作。

圖5 模擬開關(guān)等效電路

解決辦法：將電容C2、C3均去掉，模擬開關(guān)輸入信號便有了1/2VDC的直流偏置信號，此時模擬開關(guān)便可以軌到軌工作。

2. 在D1和D2端缺少耦合電阻

當模擬開關(guān)在斷開的情況下，其輸入與輸出端等效串聯(lián)了一個電容C，如果再假設(shè)在模擬開關(guān)輸出端到地之間有一個等效電阻R，則模擬開關(guān)在斷開時的等效電路如圖六所示。

圖6 模擬開關(guān)斷開時等效電路

此時的模擬開關(guān)其實等效為一個RC濾波電路，由此不難得出以下公式：

其中，Uout為模擬開關(guān)輸出信號，Uin為模擬開關(guān)輸入信號，R為模擬開關(guān)輸出端電阻負載，C為模擬開關(guān)斷開時等效電容，f為輸入信號頻率。

由于模擬開關(guān)等效電容C會設(shè)計成很小，所以當輸入信號f處于音頻區(qū)時，增益A由R和f同時決定。當R取值較小時，f起主導(dǎo)作用，此時A<<1，信號被有效隔離。當R取值較大時，此時R起主導(dǎo)作用，此時A—>1，信號幾乎被完全泄漏過來。所以當輸出端懸空時，其輸出端與地之間電阻R—>+∞，此時模擬開關(guān)完全導(dǎo)通。

修正以上兩個錯誤后，該音頻應(yīng)用電路便可以正常工作了。由以上實例可以看出，充分理解模擬開關(guān)的基本概念是正確應(yīng)用模擬開關(guān)的基礎(chǔ)。