模擬開(kāi)關(guān)的作用、模擬開(kāi)關(guān)的選擇方法

模擬開(kāi)關(guān)定義

模擬開(kāi)關(guān)（Analog switches）主要是完成信號(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)，由于其功能類似于開(kāi)關(guān)，而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)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，這是模擬開(kāi)關(guān)的作用之一。為增加大家對(duì)模擬開(kāi)關(guān)的認(rèn)識(shí)，本文將介紹模擬開(kāi)關(guān)的作用、模擬開(kāi)關(guān)的選擇方法。

工作原理

圖1 模擬開(kāi)關(guān)工作原理

模擬開(kāi)關(guān)工作原理如圖1，當(dāng)IN端輸入低時(shí)，通過(guò)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(kāi)，IN端為高時(shí)，則與之相反。

圖2 傳輸門(mén)開(kāi)關(guān)原理圖

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

如何選擇模擬開(kāi)關(guān)

模擬開(kāi)關(guān)作用主要是用于信號(hào)的切換。目前集成模擬電子開(kāi)關(guān)在小信號(hào)領(lǐng)域已成為主導(dǎo)產(chǎn)品，與以往的機(jī)械觸點(diǎn)式電子開(kāi)關(guān)相比，集成電子開(kāi)關(guān)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如切換速率快、無(wú)抖動(dòng)、耗電省、體積小、工作可靠且容易控制等。但也有若干缺點(diǎn)，如導(dǎo)通電阻較大、輸入電流容量有限、動(dòng)態(tài)范圍小等。因而集成模擬開(kāi)關(guān)主要使用在高速切換、要求系統(tǒng)體積小的場(chǎng)合。天中半導(dǎo)體的模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)需考察以下指標(biāo)：

1. 通道數(shù)量

集成模擬開(kāi)關(guān)通常包括多個(gè)通道。通道數(shù)量對(duì)傳輸信號(hào)的精度和開(kāi)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?yàn)楫?dāng)選通一路時(shí)，其它阻斷的通道并不是完全斷開(kāi)，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(gè)理想的開(kāi)關(guān)要求導(dǎo)通時(shí)電阻為零，斷開(kāi)時(shí)電阻趨于無(wú)限大，漏電流為零。而實(shí)際開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)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(hào)源內(nèi)阻很高，傳輸信號(hào)是電流量，就特別需要考慮模擬開(kāi)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(huì)損失信號(hào)，使精度降低，尤其是當(dāng)開(kāi)關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時(shí)損失更大。應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇導(dǎo)通電阻足夠低的開(kāi)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(kuò)大溝道，結(jié)果會(huì)使泄漏電流增大。導(dǎo)通電阻隨輸入電壓的變化會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，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(hào)時(shí)由開(kāi)關(guān)引起的誤差也就越小。

4. 開(kāi)關(guān)速度

指開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)的速度。通常用接通時(shí)間TON和斷開(kāi)時(shí)間TOFF表示。對(duì)于需要傳輸快速變化信號(hào)的場(chǎng)合，要求模擬開(kāi)關(guān)的切換速度高，同時(shí)還應(yīng)該考慮與后級(jí)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(jià)格比來(lái)選擇器件。

5. 開(kāi)關(guān)耐壓

模擬開(kāi)關(guān)由于其應(yīng)用的信號(hào)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(jiàn)的有3.3v、5v、12v、15v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。

6. THD(總諧波失真)

該指標(biāo)可以衡量模擬開(kāi)關(guān)對(duì)于音頻信號(hào)的還原度，一些音頻的信號(hào)處理對(duì)THD要求嚴(yán)格，THD定義為，信號(hào)功率與諧波及噪聲的dB比值。THD與模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻的平坦度相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，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(huì)降低THD性能。也就是說(shuō)，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(kāi)關(guān)應(yīng)用

模擬開(kāi)關(guān)與機(jī)械開(kāi)關(guān)不同，在使用時(shí)需要考慮它的半導(dǎo)體特性：

1. 導(dǎo)通電阻(Ron)隨輸入信號(hào)(VIN)變化而變化

圖3 Ron與VIN關(guān)系

2.  注入電荷

應(yīng)用機(jī)械開(kāi)關(guān)我們當(dāng)然希望Ron越低越好，因?yàn)榈妥杩梢越档托盘?hào)的損耗。然而對(duì)于模擬開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)周期其充電和放電過(guò)程會(huì)消耗更多的電流。時(shí)間常數(shù)t=RC，充電時(shí)間取決于負(fù)載電阻(R)和電容(C)，一般持續(xù)幾十納秒。這說(shuō)明低Ron具有更長(zhǎng)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。為此，選擇模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡Ron和注入電荷。

3. 開(kāi)關(guān)耐壓

當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)低(低于零電勢(shì))或者過(guò)高(高于電源電壓)時(shí)，MOSFET處于反向偏置，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)(超出限值0.3V)，此時(shí)開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作，甚至損壞。因此模擬開(kāi)關(guān)在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號(hào)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(hào)選通部分電路，其中使用了四通道運(yùn)算放大器和雙通道模擬開(kāi)關(guān)：

圖4 音響前端放大及信號(hào)選通電路

該方案設(shè)計(jì)本意是當(dāng)Input=0時(shí)，Line_outL和Line_outR音頻信號(hào)選通。當(dāng)Input=1時(shí)，Phone_outL和Phone_outR音頻信號(hào)選通。然而當(dāng)實(shí)驗(yàn)機(jī)做出后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Input=1時(shí)，Line_outL和Line_outR通道有相當(dāng)一部分信號(hào)分別漏到D1和D2端。用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷隔離度，當(dāng)輸入信號(hào)為10kHz時(shí)，開(kāi)關(guān)的關(guān)斷隔離度為-120dB，因此芯片應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。

事實(shí)上，該電路在模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用上存在下面兩處錯(cuò)誤：

1. 模擬開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)缺少一個(gè)直流偏置

模擬開(kāi)關(guān)部分電路可以等效成圖五，CMOS工藝的模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)最小只能到-0.3V，如果再低于這個(gè)值，芯片將不能正常工作，甚至?xí)p壞。圖四中模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)沒(méi)有直流偏置，所以輸入信號(hào)有一部分處于負(fù)值區(qū)，模擬開(kāi)關(guān)自然無(wú)法正常工作。

圖5 模擬開(kāi)關(guān)等效電路

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

2. 在D1和D2端缺少耦合電阻

當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)的情況下，其輸入與輸出端等效串聯(lián)了一個(gè)電容C，如果再假設(shè)在模擬開(kāi)關(guān)輸出端到地之間有一個(gè)等效電阻R，則模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)的等效電路如圖六所示。

圖6 模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)等效電路

此時(shí)的模擬開(kāi)關(guān)其實(shí)等效為一個(gè)RC濾波電路，由此不難得出以下公式：

其中，Uout為模擬開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)，Uin為模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，R為模擬開(kāi)關(guān)輸出端電阻負(fù)載，C為模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)等效電容，f為輸入信號(hào)頻率。

由于模擬開(kāi)關(guān)等效電容C會(huì)設(shè)計(jì)成很小，所以當(dāng)輸入信號(hào)f處于音頻區(qū)時(shí)，增益A由R和f同時(shí)決定。當(dāng)R取值較小時(shí)，f起主導(dǎo)作用，此時(shí)A<<1，信號(hào)被有效隔離。當(dāng)R取值較大時(shí)，此時(shí)R起主導(dǎo)作用，此時(shí)A—>1，信號(hào)幾乎被完全泄漏過(guò)來(lái)。所以當(dāng)輸出端懸空時(shí)，其輸出端與地之間電阻R—>+∞，此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)完全導(dǎo)通。

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