模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器

問：ADI公司不給出ADG系列模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器的帶寬，這是為什么?

答：ADG系列模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器的輸入帶寬雖然高達(dá)數(shù)百兆赫，但是其帶寬指標(biāo)本身不是很有意義的。因?yàn)樵诟哳l情況下，關(guān)斷隔離(offisolation)和關(guān)擾指標(biāo)都明顯變壞。例如，在1MHz情況下，開關(guān)的關(guān)斷隔離典型值為70dB，串?dāng)_典型值為-85dB。由于這兩項(xiàng)指標(biāo)都按20dB/+倍頻下降，所以在10MHz時(shí)，關(guān)斷隔離降為50dB，串?dāng)_增加為-65dB；在100MHz時(shí)，關(guān)斷隔離降為30dB，而串?dāng)_增加為-45dB。所以，僅僅考慮帶寬是不夠的，必須考慮在所要求的高頻工作條件下這兩項(xiàng)指標(biāo)下降是否能滿足應(yīng)用的要求。(關(guān)斷隔離是指當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，對(duì)耦合無(wú)用信號(hào)的一種度量――譯者注。)

問：哪種模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器在電源電壓低于產(chǎn)品說(shuō)明中的規(guī)定值情況下仍能正
常工作?

答：ADG系列全部模開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器在電源電壓降到+5V或±5V情況下都能正常工作。受電源電壓影響的技術(shù)指標(biāo)有響應(yīng)時(shí)間、導(dǎo)通電阻、電源電流和漏電流。降低電源電壓會(huì)降低電源電流和漏電流。例如，在125°C，±15V時(shí)，ADG411關(guān)斷狀態(tài)源極漏電流IS(OFF)和漏極漏電流ID(OFF)都為±20nA，導(dǎo)通狀態(tài)漏極漏電流ID(ON)為±40nA；在同樣溫度下，當(dāng)電源電壓降為±5V，IS(OFF)和ID(OFF)降為±25nA，ID(ON)降為±5nA。在+125°C，±15V時(shí)，電源電流I DD ，I SS 和IL最大為5μA；在±5V時(shí)，電源電流，最大值降為1μA。導(dǎo)通電阻和響應(yīng)時(shí)間隨電源電壓降低而增加。圖1和圖2分別示出了ADG408的導(dǎo)通電阻和響應(yīng)時(shí)間隨電源電壓變化的關(guān)系曲線。

圖1 導(dǎo)通電阻與電源
電壓的關(guān)系曲線
問：有些ADG系列模擬開關(guān)是用DI工藝制造的，DI是怎么回事?

答：DI是英文Dielectric Isolation介質(zhì)隔離的縮寫，按照DI工藝要求，每
個(gè)CMOS開關(guān)的NMOS管和PMOS管之間都有一層絕緣層(溝道)。這樣可以消除普通的模擬開關(guān)之間的寄生PN結(jié)，所以可以制造出完全防閂鎖的開關(guān)。在采用PN結(jié)隔離(不是溝道)工藝中，

圖2 響應(yīng)時(shí)間與電源電壓的關(guān)系曲線

圖3 DI工藝結(jié)構(gòu)示意

PMOS和NMOS管中的N溝道和P溝道構(gòu)成一種反向偏置正常工作的二極管，當(dāng)模擬輸入信號(hào)超過(guò)電源電壓時(shí)，開關(guān)處于過(guò)壓或斷電狀態(tài)，二極管正向偏置，構(gòu)成雙晶體管組成的類似可控硅(SCR)電路。由于它對(duì)此電流劇烈地放大，最終導(dǎo)致閂鎖。然而，采用DI工藝制造的CMOS開關(guān)不會(huì)產(chǎn)生這種二極管效應(yīng)，因此使器件防閂鎖。

問：帶故障保護(hù)的多路開關(guān)或通道保護(hù)器是如何工作的?

答：帶故障保護(hù)的多路開關(guān)的一個(gè)通道或通道保護(hù)器是由兩個(gè)NMOS管和兩個(gè)PMOS管組成的。其中一個(gè)PMOS管不放在直接信號(hào)路經(jīng)上，通常將另一個(gè)PMOS管的源極接到它的襯底(背柵極)。這樣可以起到降低閾值電壓的作用，從而可增加正常工作條件下輸入信號(hào)的范圍?；谕瑯永碛桑瑢⒁粋€(gè)NMOS管的源極和另一個(gè)管子的背柵極相連。正常工作期間，帶故障保護(hù)的多路轉(zhuǎn)換器和普通器件一樣工作。當(dāng)輸入通道出現(xiàn)故障時(shí)，這意味著輸入信號(hào)超過(guò)由電源電壓決定的閾值電壓。閾值電壓與電源電壓的關(guān)系如下：

對(duì)于正過(guò)壓情況，閾值電壓由(V DD -V TN )決定。其中V TN 為NMOS管的閾值電壓(典型值15V)；對(duì)于負(fù)過(guò)壓情況，閾值電壓由(V SS -V TP )決定。其中VTP 為PMOS管的閾值電壓(典型值2V)。當(dāng)輸入電壓超過(guò)上述閾值電壓而且通道未加負(fù)載時(shí)，通道輸出電壓可箝住到閾值電壓。

問：當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，上述多路轉(zhuǎn)換器如何工作?

答：圖4和圖5示出了信號(hào)路經(jīng)晶體管在過(guò)壓條件下的工作情況。圖4示出了當(dāng)正過(guò)壓信號(hào)加到通道時(shí)，NMOS，PMOS和NMOS三個(gè)管子串聯(lián)工作的情況。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)NMOS管的漏極電壓超過(guò)(V DD -V TN )時(shí)，它進(jìn)入飽和工作狀態(tài)。它的源極電位等于(V DD-V TN )，而其它兩個(gè)MOS管則處于非飽和工作狀態(tài)。

圖4 正過(guò)壓施加在通道上的工作情況

圖5 負(fù)過(guò)壓施加在通道上的工作情況

當(dāng)負(fù)過(guò)壓施加通道上漏極電壓超過(guò)閾值(V SS -V TP )時(shí)，PMOS管進(jìn)入飽和工作方式。像正過(guò)壓情況一樣，其它兩個(gè)MOS管都處于非飽和狀態(tài)。

問：負(fù)載如何影響箝位電壓?

答：當(dāng)通道加負(fù)載時(shí)，其輸出電壓箝位在兩個(gè)閾值電壓之間。例如，負(fù)載為1kΩ，V DD =+15，在正過(guò)壓情況下，輸出電壓箝位在(V DD -V TN -ΔV)，其中ΔV為通道上兩個(gè)非飽和MOS管上產(chǎn)生的電壓降IR。這個(gè)例子說(shuō)明被箝位的NMOS管的輸出電壓低于135V。因?yàn)槠溆鄡蓚€(gè)MOS管的導(dǎo)通電阻通常為100Ω，所以流過(guò)的電流為135V/(1kΩ+100Ω)=1227mA，在這兩個(gè)管子(NMOS和PMOS)上產(chǎn)生的電壓降為12V，從而使箝位電壓VCLAMP 為123V。因此出現(xiàn)故障期間的輸出電流由負(fù)載決定，即V CLAMP /RL。

圖6 箝位電壓的確定

問：當(dāng)電源斷電時(shí)，帶故障保護(hù)的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和通道保護(hù)器還有保護(hù)作用嗎?

答：有。當(dāng)電源電壓降低或突然斷電時(shí)，這種器件仍然有故障保護(hù)功能。
當(dāng)V DD 和V SS 等于0V時(shí)，如圖7所示，管子處于斷電狀態(tài)，此時(shí)電流小到亞納安
級(jí)。