用模擬開關(guān)實現(xiàn)信號復用

　　請注意模擬開關(guān)和多路復用器，它們是信號通道的關(guān)鍵元件。設計人員應當了解這些重要模擬部件的應用和規(guī)格。

　　要 點

　　模擬開關(guān)的主要規(guī)格是電壓、導通電阻、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 (微機電系統(tǒng))開關(guān)在高頻下運行良好，但存在可靠性問題，并且封裝費用昂貴。

　　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，隱藏著極其復雜的東西。很多規(guī)格，包括電源電壓和導通電阻，都對部件運行非常重要。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 1 )。

　　一個模擬開關(guān)是復雜的，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)功能或多路復用器，就會更加復雜。例如，一個為 ADC 送入信號的多路復用器應當是一種先開后合的器件——也就是說，在接通之前，它應當斷開觸點，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用將永遠存在，但是幾項新的技術(shù)進展正在使模擬開關(guān)的使用發(fā)生巨大的變化。

　　模擬開關(guān)最大規(guī)模用途之一是手機和其它的手提消費設備。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，這更增加了在手機中的應用。一款手機通常包括一只基帶 IC 和 RF 信號鏈。一款全功能手機也可能要帶有數(shù)碼相機和攝像頭，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、藍牙和無線 LAN 連接。Johnston了解一些高端手機有多達 14 個模擬開關(guān)。

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

　　家庭娛樂設施是模擬開關(guān)的另一種大批量應用。任何一個裝配電視、 DVD 播放機、立體聲收音機、游戲系統(tǒng)、有線系統(tǒng)和計算機的人，都可以證實這些任務要求的視頻與音頻信號布線挑戰(zhàn)。如同手機一樣，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)的另一個大量應用是車載娛樂設備，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、計算機和手機環(huán)境的管理挑戰(zhàn)。

　　重要規(guī)格

　　模擬開關(guān)能經(jīng)受的電壓與機械開關(guān)的額定電壓一樣重要，有時它指示出開關(guān)的預期市場。12V到 36V開關(guān)的目標常常是儀表、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，促進了對介質(zhì)絕緣模擬開關(guān)和故障保護模擬開關(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)擺幅低于負電壓軌，這樣在沒有負電源軌情況下也能通過雙極音頻信號(參考文獻3)。另外一個例子是德州儀器公司的 TS3USB221 多路復用器/解復用器開關(guān)，其工作電壓為 2.3V。

　　故障保護是另一個重要規(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致?lián)p壞。例如，Maxim 公司的 MAX388 模擬多路復用器的故障防護達 100V 。除提供內(nèi)部故障保護之外，線路還可以設計為在過壓情況下保護模擬開關(guān)(參考文獻4)。

　　導通電阻是模擬開關(guān)的另一個極為重要的規(guī)格。如果您的設計包含了一個為模擬開關(guān)提供緩沖的運算放大器，導通電阻似乎并不重要。運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)的導通電阻能對放大器的雜散電容和輸入電容作出反應。這個反應能建立一個極點，使信號鏈的頻率響應驟降，可能達到無法接受的水平。許多其它信號通路應用需要更低的導通電阻。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，應總是在預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，輕易地達到數(shù)百兆赫。

　　Maxim Intergratd Products公司的副業(yè)務經(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)設計相關(guān)的規(guī)格。半導體模擬開關(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 都是機械性器件，在幾十萬到數(shù)百萬次的運行循環(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，也應當觀察模擬開關(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擾規(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用器中，這可能會產(chǎn)生災難性的后果。那些配合內(nèi)部電容的 IC設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，要在預期的全部設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)應用中，如數(shù)據(jù)采集多路復用器，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)定到一個準確的水平。也應當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)部電容進入設計的輸出。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入設計的信號通道。這也會使線路對 RFI(射頻干擾，參考文獻 5)有更強的抗干擾能力。

　　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。如果設計一種手持式儀器或手機，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準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)和保護業(yè)務部的執(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，不要假設數(shù)據(jù)單上的標稱數(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當審視那些模擬開關(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 15V，可以并聯(lián)使用多個開關(guān)，實現(xiàn)適當級別的導通電阻。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的導通電阻。

　　另外一個權(quán)衡是電源電流。高速運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)設計需要較大的封裝，從而可能需要低導通電阻，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)域做出了巨大的進步。Vishay 現(xiàn)在提供 14 種導通電阻小于 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通電阻。

　　CMOS 模擬開關(guān)會更便宜，但是運行電壓更低。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 6)。Analog Devices 公司產(chǎn)品經(jīng)理Liam S渋lleabh噄n 認為，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用。他說：“如果比較一下 ADG408 和我們的新產(chǎn)品 ADG1408，408 的導通電阻為 100Ω，而 1408 的導通電阻為 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)在的問題是機械可靠性和價格。MEMS 開關(guān)是機械式的，雖然可以預期它們的可靠性優(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，因為它們是機械式的。

　　放眼審視模擬開關(guān)的大量應用和多面性的規(guī)格，您能夠發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容遠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 7)。在您設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。