1、正确选择 CMOS 模拟开关的建议集成模拟开关常常用作模拟信号与数字控制器的接口。当今市场上的模拟开关数量众多，产品设计人员需要考虑多项性能标准。同时也有许多35年前开发的标准 CMOS 开关已经发展为专用的开关电路。本文回顾标准 CMOS 模拟开关的基本结构并介绍常见模拟开关参数，例如导通电阻(RON)、RON 平坦度、漏电流、电荷注入及关断隔离。文中讨论最新模拟开关的性能改善：更好的开关特性、更低的供电电压，以及更小的封装。也介绍了专用的特性，例如故障保护、ESD 保护、校准型多路复用器(cal-mux)和加载-感应功能。介绍了适用于视频、高速USB、HDMI 和 PCIe 的专用开关。标
2、准模拟开关基础传统模拟开关的结构如图1所示。将 n 沟道 MOSFET 与 p 沟道 MOSFET并联，可使信号在两个方向上同等顺畅地通过。n 沟道与 p 沟道器件之间承载信号电流的多少由输入与输出电压比决定。由于开关对电流流向不存在选择问题，因而也没有严格的输入端与输出端之分。两个 MOSFET由内部反相与同相放大器控制下导通或断开。这些放大器根据控制信号是 CMOS 或是 TTL 逻辑、以及模拟电源电压是单或是双，对数字输入信号进行所需的电平转换。图 1. 采用并联 n 沟道和 p 沟道 MOSFET 的典型模拟开关的内部结构现在，许多半导体制造商都提供诸如早期 CD4066这样的传统模拟
3、开关。有些最新设计的模拟开关与这些早期开关的引脚兼容，但性能更高。例如，有些与 CD4066引脚兼容的器件(例如 MAX4610)相对于原来的CD4066具有更低的 RON 和更高的精度。对基本模拟开关结构也有一些功能性改变。有些低电容模拟开关在信号通路中只使用 n 沟道 MOSFET(例如 MAX4887)，省去了较大的大幅降低模拟开关带宽的 p 沟道 MOSFET。其它采用单个正电源轨工作的模拟开关采用电荷泵，允许负信号电压。例如，MAX14504音频开关工作在+2.3VCC 至+5.5VCC 单电源，采用内部电荷泵，允许-VCC 至+VCC 的信号无失真通过。除功能改善外，工业上许多最新
4、模拟开关的封装比早期的器件更小。导通电阻(RON)开关降低信号损耗在 VIN 为各种电平条件下，p 沟道和 n 沟道 RON 的并联值形成并联结构的 RON 特征(图2)。RON 随 VIN 的变化曲线在不考虑温度、电源电压和模拟输入电压对 RON 影响的情况下为直线。为使信号损耗和传输延迟最小，理想情况下的 RON 应尽量小。然而，降低 RON 将增大 MOSFET 硅片的宽度/长度(W/L)比，从而造成较高的寄生电容和较大的硅片面积。这种较大的寄生电容降低模拟开关的带宽。如果不考虑 W 和 L，RON 是电子和空穴迁移率(n 和 p)、氧化物电容(COX)、门限电压(VT)及信号电压、n
5、沟道及 p 沟道 MOSFET 的信号电压 VGS (VIN)的复合函数，如式1a 和1b 所示。将 RON 和寄生电容最小化，同时改善整个温度和电压范围内 RON 相对于 VIN 的线性度，往往是设计新产品的首要目的。图 2. RON 与 VIN 的关系。图 1中的 n 沟道和 p 沟道 RON 构成一个复合的低值 RON早期的模拟开关工作于20V 电源电压，导通电阻 RON 为几百欧姆。最新改进达到了最大0.5 的 RON，供电电压低得多。电源电压对 RON的影响很大(图3A)，施加的信号也会明显影响 RON (图3B)。本例中，MAX4992信号和电源电压为1.8V 至5.5V，RON
6、在较低电源电压时增大(图3A)。MAX4992采用单电源时达到了非常低的 RON 及 RON 平坦度(1m)。图3B 为新、旧模拟开关的比较，电源为5V。图 3A. 较高电源电压下 RON 较低。图为 MAX4992(单电源 )RON 与 VCOM 的关系图 3B. 新、旧模拟开关的 RON 比较为单电源系统选择模拟开关时，尽量选择专门针对单电源设计的器件。此类器件无需单独的 V-和地引脚，因而可节省一个引脚。引脚上的经济性意味着单刀双掷(SPDT)开关(例如 MAX4714)可采用小型6引脚、1.6mm2、DFN 封装。许多高性能模拟系统仍然使用较高电平的双极性电源，例如15V或12V。与这
7、些电压接口时需要额外的一个电源引脚，通常称为逻辑电源电压(例如 MAX14756)。该引脚(VL)连接至系统逻辑电压，通常是1.8V 或3.3V。信号处理设计图3A 还给出了 RON 值随信号电压的变化情况。图中曲线都落在特定的电源电压范围之内，这是因为未集成内部电荷泵的典型模拟开关只能处理电源电压范围之内的模拟信号电平。对于没有保护的模拟开关，过高或过低电压的输入将在芯片内部的二极管网络产生失控的电流，造成开关永久损坏。通常这些二极管能够保护开关抵抗高达2kV 的短时间静电放电(ESD)。(参见下文中的 ESD 保护开关部分)。模拟开关的 RON 会造成信号电压的线性衰减，衰减量正比于流过开
8、关的电流。根据应用及电流大小的不同，可能需要考虑这种电压变化。需要考虑的另外两个重要参数是通道匹配度和 RON 平坦度。通道间的匹配度说明同一器件各通道 RON 的差异；RON 平坦度是指某一通道的RON 在信号范围内的变化量。匹配度/RON 或平坦度/RON 的比值越小，则模拟开关的精度越高。这两个参数的典型值分别为0.1 至5。有些开关是专门针对低通道匹配度和平坦度设计的。例如，MAX4992的通道匹配度可达到3m，RON 平坦度可达到1m。MAX14535E 具有非常好的RON、通道匹配度和 RON 平坦度指标，理想用于交流耦合音频或视频便携式设备，可处理低至-1.5V 的负信号摆动。大
9、多数应用中，可以通过修改电路设计防止过大的开关电流。例如，您可能希望通过在不同反馈电阻间切换来改变运算放大器的增益，这种情况下最好选择采用高阻输入与开关串联的结构(图4A)。此时，由于开关电流较小，RON 值及其温度系数可忽略不计。然而，图4B 所示的设计中，开关电流取决于输出电压，因此其值较大，就不太理想。图 4. 增益控制电路设计的好 (A)或坏 (B)取决于流过开关的 电流 大小音频开关和先断后合功能所有音频系统中的一项主要性能要求是消除瞬态脉冲通过扬声器负载放电引起的可闻咔嗒/噼噗声。这些瞬态通常发生在电源打开和关闭期间(导通和关断时间，tON 和 tOFF)。无论设备在工作期间的音频
10、质量如何，如果在系统每次打开或关闭时发出噪杂的咔嗒声，用户往往会认为该音频设备的质量比较差。通过延长模拟开关的 tON 和 tOFF，可消除可闻咔嗒/噼噗声。这减小了通过扬声器负载进行放电的瞬态脉冲。大多数模拟开关的 tON 和 tOFF 从低至15ns 到高达1s 不等，但有些“无杂音”开关可达到毫秒级。有些无杂音开关使用旁路开关和先断后合功能消除咔嗒声。在使用MAX4744的音频应用中，利用内部旁路开关对输入处的电容放电。这可防止瞬态电压进入扬声器。先断后合功能保证开关在切换至另一连接之前首先断开之前的连接，要求 tON tOFF。有些设计则要求开关先合后断，此时 tOFF tON。例如，
11、图4A 中的电路在两种增益之间切换时必须谨慎。改变增益时，避免使两个开关同时处于打开状态非常重要；第二个开关必须在第一个开关开路之前闭合。否则，运算放大器会采用开关增益，其输出将被驱动至电源电压。信号电平变化会引起 RON 变化，造成开关的插入损耗变化，这会增大模拟开关的总谐波失真(THD)。以 RON 平坦度为10 的100 开关为例，当负载为600 时，开关将产生1.67%的 THDMAX。THD 是许多应用中的关键参数，表示通过开关的信号质量或保真度。THD 的定义为全部谐波分量的平方和的平方根与基波分量之比(式2a)。用式2b 计算最大THD。图5所示为不同开关的 THD 比较。图 5
12、. 一组模拟开关的 THD 与频率关系低 RON 及管理电荷注入效应并非所有应用都要求低 RON。然而，当应用需要较低 RON，需要考虑多项设计要求。电路所需的芯片面积更大，设计将引入更大的输入电容，每个开关周期对输入电容进行充电和放电需要消耗更大功率。该输入电容的充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，其时间常数由 t = RC决定。充电时间通常为几十纳秒，但高 RON 开关具有较短的 tON 和 tOFF周期。有些模拟开关以相同的封装类型和引脚排列提供不同的 RON/输入电容组合。MAX4501和 MAX4502具有相对较高的 RON，tON/tOFF 较短；MAX4514和 MAX45
13、15具有较低的 RON，但开关时间较长。低 RON 还具有另一负面效应：较高的容性栅极电流引起较高的电荷注入。每次开关导通或断开瞬间都有一定数量的电荷被注入或吸出模拟通道(图6A)。对于输出连接至高阻的开关，这种效应将引起输出信号的明显改变。在一个没有其它负载的小分布电容(CL)上产生 VOUT 的变化量，那么注入电荷可按公式 Q = VOUTCL 计算。跟踪和保持放大器提供了一个很好的实例，在模数转换器(ADC)转换期间用它来保持一个恒定的模拟输出(图6B)。闭合 S1时，一个比较小的缓冲器电容(C)被充电至输入电压(VS)。电容 C 只有几个 pF，当 S1断开时，VS 保存在 C 上。在
14、转换开始时闭合 S2，将保持电压(VH)加载至缓冲器。这样，在整个ADC 的转换周期内，高阻缓冲器保持 VH 恒定。对于比较短的采集时间，跟踪和保持器的电容必须小，而且 S1的 RON 要小。注意，此外，电荷注入会造成 VH 改变VOUT(几个毫伏)，因此会影响到后面 ADC 的精度。图 6A. 来自于开关控制信号的电荷注入造成模拟输出 电压 误差图 6B. ADC 中的典型跟踪和保持功能需要精密控制的模拟开关漏电流及其对电压误差的影响漏电流影响模拟开关的输出电压。图7和8所示为模拟开关打开和关闭阶段的简化小信号模型。这两种情况下，大部分漏电流通过内部寄生二极管，影响输出电压误差。漏电流还是温
15、度的函数，每10大约翻一倍。ESD 保护二极管(例如故障保护开关中)增大漏电流。图 7. 开关闭合的等效电路图。图 8. 开关开路的等效 电路图 。利用式3计算导通状态的输出电压，输出电压是漏电流、RON、在所施加输入信号范围内 RON 的变动、负载电阻及源电阻的函数。对于双向模拟开关，Ilkg 等于 IS 或 ID (图7和8所示)，取决于开关的漏极还是源极侧配置为输出。关断状态下的输出电压主要受漏电流影响，由式 VOUT = Ilkg RL 计算。许多 IC 的数据资料给出了最差情况的导通/关断漏电流：当信号电压接近电源电压限值时，造成寄生二极管向基片注入较高电流，导致电流流入相邻通道。视
16、频和高频开关的特殊要求RON 和寄生电容之间的平衡对视频信号非常重要。RON 较大的传统模拟开关需要额外增益级来补偿插入损耗。同时，低 RON 开关具有较大寄生电容，减小了带宽，降低视频质量。低 RON 开关需要输入缓冲器，以维持带宽，但是这会增加元件数量。采用只有 n 沟道的开关可提高带宽，同时寄生元件和封装尺寸变得更小，从而允许单位面积上具有更多开关。然而，n 沟道开关容易受满摆幅工作的限制。当施加的视频信号超过这些限值时，输出将箝位，造成视频信号失真。选择 n 沟道开关时，确保开关的规定限值足以通过满幅输入信号。在一个监视器显示来自于多个源的视频应用中，如安保和监视系统，关断隔离和串扰是
17、关键参数。开关处于关断状态时，来自于所加输入信号的馈通总量决定关断隔离。较高频率时，通常为视频和 VHF 应用，视频通过漏源电容(CDS)耦合，降低关断隔离。与开关相关的较高电路阻抗也会降低关断隔离。T 型开关拓扑适用于视频或高于10MHz 的频率，它包括两个串联的模拟开关，以及第三个连接在它们公共点与地之间的开关(图9a)。这种安排能够提供比单个开关更高的关断隔离。由于寄生电容与串联开关中的每个开关并联(图9a)，关断的 T 型开关的容性串扰一般随频率的升高而增大。多通道开关中，通道之间的寄生电容将信号容性耦合至相邻通道，进而增大串扰。图9A 所示的 T 型开关导通时，S1和 S2闭合，S3
18、断开；T 型开关关断时，S1和 S2断开，S3闭合。这种关断状态下，通过串联 MOSFET 的 CDS的耦合信号被 S3旁路到地。T 型开关(例如 MAX4545)与标准模拟开关(例如 MAX312)对于10MHz 信号的关断隔离差异明显：-80dB 相对于-36dB (图9B)。最后，您可考虑缓冲与无缓冲视频开关。作为无源视频开关，标准视频开关可能需要额外电路1；而集成方法是作为有源视频开关，将开关和缓冲器集成在一个封装内，降低信号干扰。集成的复用器-放大器(例如 MAX4310)具有很强的关断隔离功能，可用于高频应用。图 9A. 用于射频的 T 型开关结构图 9B. 标准开关 (MAX31
19、2)与视频开关 (MAX4545, MAX4310)的关断隔离 -频率关系的比较ESD 保护开关ESD 保护是大多数模拟开关应用的一项重要特性。标准模拟开关的设计可提供高达2kV 的保护。设计者可增加额外的 ESD 保护能力，但这将占用宝贵的电路板面积，并增加输入/输出线上的电容。然而，现在设计的有些开关具有内部二极管，可承受高达15kV 的 ESD。这些开关采用人体模式(15kV)及 IEC 61000-4-2标准规定的接触(典型值为8kV)及气隙放电(15kV)法测试2。用于高达36V 过压保护的故障保护开关模拟开关的电源轨限制了允许的输入信号电压范围。(参见上文中的信号处理设计部分)。如
20、果输入信号超过电源轨，器件会锁定或永久损坏。通常情况下，这种限制不是问题；但在有些情况下，模拟开关的电源关断时输入信号仍然存在。(如果系统电源排序造成输入信号早于电源电压出现，就会发生这种情况)。瞬时超出正常电源电压范围也会造成锁定或永久损坏。新故障保护开关和多路复用器能够保证36V 的过压保护、40V 的掉电保护、满幅信号控制能力以及和一般开关相近的低 RON。无论开关状态或负载电阻如何，故障条件期间保证输入引脚为高阻，只有纳安级的漏电流流过信号源。图10所示为故障保护模拟开关的内部结构。如果开关(P2或 N2)是导通的，COM 输出被两个内部“后援”FET 钳位于电源电压。这样，COM 输
21、出保持在电源范围之内，并根据负载大小提供最多13mA 的电流，但在NO/NC 引脚没有明显电流。值得一提的是，信号可以同样容易地从 ESD和故障保护模拟开关的任意方向通过，但这些故障保护只在输入一侧有效3。图 10. 该内部结构表示故障保护模拟 开关 的特殊电路许多双电源轨模拟开关要求先加正电源，然后再加负电源，以防锁定或损坏。如果是这种情况，可采用不要求电源排序的开关，例如多路复用器 MAX14752。MAX14752与行业标准 DG408/DG409的引脚兼容，输入处的内部二极管为开关提供过压/欠压保护。加载-感应开关影响系统精度电压和电流测量系统中的接线方法多种多样，这些接线方法称为2线
22、、3线及4线系统，其精度和复杂度各不相同。图11所示的2线系统用于高精度不是首要因素的情况。这种方法在加载线的源端测量负载电压。负载电压会明显低于源电压，这是因为如果流过导线电阻的加载电流较大，线路上会发生电压降。较长的导线、较大的负载电流以及较高的线阻抗都会造成这种电压降，并产生明显的测量误差。3线系统改善了精度，但采用4线加载-感应技术可获得最佳结果。图 11. 高精度不是特别关键时，使用 2线测量系统4线加载-感应技术(图12)利用两根线加载电压或电流，使用另外两根线直接连接在负载两端来测量负载电压。有些模拟加载-感应开关在相同的封装内提供不同类型的开关。例如，MAX4554系列器件可以
23、配置为加载-感应开关，用于自动测试设备(ATE)中的开尔文检测。每款器件含有用于加载电流线的大电流低阻开关，以及用于检测电压或切换保护信号的较高电阻开关。15V 供电时，大电流开关的 RON 仅为6，感应开关的 RON 为60。加载-感应开关适合于高精度测量系统，例如纳伏和飞安表。加载感应开关简化了许多应用，例如在一个4线系统中，一个信号源在两个负载间的切换，如图13所示。图 12. 4线加载 -感应测量技术。图 13. 使用 MAX4555将 4线加载 -感应电路从一个源切换至两个 负载用于多通道应用的多路复用器和交叉点开关多路复用器(复用器)是特殊形式的模拟开关，其中的两路或多路输入被有选
24、择地连接至单路输出。复用器可以是单个 SPDT 开关，或者许多可选通道的多种组合(图14)。高阶复用器的数字控制类似于二进制解码器，需要使用数字输入选择相应的通道(例如，对于8通道复用器，需要三个数字输入)。多路输出选择器基本上是复用器的反向用法，即根据解码的地址数据将一个输入连接至两个或多个输出。许多复用器可用作多路输出选择器。图 14. 低压多路复用器 (上 )和中压多路复用器 (下 )的配置交叉点开关用于音频/视频路由、视频点播、安保和监视系统。交叉点开关通常是 M x N 型器件，M 路输入中的任意一路或全部输入可以连接至 N 路输出中的任意一路或全部输出(反之亦然)。这些器件能够实现
25、较大的阵列4。校准型多路复用器修正 ADC 失调和增益误差校准型多路复用器(cal-mux)主要用于高精度 ADC 和其它自监测系统。一个封装内部集成了多个不同元件：用于从输入基准电压产生精确电压比的模拟开关、内部高精度电阻分压器、以及选择不同输入的多路复用器。Cal-mux 可用于修正 ADC 系统中的两个主要误差：失调和增益误差。利用内部精密分压器，这些器件在微控制器串行接口控制下，只需几个步骤即可测出增益和失调。知道 ADC 的失调和增益误差后，系统软件可建立修正系数，对后续输出进行修正后便可得到正确读数。校准型多路复用器接下来就可作为一个普通的多路复用器使用，但具有周期性地对系统进行校
26、准的功能5。USB 开关实现系统通信通用串行总线(USB)是一种高速接口，使设备能够通过标准接口进行通信，也可用于从 USB 主机为从机设备供电。多个 USB 设备可连接至一台计算机，采用模拟开关将 USB 信号切换至不同设备6。大多数的最新 USB 应用也要求通过 USB 接口为便携设备充电7。USB 2.0规范适用于高速信号，要求高带宽/低电容的模拟开关，如 MAX14531E。HDMI 开关实现数字音频、视频信号高清晰度多媒体接口(HDMI)是一种高速接口，用于传输无压缩数字音频/视频信号。这种接口可实现高清 TV (HDTV)、DVD 播放机及其他HDMI 兼容设备与 PC、笔记本电脑
27、及平板电脑的互连。HDMI 包括四对低压差分信号(LVDS)线，用于红、绿、蓝(RGB)视频通道和专用时钟信号。理想 HDMI 开关包括四个1:2或2:1差分线对开关，采用 n 沟道结构，以实现低电容和 RON(例如 MAX4886)8。Display 端口和 PCIe 开关提高点对点连接性能外设组件互连(PCI)扩展是一种串行接口(PCI Express 接口)，能够使图形加速端口(AGP)应用实现更高性能。PCI Express 开关能够与单个或多个总线的不同信号源进行互联。PCI Express 开关的常见应用为切换 display 端口图像、PC 和笔记本电脑扩展卡接口及服务器。有些
28、PCI Express 开关设计用于在两个可能的目标之间切换数据。例如，MAX4928A 和 MAX4928B 支持在图形内存控制器中心(GMCH)和display 端口或 PCIe 连接器之间切换信号9。用于工业和医疗应用的高压开关高压(HV)模拟开关理想用于多种工业和医疗应用。例如，超声应用中，将高压脉冲(100V)施加到传感器以产生超声波。为了在传感器和主系统之间切换这些脉冲，就需要 HV 模拟开关。这些开关通常在整个输入范围内具有低导通电容和相当平坦的 RON。HV 开关通常具有低电荷注入指标，以避免杂散传输和相关的图像伪影。许多 HV 开关器件可通过 SMBus 或 SPI 接口进行编程10, 11。结论本文实际上是一份设计指南，介绍了当今可供使用的多种模拟开关的基础知识。随着最近技术的进步，集成式模拟开关提供了更好的开关特性、更低及更高的电源电压，以及应用相关的设计。无论是性能指标还是特殊功能都可提供多种选择，有经验的产品设计人员可以根据具体的应用挑选到合适的开关产品。
