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模拟开关基础及选型

2020-01-01
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模拟开关,是利用JFET或MOS的特性实现控制信号通路的开关,主要用来完成信号链路连接或断开的切换功能。由于它具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点,在各种自动控制系统和电子数码产品中得到了广泛应用。

传统CMOS工艺模拟开关的结构如图1所示。将NMOS与PMOS并联,可使信号在两个方向上同等顺畅地通过。门极用于控制开关的导通和截止,NMOS在Vgs为正的时候导通,在Vgs为负的时侯截止,PMOS则反之。由于PMOS和NMOS的不同特性,导致他们组成的开关具有如下图所示的特性。NMOS和PMOS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,因而也没有输入端与输出端之分。两个MOSFET由内部反相与同相逻辑控制下导通或断开。CMOS开关的好处是轨到轨的动态范围,双向操作,在输入电压变化时,导通电阻保持不变。

 

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图1   典型模拟开关内部结构图

静态参数(导通电阻,漏电流,逻辑控制触发电平):

①导通电阻RON,不同通道导通电阻的差异∆RON,导通电阻的平坦度RFLAT(ON)

导通电阻会导致信号有损失,尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失更大。应用中应根据实际情况选择导通电阻合适的开关。特别需要注意,导通电阻的阻值与电源供电电压有直接关系,通常电源电压越大,导通电阻就越小。

 

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图2  CMOS型模拟开关导通电阻特性曲线

NMOS管在信号比较低时的导通电阻较小,而PMOS管则在输入信号较高时的导通电阻较小,两个电阻并联后,则在整个信号的有效范围内都比较低。

②漏电流Leakage Current :

一个理想状态的开关要求导通状态下的电阻为零,断开状态下导通电阻趋于无限大,漏电流为零;而实际上开关断开时为高阻状态,漏电流不为零,常规的CMOS漏电流约1nA左右。开关断开时,漏电流会流入负载,从而引起额外的误差。如果信号源内阻很高,传输信号为直流量,就特别需要考虑模拟开关的漏电流,一般希望漏电流越小越好。

需要注意,如果通过模拟开关前端电路的阻抗大则漏电流的影响不容忽略,如果前端电路阻抗较小,则导通电阻的影响就会更大些。

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图3  开关导通状态下的等效电路

 

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4  开关断开状态下的等效电路(VOUT = ILKG × RL

③逻辑控制触发电平VIH,VIL:

VIH:可以被模拟开关识别成逻辑高电平的最小电平值

VIL:可以被模拟开关识别成逻辑低电平的最大电压值。

 

动态参数(导通\断开时间,传输延迟,电荷注入,管脚电容,最大数据速率,隔离度等)

①Ton/Toff:

开关接收到数字控制管脚的导通或断开信号后,输出真正反映输入信号导通或断开所需要的时间。

 

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图5  Turn on&Turn off 时间

②T-break-before-make:

这个指标大部分针对单刀多掷的模拟开关而言的,比如对于一个1:2的模拟开关(SPDT),它的定义是从断开一个开关到打开另一个开关的时间。

 

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图6  Break-Before-Make时间

③T-make-before-break:

与上面的参数类似,从打开开关到断开另外一个开关的时间。

④切换时间:T transition time:

从一个输入通道切换到另一个输入通道后,输出需要的切换时间。

⑤T enable/disable time:

输入通道在使能和禁止时,所需要的的时间。

⑥Propagation delay:

信号出现在输入通道后,出现在输出通道的时间差。

⑦电荷注入:

用于衡量模拟开关在进行开和断操作时由于电荷的放电,导致出现在开关输出的毛刺电压。原理是开关导通时,对电容进行充电断开时,储存的电荷进行放电。对源端的放电不会引入误差,而对负载端的放电则会引入误差。显而易见,电荷注入会带来增益误差和直流失调误差。

⑧管脚寄生电容Cs(on),Cd(on),Cs(off),Cd(off),C in 

Cs(on) 导通时输入电容

Cd(on) 导通时输出电容;

Cs(off) 断开时的输入电容;

Cd(off) 断开时的输出电容;

C in   数字控制引脚上的寄生电容。

⑨-3dB带宽 -3dB Bandwidth:

开关导通时,增益衰减3dB的时候,可导通信号的频率被定义为带宽。

⑩隔离度Off Isolation:

当开关断开时,理想状态下,输出不应出现输入信号,实际上在输出会有与输入信号频率一样的信号,这是由于输入输出间的寄生电容引起的。隔离度参数越大越好,表示输出端耦合过去的信号越小。

⑪串扰Crosstalk:

对于2:1的复用器,当其中通道1导通时,通道2上会耦合出通道1的信号,Crosstalk用于衡量耦合信号的大小,参数值越大,表示耦合过去的信号幅值越小。

⑫总谐波失真 Total Harmonic Distort:

一些音频的信号处理对THD要求严格,THD定义为,信号功率与谐波及噪声的dB比值。测试时给开关输入一个正弦波,开关的输出会包含基波以及各次谐波,要注意的是导通电阻的平坦度也会影响THD的指标。

模拟开关应用场景

润石科技深耕细分领域,为不同的应用场景量身打造了多个系列的模拟开关:

①音频类应用:

RS2117/RS2118非常适合用于降噪耳机,音箱,KVM、矩阵以及调音台等产品中。在音频系统中,对模拟开关的要求是可以过交流信号,并且需要消除瞬时放电脉冲通过扬声器时引起的POP音。这些瞬时脉冲通常由电源的通、断引起。下图是用RS2118设计的一种消除POP音的电路:

 

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图7  RS2118 POP音消除电路

②通讯口扩展

USB接口复用:带宽550MHz模拟开关RS2227/RS2228

SPI接口复用,I2S信号切换:带宽300MHz模拟开关RS2299

UART、I2C接口扩展:RS2105/RS2058等

③多路信号分时采样

当电路中需要采集的信号量比较多的时候,ADC或者IO口不够用的时候可以使用模拟开关来做端口的扩展。在满足带宽和电源要求的情况下,RS2251/RS2252/RS2254多路复用器可以轻松应对这样的需求。

④耗尽型模拟开关RS550

当降噪耳机的电池电量耗尽时,或者需要控制外部输入的音源直接接入到音源时,可以直接使用耗尽型的模拟开关RS550,不供电下处于闭合导通状态。

 

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图8  RS550在降噪耳机上的应用示意

 

附:润石科技模拟开关选型树状图:

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图9  润石模拟开关选型树状图