CMOS模擬開關(guān)的選擇與典型應(yīng)用

一、前言：

早期的模擬開關(guān)大多工作于±20V 的電源電壓，導(dǎo)通電阻為幾百歐姆，主要用于模擬信號與數(shù)字控制的接口，近幾年，集成模擬開關(guān)的性能有了很大的提高，它們可工作在非常低的電源電壓，具有較低的導(dǎo)通電阻、微型封裝尺寸和極佳的開關(guān)特性。被廣泛用于測試設(shè)備、通訊產(chǎn)品、PBX/PABX 設(shè)備以及多媒體系統(tǒng)等。一些具有低導(dǎo)通電阻和低工作電壓的模擬開關(guān)成為機(jī)械式繼電器的理想替代品。

模擬開關(guān)的使用方法比較簡單，但在具體應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際用途做合理的選擇。本文主要介紹模擬開關(guān)的基本特性和幾種特殊模擬開關(guān)的典型應(yīng)用。

二、正確選擇CMOS開關(guān)：

1、導(dǎo)通電阻：傳統(tǒng)模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它由N 溝道MOSFET 與P 溝道MOSFET 并聯(lián)構(gòu)成，可使信號雙向傳輸，如果將不同VIN值所對應(yīng)的P 溝道MOSFET 與N 溝道MOSFET 的導(dǎo)通電阻并聯(lián)，可得到圖2 并聯(lián)結(jié)構(gòu)下導(dǎo)通電阻(RON)隨輸入電壓(VIN)的變化關(guān)系，如果不考慮溫度、電源電壓的影響，RON 隨VIN 呈線性關(guān)系，將導(dǎo)致插入損耗的變化，使模擬開關(guān)產(chǎn)生總諧波失真(THD)，這是設(shè)計人員所不希望的，如何將RON隨VIN的變化量降至最小也是設(shè)計新一代模擬開關(guān)所面臨的一個關(guān)鍵問題。

另外，導(dǎo)通電阻還與開關(guān)的供電電壓有關(guān)，由圖3 可以看出：RON隨著電源電壓的減小而增大，當(dāng)MAX4601的電源電壓為5V 時，最大RON為8Ω;當(dāng)電源電壓為12V 時，最大RON為3Ω;電源電壓為24V時，最大RON僅為2.5Ω。RON的存在會使信號電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過開關(guān)的電流成正比，對于適當(dāng)?shù)碾娏鬟@一跌落量在系統(tǒng)容許的誤差范圍內(nèi)，而要降低RON所耗費(fèi)的成本卻很高，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要加以權(quán)衡。RON 確定后，還需考慮通道間的失配度與RON的平坦度。通道失配度用來描述同一芯片不同通道間RON 的差別;RON 的平坦度用于描述每一通道的RON在所規(guī)定的信號范圍內(nèi)的變化量。這兩個參數(shù)的典型值為2Ω至5Ω，對于低RON 模擬開關(guān)，這些參數(shù)僅為0.5Ω。失配度/RON、平坦度/RON 這兩個比值越小，說明模擬開關(guān)的精度越高。

2、注入電荷：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，在每個開關(guān)周期其充電和放電過程會消耗更多的電流。時間常數(shù)t = RC，充電時間取決于負(fù)載電阻(R)和電容(C)，一般持續(xù)幾十ns。這說明低RON開關(guān)具有更長的導(dǎo)通和關(guān)斷時間。Maxim 提供兩種類型的開關(guān)，每種開關(guān)都有微型SOT23 封裝，MAX4501 和MAX4502 的導(dǎo)通電阻較高，但開關(guān)速度較快;MAX4514 和MAX4515 具有較低的導(dǎo)通電阻，但開關(guān)時間較長。

3、系統(tǒng)電源：為單電源供電系統(tǒng)選擇模擬開關(guān)時，應(yīng)盡量選擇那些專為單電源供電而設(shè)計的產(chǎn)品，這類開關(guān)不需要單獨(dú)的V-和GND引腳，節(jié)省了一個引腳，能夠把一個單刀雙擲(SPDT)開關(guān)封裝在微小的SOT23-6 中。同樣，低電壓雙電源供電系統(tǒng)需選用雙電源供電開關(guān)，它們具有獨(dú)立的V-和GND 引腳，還特別設(shè)有與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 或TTL 電平的邏輯接口，該系列中的SPST 開關(guān)(MAX4529)同樣可采用SOT23-6 封裝。許多高品質(zhì)的模擬系統(tǒng)仍需較高的雙極性電源如：±15V 或±12V 供電，模擬開關(guān)與這些電源連接時需要一個額外的電源引腳，該引腳通常標(biāo)為VL，VL與系統(tǒng)的邏輯電源相連，一般為5V或3.3V，保證輸入邏輯信號為精確的邏輯電平能夠提高噪聲裕量、節(jié)省功耗。

由于模擬開關(guān)只能處理幅度在電源電壓擺幅以內(nèi)的信號，輸入信號幅度必須保證在所規(guī)定的電源電壓范圍內(nèi)，對于未加保護(hù)的模擬開關(guān)，過高或過低的輸入信號將在開關(guān)內(nèi)部的二極管網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生失控電流，造成模擬開關(guān)的永久損壞。

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