模擬開關與多路轉換器知識詳解

問：ADI公司不給出ADG系列模擬開關和多路轉換器的帶寬，這是為什么?

答：ADG系列模擬開關和多路轉換器的輸入帶寬雖然高達數(shù)百兆赫，但是其帶寬指標本身不是很有意義的。因為在高頻情況下，關斷隔離(offisolation)和關擾指標都明顯變壞。例如，在1MHz情況下，開關的關斷隔離典型值為70dB，串擾典型值為-85dB。由于這兩項指標都按20dB/+倍頻下降，所以在10MHz時，關斷隔離降為50dB，串擾增加為-65dB；在100MHz時，關斷隔離降為30dB，而串擾增加為-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指標下降是否能滿足應用的要求。(關斷隔離是指當開關斷開時，對耦合無用信號的一種度量——譯者注。)

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

答：ADG系列全部模開關和多路轉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指標有響應時間、導通電阻、電源電流和漏電流。降低電源電壓會降低電源電流和漏電流。例如，在125°C，±15V時，ADG411關斷狀態(tài)源極漏電流IS(OFF)和漏極漏電流ID(OFF)都為±20nA，導通狀態(tài)漏極漏電流ID(ON)為±40nA；在同樣溫度下，當電源電壓降為±5V，IS(OFF)和ID(OFF)降為±25nA，ID(ON)降為±5nA。在+125°C，±15V時，電源電流I DD ，I SS 和IL最大為5μA；在±5V時，電源電流，最大值降為1μA。導通電阻和響應時間隨電源電壓降低而增加。圖1和圖2分別示出了ADG408的導通電阻和響應時間隨電源電壓變化的關系曲線。

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

答：DI是英文Dielectric Isolation介質隔離的縮寫，按照DI工藝要求，每
個CMOS開關的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之間的寄生PN結，所以可以制造出完全防閂鎖的開關。在采用PN結隔離(不是溝道)工藝中，

圖2 響應時間與電源電壓的關系曲線

圖3 DI工藝結構示意

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

問：帶故障保護的多路開關或通道保護器是如何工作的?

答：帶故障保護的多路開關的一個通道或通道保護器是由兩個NMOS管和兩個PMOS管組成的。其中一個PMOS管不放在直接信號路經(jīng)上，通常將另一個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的范圍。基于同樣理由，將一個NMOS管的源極和另一個管子的背柵極相連。正常工作期間，帶故障保護的多路轉換器和普通器件一樣工作。當輸入通道出現(xiàn)故障時，這意味著輸入信號超過由電源電壓決定的閾值電壓。閾值電壓與電源電壓的關系如下：

對于正過壓情況，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)；對于負過壓情況，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)。當輸入電壓超過上述閾值電壓而且通道未加負載時，通道輸出電壓可箝住到閾值電壓。

問：當出現(xiàn)過壓時，上述多路轉換器如何工作?

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

圖4 正過壓施加在通道上的工作情況

圖5 負過壓施加在通道上的工作情況

當負過壓施加通道上漏極電壓超過閾值(V SS -V TP )時，PMOS管進入飽和工作方式。像正過壓情況一樣，其它兩個MOS管都處于非飽和狀態(tài)。

問：負載如何影響箝位電壓?

答：當通道加負載時，其輸出電壓箝位在兩個閾值電壓之間。例如，負載為1kΩ，V DD =+15，在正過壓情況下，輸出電壓箝位在(V DD -V TN -ΔV)，其中ΔV為通道上兩個非飽和MOS管上產(chǎn)生的電壓降IR。這個例子說明被箝位的NMOS管的輸出電壓低于135V。因為其余兩個MOS管的導通電阻通常為100Ω，所以流過的電流為135V/(1kΩ+100Ω)=1227mA，在這兩個管子(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載決定，即V CLAMP /RL。

圖6 箝位電壓的確定

問：當電源斷電時，帶故障保護的多路轉換開關和通道保護器還有保護作用嗎?

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