模擬開(kāi)關(guān)與多路轉換器知識詳解

當開(kāi)關(guān)頻率和負載電阻降低時(shí)，由于模擬開(kāi)關(guān)在下次切換之前才能把注入電荷泄漏掉
，所以開(kāi)關(guān)輸出包含正向尖峰和負向尖峰，如圖12所示。

圖12 在開(kāi)關(guān)頻率和負載電阻很低情況下模擬開(kāi)關(guān)輸出曲線(xiàn)

問(wèn)：如何改善模擬開(kāi)關(guān)的電荷注入作用?
答：如上所述，電荷注入效應是由于NMOS管和PMOS管的寄生柵漏電容的失配造成的。如果使寄生柵漏電容匹配，那么就幾乎不會(huì )有電荷注入效應。ADI公司的CMOS模擬開(kāi)關(guān)和多路轉換器都能夠很精密地做到這一點(diǎn)。通過(guò)在NMOS管的柵極和漏極之間引入一個(gè)虛擬電容(C DUMMY )的方法來(lái)解決它們之間的匹配問(wèn)題，如圖13所示。遺憾的是，只有在規定的條件下才能實(shí)現寄生電容的匹配，即PMOS管和NMOS管的源極電壓都必須為0V。這樣做是因為寄生電容C GDN 和C GDP 不恒定，而是隨其源極電壓變化而變化的。當NMOS和PMOS管

圖13 在V
SOURCE =0V條件下，實(shí)現寄生電容的匹配

的源極電壓變化時(shí)，其通道深度變化，從而使C GDN 和C GDP 跟著(zhù)變化。因此電荷注入效應在V SOURCE =0V時(shí)的匹配情況，對于V SOURCE 為其它值時(shí)提供參考。注：在匹配條件下，即V SOURCE =0V，模擬開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品說(shuō)明中通常給出電荷注入值。在這種情況下，大多數模擬開(kāi)關(guān)的電荷注入值一般都非常好，最大2~3pC，但對于V SOURCE 等于其它值，電荷注入值將增加，增加程度依具體器件而定。許多產(chǎn)品說(shuō)明都給出電荷注入值與源極電壓V SOURCE 關(guān)系曲線(xiàn)。

問(wèn)：在應用中，我如何減小電荷注入效應?

答：由于一定量的電荷注入引起的電荷注入效應在模擬開(kāi)關(guān)的輸出端產(chǎn)生一種電壓毛刺。尖峰幅度是模擬開(kāi)關(guān)輸出的負載電容以及開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的函數，負載電容越大，輸出電壓毛刺越小，即Q=C×V或V=Q/C，其中Q恒定。當然，增加負載電容不是總能做到的，因為它會(huì )減少通道的帶寬。但是對于音頻應用來(lái)說(shuō)，增加負載電容是減少那些無(wú)用的“劈拍”和“卡搭”聲的有效方法。選擇導通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間短的模擬開(kāi)關(guān)也是減小輸出端尖峰幅度有效方法。因為在較長(cháng)的時(shí)間范圍內注入相同數量的電荷，從而使電漏泄時(shí)間變長(cháng)，因此使毛刺變寬，而幅度降低。有些音頻模擬開(kāi)關(guān)，例如SSM2401/SSM2412(其導通時(shí)間規定為10ms)采用上述方法是非常有效的。還值得指出的是，電荷注入效應與模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻密切相關(guān)。通常導通電阻R ON 越低，電荷注入作用越壞。其原因顯然與導通電阻的幾何尺寸有關(guān)，因為增加加NMOS和PMOS管的面積會(huì )降低R ON ，而增大C GDN 和C GDP 。因此適當選擇R ON 來(lái)降低電荷注入效應的方法，對于許多應用也是一種選擇。

問(wèn)：如何評估模擬開(kāi)關(guān)和多路轉換器的電荷注入作用?
答：評估模擬開(kāi)關(guān)和多路轉換器電荷注入作用的最有效方法如圖14(左)所示。用相當高的工作頻率(＞10kHz)控制開(kāi)關(guān)的導通和斷開(kāi)，在(高阻探頭)示波器的輸出端觀(guān)察輸出波形，測得的類(lèi)似曲線(xiàn)如圖14(右)所示。注入到負載電容的電荷注入量按公式ΔVOUT ×CL計算，其中ΔV OUT 是輸出脈沖幅度。

圖14 電荷注入作用的評估方法