用模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現信號復用

　　請注意模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器，它們是信號通道的關(guān)鍵元件。設計人員應當了解這些重要模擬部件的應用和規格。

　　要 點(diǎn)

　　模擬開(kāi)關(guān)的主要規格是電壓、導通電阻、電容、電荷注入、速度和封裝。

　　介質(zhì)絕緣工藝可防止一些開(kāi)關(guān)的閂鎖。

　　開(kāi)關(guān)的工作范圍從直流到 400 MHz ，甚至更高。

　　MEMS (微機電系統)開(kāi)關(guān)在高頻下運行良好，但存在可靠性問(wèn)題，并且封裝費用昂貴。

　　如果您是在仿真一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，要確保對全部寄生成分的建模。

　　沒(méi)有哪個(gè) IC 原理圖符號能比模擬開(kāi)關(guān)的符號更簡(jiǎn)單(圖 1a )。一個(gè)基本開(kāi)關(guān)僅包括輸入、輸出、控制腳和一對電源腳。然而，在這簡(jiǎn)單的外觀(guān)(圖 1b )后面，隱藏著(zhù)極其復雜的東西。很多規格，包括電源電壓和導通電阻，都對部件運行非常重要。模擬開(kāi)關(guān)也有許多交流規格，如帶寬和開(kāi)關(guān)時(shí)間。所有這些規格(包括泄漏電流)都會(huì )隨溫度而變化，有時(shí)是徹底改變。與其它所有模擬部件一樣，開(kāi)關(guān)也有相互作用并有一組連續值的規格。這些規格并非白或黑，而是灰色梯度(參考文獻 1 )。

　　一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)是復雜的，但要把它們聯(lián)結成組，或者把它們集成到一個(gè) IC 里以提供 DPDT (雙刀雙擲)功能或多路復用器，就會(huì )更加復雜。例如，一個(gè)為 ADC 送入信號的多路復用器應當是一種先開(kāi)后合的器件——也就是說(shuō)，在接通之前，它應當斷開(kāi)觸點(diǎn)，防止輸入信號相互短路。但是一個(gè)音頻輸出上的多路復用器可能需要先合后開(kāi)器件——也就是說(shuō)，它必須先接通，然后再斷開(kāi)，以防止音頻信號中出現令人不快的卡嗒聲和爆破音。如所有模擬部件一樣，事情要比第一眼看上去更復雜。

　　尋找新用途

　　模擬開(kāi)關(guān)總是在儀器和工業(yè)市場(chǎng)中占有一席之地。數據采集卡重定模擬輸入的路徑，為接至 ADC 的測量提供多個(gè)通道，并把模擬輸出傳遞到連接器或內部電路節點(diǎn)。這些卡中的模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器傳統上是高壓部件，以保持它們的工業(yè)、軍用和醫用傳統。這些有幾十年歷史的應用將永遠存在，但是幾項新的技術(shù)進(jìn)展正在使模擬開(kāi)關(guān)的使用發(fā)生巨大的變化。

　　模擬開(kāi)關(guān)最大規模用途之一是手機和其它的手提消費設備。Fairchild Semiconductor 的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)總監 Jerry Johnston 稱(chēng)：“我不知道哪款手機里一個(gè)開(kāi)關(guān)也沒(méi)有。”大小和功能是電話(huà)中使用模擬開(kāi)關(guān)的推動(dòng)因素。手機外殼中只有很小的空間放置連接器，這意味著(zhù)模擬開(kāi)關(guān)必須將信號從多個(gè) IC 傳遞到一個(gè) USB 端口、視頻端口、音頻端口或電源連接器。這些開(kāi)關(guān)也有多種功能，這更增加了在手機中的應用。一款手機通常包括一只基帶 IC 和 RF 信號鏈。一款全功能手機也可能要帶有數碼相機和攝像頭，兩者都有相關(guān)的閃存系統，并且能做 MP3 和視頻播放器。它也支持 USB、藍牙和無(wú)線(xiàn) LAN 連接。Johnston了解一些高端手機有多達 14 個(gè)模擬開(kāi)關(guān)。

　　基于類(lèi)似的原因，模擬開(kāi)關(guān)日益增長(cháng)的另一應用是便攜計算機。即使最基本的筆記本電腦也有攝像頭、 IR(紅外線(xiàn))端口、藍牙和無(wú)線(xiàn)功能。此外與手機類(lèi)似，便攜計算機只有有限的外表面供放置連接器。盡管不像手機的空間限制那么嚴格，但是這種約束仍然為模擬開(kāi)關(guān)提供了許多應用。

　　家庭娛樂(lè )設施是模擬開(kāi)關(guān)的另一種大批量應用。任何一個(gè)裝配電視、 DVD 播放機、立體聲收音機、游戲系統、有線(xiàn)系統和計算機的人，都可以證實(shí)這些任務(wù)要求的視頻與音頻信號布線(xiàn)挑戰。如同手機一樣，這些家庭娛樂(lè )系統可能用到一些數字信號，但是仍然必須使用模擬開(kāi)關(guān)來(lái)完成該設備的信號傳送。例如，許多家庭娛樂(lè )系統有多個(gè) HDMI(高清晰多媒體接口)數字信號通道，這些產(chǎn)品需要模擬開(kāi)關(guān)傳送那些信號，因為使用數字開(kāi)關(guān)能引起扭曲及延遲。數字開(kāi)關(guān)在完成功率時(shí)會(huì )建立一個(gè)或多個(gè)門(mén)延遲，那些延遲可能不確定，而是隨著(zhù)開(kāi)關(guān)路由或溫度而更改，門(mén)的上升和下降次數可能更改數字信號的占空比。

　　模擬開(kāi)關(guān)的另一個(gè)大量應用是車(chē)載娛樂(lè )設備，它有與家庭娛樂(lè )系統一樣的信號路由問(wèn)題，而且空間更少。汽車(chē)電子設備，或“telematics”(車(chē)載通信系統)同時(shí)包含了信號路由以及娛樂(lè )、計算機和手機環(huán)境的管理挑戰。

　　重要規格

　　模擬開(kāi)關(guān)能經(jīng)受的電壓與機械開(kāi)關(guān)的額定電壓一樣重要，有時(shí)它指示出開(kāi)關(guān)的預期市場(chǎng)。12V到 36V開(kāi)關(guān)的目標常常是儀表、軍用和醫用市場(chǎng)。那些必須從外部測量一些未知電壓的數據采集系統，也得益于采用高額定電壓的模擬開(kāi)關(guān)。因為設計人員無(wú)法控制所測電壓的水平，所以，重要的是開(kāi)關(guān)能承受盡可能高的電壓。對于可靠性的同樣要求，促進(jìn)了對介質(zhì)絕緣模擬開(kāi)關(guān)和故障保護模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)發(fā)。

　　介質(zhì)絕緣是把 IC 中每個(gè)晶體管放在自己的玻璃外套中(圖2和參考文獻2)。玻璃有比硅更低的介電常數，對介質(zhì)絕緣的部件產(chǎn)生非常低的內電容。因此，如果輸入信號超出電源軌(圖3)，寄生SCR (可控硅整流器)的形成就能引起IC基材的閂鎖。制造商通常采用廉價(jià)的 CMOS 工藝為電子消費產(chǎn)品制造部件，而這些部件的最大額定電壓為5.5V。例如，Fairchild的 FSA2270T雙路SPDT (單刀雙擲)模擬開(kāi)關(guān)擺幅低于負電壓軌，這樣在沒(méi)有負電源軌情況下也能通過(guò)雙極音頻信號(參考文獻3)。另外一個(gè)例子是德州儀器公司的 TS3USB221 多路復用器/解復用器開(kāi)關(guān)，其工作電壓為 2.3V。

　　故障保護是另一個(gè)重要規格。具備這一特性的器件，即使其輸入電壓超過(guò)電源軌也不會(huì )導致?lián)p壞。例如，Maxim 公司的 MAX388 模擬多路復用器的故障防護達 100V 。除提供內部故障保護之外，線(xiàn)路還可以設計為在過(guò)壓情況下保護模擬開(kāi)關(guān)(參考文獻4)。

　　導通電阻是模擬開(kāi)關(guān)的另一個(gè)極為重要的規格。如果您的設計包含了一個(gè)為模擬開(kāi)關(guān)提供緩沖的運算放大器，導通電阻似乎并不重要。運算放大器的輸入阻抗可能在兆歐水平，所以把一個(gè) 100Ω的模擬開(kāi)關(guān)與輸入端串聯(lián)，意味著(zhù)這個(gè)阻抗是可忽略的，但是僅對直流。開(kāi)關(guān)的導通電阻能對放大器的雜散電容和輸入電容作出反應。這個(gè)反應能建立一個(gè)極點(diǎn)，使信號鏈的頻率響應驟降，可能達到無(wú)法接受的水平。許多其它信號通路應用需要更低的導通電阻。盡管幾十年前100Ω是可以接受的，那時(shí)工程師使用的是Fairchild通用CD4066 CMOS 模擬開(kāi)關(guān)，但許多器件的導通電阻很快降低到 10Ω，現在已有多款低于 1Ω的模擬開(kāi)關(guān)。例如， Pericom 公司的 PI3A3159 SPDT 模擬開(kāi)關(guān)導通電阻為0.4Ω。這些新部件可以在低至 2.7V 的工作電壓下，實(shí)現低導通電阻。

　　另一個(gè)重要規格是關(guān)態(tài)電阻，它量度的是開(kāi)關(guān)阻擋信號的能力。模擬開(kāi)關(guān)的基本關(guān)態(tài)電阻就是 MOS 晶體管的關(guān)態(tài)電阻，通常高于多數線(xiàn)路的需求。關(guān)態(tài)電阻也是 ESD (靜電放電)保護二極管的一個(gè)功能，這些二極管在 IC 片芯上，防止晶體管的處理和組裝中出現損壞(圖 4)。把關(guān)態(tài)電阻看成是一個(gè)泄露規格可能更有幫助。因為泄漏每 10℃會(huì )加倍，應總是在預期的電路最高工作溫度上檢查關(guān)態(tài)電阻。此外，關(guān)態(tài)電阻和泄漏是應用于直流或低頻的規格。在更高頻率時(shí)，開(kāi)關(guān)電容支配著(zhù)關(guān)態(tài)電阻和泄漏。

　　對于現代模擬開(kāi)關(guān)這么小的東西，不可避免會(huì )存在電容。引腳挨的很近，因此可以預計它們之間有數皮法的耦合電容。另外還必須處理晶體管結構和基材之間的電容。制造商采用專(zhuān)有工藝生產(chǎn)現代部件，這樣部件就能在 RF 范圍工作，輕易地達到數百兆赫。

　　Maxim Intergratd Products公司的副業(yè)務(wù)經(jīng)理Manav Malhotra 稱(chēng)，一些客戶(hù)要求制造商確定模擬開(kāi)關(guān)的插入損耗和回波損耗，這是與射頻(RF)設計相關(guān)的規格。半導體模擬開(kāi)關(guān)也有其弱點(diǎn)：各引腳與地或電源之間的電容。舌簧繼電器和 MEMS (微機電系統)開(kāi)關(guān)有較小的雜散電容，使它們適合于延伸至千兆赫范圍的頻率，但是繼電器和 MEMS 都是機械性器件，在幾十萬(wàn)到數百萬(wàn)次的運行循環(huán)中會(huì )磨損。舌簧繼電器開(kāi)關(guān)的激勵需要很大功率;MEMS 器件的運行需要成本昂貴的封裝，將硅梁保持在一個(gè)空區中。即使信號僅是數百千赫，也應當觀(guān)察模擬開(kāi)關(guān)的引腳(包括地和電源)之間的電容，確定該器件是否能提供所需的隔離和串擾規格。

　　電荷注入是模擬開(kāi)關(guān)中的另一個(gè)重要規格。打開(kāi)開(kāi)關(guān)會(huì )使電荷注入信號通道，在采樣保持穩壓器和饋入放大器的多路復用器中，這可能會(huì )產(chǎn)生災難性的后果。那些配合內部電容的 IC設計能盡可能減少電荷注入。啟動(dòng)信號的上升沿越快，電荷注入的問(wèn)題就會(huì )越嚴重。降低模擬開(kāi)關(guān)控制信號的轉換速率有可能把電荷注入降低到可接受的水平。如果在設計的信號通道中有任何高阻抗節點(diǎn)，請一定要評估這個(gè)因素。電荷注入常常是含模擬開(kāi)關(guān)音頻電路產(chǎn)生爆破聲和卡嗒聲的原因。如同所有規格一樣，要在預期的全部設計工作溫度范圍上檢查這個(gè)因素。

　　許多模擬開(kāi)關(guān)要傳送快速的數字信號，因此對于許多用戶(hù)來(lái)說(shuō)，激勵速度是一個(gè)重要規格。即使在傳統應用中，如數據采集多路復用器，必須在采樣保持分析時(shí)考慮開(kāi)關(guān)速度因素，以確保在 ADC 測量之前，信號已經(jīng)穩定到一個(gè)準確的水平。也應當注意信號鏈中任何模擬開(kāi)關(guān)的 PSRR (電源抑制比)。正如輸出和電源之間的電容能快速衰減信號一樣，同一個(gè)電容也能把電源軌上的高頻噪聲成份傳入輸出信號。最近，很多模擬電路采用開(kāi)關(guān)電源供電。一定要檢查電源軌的頻譜內容。如果頻率足夠高，它們將通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的內部電容進(jìn)入設計的輸出。在部件的電源腳串接一只電阻或電感，并在靠近模擬開(kāi)關(guān)的位置放一個(gè)或多個(gè)去耦電容，可確保電源噪聲不會(huì )進(jìn)入設計的信號通道。這也會(huì )使線(xiàn)路對 RFI(射頻干擾，參考文獻 5)有更強的抗干擾能力。

　　還有一個(gè)規格的重要性和其它規格一樣，這就是部件采用的封裝。如果設計一種手持式儀器或手機，就需要使器件采用 SC-70 或更小的封裝。如果要使用的是電源切換部件，那么可能需要大型封裝幫助功率耗散，防止部件變得過(guò)熱。另外一個(gè)封裝考慮是與標準部件引出腳的一致性。例如，如果需要更換一個(gè) Intersil DG403單片模擬開(kāi)關(guān)，那么需要一個(gè)有相同封裝和出腳的部件。要得到一個(gè)低導通電阻的小封裝部件是一個(gè)挑戰。Maxim Integrated Products公司的接口開(kāi)關(guān)和保護業(yè)務(wù)部的執行董事 Jeffery DeAngelis 稱(chēng)：“多數開(kāi)關(guān)面臨的挑戰是物理問(wèn)題。要得到更小的導通電阻，得在 FET 中并排放多個(gè)金手指 (柵極結構)。這么做得到了更低的導通電阻，但是片芯增大。”

　　電流消耗是另一個(gè)關(guān)鍵參數。一些部件會(huì )根據應用的控制信號電平而改變電源的電流。要在電路試驗板上評估電源的電流，不要假設數據單上的標稱(chēng)數值就適用于電路。此外要注意電源電流會(huì )隨著(zhù)溫度而變化。

　　處理權衡問(wèn)題

　　由于需要考慮那么多規格，一位勤勉的模擬工程師應當審視那些模擬開(kāi)關(guān)固有的基本權衡。所有工程師都知道最重要的規格是成本。低成本的開(kāi)關(guān)無(wú)過(guò)于老式的 CD4066 CMOS 模擬開(kāi)關(guān)。它的工作電壓高達 15V，可以并聯(lián)使用多個(gè)開(kāi)關(guān)，實(shí)現適當級別的導通電阻。在另一個(gè)極端上，介質(zhì)隔離的 Intersil H 303ARH 擁有抗輻射加固的硅柵，使它適合軍事和人造衛星應用。另一個(gè)權衡涉及電源電壓。通常情況下，電源電壓越高，導通電阻越低。例如，STMicroelectronics使用新工藝制作 STG3699B 四單刀雙擲開(kāi)關(guān)，使之有 0.5Ω的導通電阻。

　　另外一個(gè)權衡是電源電流。高速運行的器件需要更高的電源電流，能以更快的速率轉換晶體管門(mén)。CMOS 或 DMOS 模擬開(kāi)關(guān)常常有低的電源電流。例如， STMicro 的 STG3684 單刀雙擲開(kāi)關(guān)僅僅使用200 nA。此電流隨著(zhù)溫度而上升。該公司某些部件的規格設定在+ 85℃，如 STG3689。

　　其他權衡包括封裝的大小和功耗。電源切換(開(kāi)關(guān)電源)設計需要較大的封裝，從而可能需要低導通電阻，因為管芯越大，電阻越低。新穎的工藝和電路技術(shù)也已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域做出了巨大的進(jìn)步。Vishay 現在提供 14 種導通電阻小于 1Ω的開(kāi)關(guān)。而且這些部件的封裝和 SC-70 一樣小，底面積為 3mm × 2mm。

　　可能忽略的一個(gè)權衡是導通電阻會(huì )跟隨施加的信號而發(fā)生變化。如果使用高壓電源和小信號擺幅，那么這種變化可能不是問(wèn)題。然而，如果信號是軌至軌地擺至電源電壓，將需要一種較新的器件，它能在通過(guò)的信號電壓范圍上提供一致的導通電阻。

　　CMOS 模擬開(kāi)關(guān)會(huì )更便宜，但是運行電壓更低。DMOS 開(kāi)關(guān)有更高的電壓，轉換更快。DMOS 開(kāi)關(guān)通常有更嚴格的驅動(dòng)器要求。Vishay 開(kāi)發(fā)了 DG611 開(kāi)關(guān)，它同時(shí)使用 CMOS 和 DMOS 以獲得實(shí)現兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)(參考文獻 6)。Analog Devices 公司產(chǎn)品經(jīng)理Liam S渋lleabh噄n 認為，辨別模擬開(kāi)關(guān)制造商的一個(gè)條件是看它提供定制或專(zhuān)有工藝的能力，如該公司的 35V iCMOS 工藝，它能使部件適合于具體的應用。他說(shuō)：“如果比較一下 ADG408 和我們的新產(chǎn)品 ADG1408，408 的導通電阻為 100Ω，而 1408 的導通電阻為 4.7Ω。 公司提供的1408采用相同的 TSSOP 封裝，但是也有另外的封裝選擇 LFCSP，它要小 70%。”

　　MEMS 部件可能是模擬開(kāi)關(guān)的未來(lái)權衡?，F在的問(wèn)題是機械可靠性和價(jià)格。MEMS 開(kāi)關(guān)是機械式的，雖然可以預期它們的可靠性?xún)?yōu)于舌簧繼電器開(kāi)關(guān)，但它們仍然會(huì )磨損或徹底損壞。此外，MEMS 結構不能采用環(huán)氧樹(shù)脂作密封，所以 MEMS 封裝總是比硅模擬開(kāi)關(guān)封裝更貴。此外， MEMS 開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間較長(cháng)，因為它們是機械式的。

　　放眼審視模擬開(kāi)關(guān)的大量應用和多面性的規格，您能夠發(fā)現的內容遠超過(guò)眼前這些無(wú)處不在的小部件所呈現的東西(參考文獻 7)。在您設計自己的下一個(gè)信號鏈時(shí)，一定理解它們的使用和規格。如果您正在做一個(gè)包含模擬開(kāi)關(guān)的 Spice仿真，要確保模型是完整的，能顯示寄生和雜散電容和打線(xiàn)的電感。許多Spice模型沒(méi)有考慮電荷注入，或導通電阻隨外加電壓而發(fā)生的變化。如果實(shí)驗板出現 Spice運行時(shí)不曾出現的問(wèn)題，不必感到驚訝。在溫度范圍內檢查一切，確保能買(mǎi)到您選擇的部件，并且它會(huì )在產(chǎn)品壽命周期內保持量產(chǎn)。如果正確地使用了模擬開(kāi)關(guān)，就可以實(shí)現各種性能，并降低成本，這是其他方式不能做到的。