在超便攜應用中模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵設計參數

近年來(lái)，開(kāi)關(guān)產(chǎn)品紛紛進(jìn)入PC、服務(wù)器、筆記本電腦和底座應用等領(lǐng)域，令許多芯片供應商推出各式總線(xiàn)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品?？偩€(xiàn)開(kāi)關(guān)能夠在板卡或器件插拔期間方便地隔離總線(xiàn)電容，通過(guò)隔離對數據 (高速緩存和內存) 進(jìn)行多路復用/分解操作或進(jìn)行電壓變換。典型的總線(xiàn)開(kāi)關(guān)設計為一個(gè)單獨的NMOS器件，其缺點(diǎn)是：隨著(zhù)源電壓接近Vcc，柵極的源-漏區被夾斷，會(huì )限制電流的驅動(dòng)能力和輸出電壓。
近幾年來(lái)，開(kāi)關(guān)功能已成為視頻、圖形及音頻傳輸或處理領(lǐng)域的重要組成部分。為此，除了簡(jiǎn)單的RON和RFLAT特性外，對于開(kāi)關(guān)的串擾、THD(總諧波失真)、衰減以及帶寬等特性的要求顯著(zhù)提高。這使得業(yè)界轉用模擬開(kāi)關(guān)的系列產(chǎn)品。
隨著(zhù)手機和其他超便攜產(chǎn)品進(jìn)入主流產(chǎn)品行列，要求加入更多功能，如圖像、電子郵件、短信以及互聯(lián)網(wǎng)接入，這需要對多重數據通路進(jìn)行控制。而高集成度基帶處理器、多處理器結構、定制ASIC和功率管理芯片組也已集成在產(chǎn)品中，迫使電源電壓降低，因而需要模擬開(kāi)關(guān)在整個(gè)電源電壓范圍內工作，同時(shí)要求開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵特性，如RON (平坦度)、串擾、帶寬和THD等衰減最少?，F在的開(kāi)關(guān)發(fā)展趨勢是低RON值 (小于1W)，并在不同電壓下保持適合的低I/O電容、低衰減和良好平坦度。
面對超便攜應用，工程師在設計選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)必須了解多項關(guān)鍵參數，如RON、串擾、THD、帶寬、電荷注入和插入損耗。

圖1  傳輸門(mén)電路的復合RON

圖2  帶寬測試原理圖

圖3  串擾和關(guān)斷隔離測試原理圖

圖4  開(kāi)關(guān)應用和THD

圖5  THD測試原理圖

圖6  電荷注入的測試原理圖

圖7 使用SP3T FSA3357模擬開(kāi)關(guān)的典型USB應用

導通電阻和平坦度
模擬開(kāi)關(guān)由一個(gè)傳輸門(mén)電路 (PMOS與NMOS并聯(lián)) 構成，為了得到等效 (匹配) 的RON，PMOS大小需近似為NMOS的兩倍。這也意味著(zhù)電容失配的存在，從而影響電荷注入特性。傳輸門(mén)電路的復合RON特性曲線(xiàn)如圖1所示。
直覺(jué)上可能會(huì )認為RON愈低的器件愈好，但必須考慮特定應用的信號擺幅、適用電源、源/灌電流要求、成本和封裝目標等因素。產(chǎn)品數據表中的導通電阻是在給定負載電流和特定VCC和VIN條件下的數值。在晶體管級，RON是器件長(cháng)度 (L)、器件寬度 (W)、電子和空穴遷移率(mn, mp)、氧化層電容 (COX)、閾值電壓 (VT) 和信號電壓 (VGS) 的函數。最佳狀況是使MOS器件與導通電阻相匹配，即是使RON位于信號電壓的中點(diǎn)。
RON P=L/(mp * Cox *W (VGS - VT ))
RON n=L/(mn * Cox *W (VGS - VT))
假設mp、mn、VT和Cox不變，因為在低電壓環(huán)境下VGS降低，所以，為了維持或減小RON就必須加大溝道寬度，從而引起器件周長(cháng)和電容的增大。在設計晶體管時(shí)必須創(chuàng )新，有效地增加柵極面積，以減小通道電阻，但同時(shí)使周長(cháng)的增加降至最小。通過(guò)將RON降低至1W以下，就可以不必通過(guò)放大器而直接驅動(dòng)揚聲器 (從32W變?yōu)?W)。這也意味著(zhù)目前產(chǎn)品數據表中一般顯示100mA以上的電流吸收能力，可以滿(mǎn)足揚聲器的功率轉換性能要求。
導通電阻平坦度 (RFLAT) 是指VIN從0V到VCC(或從V-到V+) 變化時(shí)RON的變化，或是RON在波峰和波谷之間的差值，如圖1所示。如果RFLAT太大，意味著(zhù) PMOS/NMOS不匹配，復合RON曲線(xiàn)會(huì )引起音頻信號隨輸入信號變化的可變衰減和失真。因此，在選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)工藝技術(shù)和特征尺寸非常重要。

帶寬
帶寬指標需要與串擾和關(guān)斷隔離統一考慮。幾百兆赫茲的帶寬 (3dB) 非常普遍，但是由于串擾和關(guān)斷隔離以20 dB/decade的幅度衰減，因此在高頻時(shí)它們將成為主要的影響因素。一般來(lái)說(shuō)，帶寬在1MHz的測試頻率下測定，并是負載電容的函數。帶寬的測試原理圖如圖2所示。

串擾和關(guān)斷隔離
在視頻應用中使用模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，須知道在1MHz下隔離度為70dB的開(kāi)關(guān)在100MHz下隔離度僅有30dB。同樣地，在1MHz下串擾為-90dB的開(kāi)關(guān)在100MHz下串擾僅為 -50dB。串擾和關(guān)斷隔離是量度“噪聲”在特定頻率下從開(kāi)關(guān)通道串擾至未用(或關(guān)斷)通道的指標。串擾是指一個(gè)模擬輸入通道與另一個(gè)通道之間的交叉耦合，有鄰近通道和非鄰近通道兩種耦合形式。關(guān)斷隔離是失效通道從輸入到輸出的耦合。這些參數均以dB定義為：
20 Log10 (VOUT / VIN )
一般采用增益 (VOUT / VIN )來(lái)表示，但某些產(chǎn)品數據表可能將它表示為相對于VIN的衰減。串擾和關(guān)斷隔離以20 dB/decade的幅度衰減。測試原理如圖3所示。

插入損耗
插入損耗是由輸入信號到輸出信號的衰減，是負載和系統環(huán)境的函數。因此，它是由環(huán)境定義的參數，負載和線(xiàn)路板設計的變化都會(huì )對系統性能產(chǎn)生影響。
插入損耗 (dB)=20 Log10 (1 + 芌FLAT / RLOAD)
考慮到最壞情況，在式中使用芌FLAT而不是簡(jiǎn)單的RON。因為插入損耗也是線(xiàn)路板和系統環(huán)境的函數，所以在插入開(kāi)關(guān)之前測量插入損耗是很重要的。例如，在1MHz下測量出開(kāi)關(guān)的插入損耗，然后發(fā)現開(kāi)關(guān)在高頻下出現較大衰減，并以為這是開(kāi)關(guān)的特性，但實(shí)際上可能線(xiàn)路板設計才是導致衰減加劇的主要原因。插入損耗的測試設置也在圖3中示出。

THD
THD也是一種插入損耗，但它是以諧波形式來(lái)定義模擬信號的失真，并用百分數而不是dB表示。此外，RFLAT和結電容是造成THD的主因。圖4和下兩式說(shuō)明開(kāi)關(guān)如何將失真表示為T(mén)HD的函數。
VOUT=a1 Vp sin(wt) + a2 Vp sin(2wt) + 繕.+ an Vp sin(nwt)
其中 VIN = Vp sinwt
 
換句話(huà)說(shuō)，THD是諧波系數的平方和與基波系數之比的平方根。這些系數也是流過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的信號電流的函數，即為RFLAT / RON的函數。由于RFLAT≌0.1