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。

參考文獻
1. "All Purpose Analog Switch Design Hints," Application Brief 7, Pericom, January 1999.
2. McCarthy, Mary, and Anthony Collins, "Ask The Applications Engineer—26," Analog Dialogue, Volume 31, No. 3, 1997.
3. "Fairchild's Negative Voltage Swing Audio Switches," Fairchild Semiconductor.
4. "Overvoltage Protection for CMOS Switches and Multiplexers," Application Note AN205, Vishay Siliconix, Aug 6, 2003.
5. Rako, Paul, "RFI: keeping noise out of your designs," EDN, Jan 10, 2008, pg 25.
6. "12ns DG611 Switch Family Combines Benefits of CMOS and DMOS Technologies," Application Note AN207, Vishay Siliconix, Aug 3, 1999.
7. "Selecting the Right CMOS Analog Switch," Application Note 638, Maxim Integrated Products, Sept 3, 2002.