【導(dǎo)讀】模擬開(kāi)關(guān)，是利用JFET或MOS的特性實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)通路的開(kāi)關(guān)，主要用來(lái)完成信號(hào)鏈路連接或斷開(kāi)的切換功能。由于它具有功耗低、速度快、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)、體積小和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)和電子數(shù)碼產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)CMOS工藝模擬開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。將NMOS與PMOS并聯(lián)，可使信號(hào)在兩個(gè)方向上同等順暢地通過(guò)。門極用于控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和截止，NMOS在Vgs為正的時(shí)候?qū)ǎ赩gs為負(fù)的時(shí)侯截止，PMOS則反之。由于PMOS和NMOS的不同特性，導(dǎo)致他們組成的開(kāi)關(guān)具有如下圖所示的特性。NMOS和PMOS之間承載信號(hào)電流的多少由輸入與輸出電壓比決定。由于開(kāi)關(guān)對(duì)電流流向不存在選擇問(wèn)題，因而也沒(méi)有輸入端與輸出端之分。兩個(gè)MOSFET由內(nèi)部反相與同相邏輯控制下導(dǎo)通或斷開(kāi)。CMOS開(kāi)關(guān)的好處是軌到軌的動(dòng)態(tài)范圍，雙向操作，在輸入電壓變化時(shí)，導(dǎo)通電阻保持不變。
圖1 典型模擬開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
● 靜態(tài)參數(shù)（導(dǎo)通電阻，漏電流，邏輯控制觸發(fā)電平）：
①導(dǎo)通電阻RON，不同通道導(dǎo)通電阻的差異RON，導(dǎo)通電阻的平坦度RFLAT(ON)
導(dǎo)通電阻會(huì)導(dǎo)致信號(hào)有損失，尤其是當(dāng)開(kāi)關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時(shí)損失更大。應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇導(dǎo)通電阻合適的開(kāi)關(guān)。特別需要注意，導(dǎo)通電阻的阻值與電源供電電壓有直接關(guān)系，通常電源電壓越大，導(dǎo)通電阻就越小。
圖2 CMOS型模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻特性曲線
NMOS管在信號(hào)比較低時(shí)的導(dǎo)通電阻較小，而PMOS管則在輸入信號(hào)較高時(shí)的導(dǎo)通電阻較小，兩個(gè)電阻并聯(lián)后，則在整個(gè)信號(hào)的有效范圍內(nèi)都比較低。
②漏電流Leakage Current ：
一個(gè)理想狀態(tài)的開(kāi)關(guān)要求導(dǎo)通狀態(tài)下的電阻為零，斷開(kāi)狀態(tài)下導(dǎo)通電阻趨于無(wú)限大，漏電流為零；而實(shí)際上開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)為高阻狀態(tài)，漏電流不為零，常規(guī)的CMOS漏電流約1nA左右。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，漏電流會(huì)流入負(fù)載，從而引起額外的誤差。如果信號(hào)源內(nèi)阻很高，傳輸信號(hào)為直流量，就特別需要考慮模擬開(kāi)關(guān)的漏電流，一般希望漏電流越小越好。
需要注意，如果通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)前端電路的阻抗大則漏電流的影響不容忽略，如果前端電路阻抗較小，則導(dǎo)通電阻的影響就會(huì)更大些。
圖3 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下的等效電路
③邏輯控制觸發(fā)電平VIH,VIL：
VIH:可以被模擬開(kāi)關(guān)識(shí)別成邏輯高電平的最小電平值
VIL:可以被模擬開(kāi)關(guān)識(shí)別成邏輯低電平的最大電壓值。
l 動(dòng)態(tài)參數(shù)（導(dǎo)通斷開(kāi)時(shí)間，傳輸延遲，電荷注入，管腳電容，最大數(shù)據(jù)速率，隔離度等）
①Ton/Toff:
開(kāi)關(guān)接收到數(shù)字控制管腳的導(dǎo)通或斷開(kāi)信號(hào)后，輸出真正反映輸入信號(hào)導(dǎo)通或斷開(kāi)所需要的時(shí)間。
圖5 Turn on&Turn off 時(shí)間
②T-break-before-make:
這個(gè)指標(biāo)大部分針對(duì)單刀多擲的模擬開(kāi)關(guān)而言的，比如對(duì)于一個(gè)1:2的模擬開(kāi)關(guān)（SPDT），它的定義是從斷開(kāi)一個(gè)開(kāi)關(guān)到打開(kāi)另一個(gè)開(kāi)關(guān)的時(shí)間。
圖6 Break-Before-Make時(shí)間
③T-make-before-break：
與上面的參數(shù)類似，從打開(kāi)開(kāi)關(guān)到斷開(kāi)另外一個(gè)開(kāi)關(guān)的時(shí)間。
④切換時(shí)間：T transition time：
從一個(gè)輸入通道切換到另一個(gè)輸入通道后，輸出需要的切換時(shí)間。
⑤T enable/disable time：
輸入通道在使能和禁止時(shí)，所需要的的時(shí)間。
⑥Propagation delay:
信號(hào)出現(xiàn)在輸入通道后，出現(xiàn)在輸出通道的時(shí)間差。
⑦電荷注入：
用于衡量模擬開(kāi)關(guān)在進(jìn)行開(kāi)和斷操作時(shí)由于電荷的放電，導(dǎo)致出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)輸出的毛刺電壓。原理是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，對(duì)電容進(jìn)行充電斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存的電荷進(jìn)行放電。對(duì)源端的放電不會(huì)引入誤差，而對(duì)負(fù)載端的放電則會(huì)引入誤差。顯而易見(jiàn)，電荷注入會(huì)帶來(lái)增益誤差和直流失調(diào)誤差。
⑧管腳寄生電容Cs(on),Cd(on),Cs(off),Cd(off),C in
Cs(on) 導(dǎo)通時(shí)輸入電容
Cd(on) 導(dǎo)通時(shí)輸出電容；
Cs(off) 斷開(kāi)時(shí)的輸入電容；
Cd(off) 斷開(kāi)時(shí)的輸出電容；
C in 數(shù)字控制引腳上的寄生電容。
⑨-3dB帶寬-3dB Bandwidth：
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，增益衰減3dB的時(shí)候，可導(dǎo)通信號(hào)的頻率被定義為帶寬。
⑩隔離度Off Isolation：
當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，理想狀態(tài)下，輸出不應(yīng)出現(xiàn)輸入信號(hào)，實(shí)際上在輸出會(huì)有與輸入信號(hào)頻率一樣的信號(hào)，這是由于輸入輸出間的寄生電容引起的。隔離度參數(shù)越大越好，表示輸出端耦合過(guò)去的信號(hào)越小。
串?dāng)_Crosstalk：
對(duì)于2:1的復(fù)用器，當(dāng)其中通道1導(dǎo)通時(shí)，通道2上會(huì)耦合出通道1的信號(hào)，Crosstalk用于衡量耦合信號(hào)的大小，參數(shù)值越大，表示耦合過(guò)去的信號(hào)幅值越小。
總諧波失真Total Harmonic Distort：
一些音頻的信號(hào)處理對(duì)THD要求嚴(yán)格，THD定義為，信號(hào)功率與諧波及噪聲的dB比值。測(cè)試時(shí)給開(kāi)關(guān)輸入一個(gè)正弦波，開(kāi)關(guān)的輸出會(huì)包含基波以及各次諧波，要注意的是導(dǎo)通電阻的平坦度也會(huì)影響THD的指標(biāo)。
模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景
潤(rùn)石科技深耕細(xì)分領(lǐng)域，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景量身打造了多個(gè)系列的模擬開(kāi)關(guān)：
①音頻類應(yīng)用：RS2117/RS2118非常適合用于降噪耳機(jī)，音箱，KVM、矩陣以及調(diào)音臺(tái)等產(chǎn)品中。在音頻系統(tǒng)中，對(duì)模擬開(kāi)關(guān)的要求是可以過(guò)交流信號(hào)，并且需要消除瞬時(shí)放電脈沖通過(guò)揚(yáng)聲器時(shí)引起的POP音。這些瞬時(shí)脈沖通常由電源的通、斷引起。下圖是用RS2118設(shè)計(jì)的一種消除POP音的電路：
圖7 RS2118 POP音消除電路
②通訊口擴(kuò)展
USB接口復(fù)用：帶寬550MHz模擬開(kāi)關(guān)RS2227/RS2228
SPI接口復(fù)用，I2S信號(hào)切換：帶寬300MHz模擬開(kāi)關(guān)RS2299
UART、I2C接口擴(kuò)展：RS2105/RS2058等
③多路信號(hào)分時(shí)采樣
當(dāng)電路中需要采集的信號(hào)量比較多的時(shí)候，ADC或者IO口不夠用的時(shí)候可以使用模擬開(kāi)關(guān)來(lái)做端口的擴(kuò)展。在滿足帶寬和電源要求的情況下，RS2251/RS2252/RS2254多路復(fù)用器可以輕松應(yīng)對(duì)這樣的需求。
④耗盡型模擬開(kāi)關(guān)RS550
當(dāng)降噪耳機(jī)的電池電量耗盡時(shí)，或者需要控制外部輸入的音源直接接入到音源時(shí)，可以直接使用耗盡型的模擬開(kāi)關(guān)RS550，不供電下處于閉合導(dǎo)通狀態(tài)。
圖8 RS550在降噪耳機(jī)上的應(yīng)用示意
附：潤(rùn)石科技模擬開(kāi)關(guān)選型樹狀圖
圖9 潤(rùn)石模擬開(kāi)關(guān)選型樹狀圖
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