傳統CMOS工藝模擬開關的結構如圖1所示。將NMOS與PMOS并聯，可使信號在兩個方向上同等順暢地通過。門極用于控制開關的導通和截止，NMOS在Vgs為正的時候導通，在Vgs為負的時侯截止，PMOS則反之。由于PMOS和NMOS的不同特性，導致他們組成的開關具有如下圖所示的特性。NMOS和PMOS之間承載信號電流的多少由輸入與輸出電壓比決定。由于開關對電流流向不存在選擇問題，因而也沒有輸入端與輸出端之分。兩個MOSFET由內部反相與同相邏輯控制下導通或斷開。CMOS開關的好處是軌到軌的動態范圍，雙向操作，在輸入電壓變化時，導通電阻保持不變。

 

圖1 典型模擬開關內部結構圖

 

●    靜態參數（導通電阻，漏電流，邏輯控制觸發電平）：

 

①導通電阻RON，不同通道導通電阻的差異RON，導通電阻的平坦度RFLAT(ON)

 

導通電阻會導致信號有損失，尤其是當開關串聯的負載為低阻抗時損失更大。應用中應根據實際情況選擇導通電阻合適的開關。特別需要注意，導通電阻的阻值與電源供電電壓有直接關系，通常電源電壓越大，導通電阻就越小。

 

圖2 CMOS型模擬開關導通電阻特性曲線

 

NMOS管在信號比較低時的導通電阻較小，而PMOS管則在輸入信號較高時的導通電阻較小，兩個電阻并聯后，則在整個信號的有效范圍內都比較低。

 

②漏電流Leakage Current ：

 

一個理想狀態的開關要求導通狀態下的電阻為零，斷開狀態下導通電阻趨于無限大，漏電流為零；而實際上開關斷開時為高阻狀態，漏電流不為零，常規的CMOS漏電流約1nA左右。開關斷開時，漏電流會流入負載，從而引起額外的誤差。如果信號源內阻很高，傳輸信號為直流量，就特別需要考慮模擬開關的漏電流，一般希望漏電流越小越好。

 

需要注意，如果通過模擬開關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，則導通電阻的影響就會更大些。

 

圖3 開關導通狀態下的等效電路

 

 

③邏輯控制觸發電平VIH,VIL：

 

VIH:可以被模擬開關識別成邏輯高電平的最小電平值

VIL:可以被模擬開關識別成邏輯低電平的最大電壓值。

 

l 動態參數（導通斷開時間，傳輸延遲，電荷注入，管腳電容，最大數據速率，隔離度等）

 

①Ton/Toff:

 

開關接收到數字控制管腳的導通或斷開信號后，輸出真正反映輸入信號導通或斷開所需要的時間。

 

圖5 Turn on&Turn off 時間

 

②T-break-before-make:

 

這個指標大部分針對單刀多擲的模擬開關而言的，比如對于一個1:2的模擬開關（SPDT），它的定義是從斷開一個開關到打開另一個開關的時間。

 

圖6 Break-Before-Make時間

 

③T-make-before-break：

 

與上面的參數類似，從打開開關到斷開另外一個開關的時間。

 

④切換時間：T transition time：

 

從一個輸入通道切換到另一個輸入通道后，輸出需要的切換時間。

 

⑤T enable/disable time：

 

輸入通道在使能和禁止時，所需要的的時間。

 

⑥Propagation delay:

 

信號出現在輸入通道后，出現在輸出通道的時間差。

 

⑦電荷注入：

 

用于衡量模擬開關在進行開和斷操作時由于電荷的放電，導致出現在開關輸出的毛刺電壓。原理是開關導通時，對電容進行充電斷開時，儲存的電荷進行放電。對源端的放電不會引入誤差，而對負載端的放電則會引入誤差。顯而易見，電荷注入會帶來增益誤差和直流失調誤差。

 

⑧管腳寄生電容Cs(on),Cd(on),Cs(off),Cd(off),C in

 

Cs(on) 導通時輸入電容

Cd(on) 導通時輸出電容；

Cs(off) 斷開時的輸入電容；

Cd(off) 斷開時的輸出電容；

C in 數字控制引腳上的寄生電容。

 

⑨-3dB帶寬-3dB Bandwidth：

 

開關導通時，增益衰減3dB的時候，可導通信號的頻率被定義為帶寬。

 

⑩隔離度Off Isolation：

 

當開關斷開時，理想狀態下，輸出不應出現輸入信號，實際上在輸出會有與輸入信號頻率一樣的信號，這是由于輸入輸出間的寄生電容引起的。隔離度參數越大越好，表示輸出端耦合過去的信號越小。

 

串擾Crosstalk：

 

對于2:1的復用器，當其中通道1導通時，通道2上會耦合出通道1的信號，Crosstalk用于衡量耦合信號的大小，參數值越大，表示耦合過去的信號幅值越小。

 

總諧波失真Total Harmonic Distort：

 

一些音頻的信號處理對THD要求嚴格，THD定義為，信號功率與諧波及噪聲的dB比值。測試時給開關輸入一個正弦波，開關的輸出會包含基波以及各次諧波，要注意的是導通電阻的平坦度也會影響THD的指標。

 

模擬開關應用場景

 

潤石科技深耕細分領域，為不同的應用場景量身打造了多個系列的模擬開關：

 

①音頻類應用：RS2117/RS2118非常適合用于降噪耳機，音箱，KVM、矩陣以及調音臺等產品中。在音頻系統中，對模擬開關的要求是可以過交流信號，并且需要消除瞬時放電脈沖通過揚聲器時引起的POP音。這些瞬時脈沖通常由電源的通、斷引起。下圖是用RS2118設計的一種消除POP音的電路：

 

圖7 RS2118 POP音消除電路

 

②通訊口擴展

 

USB接口復用：帶寬550MHz模擬開關RS2227/RS2228

SPI接口復用，I2S信號切換：帶寬300MHz模擬開關RS2299

UART、I2C接口擴展：RS2105/RS2058等

 

③多路信號分時采樣

 

當電路中需要采集的信號量比較多的時候，ADC或者IO口不夠用的時候可以使用模擬開關來做端口的擴展。在滿足帶寬和電源要求的情況下，RS2251/RS2252/RS2254多路復用器可以輕松應對這樣的需求。

 

④耗盡型模擬開關RS550

 

當降噪耳機的電池電量耗盡時，或者需要控制外部輸入的音源直接接入到音源時，可以直接使用耗盡型的模擬開關RS550，不供電下處于閉合導通狀態。

 

圖8 RS550在降噪耳機上的應用示意

 

附：潤石科技模擬開關選型樹狀圖

 

圖9 潤石模擬開關選型樹狀圖

 

 

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