模拟开关的关键技术特性和应用实例分析

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模拟开关的关键技术特性和应用实例分析
上网时间 : 2006年08月21日

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近年来，便携式产品越来越多地采用多源设计，因此开关功能是视频、音频传输及处理过程中的一个重要组成部分。早期采用的机械开关具有可靠性低、体积大、功耗大的缺点，所以模拟开关已经引起了越来越多人的重视，并已被广泛应用于各种电子产品中。
尽管模拟开关具有机械开关不可取代的优势，然而它的应用较机械开关稍微复杂些，初次使用模拟开关的工程人员往往会由于模拟开关使用不当，引起整个系统的故障。本文通过将模拟开关与普通机械开关作比较，论述了模拟开关的若干基本概念，并结合实例对模拟开关应用的关键技术进行研究。
模拟开关的模拟特性
许多工程师第一次使用模拟开关，往往会把模拟开关完全等同于机械开关。其实模拟开关虽然具备开关性，但和机械开关有所不同，它本身还具有半导体特性：
1. 导通电阻(Ron)随输入信号(VIN)变化而变化
图1a是模拟开关的简单示意图，由图中可以看出模拟开关的常开常闭通道实际上是由两个对偶的N沟道MOSFET与P沟道MOSFET构成，可使信号双向传输，如果将不同VIN值所对应的P沟道MOSFET与N沟道MOSFET的导通电阻并联，可得到图1b并联结构下Ron随输入电压(VIN)的变化关系，如果不考虑温度、电源电压的影响，Ron随Vin呈线性关系，将导致插入损耗的变化，使模拟开关产生总谐波失真(THD)。此外，Ron也受电源电压的影响，通常随着电源电压的上升而减小。

图1：a. 模拟开关原理图；b. 模拟开关导通电阻与输入电压关系
2. 模拟开关输入有严格的输入信号范围
由于模拟开关是半导体器件，当输入信号过低(低于零电势)或者过高(高于电源电压)时，MOSFET处于反向偏置，当电压达到某一值时(超出限值0.3V)，此时开关无法正常工作，严重者甚至损坏。因此模拟开关在应用中，一定要注意输入信号不要超出规定的范围。
3. 注入电荷
应用机械开关我们当然希望Ron越低越好，因为低阻可以降低信号的损耗。然而对于模拟开关而言，低Ron并非适用于所有的应用，较低的Ron需要占据较大的芯片面积，从而产生较大的输入电容，在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流。时间常数t=RC，充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，一般持续几十纳秒。这说明低Ron具有更长的导通和关断时间。为此，选择模拟开关应该综合权衡Ron和注入电荷。
4. 开关断开时仍会有感应信号漏出
这一特性指的是当模拟开关传输交流信号时，在断开情况下，仍然会有一部分信号通过感应由输入端传到输出端，或者由一个通道传到另一个通道。通常信号的频率越高，信号泄漏的程度越严重。
5. 传输电流比较小
模拟开关不同于机械开关，它通常只能传输小电流，目前CMOS工艺的模拟开关允许连续传输的电流大多小于500mA。
6. 逻辑控制端驱动电流极小
机械开关逻辑控制端的驱动电流往往都是毫安级，有时单纯靠数字I/O很难驱动。而模拟开关的逻辑控制端驱动电流极小，一般低于纳安级。因此，它完全可以由数字I/O直接驱动，从而达到降低功耗、简化电路的目的。
模拟开关的开关特性
既然称之为模拟开关，自然它还具有开关性，具体表现如下：
1. 信号可双向传输
有些人习惯于把模拟开关的两个常开常闭端称之为输入端，公共端称之为输出端，其实这只是根据模拟开关的具体应用给予的临时定义。模拟开关大多可以使信号双向传输，如果忽略这一点，就很容易使电路生成问题，比如将电压反向偏置、电流倒灌等。
2. 开关断开后漏电流极小
模拟开关在断开(OFF)时会呈现高阻状态，两传输端间的漏电流极小，一般只有纳安级以下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模拟开关，其断开后的漏电流均为1nA。这么微弱的电流在应用中可忽略不计，模拟开关此时可被认为是理想断开的。
总之，模拟开关是具有开关功能的半导体器件，在应用过程中既要充分利用它的开关功能，又要考虑它的半导体特性，否则可能会出现意想不到的麻烦。
模拟开关应用实例分析
图2是一音响设备前端放大及信号选通部分电路，其中选用了SGM324(四通道运算放大器)和SGM3002(双通道模拟开关)。

图2：音响前端放大及信号选通电路
该方案设计本意是当Input=0时，Line_outL和Line_outR音频信号选通；当Input=1时，Phone_outL和Phone_outR音频信号选通。然而当实验机做出后，设计者发现当Input=1时，Line_outL和Line_outR通道有相当一部分信号分别漏到D1和D2端。应用网络分析仪HP/Agilent 3589A测试SGM3002的关断隔离度，当输入信号为10kHz时，SGM3002的关断隔离度仅为-120dB，因此芯片应该没有问题。
事实上，该电路在模拟开关应用上存在下面两处错误：
1. 模拟开关的输入信号缺少一个直流偏置
图2中模拟开关部分电路可以等效成图3，本文第一部分曾经提到模拟开关输入信号输入不能为负。

图3：模拟开关等效电路
通常来讲，CMOS工艺的模拟开关输入信号最小只能到-0.3V，如果再低于这个值，芯片将不能正常工作，甚至会损坏。图2中模拟开关输入信号没有直流偏置，所以输入信号有一部分处于负值区，模拟开关自然无法正常工作。
解决办法：将电容C2、C3均去掉，模拟开关输入信号便有了1/2VDC的直流偏置信号，此时模拟开关便可以轨到轨工作。此外，由于模拟开关公共端后面加了电容，所以直流信号依然可以被有效地隔离。
2. 在D1和D2端缺少耦合电阻
当模拟开关在断开的情况下，其输入与输出端等效串联了一个电容C，如果再假设在模拟开关输出端到地之间有一个等效电阻R，则模拟开关在断开时的等效电路如图4所示。

图4：模拟开关断开时的等效电路
此时的模拟开关其实等效为一个RC滤波电路，由此不难得出以下公式：


其中，uout为模拟开关输出信号；uin为模拟开关输入信号；R为模拟开关输出端电阻负载；C为模拟开关断开时等效电容；f为输入信号频率。
由于模拟开关等效电容C会设计成很小，所以当输入信号f处于音频区时，增益A由R和f同时决定。当R取值较小时，f起主导作用，此时A<<1，信号被有效隔离。当R取值较大时，此时R起主导作用，此时A—>1，信号几乎被完全泄漏过来。所以当输出端悬空时，其输出端与地之间电阻R—>+∞，此时模拟开关完全导通。
修正以上两个错误后，该音频应用电路便可以正常工作了。由以上实例可以看出，充分理解模拟开关的基本概念是正确应用模拟开关的基础。
参考文献
1. 魏智：《CMOS模拟开关的选择与典型应用》Maxim公司，2004
2. Graham Ls Connolly：《在超便携应用中模拟开关的关键设计参数》飞兆半导体公司，2004