模擬開(kāi)關(guān)定義

模擬開(kāi)關(guān)（Analog switches）主要是完成信號鏈路中的信號切換功能。采用MOS管的開(kāi)關(guān)方式實(shí)現了對信號鏈路關(guān)斷或者打開(kāi)，由于其功能類(lèi)似于開(kāi)關(guān)，而用模擬器件的特性實(shí)現，稱(chēng)為模擬開(kāi)關(guān)。模擬開(kāi)關(guān)回路可以實(shí)現較高的關(guān)斷阻抗，一般是兆歐姆以上的關(guān)斷阻抗，這是模擬開(kāi)關(guān)的作用之一。為增加大家對模擬開(kāi)關(guān)的認識，本文將介紹模擬開(kāi)關(guān)的作用、模擬開(kāi)關(guān)的選擇方法。

工作原理

圖1 模擬開(kāi)關(guān)工作原理

模擬開(kāi)關(guān)工作原理如圖1，當IN端輸入低時(shí)，通過(guò)邏輯控制使得COM和NC之間的通道閉合，COM和NO之間的通道斷開(kāi)，IN端為高時(shí)，則與之相反。

圖2 傳輸門(mén)開(kāi)關(guān)原理圖

圖2為NO/NC口的FET（傳輸門(mén)）的原理圖，由一個(gè)N溝道晶體管和一個(gè)并聯(lián)的P溝道晶體管組成，當OE端輸入為高時(shí)，經(jīng)過(guò)反相器后，P溝道導通，N溝道導通，此時(shí)A到B導通。與之相反，當OE端輸出為低時(shí)，P溝道與N溝道阻斷，此時(shí)A到B關(guān)斷。

如何選擇模擬開(kāi)關(guān)

模擬開(kāi)關(guān)作用主要是用于信號的切換。目前集成模擬電子開(kāi)關(guān)在小信號領(lǐng)域已成為主導產(chǎn)品，與以往的機械觸點(diǎn)式電子開(kāi)關(guān)相比，集成電子開(kāi)關(guān)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如切換速率快、無(wú)抖動(dòng)、耗電省、體積小、工作可靠且容易控制等。但也有若干缺點(diǎn)，如導通電阻較大、輸入電流容量有限、動(dòng)態(tài)范圍小等。因而集成模擬開(kāi)關(guān)主要使用在高速切換、要求系統體積小的場(chǎng)合。艾為的模擬開(kāi)關(guān)采用CMOS工藝制成，均可應用于較寬的頻段范圍。

選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)需考察以下指標：

1. 通道數量

集成模擬開(kāi)關(guān)通常包括多個(gè)通道。通道數量對傳輸信號的精度和開(kāi)關(guān)切換速率有直接的影響，通道數越多，寄生電容就越大。因為當選通一路時(shí)，其它阻斷的通道并不是完全斷開(kāi)，而是處于高阻狀態(tài)，存在泄漏電流，另外通道之間也存在著(zhù)耦合與寄生電容，所以存在通道之間的相互干擾。

2. 泄漏電流

一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)要求導通時(shí)電阻為零，斷開(kāi)時(shí)電阻趨于無(wú)限大，漏電流為零。而實(shí)際開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)為高阻狀態(tài)，漏電流不為零，常規的CMOS漏電流約1nA。如果信號源內阻很高，傳輸信號是電流量，就特別需要考慮模擬開(kāi)關(guān)的泄漏電流，一般希望泄漏電流越小越好。

3. 導通電阻

導通電阻的平坦度與導通電阻一致性。導通電阻會(huì )損失信號，使精度降低，尤其是當開(kāi)關(guān)串聯(lián)的負載為低阻抗時(shí)損失更大。應用中應根據實(shí)際情況選擇導通電阻足夠低的開(kāi)關(guān)。必須注意，導通電阻的值與電源電壓有直接關(guān)系，通常電源電壓越大，導通電阻就越小，而且導通電阻和泄漏電流是矛盾的。要求導通電阻小，則應擴大溝道，結果會(huì )使泄漏電流增大。導通電阻隨輸入電壓的變化會(huì )產(chǎn)生波動(dòng)，導通電阻平坦度是指在限定的輸入電壓范圍內，導通電阻的最大起伏值ΔRON=ΔRONMAX—ΔRONMIN。它表明導通電阻的平坦程度，ΔRON應該越小越好。導通電阻一致性代表各通道導通電阻的差值，導通電阻的一致性越好，系統在采集各路信號時(shí)由開(kāi)關(guān)引起的誤差也就越小。

4. 開(kāi)關(guān)速度

指開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)的速度。通常用接通時(shí)間TON和斷開(kāi)時(shí)間TOFF表示。對于需要傳輸快速變化信號的場(chǎng)合，要求模擬開(kāi)關(guān)的切換速度高，同時(shí)還應該考慮與后級采樣保持電路和A/D轉換器的速度相適應，從而以最優(yōu)的性能價(jià)格比來(lái)選擇器件。

5. 開(kāi)關(guān)耐壓

模擬開(kāi)關(guān)由于其應用的信號鏈路為電子板低壓工作環(huán)境，耐壓值一般在15v以?xún)�，常�?jiàn)的有3.3v、5v、12v、15v等最大耐壓值。選擇時(shí)必須注意信號鏈路的最大電壓與器件最大耐壓值。

6. THD(總諧波失真)

該指標可以衡量模擬開(kāi)關(guān)對于音頻信號的還原度，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。THD與模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻的平坦度相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)導通阻抗的增加，導通阻抗平坦度(即導通阻抗在輸入電壓范圍的變化)也相應升高。而導通阻抗平坦度的升高會(huì )降低THD性能。也就是說(shuō)，在輸入電壓范圍內，導通阻抗越平坦，THD性能就越好。

模擬開(kāi)關(guān)應用

模擬開(kāi)關(guān)與機械開(kāi)關(guān)不同，在使用時(shí)需要考慮它的半導體特性：

1. 導通電阻(Ron)隨輸入信號(VIN)變化而變化

圖3 Ron與VIN關(guān)系

2. 注入電荷

應用機械開(kāi)關(guān)我們當然希望Ron越低越好，因為低阻可以降低信號的損耗。然而對于模擬開(kāi)關(guān)而言，低Ron并非適用于所有的應用，較低的Ron需要占據較大的芯片面積，從而產(chǎn)生較大的輸入電容，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期其充電和放電過(guò)程會(huì )消耗更多的電流。時(shí)間常數t=RC，充電時(shí)間取決于負載電阻(R)和電容(C)，一般持續幾十納秒。這說(shuō)明低Ron具有更長(cháng)的導通和關(guān)斷時(shí)間。為此，選擇模擬開(kāi)關(guān)應該綜合權衡Ron和注入電荷。

3. 開(kāi)關(guān)耐壓

當輸入信號過(guò)低(低于零電勢)或者過(guò)高(高于電源電壓)時(shí)，MOSFET處于反向偏置，當電壓達到某一值時(shí)(超出限值0.3V)，此時(shí)開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作，甚至損壞。因此模擬開(kāi)關(guān)在應用中，一定要注意輸入信號不可超出規定的范圍。

圖四是一音響設備前端放大及信號選通部分電路，其中使用了四通道運算放大器和雙通道模擬開(kāi)關(guān)：

圖4 音響前端放大及信號選通電路

該方案設計本意是當Input=0時(shí)，Line_outL和Line_outR音頻信號選通。當Input=1時(shí)，Phone_outL和Phone_outR音頻信號選通。然而當實(shí)驗機做出后，發(fā)現當Input=1時(shí)，Line_outL和Line_outR通道有相當一部分信號分別漏到D1和D2端。用網(wǎng)絡(luò )分析儀測試模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷隔離度，當輸入信號為10kHz時(shí)，開(kāi)關(guān)的關(guān)斷隔離度為-120dB，因此芯片應該沒(méi)有問(wèn)題。

事實(shí)上，該電路在模擬開(kāi)關(guān)應用上存在下面兩處錯誤：

1. 模擬開(kāi)關(guān)的輸入信號缺少一個(gè)直流偏置

模擬開(kāi)關(guān)部分電路可以等效成圖五，CMOS工藝的模擬開(kāi)關(guān)輸入信號最小只能到-0.3V，如果再低于這個(gè)值，芯片將不能正常工作，甚至會(huì )損壞。圖四中模擬開(kāi)關(guān)輸入信號沒(méi)有直流偏置，所以輸入信號有一部分處于負值區，模擬開(kāi)關(guān)自然無(wú)法正常工作。

圖5 模擬開(kāi)關(guān)等效電路

解決辦法：將電容C2、C3均去掉，模擬開(kāi)關(guān)輸入信號便有了1/2VDC的直流偏置信號，此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)便可以軌到軌工作。

2. 在D1和D2端缺少耦合電阻

當模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)的情況下，其輸入與輸出端等效串聯(lián)了一個(gè)電容C，如果再假設在模擬開(kāi)關(guān)輸出端到地之間有一個(gè)等效電阻R，則模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)的等效電路如圖六所示。

圖6 模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)等效電路

此時(shí)的模擬開(kāi)關(guān)其實(shí)等效為一個(gè)RC濾波電路，由此不難得出以下公式：



其中，Uout為模擬開(kāi)關(guān)輸出信號，Uin為模擬開(kāi)關(guān)輸入信號，R為模擬開(kāi)關(guān)輸出端電阻負載，C為模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)等效電容，f為輸入信號頻率。

由于模擬開(kāi)關(guān)等效電容C會(huì )設計成很小，所以當輸入信號f處于音頻區時(shí)，增益A由R和f同時(shí)決定。當R取值較小時(shí)，f起主導作用，此時(shí)A<<1，信號被有效隔離。當R取值較大時(shí)，此時(shí)R起主導作用，此時(shí)A—>1，信號幾乎被完全泄漏過(guò)來(lái)。所以當輸出端懸空時(shí)，其輸出端與地之間電阻R—>+∞，此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)完全導通。

修正以上兩個(gè)錯誤后，該音頻應用電路便可以正常工作了。由以上實(shí)例可以看出，充分理解模擬開(kāi)關(guān)的基本概念是正確應用模擬開(kāi)關(guān)的基礎。

AW模擬開(kāi)關(guān)介紹

艾為電子致力于為客戶(hù)提供更好的解決方案，擁有以下模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)品可供選擇：

其中AW35301STR是一個(gè)單路單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)，導通電阻3Ω，帶寬400MHz，采用SOT363-6L封裝，可用于音頻路由、選波、斬波、調制與解調等應用。

AW35321QNR采用綠色環(huán)保的小體積QFN 1.8mm * 1.4mm * 0.55mm – 10L封裝。0.5Ω（典型值）超低導通電阻以及只需要單電源供電即可支持負擺幅信號的特性使其非常適合應用于音頻領(lǐng)域該封裝占板面積小，非常適用于手機、PAD、超薄本等內部空間緊湊的電子設備。