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      模擬開關基礎及選型

      發布時間:2021-05-08 責任編輯:wenwei

      【導讀】模擬開關,是利用JFET或MOS的特性實現控制信號通路的開關,主要用來完成信號鏈路連接或斷開的切換功能。由于它具有功耗低、速度快、無機械觸點、體積小和使用壽命長等特點,在各種自動控制系統和電子數碼產品中得到了廣泛應用。
       
      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。
       
      模擬開關基礎及選型
      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。
       
      模擬開關基礎及選型
      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。
       
      模擬開關基礎及選型
      模擬開關基礎及選型
      圖3 開關導通狀態下的等效電路
       
      模擬開關基礎及選型
       
      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。
       
      模擬開關基礎及選型
      圖5 Turn on&amp;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。
       
      模擬開關基礎及選型
      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:
       
      模擬開關基礎及選型
      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。
       
      模擬開關基礎及選型
      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
       
      模擬開關基礎及選型
      圖9 潤石模擬開關選型樹狀圖
       
       
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