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模擬開關(guān)的用法
發(fā)布時間：2024-03-24 14:47:31 瀏覽：396次
模擬開關(guān)定義
模擬開關(guān)（Analog switches）主要是完成信號鏈路中的信號切換功能。采用MOS管的開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)了對信號鏈路關(guān)斷或者打開，由于其功能類似于開關(guān)，而用模擬器件的特性實(shí)現(xiàn)，稱為模擬開關(guān)。模擬開關(guān)回路可以實(shí)現(xiàn)較高的關(guān)斷阻抗，一般是兆歐姆以上的關(guān)斷阻抗，這是模擬開關(guān)的作用之一。為增加大家對模擬開關(guān)的認(rèn)識，本文將介紹模擬開關(guān)的作用、模擬開關(guān)的選擇方法。
工作原理
圖1 模擬開關(guān)工作原理
模擬開關(guān)工作原理如圖1，當(dāng)IN端輸入低時，通過邏輯控制使得COM和NC之間的通道閉合，COM和NO之間的通道斷開，IN端為高時，則與之相反。
圖2 傳輸門開關(guān)原理圖
圖2為NO/NC口的FET（傳輸門）的原理圖，由一個N溝道晶體管和一個并聯(lián)的P溝道晶體管組成，當(dāng)OE端輸入為高時，經(jīng)過反相器后，P溝道導(dǎo)通，N溝道導(dǎo)通，此時A到B導(dǎo)通。與之相反，當(dāng)OE端輸出為低時，P溝道與N溝道阻斷，此時A到B關(guān)斷。
如何選擇模擬開關(guān)
模擬開關(guān)作用主要是用于信號的切換。目前集成模擬電子開關(guān)在小信號領(lǐng)域已成為主導(dǎo)產(chǎn)品，與以往的機(jī)械觸點(diǎn)式電子開關(guān)相比，集成電子開關(guān)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如切換速率快、無抖動、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(dǎo)通電阻較大、輸入電流容量有限、動態(tài)范圍小等。因而集成模擬開關(guān)主要使用在高速切換、要求系統(tǒng)體積小的場合。艾為的模擬開關(guān)采用CMOS工藝制成，均可應(yīng)用于較寬的頻段范圍。
選擇模擬開關(guān)時需考察以下指標(biāo)：
1. 通道數(shù)量
集成模擬開關(guān)通常包括多個通道。通道數(shù)量對傳輸信號的精度和開關(guān)切換速率有直接的影響，通道數(shù)越多，寄生電容就越大。因?yàn)楫?dāng)選通一路時，其它阻斷的通道并不是完全斷開，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
一個理想的開關(guān)要求導(dǎo)通時電阻為零，斷開時電阻趨于無限大，漏電流為零。而實(shí)際開關(guān)斷開時為高阻狀態(tài)，漏電流不為零，常規(guī)的CMOS漏電流約1nA。如果信號源內(nèi)阻很高，傳輸信號是電流量，就特別需要考慮模擬開關(guān)的泄漏電流，一般希望泄漏電流越小越好。
3. 導(dǎo)通電阻
導(dǎo)通電阻的平坦度與導(dǎo)通電阻一致性。導(dǎo)通電阻會損失信號，使精度降低，尤其是當(dāng)開關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時損失更大。應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇導(dǎo)通電阻足夠低的開關(guān)。必須注意，導(dǎo)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(dǎo)通電阻就越小，而且導(dǎo)通電阻和泄漏電流是矛盾的。要求導(dǎo)通電阻小，則應(yīng)擴(kuò)大溝道，結(jié)果會使泄漏電流增大。導(dǎo)通電阻隨輸入電壓的變化會產(chǎn)生波動，導(dǎo)通電阻平坦度是指在限定的輸入電壓范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻的最大起伏值ΔRON=ΔRONMAX—ΔRONMIN。它表明導(dǎo)通電阻的平坦程度，ΔRON應(yīng)該越小越好。導(dǎo)通電阻一致性代表各通道導(dǎo)通電阻的差值，導(dǎo)通電阻的一致性越好，系統(tǒng)在采集各路信號時由開關(guān)引起的誤差也就越小。
4. 開關(guān)速度
指開關(guān)接通或斷開的速度。通常用接通時間TON和斷開時間TOFF表示。對于需要傳輸快速變化信號的場合，要求模擬開關(guān)的切換速度高，同時還應(yīng)該考慮與后級采樣保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器的速度相適應(yīng)，從而以最優(yōu)的性能價格比來選擇器件。
5. 開關(guān)耐壓
模擬開關(guān)由于其應(yīng)用的信號鏈路為電子板低壓工作環(huán)境，耐壓值一般在15v以內(nèi)，常見的有3.3v、5v、12v、15v等最大耐壓值。選擇時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(biāo)可以衡量模擬開關(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(yán)格，THD定義為，信號功率與諧波及噪聲的dB比值。THD與模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻的平坦度相關(guān)。一般來說，隨著導(dǎo)通阻抗的增加，導(dǎo)通阻抗平坦度(即導(dǎo)通阻抗在輸入電壓范圍的變化)也相應(yīng)升高。而導(dǎo)通阻抗平坦度的升高會降低THD性能。也就是說，在輸入電壓范圍內(nèi)，導(dǎo)通阻抗越平坦，THD性能就越好。
模擬開關(guān)應(yīng)用
模擬開關(guān)與機(jī)械開關(guān)不同，在使用時需要考慮它的半導(dǎo)體特性：
1. 導(dǎo)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(yīng)用機(jī)械開關(guān)我們當(dāng)然希望Ron越低越好，因?yàn)榈妥杩梢越档托盘柕膿p耗。然而對于模擬開關(guān)而言，低Ron并非適用于所有的應(yīng)用，較低的Ron需要占據(jù)較大的芯片面積，從而產(chǎn)生較大的輸入電容，在每個開關(guān)周期其充電和放電過程會消耗更多的電流。時間常數(shù)t=RC，充電時間取決于負(fù)載電阻(R)和電容(C)，一般持續(xù)幾十納秒。這說明低Ron具有更長的導(dǎo)通和關(guān)斷時間。為此，選擇模擬開關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡Ron和注入電荷。
3. 開關(guān)耐壓
當(dāng)輸入信號過低(低于零電勢)或者過高(高于電源電壓)時，MOSFET處于反向偏置，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(超出限值0.3V)，此時開關(guān)無法正常工作，甚至損壞。因此模擬開關(guān)在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號不可超出規(guī)定的范圍。
圖四是一音響設(shè)備前端放大及信號選通部分電路，其中使用了四通道運(yùn)算放大器和雙通道模擬開關(guān)：
圖4 音響前端放大及信號選通電路
該方案設(shè)計本意是當(dāng)Input=0時，Line_outL和Line_outR音頻信號選通。當(dāng)Input=1時，Phone_outL和Phone_outR音頻信號選通。然而當(dāng)實(shí)驗(yàn)機(jī)做出后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Input=1時，Line_outL和Line_outR通道有相當(dāng)一部分信號分別漏到D1和D2端。用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試模擬開關(guān)的關(guān)斷隔離度，當(dāng)輸入信號為10kHz時，開關(guān)的關(guān)斷隔離度為-120dB，因此芯片應(yīng)該沒有問題。
事實(shí)上，該電路在模擬開關(guān)應(yīng)用上存在下面兩處錯誤：
1. 模擬開關(guān)的輸入信號缺少一個直流偏置
模擬開關(guān)部分電路可以等效成圖五，CMOS工藝的模擬開關(guān)輸入信號最小只能到-0.3V，如果再低于這個值，芯片將不能正常工作，甚至?xí)p壞。圖四中模擬開關(guān)輸入信號沒有直流偏置，所以輸入信號有一部分處于負(fù)值區(qū)，模擬開關(guān)自然無法正常工作。
圖5 模擬開關(guān)等效電路
解決辦法：將電容C2、C3均去掉，模擬開關(guān)輸入信號便有了1/2VDC的直流偏置信號，此時模擬開關(guān)便可以軌到軌工作。
2. 在D1和D2端缺少耦合電阻
當(dāng)模擬開關(guān)在斷開的情況下，其輸入與輸出端等效串聯(lián)了一個電容C，如果再假設(shè)在模擬開關(guān)輸出端到地之間有一個等效電阻R，則模擬開關(guān)在斷開時的等效電路如圖六所示。
圖6 模擬開關(guān)斷開時等效電路
此時的模擬開關(guān)其實(shí)等效為一個RC濾波電路，由此不難得出以下公式：
其中，Uout為模擬開關(guān)輸出信號，Uin為模擬開關(guān)輸入信號，R為模擬開關(guān)輸出端電阻負(fù)載，C為模擬開關(guān)斷開時等效電容，f為輸入信號頻率。
由于模擬開關(guān)等效電容C會設(shè)計成很小，所以當(dāng)輸入信號f處于音頻區(qū)時，增益A由R和f同時決定。當(dāng)R取值較小時，f起主導(dǎo)作用，此時A<<1，信號被有效隔離。當(dāng)R取值較大時，此時R起主導(dǎo)作用，此時A—>1，信號幾乎被完全泄漏過來。所以當(dāng)輸出端懸空時，其輸出端與地之間電阻R—>+∞，此時模擬開關(guān)完全導(dǎo)通。
修正以上兩個錯誤后，該音頻應(yīng)用電路便可以正常工作了。由以上實(shí)例可以看出，充分理解模擬開關(guān)的基本概念是正確應(yīng)用模擬開關(guān)的基礎(chǔ)。
AW模擬開關(guān)介紹
艾為電子致力于為客戶提供更好的解決方案，擁有以下模擬開關(guān)產(chǎn)品可供選擇：
其中AW35301STR是一個單路單刀雙擲模擬開關(guān)，導(dǎo)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(diào)制與解調(diào)等應(yīng)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(dǎo)通電阻以及只需要單電源供電即可支持負(fù)擺幅信號的特性使其非常適合應(yīng)用于音頻領(lǐng)域該封裝占板面積小，非常適用于手機(jī)、PAD、超薄本等內(nèi)部空間緊湊的電子設(shè)備。
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