正确选择CMOS模拟开关

2 SPST NO 5
± 4.5
to
250/2
0.5
0.5 0.5
80 ± 20 16-DIP/SO
00
or
+4.5
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MAX4622
2 SPDT 5
0.5
MAX4623
2 DPST 5
0.5
4 SPST
MAX4661/MAX4662/MA
NO/NC/NO, 2.5
0.5
大多数应用中，可以通过修改电路设计防止过大的开关电流。例如，需要通过在不同反 馈电阻间切换以改变运算放大器的增益时，可以采用一个将开关与高阻输入串联的电路结构 (图 5a)。由于开关电流极小，因此可以忽略 RON 的值及其温度系数。另一个设计(图 5b)中， 开关电流取决于输出电压的大小，因此其值较大。
to
+36
± 4.5
to
± 20
300/2
0.5 0.5
300 or
00
+4.5
to
+36
16-DIP|/SO
± 4.5
to
± 20
300/2
0.4 0.4
450 or
00
+4.5
to
+36
16-DIP/SO
275/2
0.25 0.3
-60
00
± 4.5 to ± 20 or
+4.5 to
16-DIP/WID SO/SSOP
MAX4734 MAX4741 MAX4751 MAX4756 MAX4780 MAX4781 MAX4855
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1 4:1 MUX 0.8
1
2 SPST 0.8
1
4 SPST NO 0.9
2.5
4 SPDT
0.85
3
NO/NC
4 2:1 MUX 1
1
1 8:1 MUX 1
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图 3. 较高电源电压下导通电阻较低
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图 4. +5V 电压下，新型模拟开关具有较低的导通电阻。
为单电源系统选择模拟开关时，尽量选择专用于单电源的器件。此类器件无需单独的 V-和地引脚，因而可节省一个引脚。这样一来，较少的引脚数使单刀双掷(SPDT)开关可以采 用小型 6 引脚 SOT23 封装。同样地，低压双电源系统需要使用双电源开关。该类开关需要一 个 V-引脚和一个地引脚，逻辑接口通常采用标准 CMOS 和 TTL 电平。例如，单刀单掷(SPST) 开关 MAX4529 即采用 6 引脚 SOT23 封装。
225/1
NC/NO/NO, 10
0.5
1.5 2
30 to
16-DIP|SO
14
85
NC
± 20
4 SPST
MAX4614/MAX4615/MA
NO/NC/NO, 10
1
X4616
NC
+2 to 14-DIP/SO/16-Q
1 1 12/10 6.5
+5.5
SOP
MAX4617
8X1 Mux 10
X4663
NC
4 SPST
MAX4664/MAX4665/MA
NO/NC/NO, 4
0.5
X4666
NC
2 SPST
MAX4667/MAX4668/MA
NO/NC/NO, 2.5
0.5
X4669
NC
MAX4680/MAX4690/MA 2 SPST NO 1.25 0.5
X4694
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当信号电平变化进而引起导通电阻变化时，将会改变插入损耗，模拟开关会产生总谐波 失真(THD)。以一个具有 10Ω RON 平坦度的 100Ω 开关为例，当负载为 600Ω 时，开关将产 生 0.24%的 THD。为了减小 THD，应当避免给模拟开关添加负载。
电荷注入效应 如上所述，并非所有应用都要求低 RON。更低的 RON 需要占据更大的芯片面积，进而导 致更大的输入电容，每个开关周期对输入电容进行的充电和放电需消耗更多功率。根据时间
度、电源电压和模拟输入电压对 RON 影响的情况下为直线。然而请注意，上述因素会带来负 面效应，将它们降至最小常常是新产品设计的主要目标。见表 1。
图 2. 图 1 中的 n 沟道和 p 沟道导通电阻构成一个复合的低值导通电阻
表 1. 低导通电阻开关
Part Number
Function
RDS(O
RON RON
图 5. 增益控制电路设计的好(a)或坏(b)取决于流过开关的电流大小
先断后合 大多数模拟开关的导通和关断时间(tON 和 tOFF)在 60ns 至 1µs 之间不等。Maxim 的“无 杂音”音频开关的 tON 和 tOFF 在毫秒级，消除了切换音频信号时产生的杂音。这两个参数 之间的大小也很重要：tON > tOFF 时产生先断后合的动作，而 tOFF > tON 时则为先合后断。 这种差异对于某些应用非常关键。
模拟开关的输入逻辑电平与其对电源电流的影响是最容易引起误解的概念。如果逻辑输 入连接至地或 VCC (或者当有 VL 时连接至 VL)，模拟开关基本上不存在电源电流。然而，为 5V 开关施加 TTL 电平时，会使电源电流增加 1000 倍以上。为了避免不必要的功耗，应避免 使用自二十世纪 80 年代就沿用至今的 TTL 电平。
Matc
Suppl Charge y
ICOM(OFF)/ID(
Flatne tON/tOF
N)
h
Injecti Volta
OFF) (nA
ss F (ns
(Ω
(Ω
on (pC ge
max)
(Ω max)
max)
max
typ) Rang
max
)
e (V)
PinPackage
4 SPST
± 4.5
MAX312/MAX313/MAX3
图 1. 采用并联 n 沟道和 p 沟道 MOSFET 的典型模拟开关的内部结构
将 n 沟道 MOSFET 与 p 沟道 MOSFET 并联，可使信号在两个方向上同等顺畅地通过。n 沟 道与 p 沟道器件之间承载信号电流的多少由输入与输出电压比决定。由于开关对电流流向不 存在选择问题，因而也没有严格的输入端与输出端之分。两个 MOSFET 在内部反相与同相放 大器控制下导通或断开。这些放大器根据控制信号是 CMOS 或是 TTL 逻辑、以及模拟电源电 压是单或是双，对数字输入信号进行所需的电平转换。
低电阻开关 求出 VIN 在各种电平下的 p 沟道与 n 沟道 MOSFET 导通电阻(RON)的并联值(积除以和)， 可以得到这种并联结构的复合导通电阻特性(图 2)。这个 RON 随 VIN 的变化曲线在不考虑温
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许多高性能模拟系统仍然使用较高电平的双极性电源，例如±15V 或±12V。与这些电 压接口时需要一个额外的电源引脚，通常标记为 VL (见 MAX318 的数据资料)。VL 电源连接 到系统的逻辑电压，通常是 5V 或 3.3V。使其输入逻辑信号与实际的逻辑电平相符有利于提 高噪声容限并防止过量的功率消耗。
信号处理 图 3 还给出了 RON 值随信号电压的变化情况。图中曲线都落在特定的电源电压范围之内， 这是由于模拟开关只能处理电源电压范围以内的模拟信号。对于带保护的模拟开关，过高或 过低电压的输入将在开关内部的二极管网络产生失控的电流，造成开关永久损坏。通常这些 二极管能够保护开关抵抗高达±2kV 的短时间静电放电(ESD)。
16-QFN 16-TSSOP 16-TQFN 16-TSSOP
早期的模拟开关工作于±20V 电源电压，导通电阻 RON 为几百欧姆。最近的产品(如 MAX4601)具有低得多的电源电压，最大导通电阻只有几个欧姆。电源电压对 RON 有显著的影 响(图 3)。MAX4601 额定的输入信号和电源电压的范围为 4.5V 至 36V 或±4.5V 至±20V。正 如你所看到的，RON 随着电源电压的降低而增大。最大 RON 在 5V 时约为 8Ω 、12V 时为 3Ω 、 24V 时仅有 2.5Ω 。许多新型模拟开关的额定工作电压可降至 2V。图 4 给出了 Maxim 的新型 开关与早期开关在 5V 电源下的性能比较。
典型 CMOS 模拟开关的 RON 会造成信号电压的线性衰减，衰减量正比于流过开关的电流。 对于适当大小的电流，或者设计中已经考虑了 RON 的效应，这一点可能并非是一个缺陷。然 而，如果你可以接受一定数值的 RON，那么通道间的匹配度和 RON 平坦度就比较重要了。通
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1
+2 to 16-DIP/SO/QSO
1 1 15/10 3
+5.5
P
MAX4618
Dual 4X1
10
1
Mux
+2 to 16-DIP/SO|QSO
1
- 15/10 3
+5.5
P
MAX4619
3 SPDT 10
1
+2 to 16-DIP|SO|6/QS
1
- 15/10 3
+5.5
OP
MAX4621
2
2 SPST
1
2
NO/NC
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+36
+1.6 0.2 0.1 25/20 60 to
+3.6
1.6 to 0.08 0.18 24/16 28
+3.6
+1.6 0.12 0.1 30/25 21 to
+3.6
+1.8
150/4
0.35 0.4
50 to
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正确选择 CMOS 模拟开关
摘要：本文概述了模拟开关的基本结构、工作原理和应用范围；定义了导通电阻、平 坦度和电荷注入等与性能密切相关的指标；并对 ESD 保护、故障保护和加载-感应功能等针 对特定应用的特性进行了介绍。
0
+5.5
+1.6
0.15 0.2 25/10 5
to
+4.2
+1.6 0.4 0.2 25/15 40 to
+3.6
+2 to 0.12 0.27 60/40 170
+5Байду номын сангаас5
10-µ MAX® 12-TQFN
8-SOT23
14-TSSOP 16-QFN
36-UCSP™ 36-TQFN
16-TQFN 16-TSSOP
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常数 t = RC，充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，通常为几十纳秒，但低 RON 开关具 有较长的导通和关断周期，而较大 RON 的开关则要更快一些。
Maxim 提供两种类型的开关，它们具有相同的微型 SOT23 封装和相同的引出脚。MAX4501 和 MAX4502 的导通电阻较高，但开关速度更快。MAX4514 和 MAX4515 具有较低的导通电阻， 但开关时间较长。低导通电阻还带来另一负面效应，这就是比较大的流向容性栅极的电流引 起较多的电荷注入。每次开关导通或断开瞬间都有一定数量的电荷被注入或吸出模拟通道 (图 6)。对于输出连接至高阻的开关，这种效应将引起输出信号的明显改变。在一个没有其 它负载的小分布电容(CL)上产生 Δ VOUT 的变化量，那么注入电荷可按公式 Q = Δ VOUTCL 计算。
to +36
± 4.5
to
± 20
250/2
0.5 0.5
80 or
00
+4.5
to
+36
16-DIP/SO
± 4.5
to
± 20
250/2
0.5 0.5
80 or
00
+4.5
to
+36
16-DIP/SO
± 4.5
to
± 20
250/2
16-DIP/SO|/SSO
- 0.4
120 or
00
P
+4.5
标准的模拟开关 CMOS 模拟开关易于使用，这一点已为大多数设计者所公认。但是，需要提醒大家的是： 千万不要轻视模拟开关在某些工程问题中所发挥的作用。现在，许多半导体厂商仍在生产一 些早期的模拟开关，如：CD4066、MAX4066 等，其基本结构如图 1 所示。Maxim 还提供 MAX4610 等与工业标准器件引脚兼容、但性能更优的产品。
图 5a 说明在两个增益值之间切换时必须加倍小心。在典型的先合后断应用中，一个开 关是常闭的，改变增益时应避免使两个开关同时处于打开状态，即第二个开关必须在第一个 开关打开之前闭合。否则，运算放大器会采用开关增益，其输出将被驱动至电源电压。另一 种相反的结构(先断后合)非常适合将不同输入信号切换至单个运算放大器的应用。为防止输 入通道间短路，在下一个开关闭合之前，必须断开现有的连接。
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道间的匹配度说明了同一器件各通道 RON 的差异；RON 平坦度是指某一通道的 RON 在信号范 围内的变化量。这两个参数的典型值为 2Ω 至 5Ω ，RON 极低的开关(例如 MAX4601)最多只 有 0.5Ω 。匹配度/RON 或平坦度/RON 的比值越小，则模拟开关的精度越高。
引言 集成模拟开关在 25 年前首次问世以来，常常用作模拟信号与数字控制器的接口。本文 将介绍模拟开关的理论基础及其常见的应用，另外还将讨论校准型多路复用器(cal-mux)、 故障保护型模拟开关、加载-感应开关等模拟开关的特殊性能。
近几年，集成模拟开关的开关性能有了很大的提高，它们可工作在非常低的电源电压， 具有很小的封装尺寸。无论是性能指标还是特殊功能都可提供多种选择，有经验的设计人员 可以根据具体的应用挑选到理想的开关产品。