模拟开关的技术特性和应用

模拟开关的关键技术特性和应用实例分析

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(R on )随输入信号(V IN )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V IN 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R on 随输入电压(V IN )的变化关系，如果不考虑温度、电源电压的影响，R on 随V in 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，R on 也受电源电压的影响，通常随着电源电压的上升而减小。

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R on 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R on 并非适用于所有的应用，较低的R on 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R on 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R on 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

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

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。