用模拟开关实现信号复用

用模拟开关实现信号复用

请注意模拟开关和多路复用器，它们是信号通道的关键元件。设计人员应当了解这些重要模拟部件的应用和规格。

要点

模拟开关的主要规格是电压、导通电阻、电容、电荷注入、速度和封装。

介质绝缘工艺可防止一些开关的闩锁。

开关的工作范围从直流到 400 MHz ，甚至更高。

MEMS(微机电系统)开关在高频下运行良好，但存在可靠性问题，并且封装费用昂贵。

如果您是在仿真一个模拟开关，要确保对全部寄生成分的建模。

没有哪个 IC 原理图符号能比模拟开关的符号更简单(图 1a )。一个基本开关仅包括输入、输出、控制脚和一对电源脚。然而，在这简单的外观(图 1b )后面，隐藏着极其复杂的东西。很多规格，包括电源电压和导通电阻，都对部件运行非常重要。模拟开关也有许多交流规格，如带宽和开关时间。所有这些规格(包括泄漏电流)都会随温度而变化，有时是彻底改变。与其它所有模拟部件一样，开关也有相互作用并有一组连续值的规格。这些规格并非白或黑，而是灰色梯度(参考文献 1 )。

一个模拟开关是复杂的，但要把它们联结成组，或者把它们集成到一个 IC 里以提供 DPDT (双刀双掷)功能或多路复用器，就会更加复杂。例如，一个为ADC送入信号的多路复用器应当是一种先开后合的器件——也就是说，在接通之前，它应当断开触点，防止输入信号相互短路。但是一个音频输出上的多路复用器可能需要先合后开器件——也就是说，它必须先接通，然后再断开，以防止音频信号中出现令人不快的卡嗒声和爆破音。如所有模拟部件一样，事情要比第一眼看上去更复杂。

寻找新用途

模拟开关总是在仪器和工业市场中占有一席之地。数据采集卡重定模拟输入的路径，为接至 ADC 的测量提供多个通道，并把模拟输出传递到连接器或内部电路节点。这些卡中的模拟开关和多路复用器传统上是高压部件，以保持它们的工业、军用和医用传统。这些有几十年历史的应用将永远存在，但是几项新的技术进展正在使模拟开关的使用发生巨大的变

化。

模拟开关最大规模用途之一是手机和其它的手提消费设备。

Fairchild Semiconductor 的开关产品生产线总监 Jerry Johnston 称：“我不知道哪款手机里一个开关也没有。”大小和功能是电话中使用模拟开关的推动因素。手机外壳中只有很小的空间放置连接器，这意味着模拟开关必须将信号从多个 IC 传递到一个USB端口、视频端口、音频端口或电源连接器。这些开关也有多种功能，这更增加了在手机中的应用。一款手机通常包括一只基带 IC 和 RF 信号链。一款全功能手机也可能要带有数码相机和摄像头，两者都有相关的闪存系统，并且能做 MP3 和视频播放器。它也支持 USB、蓝牙和无线 LAN 连接。Johnston了解一些高端手机有多达 14 个模拟开关。

基于类似的原因，模拟开关日益增长的另一应用是便携计算机。即使最基本的笔记本电脑也有摄像头、 IR(红外线)端口、蓝牙和无线功能。此外与手机类似，便携计算机只有有限的外表面供放置连接器。尽管不像手机的空间限制那么严格，但是这种约束仍然为模拟开关提供了许多应用。

家庭娱乐设施是模拟开关的另一种大批量应用。任何一个装配电视、DVD 播放机、立体声收音机、游戏系统、有线系统和计算机的人，都可以证实这些任务要求的视频与音频信号布线挑战。如同手机一样，这些家庭娱乐系统可能用到一些数字信号，但是仍然必须使用模拟开关来完成该设备的信号传送。例如，许多家庭娱乐系统有多个HDMI(高清晰多媒体接口)数字信号通道，这些产品需要模拟开关传送那些信号，因为使用数字

开关能引起扭曲及延迟。数字开关在完成功率时会建立一个或多个门延迟，那些延迟可能不确定，而是随着开关路由或温度而更改，门的上升和下降次数可能更改数字信号的占空比。

模拟开关的另一个大量应用是车载娱乐设备，它有与家庭娱乐系统一样的信号路由问题，而且空间更少。汽车电子设备，或“telematics”(车载通信系统)同时包含了信号路由以及娱乐、计算机和手机环境的管理挑战。

重要规格

模拟开关能经受的电压与机械开关的额定电压一样重要，有时它指示出开关的预期市场。12V到 36V开关的目标常常是仪表、军用和医用市场。那些必须从外部测量一些未知电压的数据采集系统，也得益于采用高额定电压的模拟开关。因为设计人员无法控制所测电压的水平，所以，重要的是开关能承受尽可能高的电压。对于可靠性的同样要求，促进了对介质绝缘模拟开关和故障保护模拟开关的开发。

介质绝缘是把 IC 中每个晶体管放在自己的玻璃外套中(图2和参考

文献2)。玻璃有比硅更低的介电常数，对介质绝缘的部件产生非常低的内电容。因此，如果输入信号超出电源轨(图3)，寄生SCR (可控硅整流器)的形成就能引起IC基材的闩锁。制造商通常采用廉价的CMOS工艺为电子消费产品制造部件，而这些部件的最大额定电压为5.5V。例如，Fairchild的 FSA2270T双路SPDT (单刀双掷)模拟开关摆幅低于负电压轨，这样在没有负电源轨情况下也能通过双极音频信号(参考文献3)。另外一个例子是德州仪器公司的 TS3USB221 多路复用器/解复用器开关，其工作电压为 2.3V。

故障保护是另一个重要规格。具备这一特性的器件，即使其输入电压超过电源轨也不会导致损坏。例如，Maxim公司的 MAX388 模拟多路复用器的故障防护达 100V 。除提供内部故障保护之外，线路还可以设计为在过压情况下保护模拟开关(参考文献4)。

导通电阻是模拟开关的另一个极为重要的规格。如果您的设计包含了

一个为模拟开关提供缓冲的运算放大器，导通电阻似乎并不重要。运算放大器的输入阻抗可能在兆欧水平，所以把一个 100Ω的模拟开关与输入端串联，意味着这个阻抗是可忽略的，但是仅对直流。开关的导通电阻能对放大器的杂散电容和输入电容作出反应。这个反应能建立一个极点，使信号链的频率响应骤降，可能达到无法接受的水平。许多其它信号通路应用需要更低的导通电阻。尽管几十年前100Ω是可以接受的，那时工程师使用的是Fairchild通用CD4066 CMOS 模拟开关，但许多器件的导通电阻很快降低到 10Ω，现在已有多款低于 1Ω的模拟开关。例如， Pericom 公司的 PI3A3159 SPDT 模拟开关导通电阻为0.4Ω。这些新部件可以在低至2.7V 的工作电压下，实现低导通电阻。

另一个重要规格是关态电阻，它量度的是开关阻挡信号的能力。模拟开关的基本关态电阻就是 MOS 晶体管的关态电阻，通常高于多数线路的需求。关态电阻也是 ESD (静电放电)保护二极管的一个功能，这些二极管在 IC 片芯上，防止晶体管的处理和组装中出现损坏(图 4)。把关态电阻看成是一个泄露规格可能更有帮助。因为泄漏每10℃会加倍，应总是在预期的电路最高工作温度上检查关态电阻。此外，关态电阻和泄漏是应