模擬開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)特性和應(yīng)用實例分析

1、模擬開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)特性和應(yīng)用實例分析近年來，便攜式產(chǎn)品越來越多地采用多源設(shè)計，因此開關(guān)功能是視頻、音頻傳輸及處理過 程中的一個重要組成部分。早期采用的機(jī)械開關(guān)具有可靠性低、體積大、功耗大的缺點， 所以模擬開關(guān)已經(jīng)引起了越來越多人的重視，并已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。盡管模擬開關(guān)具有機(jī)械開關(guān)不可取代的優(yōu)勢，然而它的應(yīng)用較機(jī)械開關(guān)稍微復(fù)雜些，初次 使用模擬開關(guān)的工程人員往往會由于模擬開關(guān)使用不當(dāng)，引起整個系統(tǒng)的故障。本文通 過將模擬開關(guān)與普通機(jī)械開關(guān)作比較，論述了模擬開關(guān)的若干基本概念，并結(jié)合實例對模 擬開關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。模擬開關(guān)的模擬特性 許多工程師第一次使用模擬開關(guān)，往往會把模擬開

2、關(guān)完全等同于機(jī)械開關(guān)。其實模擬開關(guān) 雖然具備開關(guān)性，但和機(jī)械開關(guān)有所不同，它本身還具有半導(dǎo)體特性：導(dǎo)通電阻(Ron)隨輸入信號(Vin)變化而變化圖1a是模擬開關(guān)的簡單示意圖，由圖中可以看出模擬開關(guān)的常開常閉通道實際上是由兩 個對偶的N溝道MOSFET與P溝道MOSFET構(gòu)成，可使信號雙向傳輸，如果將不同Vin值所對 應(yīng)的P溝道MOSFET與N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻并聯(lián)，可得到圖1b并聯(lián)結(jié)構(gòu)下R”隨輸入 電壓(V )的變化關(guān)系，如果不考慮溫度、電源電壓的影響，R隨V呈線性關(guān)系，將導(dǎo)致 插入損耗的變化，使模擬開關(guān)產(chǎn)生總諧波失真(THD)。此外，R也受電源電壓的影響，通 常隨著電源電壓的上升而

3、減小。On圖1： a.模擬開關(guān)原理圖；b.模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻與輸入電壓關(guān)系模擬開關(guān)輸入有嚴(yán)格的輸入信號范圍由于模擬開關(guān)是半導(dǎo)體器件，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， 嚴(yán)重者甚至損壞。因此模擬開關(guān)在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號不要超出規(guī)定的范圍。注入電荷應(yīng)用機(jī)械開關(guān)我們當(dāng)然希望R越低越好，因為低阻可以降低信號的損耗。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=

4、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R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。on開關(guān)斷開時仍會有感應(yīng)信號漏出這一特性指的是當(dāng)模擬開關(guān)傳輸交流信號時，在斷開情況下，仍然會有一部分信號通過感 應(yīng)由輸入端傳到輸出端，或者由一個通道傳到另一個通道。通常信號的頻率越高，信號泄 漏的程度越嚴(yán)重。傳輸電流比較小模擬開關(guān)不同于機(jī)械開關(guān)，它通常只能傳輸小電流，目前CMOS工藝的模擬開關(guān)允許連續(xù) 傳輸?shù)碾娏鞔蠖嘈∮?00mA。邏輯控制端驅(qū)動電流極小機(jī)械開關(guān)邏輯控制端的驅(qū)動電流往往都是毫安級，有時單純靠數(shù)字I/O很難驅(qū)動。而模擬 開關(guān)的邏

5、輯控制端驅(qū)動電流極小，一般低于納安級。因此，它完全可以由數(shù)字I/O直接驅(qū) 動，從而達(dá)到降低功耗、簡化電路的目的。模擬開關(guān)的開關(guān)特性既然稱之為模擬開關(guān)，自然它還具有開關(guān)性，具體表現(xiàn)如下：信號可雙向傳輸有些人習(xí)慣于把模擬開關(guān)的兩個常開常閉端稱之為輸入端，公共端稱之為輸出端，其實這 只是根據(jù)模擬開關(guān)的具體應(yīng)用給予的臨時定義。模擬開關(guān)大多可以使信號雙向傳輸，如果 忽略這一點，就很容易使電路生成問題，比如將電壓反向偏置、電流倒灌等。開關(guān)斷開后漏電流極小模擬開關(guān)在斷開(OFF)時會呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，兩傳輸端間的漏電流極小，一般只有納安級以 下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模擬開關(guān)，其斷

6、開后的漏電流均為1nA。這么微 弱的電流在應(yīng)用中可忽略不計，模擬開關(guān)此時可被認(rèn)為是理想斷開的?？傊M開關(guān)是具有開關(guān)功能的半導(dǎo)體器件，在應(yīng)用過程中既要充分利用它的開關(guān)功能， 又要考慮它的半導(dǎo)體特性，否則可能會出現(xiàn)意想不到的麻煩。模擬開關(guān)應(yīng)用實例分析圖2是一音響設(shè)備前端放大及信號選通部分電路，其中選用了 SGM324(四通道運算放大器) 和SGM3002(雙通道模擬開關(guān))。圖2：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)實驗機(jī)做出后，設(shè)計者

7、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。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析 儀HP/Agilent 3589A測試SGM3002的關(guān)斷隔離度，當(dāng)輸入信號為10kHz時，SGM3002的關(guān) 斷隔離度僅為-120dB，因此芯片應(yīng)該沒有問題。事實上，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圖2中模擬開關(guān)部分電路可以等效成圖3,本文第一部分曾經(jīng)提到模擬開關(guān)輸入信號輸入 不能為負(fù)。圖3：模擬開關(guān)等效電路通常來講，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2中

8、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。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。此外，由于模擬開關(guān)公共端后面加了電容，所以直流信號 依然可以被有效地隔離。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4所示。圖4：模擬開關(guān)斷開時的等效電路此時的模擬開關(guān)其實等效為一個RC濾波電路，由此不難得出以下公式:其中，u為模擬開關(guān)輸出信號；u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A1，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一+8，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)。參考文獻(xiàn)1.魏智：CM