用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)用

用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)用請(qǐng)注意模擬開關(guān)和多路復(fù)用器，它們是信號(hào)通道的關(guān)鍵元件。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)了解這些重要模擬部件的應(yīng)用和規(guī)格。要點(diǎn)模擬開關(guān)的主要規(guī)格是電壓、導(dǎo)通電阻、電容、電荷注入、速度和封裝。介質(zhì)絕緣工藝可防止一些開關(guān)的閂鎖。開關(guān)的工作范圍從直流到 ，甚至更高。微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)在高頻下運(yùn)行良好，但存在可靠性問題，并且封裝費(fèi)用昂貴。如果您是在仿真一個(gè)模擬開關(guān)，要確保對(duì)全部寄生成分的建模。沒有哪個(gè)原理圖符號(hào)能比模擬開關(guān)的符號(hào)更簡(jiǎn)單圖。一個(gè)基本開關(guān)僅包括輸入、輸出、控制腳和一對(duì)電源腳。然而，在這簡(jiǎn)單的外觀圖后面，隱藏著極其復(fù)雜的東西。很多規(guī)格，包括電源電壓和導(dǎo)通電阻，都對(duì)部件運(yùn)行非常重要。模擬開關(guān)也有許多交流規(guī)格，如帶寬和開關(guān)時(shí)間。所有這些規(guī)格（包括泄漏電流）都會(huì)隨溫度而變化，有時(shí)是徹底改變。與其它所有模擬部件一樣，開關(guān)也有相互作用并有一組連續(xù)值的規(guī)格。這些規(guī)格并非白或黑，而是灰色梯度（參考文獻(xiàn)1。）小，一個(gè)簡(jiǎn)單瘠導(dǎo)表示隨開關(guān),但是整般電組K量存荏,并且由于打圖而產(chǎn)生小電推＜a).導(dǎo)通電咀是施加信母和電源的費(fèi)勖電容也施著施加電壓而一變汜切.一個(gè)模擬開關(guān)是復(fù)雜的，但要把它們聯(lián)結(jié)成組，或者把它們集成到一個(gè)里以提供雙刀雙擲功能或多路復(fù)用器，就會(huì)更加復(fù)雜。例如，一個(gè)為 送入信號(hào)的多路復(fù)用器應(yīng)當(dāng)是一種先開后合的器件——也就是說，在接通之前，它應(yīng)當(dāng)斷開觸點(diǎn)，防止輸入信號(hào)相互短路。但是一個(gè)音頻輸出上的多路復(fù)用器可能需要先合后開器件——也就是說，它必須先接通，然后再斷開，以防止音頻信號(hào)中出現(xiàn)令人不快的卡嗒聲和爆破音。如所有模擬部件一樣，事情要比第一眼看上去更復(fù)雜。尋找新用途模擬開關(guān)總是在儀器和工業(yè)市場(chǎng)中占有一席之地。數(shù)據(jù)采集卡重定模擬輸入的路徑，為接至的測(cè)量提供多個(gè)通道，并把模擬輸出傳遞到連接器或內(nèi)部電路節(jié)點(diǎn)。這些卡中的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器傳統(tǒng)上是高壓部件，以保持它們的工業(yè)、軍用和醫(yī)用傳統(tǒng)。這些有幾十年歷史的應(yīng)用將永遠(yuǎn)存在，但是幾項(xiàng)新的技術(shù)進(jìn)展正在使模擬開關(guān)的使用發(fā)生巨大的變化。模擬開關(guān)最大規(guī)模用途之一是手機(jī)和其它的手提消費(fèi)設(shè)備。的開關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)線總監(jiān) 稱:“我不知道哪款手機(jī)里一個(gè)開關(guān)也沒有?！贝笮『凸δ苁请娫捴惺褂媚M開關(guān)的推動(dòng)因素。手機(jī)外殼中只有很小的空間放置連接器，這意味著模擬開關(guān)必須將信號(hào)從多個(gè)傳遞到一個(gè) 端口、視頻端口、音頻端口或電源連接器。這些開關(guān)也有多種功能，這更增加了在手機(jī)中的應(yīng)用。一款手機(jī)通常包括一只基帶和信號(hào)鏈。一款全功能手機(jī)也可能要帶有數(shù)碼相機(jī)和攝像頭，兩者都有相關(guān)的閃存系統(tǒng)，并且能做和視頻播放器。它也支持、藍(lán)牙和無線連接。 了解一些高端手機(jī)有多達(dá)14個(gè)模擬開關(guān)。基于類似的原因，模擬開關(guān)日益增長的另一應(yīng)用是便攜計(jì)算機(jī)。即使最基本的筆記本電腦也有攝像頭、 紅外線端口、藍(lán)牙和無線功能。此外與手機(jī)類似，便攜計(jì)算機(jī)只有有限的外表面供放置連接器。盡管不像手機(jī)的空間限制那么嚴(yán)格，但是這種約束仍然為模擬開關(guān)提供了許多應(yīng)用。家庭娛樂設(shè)施是模擬開關(guān)的另一種大批量應(yīng)用。任何一個(gè)裝配電視、播放機(jī)、立體聲收音機(jī)、游戲系統(tǒng)、有線系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的人，都可以證實(shí)這些任務(wù)要求的視頻與音頻信號(hào)布線挑戰(zhàn)。如同手機(jī)一樣，這些家庭娛樂系統(tǒng)可能用到一些數(shù)字信號(hào)，但是仍然必須使用模擬開關(guān)來完成該設(shè)備的信號(hào)傳送。例如，許多家庭娛樂系統(tǒng)有多個(gè) 高清晰多媒體接口）數(shù)字信號(hào)通道，這些產(chǎn)品需要模擬開關(guān)傳送那些信號(hào)，因?yàn)槭褂脭?shù)字開關(guān)能引起扭曲及延遲。數(shù)字開關(guān)在完成功率時(shí)會(huì)建立一個(gè)或多個(gè)門延遲，那些延遲可能不確定，而是隨著開關(guān)路由或溫度而更改，門的上升和下降次數(shù)可能更改數(shù)字信號(hào)的占空比。模擬開關(guān)的另一個(gè)大量應(yīng)用是車載娛樂設(shè)備，它有與家庭娛樂系統(tǒng)一樣的信號(hào)路由問題，而且空間更少。汽車電子設(shè)備，或“telematics”（車載通信系統(tǒng)）同時(shí)包含了信號(hào)路由以及娛樂、計(jì)算機(jī)和手機(jī)環(huán)境的管理挑戰(zhàn)。重要規(guī)格模擬開關(guān)能經(jīng)受的電壓與機(jī)械開關(guān)的額定電壓一樣重要，有時(shí)它指示出開關(guān)的預(yù)期市場(chǎng)。到開關(guān)的目標(biāo)常常是儀表、軍用和醫(yī)用市場(chǎng)。那些必須從外部測(cè)量一些未知電壓的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也得益于采用高額定電壓的模擬開關(guān)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員無法控制所測(cè)電壓的水平，所以，重要的是開關(guān)能承受盡可能高的電壓。對(duì)于可靠性的同樣要求，促進(jìn)了對(duì)介質(zhì)絕緣模擬開關(guān)和故障保護(hù)模擬開關(guān)的開發(fā)。陽露介劇的鰥工藝用輒比物溝道隔離開區(qū)中的各個(gè)晶體管.這個(gè)方法M防止閂鐐.井障演雜電電容CAjiak?fevitiis公司供圉1,介質(zhì)絕緣是把 中每個(gè)晶體管放在自己的玻璃外套中（圖和參考文獻(xiàn)2）。玻璃有比硅更低的介電常數(shù)，對(duì)介質(zhì)絕緣的部件產(chǎn)生非常低的內(nèi)電容。因此，如果輸入信號(hào)超出電源軌圖）寄生可控硅整流器的形成就能引起基材的閂鎖。制造商通常采用廉價(jià)的 工藝為電子消費(fèi)產(chǎn)品制造部件，而這些部件的最大額定電壓為。例妝口，的 雙路 單刀雙擲模擬開關(guān)擺幅低于負(fù)電壓軌，這樣在沒有負(fù)電源軌情況下也能通過雙極音頻信號(hào)（參考文獻(xiàn)3）。另外一個(gè)例子是德州儀器公司的 多路復(fù)用器解復(fù)用器開關(guān)，其工作電壓為 。遒底及N殉道FET（a>,當(dāng)高蒯管的埔1A超過電源物時(shí)?出現(xiàn)門鐐狀盍，這個(gè)偏稱在基板中產(chǎn)生出自由城癡子.它觸笈創(chuàng)建了寄生的可控睢度液器（b）.這個(gè)儲(chǔ)棟也墻成正電源電壓與貨電源電壓的蛹跳，故障保護(hù)是另一個(gè)重要規(guī)格。具備這一特性的器件，即使其輸入電壓超過電源軌也不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。例如，公司的模擬多路復(fù)用器的故障防護(hù)達(dá)。除提供內(nèi)部故障保護(hù)之外，線路還可以設(shè)計(jì)為在過壓情況下保護(hù)模擬開關(guān)雙參考文獻(xiàn)4）。導(dǎo)通電阻是模擬開關(guān)的另一個(gè)極為重要的規(guī)格。如果您的設(shè)計(jì)包含了一個(gè)為模擬開關(guān)提供緩沖的運(yùn)算放大器，導(dǎo)通電阻似乎并不重要。運(yùn)算放大器的輸入阻抗可能在兆歐水平，所以把一個(gè)100）的模擬開關(guān)與輸入端串聯(lián)，意味著這個(gè)阻抗是可忽略的，但是僅對(duì)直流。開關(guān)的導(dǎo)通電阻能對(duì)放大器的雜散電容和輸入電容作出反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)能建立一個(gè)極點(diǎn)，使信號(hào)鏈的頻率響應(yīng)驟降，可能達(dá)到無法接受的水平。許多其它信號(hào)通路應(yīng)用需要更低的導(dǎo)通電阻。盡管幾十年前100。是可以接受的，那時(shí)工程師使用的是 通用0 模擬開關(guān)，但許多器件的導(dǎo)通電阻很快降低到1。，現(xiàn)在已有多款低于。的模擬開關(guān)。例如， 公司的 1模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻為0。。這些新部件可以在低至的工作電壓下，實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。圖&一只琳腳里的班瑋電源通常艙在了模拉拜關(guān)的關(guān)宓電I5L這種泄漏包括通過死關(guān)FET的泄漏，叫型與ESD保護(hù)二撮管刑癇的失闈，另一個(gè)重要規(guī)格是關(guān)態(tài)電阻，它量度的是開關(guān)阻擋信號(hào)的能力。模擬開關(guān)的基本關(guān)態(tài)電阻就是晶體管的關(guān)態(tài)電阻，通常高于多數(shù)線路的需求。關(guān)態(tài)電阻也是靜電放電保護(hù)二極管的一個(gè)功能，這些二極管在C芯上，防止晶體管的處理和組裝中出現(xiàn)損壞圖。把關(guān)態(tài)電阻看成是一個(gè)泄露規(guī)格可能更有幫助。因?yàn)樾孤┟?0℃會(huì)加倍，應(yīng)總是在預(yù)期的電路最高工作溫度上檢查關(guān)態(tài)電阻。此外，關(guān)態(tài)電阻和泄漏是應(yīng)用于直流或低頻的規(guī)格。在更高頻率時(shí)，開關(guān)電容支配著關(guān)態(tài)電阻和泄漏。對(duì)于現(xiàn)代模擬開關(guān)這么小的東西，不可避免會(huì)存在電容。引腳挨的很近，因此可以預(yù)計(jì)它們之間有數(shù)皮法的耦合電容。另外還必須處理晶體管結(jié)構(gòu)和基材之間的電容。制造商采用專有工藝生產(chǎn)現(xiàn)代部件，這樣部件就能在范圍工作，輕易地達(dá)到數(shù)百兆赫。公司的副業(yè)務(wù)經(jīng)理稱，一些客戶要求制造商確定模擬開關(guān)的插入損耗和回波損耗，這是與射頻設(shè)計(jì)相關(guān)的規(guī)格。半導(dǎo)體模擬開關(guān)也有其弱點(diǎn)：各引腳與地或電源之間的電容。舌簧繼電器和微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)有較小的雜散電容，使它們適合于延伸至千兆赫范圍的頻率，但是繼電器和都是機(jī)械性器件，在幾十萬到數(shù)百萬次的運(yùn)行循環(huán)中會(huì)磨損。舌簧繼電器開關(guān)的激勵(lì)需要很大功率器S的運(yùn)行需要成本昂貴的封裝，將硅梁保持在一個(gè)空區(qū)中。即使信號(hào)僅是數(shù)百千赫，也應(yīng)當(dāng)觀察模擬開關(guān)的引腳（包括地和電源）之間的電容，確定該器件是否能提供所需的隔離和串?dāng)_規(guī)格。電荷注入是模擬開關(guān)中的另一個(gè)重要規(guī)格。打開開關(guān)會(huì)使電荷注入信號(hào)通道，在采樣保持穩(wěn)壓器和饋入放大器的多路復(fù)用器中，這可能會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。那些配合內(nèi)部電容的設(shè)計(jì)能盡可能減少電荷注入。啟動(dòng)信號(hào)的上升沿越快，電荷注入的問題就會(huì)越嚴(yán)重。降低模擬開關(guān)控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率有可能把電荷注入降低到可接受的水平。如果在設(shè)計(jì)的信號(hào)通道中有任何高阻抗節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)一定要評(píng)估這個(gè)因素。電荷注入常常是含模擬開關(guān)音頻電路產(chǎn)生爆破聲和卡嗒聲的原因。如同所有規(guī)格一樣，要在預(yù)期的全部設(shè)計(jì)工作溫度范圍上檢查這個(gè)因素。許多模擬開關(guān)要傳送快速的數(shù)字信號(hào)，因此對(duì)于許多用戶來說，激勵(lì)速度是一個(gè)重要規(guī)格。即使在傳統(tǒng)應(yīng)用中，如數(shù)據(jù)采集多路復(fù)用器，必須在采樣保持分析時(shí)考慮開關(guān)速度因素，以確保在測(cè)量之前，信號(hào)已經(jīng)穩(wěn)定到一個(gè)準(zhǔn)確的水平。也應(yīng)當(dāng)注意信號(hào)鏈中任何模擬開關(guān)的電源抑制比）。正如輸出和電源之間的電容能快速衰減信號(hào)一樣，同一個(gè)電容也能把電源軌上的高頻噪聲成份傳入輸出信號(hào)。最近，很多模擬電路采用開關(guān)電源供電。一定要檢查電源軌的頻譜內(nèi)容。如果頻率足夠高，它們將通過模擬開關(guān)的內(nèi)部電容進(jìn)入設(shè)計(jì)的輸出。在部件的電源腳串接一只電阻或電感，并在靠近模擬開關(guān)的位置放一個(gè)或多個(gè)去耦電容，可確保電源噪聲不會(huì)進(jìn)入設(shè)計(jì)的信號(hào)通道。這也會(huì)使線路對(duì)射頻干擾，參考文獻(xiàn)5有）更強(qiáng)的抗干擾能力。還有一個(gè)規(guī)格的重要性和其它規(guī)格一樣，這就是部件采用的封裝。如果設(shè)計(jì)一種手持式儀器或手機(jī)，就需要使器件采用或更小的封裝。如果要使用的是電源切換部件，那么可能需要大型封裝幫助功率耗散，防止部件變得過熱。另外一個(gè)封裝考慮是與標(biāo)準(zhǔn)部件引出腳的一致性。例如，如果需要更換一個(gè)單片模擬開關(guān)，那么需要一個(gè)有相同封裝和出腳的部件。要得到一個(gè)低導(dǎo)通電阻的小封裝部件是一個(gè)挑戰(zhàn)。公司的接口開關(guān)和保護(hù)業(yè)務(wù)部的執(zhí)行董事稱：“多數(shù)開關(guān)面臨的挑戰(zhàn)是物理問題。要得到更小的導(dǎo)通電阻，得在中并排放多個(gè)金手指柵極結(jié)構(gòu)）這么做得到了更低的導(dǎo)通電阻，但是片芯增大。”電流消耗是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。一些部件會(huì)根據(jù)應(yīng)用的控制信號(hào)電平而改變電源的電流。要在電路試驗(yàn)板上評(píng)估電源的電流，不要假設(shè)數(shù)據(jù)單上的標(biāo)稱數(shù)值就適用于電路。此外要注意電源電流會(huì)隨著溫度而變化。處理權(quán)衡問題由于需要考慮那么多規(guī)格，一位勤勉的模擬工程師應(yīng)當(dāng)審視那些模擬開關(guān)固有的基本權(quán)衡。所有工程師都知道最重要的規(guī)格是成本。低成本的開關(guān)無過于老式的 模擬開關(guān)。它的工作電壓高達(dá)5,可以并聯(lián)使用多個(gè)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)級(jí)別的導(dǎo)通電阻。在另一個(gè)極端上，介質(zhì)隔離的 擁有抗輻射加固的硅柵，使它適合軍事和人造衛(wèi)星應(yīng)用。另一個(gè)權(quán)衡涉及電源電壓。通常情況下，電源電壓越高，導(dǎo)通電阻越低。例如， 使用新工藝制作 3四單刀雙擲開關(guān)，使之有6的導(dǎo)通電阻。另外一個(gè)權(quán)衡是電源電流。高速運(yùn)行的器件需要更高的電源電流，能以更快的速率轉(zhuǎn)換晶體管門。 或 模擬開關(guān)常常有低的電源電流。例如， 的3單刀雙擲開關(guān)僅僅使用2a此電流隨著溫度而上升。該公司某些部件的規(guī)格設(shè)定在+85℃,如368其他權(quán)衡包括封裝的大小和功耗。電源切換（開關(guān)電源）設(shè)計(jì)需要較大的封裝，從而可能需要低導(dǎo)通電阻，因?yàn)楣苄驹酱?，電阻越低。新穎的工藝和電路技術(shù)也已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域做出了巨大的進(jìn)步。 現(xiàn)在提供種導(dǎo)通電阻小于。的開關(guān)。而且這些部件的封裝和 一樣小，底面積為3mmX2mm?？赡芎雎缘囊粋€(gè)權(quán)衡是導(dǎo)通電阻會(huì)跟隨施加的信號(hào)而發(fā)生變化。如果使用高壓電源和小信號(hào)擺幅，那么這種變化可能不是問題。然而，如果信號(hào)是軌至軌地?cái)[至電源電壓，將需要一種較新的器件，它能在通過的信號(hào)電壓范圍上提供一致的導(dǎo)通電阻。模擬開關(guān)會(huì)更便宜，但是運(yùn)行電壓更低。 開關(guān)有更高的電壓，轉(zhuǎn)換更快。 開關(guān)通常有更嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)器要求。 開發(fā)了開關(guān)，它同時(shí)使用 和 以獲得實(shí)現(xiàn)兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)參考文獻(xiàn)6 公司產(chǎn)品經(jīng)理 汝喋認(rèn)為，辨別模擬開關(guān)制造商的一個(gè)條件是看它提供定制或?qū)Ｓ泄に嚨哪芰Γ缭摴镜?工藝，它能使部件適合于具體的應(yīng)用。他說：“如果比較一下 和我們的新產(chǎn)品 1 的導(dǎo)通電阻為 Q0而 的導(dǎo)通電阻為 Q。公司提供的采用相同的封裝，但是也有另外的封裝選擇 c它要小?！辈考赡苁悄M開關(guān)的未來權(quán)衡?，F(xiàn)在的問題是機(jī)械可靠性和價(jià)格。 開關(guān)是機(jī)械式的，雖然可以預(yù)期它們的可靠性優(yōu)于舌簧繼電器開關(guān)，但它們?nèi)匀粫?huì)磨損或徹底損壞。止匕外， 結(jié)構(gòu)不能采用環(huán)氧樹脂作密封，所以 封裝總是比硅模擬開關(guān)封裝更貴。此外， 開關(guān)的切換時(shí)間較長，因?yàn)樗鼈兪菣C(jī)械式的。放眼