正確選擇多路開(kāi)關(guān)

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1、應(yīng)用筆記638正確選擇CMOS模擬開(kāi)關(guān)摘要：本文概述了模擬開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用范圍；定義了導(dǎo)通電阻、平坦度和電荷注入等與性能密切相關(guān)的指標(biāo)；并對(duì)ESD保護(hù)、故障保護(hù)和加載-感應(yīng)功能等針對(duì)特定應(yīng)用的特性進(jìn)行了介紹。引言集成模擬開(kāi)關(guān)在25年前首次問(wèn)世以來(lái)，常常用作模擬信號(hào)與數(shù)字控制器的接口。本文將介紹模擬開(kāi)關(guān)的理論基礎(chǔ)及其常見(jiàn)的應(yīng)用，另外還將討論校準(zhǔn)型多路復(fù)用器(cal-mux)、故障保護(hù)型模擬開(kāi)關(guān)、加載-感應(yīng)開(kāi)關(guān)等模擬開(kāi)關(guān)的特殊性能。近幾年，集成模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)性能有了很大的提高，它們可工作在非常低的電源電壓，具有很小的封裝尺寸。無(wú)

2、論是性能指標(biāo)還是特殊功能都可提供多種選擇，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體的應(yīng)用挑選到理想的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)的模擬開(kāi)關(guān)CMOS模擬開(kāi)關(guān)易于使用，這一點(diǎn)已為大多數(shù)設(shè)計(jì)者所公認(rèn)。但是，需要提醒大家的是：千萬(wàn)不要輕視模擬開(kāi)關(guān)在某些工程問(wèn)題中所發(fā)揮的作用。現(xiàn)在，許多半導(dǎo)體廠商仍在生產(chǎn)一些早期的模擬開(kāi)關(guān)，如：CD4066、MAX4066等，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。Maxim還提供MAX4610等與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件引腳兼容、但性能更優(yōu)的產(chǎn)品。圖1.采用并聯(lián)n溝道和p溝道MOSFET的典型模擬開(kāi)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將n溝道MOSFET與p溝道MOSFET并聯(lián)，可使信號(hào)在兩

3、個(gè)方向上同等順暢地通過(guò)。n溝道與p溝道器件之間承載信號(hào)電流的多少由輸入與輸出電壓比決定。由于開(kāi)關(guān)對(duì)電流流向不存在選擇問(wèn)題，因而也沒(méi)有嚴(yán)格的輸入端與輸出端之分。兩個(gè)MOSFET在內(nèi)部反相與同相放大器控制下導(dǎo)通或斷開(kāi)。這些放大器根據(jù)控制信號(hào)是CMOS或是TTL邏輯、以及模擬電源電壓是單或是雙，對(duì)數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行所需的電平轉(zhuǎn)換。低電阻開(kāi)關(guān)求出VIN在各種電平下的p溝道與n溝道MOSFET導(dǎo)通電阻(RON)的并聯(lián)值(積除以和)，可以得到這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的復(fù)合導(dǎo)通電阻特性(圖2)。這個(gè)RON隨VIN的變化曲線在不考慮溫度、電源電壓和模擬輸入電壓對(duì)RON

4、影響的情況下為直線。然而請(qǐng)注意，上述因素會(huì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)，將它們降至最小常常是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。見(jiàn)表1。圖2.圖1中的n溝道和p溝道導(dǎo)通電阻構(gòu)成一個(gè)復(fù)合的低值導(dǎo)通電阻表1.低導(dǎo)通電阻開(kāi)關(guān)PartNumberFunctionRDS(ON)(Ωmax)ICOM(OFF)/ID(OFF)(nAmax)RONMatch(Ωmax)RONFlatness(ΩmaxtON/tOFF(nsmax)ChargeInjection(pCtyp)SupplyVoltageRange(V)Pin-PackageMAX312/MAX313/MAX3144SPS

5、TNC/NO/NO,NC100.51.52225/18530±4.5to±2016-DIP

6、SOMAX4614/MAX4615/MAX46164SPSTNO/NC/NO,NC1011112/106.5+2to+5.514-DIP/SO/16-QSOP早期的模擬開(kāi)關(guān)工作于±20V電源電壓，導(dǎo)通電阻RON為幾百歐姆。最近的產(chǎn)品(如MAX4601)具有低得多的電源電壓，最大導(dǎo)通電阻只有幾個(gè)歐姆。電源電壓對(duì)RON有顯著的影響(圖3)。MAX4601額定的輸入信號(hào)和電源電壓的范圍為4.5V至36V或±4.5V至±20V。正如你所看到的，RON隨著電

7、源電壓的降低而增大。最大RON在5V時(shí)約為8Ω、12V時(shí)為3Ω、24V時(shí)僅有2.5Ω。許多新型模擬開(kāi)關(guān)的額定工作電壓可降至2V。圖4給出了Maxim的新型開(kāi)關(guān)與早期開(kāi)關(guān)在5V電源下的性能比較。圖3.較高電源電壓下導(dǎo)通電阻較低圖4.+5V電壓下，新型模擬開(kāi)關(guān)具有較低的導(dǎo)通電阻。為單電源系統(tǒng)選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，盡量選擇專用于單電源的器件。此類器件無(wú)需單獨(dú)的V-和地引腳，因而可節(jié)省一個(gè)引腳。這樣一來(lái)，較少的引腳數(shù)使單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)可以采用小型6引腳SOT23封裝。同樣地，低壓雙電源系統(tǒng)需要使用雙電源開(kāi)關(guān)。該類開(kāi)關(guān)需要一個(gè)V-引腳和一個(gè)地引腳

8、，邏輯接口通常采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS和TTL電平。例如，單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān)MAX4529即采用6引腳SOT23封裝。許多高性能模擬系統(tǒng)仍然使用較高電平的雙極性電源，例如±15V或±12V。與這些電壓接口時(shí)需要一個(gè)額外的電源引腳，通常標(biāo)記為VL(見(jiàn)MAX318的數(shù)據(jù)資料)。VL電源連接到系統(tǒng)的邏輯電壓，通常是5V或3.3V。使其輸入邏輯信號(hào)與實(shí)際的邏輯電平相符有利于提高噪聲容限并防止過(guò)量的功率消耗。模擬開(kāi)關(guān)的輸入邏輯電平與其對(duì)電源電流的影響是最容易引起誤解的概念。如果邏輯輸入連接至地或VCC(或者當(dāng)有VL時(shí)連接至VL)，模擬開(kāi)關(guān)基本上不存在

9、電源電流。然而，為5V開(kāi)關(guān)施加TTL電平時(shí)，會(huì)使電源電流增加1000倍以上。為了避免不必要的功耗，應(yīng)避免使用自二十世紀(jì)80年代就沿用至今的TTL電平。信號(hào)處理圖3還給出了RON值隨信號(hào)電壓的變