正确选择多路开关.docx

应用笔记638正确选择CMOS模拟开关摘要：本文概述了模拟开关的基本结构、工作原理和应用范围；定义了导通电阻、平坦度和电荷注入等与性能密切相关的指标；并对ESD保护、故障保护和加载-感应功能等针对特定应用的特性进行了介绍。 引言集成模拟开关在25年前首次问世以来，常常用作模拟信号与数字控制器的接口。本文将介绍模拟开关的理论基础及其常见的应用，另外还将讨论校准型多路复用器(cal-mux)、故障保护型模拟开关、加载-感应开关等模拟开关的特殊性能。近几年，集成模拟开关的开关性能有了很大的提高，它们可工作在非常低的电源电压，具有很小的封装尺寸。无论是性能指标还是特殊功能都可提供多种选择，有经验的设计人员可以根据具体的应用挑选到理想的开关产品。标准的模拟开关CMOS模拟开关易于使用，这一点已为大多数设计者所公认。但是，需要提醒大家的是：千万不要轻视模拟开关在某些工程问题中所发挥的作用。现在，许多半导体厂商仍在生产一些早期的模拟开关，如：CD4066、MAX4066等，其基本结构如图1所示。Maxim还提供MAX4610等与工业标准器件引脚兼容、但性能更优的产品。图1. 采用并联n沟道和p沟道MOSFET的典型模拟开关的内部结构将n沟道MOSFET与p沟道MOSFET并联，可使信号在两个方向上同等顺畅地通过。n沟道与p沟道器件之间承载信号电流的多少由输入与输出电压比决定。由于开关对电流流向不存在选择问题，因而也没有严格的输入端与输出端之分。两个MOSFET在内部反相与同相放大器控制下导通或断开。这些放大器根据控制信号是CMOS或是TTL逻辑、以及模拟电源电压是单或是双，对数字输入信号进行所需的电平转换。低电阻开关求出VIN在各种电平下的p沟道与n沟道MOSFET导通电阻(RON)的并联值(积除以和)，可以得到这种并联结构的复合导通电阻特性(图2)。这个RON随VIN的变化曲线在不考虑温度、电源电压和模拟输入电压对RON影响的情况下为直线。然而请注意，上述因素会带来负面效应，将它们降至最小常常是新产品设计的主要目标。见表1。图2. 图1中的n沟道和p沟道导通电阻构成一个复合的低值导通电阻表1. 低导通电阻开关Part NumberFunctionRDS(ON)( max)ICOM(OFF)/ID(OFF) (nA max)RON Match( max)RON Flatness( maxtON/tOFF (ns max)Charge Injection (pC typ)Supply Voltage Range (V)Pin-PackageMAX312/MAX313/MAX3144 SPST NC/NO/NO,NC100.51.52225/185304.5 to 2016-DIP|SOMAX4614/MAX4615/MAX46164 SPST NO/NC/NO,NC1011112/106.5+2 to +5.514-DIP/SO/16-QSOP早期的模拟开关工作于20V电源电压，导通电阻RON为几百欧姆。最近的产品(如MAX4601)具有低得多的电源电压，最大导通电阻只有几个欧姆。电源电压对RON有显著的影响(图3)。MAX4601额定的输入信号和电源电压的范围为4.5V至36V或4.5V至20V。正如你所看到的，RON随着电源电压的降低而增大。最大RON在5V时约为8、12V时为3、24V时仅有2.5。许多新型模拟开关的额定工作电压可降至2V。图4给出了Maxim的新型开关与早期开关在5V电源下的性能比较。图3. 较高电源电压下导通电阻较低 图4. +5V电压下，新型模拟开关具有较低的导通电阻。为单电源系统选择模拟开关时，尽量选择专用于单电源的器件。此类器件无需单独的V-和地引脚，因而可节省一个引脚。这样一来，较少的引脚数使单刀双掷(SPDT)开关可以采用小型6引脚SOT23封装。同样地，低压双电源系统需要使用双电源开关。该类开关需要一个V-引脚和一个地引脚，逻辑接口通常采用标准CMOS和TTL电平。例如，单刀单掷(SPST)开关MAX4529即采用6引脚SOT23封装。许多高性能模拟系统仍然使用较高电平的双极性电源，例如15V或12V。与这些电压接口时需要一个额外的电源引脚，通常标记为VL (见MAX318的数据资料)。VL电源连接到系统的逻辑电压，通常是5V或3.3V。使其输入逻辑信号与实际的逻辑电平相符有利于提高噪声容限并防止过量的功率消耗。模拟开关的输入逻辑电平与其对电源电流的影响是最容易引起误解的概念。如果逻辑输入连接至地或VCC (或者当有VL时连接至VL)，模拟开关基本上不存在电源电流。然而，为5V开关施加TTL电平时，会使电源电流增加1000倍以上。为了避免不必要的功耗，应避免使用自二十世纪80年代就沿用至今的TTL电平。信号处理图3还给出了RON值随信号电压的变化情况。图中曲线都落在特定的电源电压范围之内，这是由于模拟开关只能处理电源电压范围以内的模拟信号。对于带保护的模拟开关，过高或过低电压的输入将在开关内部的二极管网络产生失控的电流，造成开关永久损坏。通常这些二极管能够保护开关抵抗高达2kV的短时间静电放电(ESD)。典型CMOS模拟开关的RON会造成信号电压的线性衰减，衰减量正比于流过开关的电流。对于适当大小的电流，或者设计中已经考虑了RON的效应，这一点可能并非是一个缺陷。然而，如果你可以接受一定数值的RON，那么通道间的匹配度和RON平坦度就比较重要了。通道间的匹配度说明了同一器件各通道RON的差异；RON平坦度是指某一通道的RON在信号范围内的变化量。这两个参数的典型值为2至5，RON极低的开关(例如MAX4601)最多只有0.5。匹配度/RON或平坦度/RON的比值越小，则模拟开关的精度越高。大多数应用中，可以通过修改电路设计防止过大的开关电流。例如，需要通过在不同反馈电阻间切换以改变运算放大器的增益时，可以采用一个将开关与高阻输入串联的电路结构(图5a)。由于开关电流极小，因此可以忽略RON的值及其温度系数。另一个设计(图5b)中，开关电流取决于输出电压的大小，因此其值较大。图5. 增益控制电路设计的好(a)或坏(b)取决于流过开关的电流大小 先断后合大多数模拟开关的导通和关断时间(tON和tOFF)在60ns至1s之间不等。Maxim的“无杂音”音频开关的tON和tOFF在毫秒级，消除了切换音频信号时产生的杂音。这两个参数之间的大小也很重要：tON tOFF时产生先断后合的动作，而tOFF tON时则为先合后断。这种差异对于某些应用非常关键。图5a说明在两个增益值之间切换时必须加倍小心。在典型的先合后断应用中，一个开关是常闭的，改变增益时应避免使两个开关同时处于打开状态，即第二个开关必须在第一个开关打开之前闭合。否则，运算放大器会采用开关增益，其输出将被驱动至电源电压。另一种相反的结构(先断后合)非常适合将不同输入信号切换至单个运算放大器的应用。为防止输入通道间短路，在下一个开关闭合之前，必须断开现有的连接。当信号电平变化进而引起导通电阻变化时，将会改变插入损耗，模拟开关会产生总谐波失真(THD)。以一个具有10 RON平坦度的100开关为例，当负载为600时，开关将产生0.24%的THD。为了减小THD，应当避免给模拟开关添加负载。 电荷注入效应如上所述，并非所有应用都要求低RON。更低的RON需要占据更大的芯片面积，进而导致更大的输入电容，每个开关周期对输入电容进行的充电和放电需消耗更多功率。根据时间常数t = RC，充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，通常为几十纳秒，但低RON开关具有较长的导通和关断周期，而较大RON的开关则要更快一些。Maxim提供两种类型的开关，它们具有相同的微型SOT23封装和相同的引出脚。MAX4501和MAX4502的导通电阻较高，但开关速度更快。MAX4514和MAX4515具有较低的导通电阻，但开关时间较长。低导通电阻还带来另一负面效应，这就是比较大的流向容性栅极的电流引起较多的电荷注入。每次开关导通或断开瞬间都有一定数量的电荷被注入或吸出模拟通道(图6)。对于输出连接至高阻的开关，这种效应将引起输出信号的明显改变。在一个没有其它负载的小分布电容(CL)上产生VOUT的变化量，那么注入电荷可按公式Q = VOUTCL计算。图6. 来自于开关控制信号的电荷注入给模拟输出带来一个误差电压跟踪/保持放大器提供了一个很好的实例，在模数转换器转换期间用它来保持一个恒定的模拟输出(图7)。闭合S1时，一个比较小的缓冲器电容(C)被充电至输入电压(VS)。电容C只有几个pF，当S1断开时，VS保存在C上。在转换开始时闭合S2，将保持电压(VH)加载至缓冲器。这样，在整个ADC的转换周期内，高阻缓冲器保持VH恒定。对于比较短的采集时间，跟踪/保持器的电容必须小，而且S1的导通电阻也要小。但另一方面，电荷注入会造成VH改变VOUT (几个毫伏)，因此会影响到后面ADC的精度。图7. 一个典型的跟踪/保持功能单元需要一个精密控制的模拟开关了解了这些基本概念后，现在，再让我们聚焦至几种针对特殊应用的新型开关。 高频T型开关T型开关适用于视频或高于10MHz的频率。它包括两个串联的模拟开关，以及第三个连接于地和它们相连的节点之间的开关。这种安排能够提供比单个开关更高的关断隔离。由于寄生电容与串联开关中的每个开关并联(图8)，一个关断的T型开关的容性串扰一般随频率的升高而增大。高频开关的问题不在于它的接通而在于它的关断。当T型开关导通时，S1和S3闭合，S2断开。T型开关断开时，S1、S3断开，S2闭合。这种情况下(关断状态)，透过串联MOSFET关断电容的耦合信号被S3旁路到地。比较一下视频T型开关(MAX4545)与标准模拟开关(MAX312)对于10MHz信号的关断隔离，差异是显著的：视频T型开关为-80dB，而标准模拟开关为-36dB。图8. T型开关配置衰减了透过断开(关断)开关的源极和漏极间的杂散电容耦合的RF信号 更小封装CMOS模拟开关的其它优点还包括小封装(例如6引脚SOT23封装)，以及无机械部件(与舌簧继电器不同)。Maxim提供一种很小的视频开关(MAX4529)，以及标准低电压SPDT开关(MAX4544)。两者均采用6引脚SOT23封装，工作于2.7V至12V电源电压。MAX4544是目前市场上尺寸最小的SPDT开关。见表2。表2. 小尺寸封装Part NumberFunctionRDS(ON)( max)ICOM(OFF)/ID(OFF)(nA max)RON Flatness( max)tON/tOFF (ns max)Charge Injection (pC max)Off-Isolation (dB max)/Frequency (MHz)Supply Voltage Range (V)Pin-PackageMAX4501/MAX4502SPST NO/NC2501-75/5010-100/0.1+2 to +125-SOT23-5|8-DIP/SOMAX4503/MAX4504SPST NO/NC2501-150/10010-90/0.11 to 65-SOT23-5|8-DIP/SOMAX4514/MAX4515SPST NO/NC2013150/10010-90/0.1+2 to +125-SOT23-5|8-DIP/SO前面说过，Maxim提供多种类似于CD4066的通用模拟开关，包括一系列的低价格四通道模拟开关(MAX4610MAX4612)。MAX4610是工业标准4066的引脚兼容升级产品，具有更低的电源电压(可低至2V)和更高的精度：通道间匹配度最大为4，平坦度在18以内。该系列器件有三种开关设置，其低导通电阻(5V时小于100)适用于低电压应用，采用微小的14引脚TSSOP封装(最大6.5 x 5.1 x 1.1mm)，解决了电路板空间问题。ESD保护开关基于Maxim在带ESD保护的接口产品上所取得的成功，15kV ESD保护也被引入一些新型模拟开关(表3)。Maxim现已可提供首批符合IEC 1000-4-2 4级(最高级别)的带15kV ESD保护的开关。所有模拟输入均经过了人体模式以及IEC 1000-4-2所规定的接触放电和气隙放电等模式的ESD测试。MAX4551/MAX4552/MAX4553与多数标准的四通道开关系列(如DG201/DG211和MAX391)产品引脚兼容。为了充实标准多路复用器系列(如74HC4051和MAX4581)，Maxim还发布了带有ESD保护的多路复用器。你无需再采用昂贵的TransZorb器件对模拟输入进行保护。表3. 带有符合IEC 1000-4-2 15kV ESD保护，采用16引脚DIP、SO和QSOP封装的器件Part NumberFunctionRDS(ON)( max)ICOM(OFF)/ID(OFF)(nA max)RON Match( max)RON Flatness( max)tON/tOFF (ns max)Charge Injection (pC typ)100kHz OFF-Isolation/Crosstalk (dB typ)Supply Voltage Range (V)MAX45514 SPST NO120148110/902-90/-902 to 6 or +2 to +12MAX45524 SPST NC120148110/902-90/-902 to 6 or +2 to +12MAX45534 SPST NO, NC120148110/902-90/-902 to 6 or +2 to +12MAX45588 x 1 Mux160168150/1202.4-96/-932 to 6 or +2 to +12MAX4559Dual 4 x 1 Mux160168150/1202.4-96/-932 to 6 or +2 to +12MAX45603 SPDT160168150/1202.4-96/-932 to 6 or +2 to +12MAX45691 SPST NO700.524150/806-752 to 6+2 to +12MAX45772 SPST700.524150/804-75/902 to 6+2 to +12MAX46204 SPST NO700.524150/805-75/902 to 6+2 to +12故障保护型开关正如前面“信号处理”部分中提到的，模拟开关的电源电压限制了输入信号的范围。通常情况下这种限制不是一个问题，而在某些场合下，电源电压被关掉时模拟信号仍然存在。这种情况可能会造成开关永久性的损坏，正如超出正常电源电压范围的电压瞬变一样。Maxim的故障保护开关和多路复用器能够保证25V的过压保护、40V的掉电保护、满幅信号控制能力以及和一般开关相近的导通电阻(图9)。不论开关状态和负载电阻如何，故障期间保证输入引脚为高阻态，只有纳安级的漏电流流过信号源。图9. 该内部结构表示一个故障保护模拟开关的特殊电路如果开关(P2或N2)是打开的，COM输出被两个内部“后援”FET钳位于电源电压。这样，COM输出保持在电源范围之内，并根据负载大小提供最多13mA的电流，但在NO/NC引脚没有明显电流。故障保护开关MAX4511/MAX4512/MAX4513与DG411DG413及DG201/DG202/DG213引脚兼容(表4)。值得一提的是，信号可以同样容易地从ESD和故障保护模拟开关的任意方向通过，但这些保护只在输入端有效。表4. 满摆幅信号的故障保护开关Part NumberFunctionRDS(ON)( max)ICOM(OFF)/ID(OFF)(nA MAX)RON Match ( max)tON/tOFF(ns max)Overvoltage SuppliesON/OFF (V)Charge Injection(pC max)Supply VoltageRange(V)Pin-PackageMAX45051 Line Protector1000.5-36/40-8 to 18 or +9 to +365-SOT|8-MAXMAX45063 Line Protector1000.57-36/40-8 to 18 or +9 to +368-DIP/SO/CERDIPMAX45078 Line Protector1000.57-36/40-8 to 18 or +9 to +3618-/DIP/SO/20-SSOPMAX45088 x 1 Mux4000.515275/20025/40104.5 to 20 or +9 to +3616-DIP/SOMAX45094 x 1 Mux4000.515275/20025/40104.5 to 20 or +9 to +3616-DIP/SOMAX45114 SPST NO1600.56500/40036/4058 to 18 or +9 to +36 16-DIP/SO/CERDIPMAX45124 SPST NC1600.56500/40036/4058 to 18 or +9 to +3616/-DIP|16/SO|16/CERDIPMAX45134 SPST NO, NC1600.56500/40036/4058 to 18 or +9 to +3616-DIP/SO/CERDIPMAX45334 SPDT1750.56250/15025/4054.5 to 20 or +9 to +3620-Wide SO/SSOPMAX46312 SPST NO850.56150/10036/40104.5 to 20 or +9 to +3616-DIP/SO/CERDIPMAX46322 SPDT850.56150/10025/40104.5 to 20 or +9 to +3616-DIP/SO/CERDIPMAX46332 DPST NO850.56150/10036/40104.5 to 20 or +9 to +3616-DIP/SO/CERDIPMAX45101 SPST NC1600.5-500/17536/405+9 to +364.5 to 206-/SOT238-MAXMAX45202 SPDT NO1600.5-500/17536/405+9 to +364.5 to 206-SOT238-MAXMAX45341 2:1MUX275210275/20025/4010+9 to +364.5 to 2014-TSSOP/SO/DIPMAX45352 2:1MUX275210275/20025/4010+9 to +364.5 to 2014-TSSOP/SO/DIPMAX47114 SPST NC250.51125/807/1225+2.7 to +112.7 to 5.58-MAX9-UCSP加载-感应开关Maxim推出了不同类型的开关采用相同封装的模拟开关系列。例如，MAX4554/MAX4555/MAX4556可以配置为加载-感应开关，用于自动测试设备(ATE)中的开尔文检测。每款器件含有用于加载电流的大电流低阻开关，以及用于检测电压或切换保护信号的较高电阻开关。15V供电时，电流开关导通电阻仅为6，感应开关导通电阻为60，MAX4556包含三组先断后合的SPDT开关。典型的加载-感应应用出现在高精度系统和需要进行远距离测量的系统(图10)。在4线测量中，两条线用来给负载施加一个电压或电流，另外两条线直接连接至负载，用来检测负载电压。图10. 采用4线技术时，两条线用于加载，另两条线用于感应测量电压。此外，还可以采用一个2线系统在加载线上和负载相反的另外一端检测负载电压。由于加载电压或电流会沿导线产生压降，所以负载电压比源电压略低。源和负载之间的距离越远、负载电流越大、导线电阻越大，则电压降越大。这种信号衰减可以采用4线方式加以克服，额外增加两条电压检测线，其上的电流可以忽略。加载感应开关简化了许多应用，例如在一个4线系统中，一个信号源在两个负载间的切换。它们适合于高精度测量系统(如纳伏表和飞安表)，或者是采用保护线或双屏蔽同轴电缆的8线或12线加载-感应测量等，详细说明可参见MAX4554/MAX4555/MAX4556的数据资料。多路复用器除开关外，Maxim具有许多开关复用器(mux)产品。复用器是特殊形式的开关，其两路或多路输入被有选择地连接至单路输出。复用器与SPDT开关同样易于使用，具有4:1、8:1、16:1和双4:1、8:1等组合方式。高阶复用器的数字控制类似于二进制解码器，需要三个数字输入以选择所需的通道。解复器基本上是复用器的反向用法，即根据解码的地址数据将一个输入连接至两个或多个输出。最后，还有交叉点开关。交叉点开关通常是M x N型器件，M路输入中的任意一路或全部输入可以连接至N路输出中的任意一路或全部输出(反之亦然)。 校准型多路复用器校准型多路复用器(cal-mux)主要用于高精度ADC和自监测系统。一个封装内部集成了多个不同元件：用于从输入基准电压产生精确电压比的模拟开关、内部高精度电阻分压器、以及选择不同输入的多路复用器。Maxim将这些功能集成在一个封装中。该类器件中，MAX4539和MAX4540可用于修正ADC系统中的两个主要误差：失调和增益误差。利用内部的精密分压器，这两款器件在微控制器串行接口控制下，只需几个步骤即可测出增益和失调。参考比15/4096和4081/4096 (相对于外部参考电压)精确到15位。比率(5/8)(V+ - V-)和V+/2精确到8位。校准型多路复用器首先送出电源电压的一半用以确定电源是否就绪。系统然后测量零点失调和增益误差，并生成一个方程来修正后续数据。举例来说，零输入电压应产生数字零输出。校准型多路复用器利用一个非常小的输入电压，相对于(VEFHI - REFLO)的15/4096，来校准失调误差。对于基准为4.096V的12位ADC，15/4096相当于15mV或者说15 LSB。所以二进制数字输出码应该为000000001111。要测量失调误差，控制器只需简单地记录二进制码000000001111与ADC实际输出之差。为测量增益误差，校准型多路复用器提供一个相对于(VREFHI - VREFLO)的4081/4096的电压。控制器测量二进制码111111110000与ADC实际输出之差。知道ADC的失调