簡述電子模擬開關(guān)的模擬特性和開關(guān)特性

許多工程師第一次使用模擬開關(guān)，往往會(huì)把模擬開關(guān)完全等同于機(jī)械開關(guān)。其實(shí)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：

模擬開關(guān)的模擬特性

（1） 導(dǎo)通電阻(Ron)隨輸入信號(Vin)變化而變化 模擬開關(guān)的常開常閉通道實(shí)際上是由兩個(gè)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Ron隨輸入電壓(Vin)的變化關(guān)系，如果不考慮溫度、電源電壓的影響，Ron隨Vin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，Ron也受電源電壓的影響，通常隨著電源電壓的上升而減小。

（2）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(低于負(fù)電源電壓)或者過高(高于正電源電壓)時(shí)，MOSFET處于反向偏置，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)(超出限值0.5～4V)，此時(shí)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。

模擬開關(guān)部分電路可以等效成圖2

（3） 電荷注入

應(yīng)用機(jī)械開關(guān)我們當(dāng)然希望Ron越低越好，因?yàn)榈妥杩梢越档托盘柕膿p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(雜散電容)， 與構(gòu)成模擬開關(guān)的NMOS和 PMOS管相伴的雜散電容引起的一種電荷變化稱為“電荷注入”。在每個(gè)開關(guān)周期其充電和放電過程會(huì)消耗更多的電流，而且還會(huì)產(chǎn)生正向尖峰和負(fù)向尖峰。時(shí)間常數(shù)t=RC，充電時(shí)間取決于負(fù)載電阻R和電容C，一般持續(xù)幾十ns。這說明低Ron具有更長的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。為此，選擇模擬開關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡Ron和注入電荷。

（4）開關(guān)斷開時(shí)仍會(huì)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(shí)，在斷開情況下，仍然會(huì)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(gè)通道傳到另一個(gè)通道。通常信號的頻率越高，信號泄漏的程度越嚴(yán)重。

（5）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。

（6） 邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小

機(jī)械開關(guān)邏輯控制端的驅(qū)動(dòng)電流往往都是mA級，有時(shí)單純靠數(shù)字I/O很難驅(qū)動(dòng)。而模擬開關(guān)的邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小，一般低于nA級。因此，它完全可以由數(shù)字I/O直接驅(qū)動(dòng)，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

（1）信號可雙向傳輸

有些人習(xí)慣于把模擬開關(guān)的兩個(gè)常開常閉端稱之為輸入端，公共端稱之為輸出端，其實(shí)這只是根據(jù)模擬開關(guān)的具體應(yīng)用給予的臨時(shí)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(diǎn)，就很容易使電路出現(xiàn)問題，比如將電壓反向偏置、電流倒灌等。

（2）開關(guān)斷開后漏電流極小

**模擬開關(guān)在斷開(OFF)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，**兩傳輸端間的漏電流極小，一般只有nA級以下，很多模擬開關(guān)斷開后的漏電流約為1nA。這么微弱的電流在應(yīng)用中可忽略不計(jì)，模擬開關(guān)此時(shí)可被認(rèn)為是理想斷開的。

總之，模擬開關(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(huì)出現(xiàn)意想不到的麻煩。

參考文獻(xiàn)

1. 魏智：《CMOS模擬開關(guān)的選擇與典型應(yīng)用》Maxim公司，2004
2. Graham Ls Connolly：《在超便攜應(yīng)用中模擬開關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)》飛兆半導(dǎo)體公司，2004