用于速度、安全性和效率的總線開關(guān)：它們是什么以及您應(yīng)該了解的內(nèi)容

Eva Murphy 和 Catherine Redmond

總線開關(guān)（通常稱為數(shù)字交換機(jī)）是設(shè)計用于連接高速數(shù)字總線的產(chǎn)品。它們具有亞納秒級傳播延遲和快速開關(guān)，并且不引入額外的噪聲或直流功耗，非常適合電壓轉(zhuǎn)換、熱插拔、熱插拔、總線或電容隔離以及許多其他應(yīng)用。此外，它們的設(shè)計使其在許多模擬應(yīng)用中都很有用。使其適用于如此多不同應(yīng)用的關(guān)鍵特性包括低導(dǎo)通電阻、低電容和低傳播延遲。本討論將考慮總線開關(guān)的架構(gòu)和特性，并解釋它們的許多用途。

什么是總線開關(guān)？

總線開關(guān)的基本元件是N溝道FET，其狀態(tài)由CMOS邏輯控制。作為雙邊開關(guān)，源端 （A） 或漏極 （B） 均可作為信號輸入（圖 1）。禁用時，柵極保持在零伏，電源和漏極之間有一個開路。

圖1.總線交換機(jī)通道。

當(dāng)開關(guān)使能時（BE at 0），其柵極被驅(qū)動至 V抄送.如果 V一般事務(wù)人員（或 V廣東）—即 V抄送–在在，大于晶體管閾值電壓（通常約為1 V）的通道將在低電阻條件下切換（幾歐姆）。然而，作為 V一般事務(wù)人員接近閾值電壓時，器件接近其飽和區(qū)域并變得高電阻;圖2顯示了導(dǎo)通電阻與輸入電壓與V函數(shù)關(guān)系的典型曲線抄送 (ADG3257）。飽和時，輸出電壓將限制為 V抄送–在千.

圖2.ADG3257總線開關(guān)的導(dǎo)通電阻與輸入電壓的關(guān)系（V一個或 VB).

圖3是輸入和電源電壓在5 V范圍內(nèi)的典型總線開關(guān)的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系圖。當(dāng) V一般事務(wù)人員小于約1 V，開關(guān)通道開始飽和，電壓鉗位至V抄送–在千.所以，在這個例子中，對于 V抄送= 5 V，輸出跟隨輸入高達(dá)約4 V。 超過此輸入電壓，V外在 V 舉行抄送–在千.事實(shí)證明，這種箝位趨勢是總線開關(guān)的一個非常有用的特性;它的優(yōu)點(diǎn)和用途將在后面更詳細(xì)地討論。

圖3.V外與 V在用于帶V的ADG3257總線開關(guān)抄送在 5V 范圍內(nèi)。

影響總線開關(guān)器件應(yīng)用的主要特性包括：導(dǎo)通電阻、與通道相關(guān)的電容和傳播延遲。此類器件的導(dǎo)通電阻通常非常低，通常為幾歐姆。電容需要保持在盡可能低的水平，在導(dǎo)通條件下通常小于10 pF。電容和導(dǎo)通電阻參數(shù)都會影響通過開關(guān)通道的傳播延遲。

實(shí)際上，總線開關(guān)在導(dǎo)通條件下的所有傳播延遲都來自R的RC延遲。上開關(guān)和負(fù)載電容——通常處于亞納秒?yún)^(qū)域，遠(yuǎn)小于驅(qū)動信號的上升/下降時間。在系統(tǒng)中，數(shù)字開關(guān)的傳播延遲由開關(guān)驅(qū)動側(cè)的電路阻抗及其與驅(qū)動側(cè)負(fù)載的相互作用決定。

我們將在哪里使用總線開關(guān)？

總線開關(guān)用于通過隔離不需要驅(qū)動總線或由總線驅(qū)動但以后可能需要連接的功能來提高速度和降低噪聲。此外，總線開關(guān)還可用于 PC 擴(kuò)展塢、PC 卡或電源管理應(yīng)用，以斷開電流路徑并防止電路泄漏。從本質(zhì)上講，總線開關(guān)的靜態(tài)功耗非常低——ADG324x/ADG325x系列的總線開關(guān)成員在不開關(guān)時通常消耗1 nA（最大值為1 μA），非常適合筆記本電腦等低功耗應(yīng)用。 總線隔離也使這些器件適用于熱插拔和熱插拔 ，它們可以幫助防止在插入其他卡或模塊時出現(xiàn)意外行為?？偩€開關(guān)在需要連接在兩個不同電源電壓下工作的系統(tǒng)的應(yīng)用也很有用。下面將更詳細(xì)地描述這些應(yīng)用程序中的每一個。

使用數(shù)字總線開關(guān)進(jìn)行總線隔離

總線架構(gòu)的一個常見要求是總線的低電容負(fù)載。此類系統(tǒng)需要總線橋接設(shè)備，允許在不超過規(guī)格的情況下增加可用負(fù)載的數(shù)量。理想情況下，總線上當(dāng)前未使用的任何負(fù)載都應(yīng)斷開，以減少整體容性負(fù)載并避免超過總線電容規(guī)格?？偩€開關(guān)專為此目的而設(shè)計：隔離此時不需要驅(qū)動或驅(qū)動但可能需要稍后連接的功能，從而最大限度地減少在任何給定時刻連接的總?cè)菪载?fù)載。

如果在總線上的每個負(fù)載和總線本身之間放置了一個總線開關(guān)，則當(dāng)開關(guān)被禁用時，負(fù)載與總線隔離。由于總線開關(guān)在啟用時可以在任一方向上傳遞大量電流，而不會為通過它的信號增加明顯的傳播延遲，因此它是解決總線隔離問題的可行解決方案。圖4顯示了一般情況，圖5顯示了使用四通道2：1多路復(fù)用器總線交換機(jī)的內(nèi)存組驅(qū)動問題的具體解決方案。

圖4.總線開關(guān)可以將負(fù)載 B 與總線的其余部分隔離。

多路復(fù)用

具有大量公共總線信號的系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的問題包括：由于地址和數(shù)據(jù)總線信號同時切換而導(dǎo)致的系統(tǒng)噪聲，以及總線容性負(fù)載引起的系統(tǒng)大延遲。

圖5a顯示了一個存儲器組陣列，其中每個地址和數(shù)據(jù)信號由各個負(fù)載的總和加載?，F(xiàn)在，如果使用總線開關(guān)（本例中為ADG3257四通道2：1多路復(fù)用器/解復(fù)用器），如圖5b所示，則存儲器地址和數(shù)據(jù)位的輸出負(fù)載減半。這種隔離可以使所選組數(shù)據(jù)的流動速度幾乎翻倍，因為電容負(fù)載減半，開關(guān)引入的傳播延遲可以忽略不計。公交車噪音也顯著降低。

圖5.減少內(nèi)存庫負(fù)載。a） 當(dāng)所有存儲器組永久連接到總線時，地址和數(shù)據(jù)線負(fù)載過重。 b） 當(dāng)ADG3257用于在不同存儲器組對之間切換時，訪問時間和噪聲都會降低。

電壓電平轉(zhuǎn)換

當(dāng)兩個在不同電源電壓下工作的器件之間接口時，來自高壓器件的數(shù)字信號需要安全地連接到低壓器件。為了不超過為在較低電壓電平下工作的器件指定的最大額定值，必須降低來自較高電壓器件的電壓輸出。這可以通過插入與相關(guān)信號串聯(lián)的總線開關(guān)輕松實(shí)現(xiàn)（圖 6）。

圖6.使用ADG3257在3.3 V控制器和5 V數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間切換和電平轉(zhuǎn)換。

如上所述，如果 V一般事務(wù)人員電壓降至 1 V 以下，開關(guān)通道開始飽和，輸出電壓箝位至 V抄送–在千.也就是說，輸出跟隨輸入直到該電壓附近，對于更高的輸入電壓，V外在 V 舉行抄送–在千.圖7顯示了與圖3相同開關(guān)的輸出-輸入圖，但集中在V上抄送在 3.3V 區(qū)域。此行為使總線開關(guān)設(shè)備適用于需要電平轉(zhuǎn)換的接口應(yīng)用程序。

圖7.V外與 V在用于帶V的ADG3257總線開關(guān)抄送在 3V 范圍內(nèi)。

在圖6的示例中，用戶可能希望在合理的模擬性能要求ADC或DAC或其他器件采用3 V電源供電的應(yīng)用中應(yīng)用3.5 V DSP或微控制器作為控制器件。除非微控制器具有可以承受 5V 器件輸出電平的輸入，否則電路將無法正常通信。通過圖3和圖7的總線開關(guān)連接在器件之間，作為電壓轉(zhuǎn)換器，可以進(jìn)行雙向通信，而不會損壞低電源器件。與 5V 電源串聯(lián)的二極管與總線開關(guān)的箝位電壓相結(jié)合，可提供相當(dāng)接近所需 5V 至 3.3V（從左到右）的壓降，而不會妨礙 3.3V 通信（從右到左）。

同樣，該器件可用于在 3.3V 和 2.5V 系統(tǒng)之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。A LVTTL V哦2.5V 輸出的電平為 2 V，而 LVTTL V他們2.5V 器件所需的電平為 1.7 V，因此在較低電源電壓下工作的 5V 總線開關(guān)可以輕松滿足這些要求。

由于總線開關(guān)是簡單的FET，因此信號路徑是雙向的;即，輸入和輸出是可互換的。但是，信息不能總是雙向傳達(dá);它取決于供應(yīng)。表1顯示，5 V 3.3 V和3.3 V 2.5 V之間的轉(zhuǎn)換可用于在不同電源供電的器件之間進(jìn)行雙向通信，但其他兩個選項（2.5 V→1.8 V、3.3 V→1.8 V??）不能用于兩個方向。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參見ADG3247數(shù)據(jù)手冊。

表 1.總線開關(guān)設(shè)備及其電平轉(zhuǎn)換功能。

1SEL 引腳連接到邏輯低電平。有關(guān)SEL引腳的更多信息，請參見ADG3245/6/7數(shù)據(jù)手冊。
2需要外部二極管。

如前所述，閾值電壓，V千，約為 1 V，因此使用 2.5V 電源時，總線開關(guān)的最大輸出為 1.5 V，不足以滿足 1.7V 器件的 2.5V VIH 輸入要求（圖 8）。同樣，在3.3 V和1.8 V之間轉(zhuǎn)換時，總線開關(guān)的最大輸出將為1.5 V，因此電壓電平也不足以讓3.3 V器件將其識別為邏輯高電平。因此，在這些情況下，信號路徑只能用于單向通信。

圖8.不同電源電壓下的邏輯電平比較。

多少“位”？

在總線交換機(jī)的術(shù)語中，位是指與設(shè)備關(guān)聯(lián)的通道數(shù)。例如，一個16位器件（ADG3247）有16個獨(dú)立的通道?？偩€開關(guān)可提供多種位寬。目前的產(chǎn)品包括8位、10位、16位和四通道2-1（4位、2端口）器件（分別為ADG3245、ADG3246、ADG3247、ADG3257），更多產(chǎn)品即將推出。

總線開關(guān)可以用來切換模擬信號嗎？

總線開關(guān)通道是一個簡單的N溝道場效應(yīng)晶體管（FET）;標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)設(shè)計包括一個并聯(lián)的P通道，以實(shí)現(xiàn)軌到軌模擬開關(guān)。與模擬開關(guān)相比，總線開關(guān)的設(shè)計具有更低的導(dǎo)通電阻、更小的開通和關(guān)通道電容，從而改善了頻率性能。較小的相關(guān)電容通過將電荷注入（圖9）降低到明顯低于標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)的值，從而有利于器件性能。

圖9.典型總線開關(guān)的電荷注入（ADG3257）。

因此，總線開關(guān)不必局限于總線開關(guān)應(yīng)用或僅用于切換數(shù)字信號。在V的限制范圍內(nèi)，它們還可以在切換模擬信號中找到許多用途抄送–在千（在許多情況下，這不是一個重要的問題）。

總線交換機(jī)在熱插拔應(yīng)用中有何用處？

熱插拔是在通電的系統(tǒng)中添加和/或刪除插入式電路。需要能夠熱插拔的應(yīng)用示例包括筆記本電腦的擴(kuò)展塢和電信交換機(jī)的線卡。在熱插拔事件期間，背板上的連接器是“帶電”的;附加卡必須能夠應(yīng)對這種情況。如果總線可以在插入之前隔離，則可以更好地控制熱插拔事件。可以使用數(shù)字開關(guān)實(shí)現(xiàn)隔離，數(shù)字開關(guān)理想地位于連接器和設(shè)備之間的附加卡上（圖 10）。但是，重要的是，附加卡的接地引腳必須在任何其他信號或電源引腳之前連接到背板的接地引腳，并且在卸下卡時必須是最后一個斷開連接的接地引腳。

圖 10.與ADG3246總線開關(guān)進(jìn)行熱插拔。

那么熱插拔呢？

不得關(guān)閉ADSL（異步數(shù)字用戶線）、制造控制、服務(wù)器和航空公司預(yù)訂等關(guān)鍵系統(tǒng)。如果需要將新硬件（如插入式調(diào)制解調(diào)器）添加到系統(tǒng)中，則必須在系統(tǒng)啟動并運(yùn)行時完成。在強(qiáng)制連續(xù)操作期間添加硬件的過程稱為熱插拔。為了確保過程的順利執(zhí)行，可以在連接器和內(nèi)部總線之間連接一個數(shù)字開關(guān)（圖 11）。在熱插拔事件期間，開關(guān)關(guān)閉以提供特定電路位置的隔離。

圖 11.在熱插拔應(yīng)用中使用ADG3247。

直通式引腳排列架構(gòu)的優(yōu)勢

ADI公司許多此類數(shù)字開關(guān)的一個有用特性是邏輯“直通”引腳排列，其中每個輸入及其相應(yīng)的輸出位于芯片的相對兩側(cè)，沒有交叉或模式中斷（圖12）。這使得輸入和輸出信號的路由在印刷電路板布局中更容易處理。此外，傳播延遲可以更容易地與直通引腳排列相匹配。

圖 12.流通銷布置。

結(jié)論

總線開關(guān)設(shè)備用途廣泛;它們可用于當(dāng)今高性能系統(tǒng)中的許多不同的應(yīng)用。在本簡短的介紹中，我們展示了總線開關(guān)在總線隔離、電壓轉(zhuǎn)換、模擬信號切換和熱插入應(yīng)用等領(lǐng)域的應(yīng)用。我們還明確表示，它們適用于許多其他應(yīng)用。我們介紹了總線開關(guān)的關(guān)鍵規(guī)格，討論了它們的操作，并試圖回答一些關(guān)于它們的常見問題。

審核編輯：郭婷