CMOS模擬開關的特性與典型應用

　　一、前言：

　　早期的模擬開關大多工作于±20V 的電源電壓，導通電阻為幾百歐姆，主要用于模擬信號與數(shù)字控制的接口，近幾年，集成模擬開關的性能有了很大的提高，它們可工作在非常低的電源電壓，具有較低的導通電阻、微型封裝尺寸和極佳的開關特性。被廣泛用于測試設備、通訊產(chǎn)品、PBX/PABX 設備以及多媒體系統(tǒng)等。一些具有低導通電阻和低工作電壓的模擬開關成為機械式繼電器的理想替代品。

　　模擬開關的使用方法比較簡單，但在具體應用中應根據(jù)實際用途做合理的選擇。本文主要介紹模擬開關的基本特性和幾種特殊模擬開關的典型應用。

　　二、正確選擇CMOS開關：

　　1、導通電阻：傳統(tǒng)模擬開關的結構如圖1 所示，它由N 溝道MOSFET 與P 溝道MOSFET 并聯(lián)構成，可使信號雙向傳輸，如果將不同VIN值所對應的P 溝道MOSFET 與N 溝道MOSFET 的導通電阻并聯(lián)，可得到圖2 并聯(lián)結構下導通電阻(RON)隨輸入電壓(VIN)的變化關系，如果不考慮溫度、電源電壓的影響，RON 隨VIN 呈線性關系，將導致插入損耗的變化，使模擬開關產(chǎn)生總諧波失真(THD)，這是設計人員所不希望的，如何將RON隨VIN的變化量降至最小也是設計新一代模擬開關所面臨的一個關鍵問題。

　　另外，導通電阻還與開關的供電電壓有關，由圖3 可以看出：RON隨著電源電壓的減小而增大，當MAX4601的電源電壓為5V 時，最大RON為8Ω;當電源電壓為12V 時，最大RON為3Ω;電源電壓為24V時，最大RON僅為2.5Ω。RON的存在會使信號電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過開關的電流成正比，對于適當?shù)碾娏鬟@一跌落量在系統(tǒng)容許的誤差范圍內，而要降低RON所耗費的成本卻很高，因此，應根據(jù)實際需要加以權衡。RON 確定后，還需考慮通道間的失配度與RON的平坦度。通道失配度用來描述同一芯片不同通道間RON 的差別;RON 的平坦度用于描述每一通道的RON在所規(guī)定的信號范圍內的變化量。這兩個參數(shù)的典型值為2Ω至5Ω，對于低RON 模擬開關，這些參數(shù)僅為0.5Ω。失配度/RON、平坦度/RON 這兩個比值越小，說明模擬開關的精度越高。

　　2、注入電荷：低RON 并非適用于所有的應用，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，在每個開關周期其充電和放電過程會消耗更多的電流。時間常數(shù)t = RC，充電時間取決于負載電阻(R)和電容(C)，一般持續(xù)幾十ns。這說明低RON開關具有更長的導通和關斷時間。Maxim 提供兩種類型的開關，每種開關都有微型SOT23 封裝，MAX4501 和MAX4502 的導通電阻較高，但開關速度較快;MAX4514 和MAX4515 具有較低的導通電阻，但開關時間較長。

　　3、系統(tǒng)電源：為單電源供電系統(tǒng)選擇模擬開關時，應盡量選擇那些專為單電源供電而設計的產(chǎn)品，這類開關不需要單獨的V-和GND引腳，節(jié)省了一個引腳，能夠把一個單刀雙擲(SPDT)開關封裝在微小的SOT23-6 中。同樣，低電壓雙電源供電系統(tǒng)需選用雙電源供電開關，它們具有獨立的V-和GND 引腳，還特別設有與標準的CMOS 或TTL 電平的邏輯接口，該系列中的SPST 開關(MAX4529)同樣可采用SOT23-6 封裝。許多高品質的模擬系統(tǒng)仍需較高的雙極性電源如：±15V 或±12V 供電，模擬開關與這些電源連接時需要一個額外的電源引腳，該引腳通常標為VL，VL與系統(tǒng)的邏輯電源相連，一般為5V或3.3V，保證輸入邏輯信號為精確的邏輯電平能夠提高噪聲裕量、節(jié)省功耗。

　　由于模擬開關只能處理幅度在電源電壓擺幅以內的信號，輸入信號幅度必須保證在所規(guī)定的電源電壓范圍內，對于未加保護的模擬開關，過高或過低的輸入信號將在開關內部的二極管網(wǎng)絡產(chǎn)生失控電流，造成模擬開關的永久損壞。