美信（Maxim）CMOS模擬開關設計精華集錦

　　引言

　　集成模擬開關常常用作模擬信號與數字控制器的接口。當今市場上的模擬開關數量眾多，產品設計人員需要考慮多項性能標準。同時也有許多35年前開發(fā)的標準CMOS開關已經發(fā)展為專用的開關電路。

　 　本文回顧標準CMOS模擬開關的基本結構并介紹常見模擬開關參數，例如導通電阻（RON）、RON平坦度、漏電流、電荷注入及關斷隔離。文中討論最新模 擬開關的性能改善：更好的開關特性、更低的供電電壓，以及更小的封裝。也介紹了專用的特性，例如故障保護、ESD保護、校準型多路復用器（cal- mux）和加載-感應功能。介紹了適用于視頻、高速USB、HDMI和PCIe的專用開關。

　　標準模擬開關基礎

　 　傳統(tǒng)模擬開關的結構如圖1所示。將n溝道MOSFET與p溝道MOSFET并聯(lián)，可使信號在兩個方向上同等順暢地通過。n溝道與p溝道器件之間承載信號 電流的多少由輸入與輸出電壓比決定。由于開關對電流流向不存在選擇問題，因而也沒有嚴格的輸入端與輸出端之分。兩個MOSFET由內部反相與同相放大器控 制下導通或斷開。這些放大器根據控制信號是CMOS或是TTL邏輯、以及模擬電源電壓是單或是雙，對數字輸入信號進行所需的電平轉換。

　　圖1. 采用并聯(lián)n溝道和p溝道MOSFET的典型模擬開關的內部結構

　　現在，許多半導體制造商都提供諸如早期CD4066這樣的傳統(tǒng)模擬開關。有些最新設計的模擬開關與這些早期開關的引腳兼容，但性能更高。例如，有些與CD4066引腳兼容的器件（例如MAX4610）相對于原來的CD4066具有更低的RON和更高的精度。

　　對基本模擬開關結構也有一些功能性改變。有些低電容模擬開關在信號通路中只使用n溝道MOSFET（例如MAX4887），省去了較大的大幅降低模擬開關帶寬的p溝道MOSFET。

　　其它采用單個正電源軌工作的模擬開關采用電荷泵，允許負信號電壓。例如，MAX14504音頻開關工作在+2.3VCC至+5.5VCC單電源，采用內部電荷泵，允許-VCC至+VCC的信號無失真通過。除功能改善外，工業(yè)上許多最新模擬開關的封裝比早期的器件更小。

　　低導通電阻（RON）開關降低信號損耗

　 　在VIN為各種電平條件下，p溝道和n溝道RON的并聯(lián)值形成并聯(lián)結構的RON特征（圖2）。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RON影響的情況下為直線。為使信號損耗和傳輸延遲最小，理想情況下的RON應盡量小。然而，降低RON將增大MOSFET硅片的寬度/長度（W /L）比，從而造成較高的寄生電容和較大的硅片面積。這種較大的寄生電容降低模擬開關的帶寬。如果不考慮W和L，RON是電子和空穴遷移率（μn和 μp）、氧化物電容（COX）、門限電壓（VT）及信號電壓、n溝道及p溝道MOSFET的信號電壓VGS （VIN）的復合函數，如式1a和1b所示。

　　將RON和寄生電容最小化，同時改善整個溫度和電壓范圍內RON相對于VIN的線性度，往往是設計新產品的首要目的。

　　圖2. RON與VIN的關系。圖1中的n溝道和p溝道RON構成一個復合的低值RON。

　 　早期的模擬開關工作于±20V電源電壓，導通電阻RON為幾百歐姆。最新改進達到了最大0.5Ω的RON，供電電壓低得多。電源電壓對RON的影響很大 （圖3A），施加的信號也會明顯影響RON （圖3B）。本例中，MAX4992信號和電源電壓為1.8V至5.5V，RON在較低電源電壓時增大（圖3A）。MAX4992采用單電源時達到了非常 低的RON及RON平坦度（1mΩ）。圖3B為新、舊模擬開關的比較，電源為5V。

　　圖3A. 較高電源電壓下RON較低。圖為MAX4992（單電源）RON與VCOM的關系。

　　圖3B. 新、舊模擬開關的RON比較。

　　為單電源系統(tǒng)選擇模擬開關時，盡量選擇專門針對單電源設計的器件。此類器件無需單獨的V-和地引腳，因而可節(jié)省一個引腳。引腳上的經濟性意味著單刀雙擲（SPDT）開關（例如MAX4714）可采用小型6引腳、1.6mm2、μDFN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。與這些電壓接口時需要額外的一個電源引腳，通常稱為邏輯電源電壓（例如MAX14756）。該引腳（VL）連接至系統(tǒng)邏輯電壓，通常是1.8V或3.3V。