視頻和高頻開關(guān)的特殊要求 - 美信（Maxim）CMOS模擬開關(guān)設(shè)計精華集錦

　　視頻和高頻開關(guān)的特殊要求

　　RON和寄生電容之間的平衡對視頻信號非常重要。RON較大的傳統(tǒng)模擬開關(guān)需要額外增益級來補償插入損耗。同時，低RON開關(guān)具有較大寄生電容，減小了帶寬，降低視頻質(zhì)量。低RON開關(guān)需要輸入緩沖器，以維持帶寬，但是這會增加元件數(shù)量。

　 　采用只有n溝道的開關(guān)可提高帶寬，同時寄生元件和封裝尺寸變得更小，從而允許單位面積上具有更多開關(guān)。然而，n溝道開關(guān)容易受滿擺幅工作的限制。當(dāng)施加 的視頻信號超過這些限值時，輸出將箝位，造成視頻信號失真。選擇n溝道開關(guān)時，確保開關(guān)的規(guī)定限值足以通過滿幅輸入信號。

　　在一個監(jiān)視器 顯示來自于多個源的視頻應(yīng)用中，如安保和監(jiān)視系統(tǒng)，關(guān)斷隔離和串?dāng)_是關(guān)鍵參數(shù)。開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時，來自于所加輸入信號的饋通總量決定關(guān)斷隔離。較高頻率 時，通常為視頻和VHF應(yīng)用，視頻通過漏源電容（CDS）耦合，降低關(guān)斷隔離。與開關(guān)相關(guān)的較高電路阻抗也會降低關(guān)斷隔離。

　　T 型開關(guān)拓?fù)溥m用于視頻或高于10MHz的頻率，它包括兩個串聯(lián)的模擬開關(guān)，以及第三個連接在它們公共點與地之間的開關(guān)（圖9a）。這種安排能夠提供比單個 開關(guān)更高的關(guān)斷隔離。由于寄生電容與串聯(lián)開關(guān)中的每個開關(guān)并聯(lián)（圖9a），關(guān)斷的T型開關(guān)的容性串?dāng)_一般隨頻率的升高而增大。多通道開關(guān)中，通道之間的寄 生電容將信號容性耦合至相鄰?fù)ǖ?，進而增大串?dāng)_。

　　圖9A所示的T型開關(guān)導(dǎo)通時，S1和S2閉合，S3斷開；T型開關(guān)關(guān)斷時，S1和S2 斷開，S3閉合。這種關(guān)斷狀態(tài)下，通過串聯(lián)MOSFET的CDS的耦合信號被S3旁路到地。T型開關(guān)（例如MAX4545）與標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān) （例如MAX312）對于10MHz信號的關(guān)斷隔離差異明顯：-80dB相對于-36dB （圖9B）。

　　最后，您可考慮緩沖與無緩沖視頻開關(guān)。作為無源視頻開關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)視頻開關(guān)可能需要額外電路1；而集成方法是作為有源視頻開關(guān)，將開關(guān)和緩沖器集成在一個封裝內(nèi)，降低信號干擾。集成的復(fù)用器-放大器（例如MAX4310）具有很強的關(guān)斷隔離功能，可用于高頻應(yīng)用。

　　圖9A. 用于射頻的T型開關(guān)結(jié)構(gòu)。

　　圖9B. 標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)（MAX312）與視頻開關(guān)（MAX4545， MAX4310）的關(guān)斷隔離-頻率關(guān)系的比較。

　　ESD保護開關(guān)

　 　ESD保護是大多數(shù)模擬開關(guān)應(yīng)用的一項重要特性。標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)的設(shè)計可提供高達±2kV 的保護。設(shè)計者可增加額外的ESD保護能力，但這將占用寶貴的電路板面積，并增加輸入/輸出線上的電容。然而，現(xiàn)在設(shè)計的有些開關(guān)具有內(nèi)部二極管，可承受 高達±15kV的ESD。這些開關(guān)采用人體模式（±15kV）及IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接觸（典型值為±8kV）及氣隙放電（±15kV）法測試2。

　　用于高達±36V過壓保護的故障保護開關(guān)

　 　模擬開關(guān)的電源軌限制了允許的輸入信號電壓范圍。（參見上文中的信號處理設(shè)計部分）。如果輸入信號超過電源軌，器件會鎖定或永久損壞。通常情況下，這種 限制不是問題；但在有些情況下，模擬開關(guān)的電源關(guān)斷時輸入信號仍然存在。（如果系統(tǒng)電源排序造成輸入信號早于電源電壓出現(xiàn)，就會發(fā)生這種情況）。瞬時超出 正常電源電壓范圍也會造成鎖定或永久損壞。新故障保護開關(guān)和多路復(fù)用器能夠保證±36V的過壓保護、±40V的掉電保護、滿幅信號控制能力以及和一般開關(guān) 相近的低RON。無論開關(guān)狀態(tài)或負(fù)載電阻如何，故障條件期間保證輸入引腳為高阻，只有納安級的漏電流流過信號源。

　　圖 10所示為故障保護模擬開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果開關(guān)（P2或N2）是導(dǎo)通的，COM輸出被兩個內(nèi)部“后援”FET鉗位于電源電壓。這樣，COM輸出保持在電 源范圍之內(nèi)，并根據(jù)負(fù)載大小提供最多±13mA的電流，但在NO/NC引腳沒有明顯電流。值得一提的是，信號可以同樣容易地從ESD和故障保護模擬開關(guān)的 任意方向通過，但這些故障保護只在輸入一側(cè)有效3。

　　圖10. 該內(nèi)部結(jié)構(gòu)表示故障保護模擬開關(guān)的特殊電路。

　　許多雙電源軌模擬開關(guān)要求先加正電源，然后再加負(fù)電源，以防鎖定或損壞。如果是這種情況，可采用不要求電源排序的開關(guān)，例如多路復(fù)用器MAX14752。MAX14752與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DG408/DG409的引腳兼容，輸入處的內(nèi)部二極管為開關(guān)提供過壓/欠壓保護。

　　加載-感應(yīng)開關(guān)影響系統(tǒng)精度

　 　電壓和電流測量系統(tǒng)中的接線方法多種多樣，這些接線方法稱為2線、3線及4線系統(tǒng)，其精度和復(fù)雜度各不相同。圖11所示的2線系統(tǒng)用于高精度不是首要因 素的情況。這種方法在加載線的源端測量負(fù)載電壓。負(fù)載電壓會明顯低于源電壓，這是因為如果流過導(dǎo)線電阻的加載電流較大，線路上會發(fā)生電壓降。較長的導(dǎo)線、 較大的負(fù)載電流以及較高的線阻抗都會造成這種電壓降，并產(chǎn)生明顯的測量誤差。3線系統(tǒng)改善了精度，但采用4線加載-感應(yīng)技術(shù)可獲得最佳結(jié)果。

　　圖11. 高精度不是特別關(guān)鍵時，使用2線測量系統(tǒng)。

　 　4 線加載-感應(yīng)技術(shù)（圖12）利用兩根線加載電壓或電流，使用另外兩根線直接連接在負(fù)載兩端來測量負(fù)載電壓。有些模擬加載-感應(yīng)開關(guān)在相同的封裝內(nèi)提供不同 類型的開關(guān)。例如，MAX4554系列器件可以配置為加載-感應(yīng)開關(guān)，用于自動測試設(shè)備（ATE）中的開爾文檢測。每款器件含有用于加載電流線的大電流低 阻開關(guān)，以及用于檢測電壓或切換保護信號的較高電阻開關(guān)?！?5V供電時，大電流開關(guān)的RON僅為6Ω，感應(yīng)開關(guān)的RON為60Ω。加載-感應(yīng)開關(guān)適合于 高精度測量系統(tǒng)，例如納伏和飛安表。加載感應(yīng)開關(guān)簡化了許多應(yīng)用，例如在一個4線系統(tǒng)中，一個信號源在兩個負(fù)載間的切換，如圖13所示。

　　圖12. 4線加載-感應(yīng)測量技術(shù)。

　　圖13. 使用MAX4555將4線加載-感應(yīng)電路從一個源切換至兩個負(fù)載。