模拟开关的技术特性和应用

《模拟开关的技术特性和应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟开关的技术特性和应用（13页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、模拟开关的关键技术特性和应用实例分析近年来，便携式产品越来越多地采用多源设计，因此开关功能是视频、音频传输及处理过程 中的一个重要组成部分。早期采用的机械开关具有可靠性低、体积大、功耗大的缺点，所以 模拟开关已经引起了越来越多人的重视，并已被广泛应用于各种电子产品中。尽管模拟开关具有机械开关不可取代的优势，然而它的应用较机械开关稍微复杂些，初次使 用模拟开关的工程人员往往会由于模拟开关使用不当，引起整个系统的故障。本文通过将模 拟开关与普通机械开关作比较，论述了模拟开关的若干基本概念，并结合实例对模拟开关应 用的关键技术进行研究。模拟开关的模拟特性 许多工程师第一次使用模拟开关，往往会把模拟开

2、关完全等同于机械开关。其实模拟开关虽 然具备开关性，但和机械开关有所不同，它本身还具有半导体特性：1.导通电阻(Rn)随输入信号(V|N)变化而变化图1a是模拟开关的简单示意图，由图中可以看出模拟开关的常开常闭通道实际上是由两个 对偶的N沟道MOSFET与P沟道MOSFET构成，可使信号双向传输，如果将不同VIN值 所对应的P沟道MOSFET与N沟道MOSFET的导通电阻并联，可得到图1b并联结构下 Ron随输入电压(VIN)的变化关系，如果不考虑温度、电源电压的影响，Ron随Vin呈线性关系， 将导致插入损耗的变化，使模拟开关产生总谐波失真(THD)。此外，Ron也受电源电压的影 响，通常随

3、着电源电压的上升而减小。2. 模拟开关输入有严格的输入信号范围 由于模拟开关是半导体器件，当输入信号过低(低于零电 势)或者过高(高于电源电压)时，MOSFET处于反向偏置， 当电压达到某一值时(超出限值0.3V),此时开关无法正常 工作，严重者甚至损坏。因此模拟开关在应用中，一定要注意输入信号不要超出规定的范围。图1： a.模拟开关原理图；b模拟开3. 注入电荷关导通电阻与输入电压关系应用机械开关我们当然希望Ron越低越好，因为低阻可以降低信号的损耗。然而对于模拟开 关而言，低Ron并非适用于所有的应用，较低的Ron需要占据较大的芯片面积，从而产生较 大的输入电容，在每个开关周期其充电和放电

4、过程会消耗更多的电流。时间常数t=RC,充 电时间取决于负载电阻(R)和电容(C), 一般持续几十纳秒。这说明低Ron具有更长的导通和 关断时间。为此，选择模拟开关应该综合权衡Ron和注入电荷。4. 开关断开时仍会有感应信号漏出这一特性指的是当模拟开关传输交流信号时，在断开情况下，仍然会有一部分信号通过感应 由输入端传到输出端，或者由一个通道传到另一个通道。通常信号的频率越高，信号泄漏的 程度越严重。5. 传输电流比较小模拟开关不同于机械开关，它通常只能传输小电流，目前CMOS工艺的模拟开关允许连续 传输的电流大多小于500mA。6. 逻辑控制端驱动电流极小机械开关逻辑控制端的驱动电流往往都是

5、毫安级，有时单纯靠数字I/O很难驱动。而模拟开 关的逻辑控制端驱动电流极小，一般低于纳安级。因此，它完全可以由数字I/O直接驱动， 从而达到降低功耗、简化电路的目的。模拟开关的开关特性既然称之为模拟开关，自然它还具有开关性，具体表现如下：1. 信号可双向传输有些人习惯于把模拟开关的两个常开常闭端称之为输入端，公共端称之为输出端，其实这只 是根据模拟开关的具体应用给予的临时定义。模拟开关大多可以使信号双向传输，如果忽略 这一点，就很容易使电路生成问题，比如将电压反向偏置、电流倒灌等。2. 开关断开后漏电流极小模拟开关在断开（OFF）时会呈现高阻状态，两传输端间的漏电流极小，一般只有纳安级以下,

6、如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模拟开关，其断开后的漏电流均为1nA。这么 微弱的电流在应用中可忽略不计，模拟开关此时可被认为是理想断开的。总之，模拟开关是具有开关功能的半导体器件，在应用过程中既要充分利用它的开关功能 又要考虑它的半导体特性，否则可能会出现意想不到的麻烦。模拟开关应用实例分析 图2是一音响设备前端放大及信号选通部分电路，其中选用了 SGM324（四通道运算放大器） 和SGM3002（双通道模拟开关）。CA1 RA22.2uF 1Q0KS2Line_oul:L C311RM2.2|jFUA SGM32*i Y7SRA3lOCkft10CU1RA9 GZIQk

7、Q 2 2pF_| HS1A/100KS1RAFTQQkiJub?一r100kl3 一 ？即 F WV_| 卜 RA10 10klQOutpiO OUpiiO&NDTRAI10Okil图2：音响前端放大及信号选通电路该方案设计本意是当Input=0时，Line_outL和Line_outR音频信号选通；当Input=1时，Phone_outL和Phone_outR音频信号选通。然而当实验机做出后，设计者发现当Input=1 时，Line_outL和Line_outR通道有相当一部分信号分别漏到D1和D2端。应用网络分析仪HP/Agilent 3589A测试SGM3002的关断隔离度，当输入信号

8、为10kHz时，SGM3002 的关断隔离度仅为-120dB，因此芯片应该没有问题。事实上，该电路在模拟开关应用上存在下面两处错误：1. 模拟开关的输入信号缺少一个直流偏置图2中模拟开关部分电路可以等效成图3，本文第一部分曾经提到模拟开关输入信号输入不 能为负。LV+SourceSignal图3：模拟开关等效电路通常来讲，CMOS工艺的模拟开关输入信号最小只能到-0.3V,如果再低于这个值，芯片将 不能正常工作，甚至会损坏。图2 中模拟开关输入信号没有直流偏置，所以输入信号有一 部分处于负值区，模拟开关自然无法正常工作。解决办法：将电容C2、C3均去掉，模拟开关输入信号便有了 1/2VDC的直

9、流偏置信号， 此时模拟开关便可以轨到轨工作。此外，由于模拟开关公共端后面加了电容，所以直流信号 依然可以被有效地隔离。2.在D1和D2端缺少耦合电阻当模拟开关在断开的情况下，其输入与输出端等效串联了一个电容C，如果再假设在模拟开 关输出端到地之间有一个等效电阻R,则模拟开关在断开时的等效电路如图4所示。图4：模拟开关断开时的等效电路此时的模拟开关其实等效为一个RC滤波电路，由此不难得出以下公式:其中，uout为模拟开关输出信号；uin为模拟开关输入信号；R为模拟开关输出端电阻负载; C 为模拟开关断开时等效电容； f 为输入信号频率。由于模拟开关等效电容C会设计成很小，所以当输入信号f处于音频

10、区时，增益A由R和 f同时决定。当R取值较小时，f起主导作用，此时Avvl，信号被有效隔离。当R取值较 大时，此时R起主导作用，此时A1，信号几乎被完全泄漏过来。所以当输出端悬空时， 其输出端与地之间电阻R+8，此时模拟开关完全导通。修正以上两个错误后，该音频应用电路便可以正常工作了。由以上实例可以看出，充分理解 模拟开关的基本概念是正确应用模拟开关的基础。参考文献1. 魏智：CMOS模拟开关的选择与典型应用Maxim公司，20042. Graham Ls Conn oily：在超便携应用中模拟开关的关键设计参数飞兆半导体公司,2004应用工程师caohuibinsg-哈尔滨圣邦微电子有限公司

11、问：选择模拟开关主要需注意哪些参数？ 答：模拟开关要根据不同的应用选择不同的参数，如果是应用在高频操作的状态 下，导通阻抗和频宽，电容都比较重要，但是对一些小信号低电压的操作，电路 通道的损耗还有电荷注入，泄露电流引起信号损耗和开关噪音这些都是比较重要 的因素，所以还是要根据不同的情况做不同的选择。问：模拟开光的泄漏电流和导通电阻是不是一对矛盾的量？能不能同时都做得 很小？答：模拟开关的泄漏电流和导通阻抗不是一对矛盾的量，模拟开关的导通阻抗和 它的频宽相应的来说是对立的矛盾，正常来说，模拟开关的泄露电流是比较小的， 都是在pA级的，对新的工艺来说，可以将导通电流和平宽同时进行优化，导通 电阻降

12、下来，负载的效率会有一定的提高，频带拓宽在高速传输应用。问：高频操作，在结构上如何选择模拟开关？答：高频信号的传输与模拟开关的动态电路和静态参数的优化，还与模拟开关的 脚位，一些电源电路的线路的布局有关系，比如说在数据口的D+和D-，一般建 议大家进行平行输出，不要有一些相互的交差。相反的，在其它有干扰的信号进 来的时候，尽量不要和数据口作平行，这样会有一些耦合，然后在一些电源信号 影响比较大的时候，建议和 PCB 的数据线做一个将近似 90 度直角，好处是可以 保持信号的纯净。另外，就是电源的GND和信号线做适当屏蔽，这对高频的信号 会有更好的传输。谢谢！问： Vishay 公司的这一类器件

13、在焊接上有无特殊要求，温度控制是否苛刻？答:Vishay的模拟开关都是一个标准的器件，在出厂之前，我们有一个JEDEC020C 标准认证，建议大家按照这个行业标准去做就可以，没有其它特殊的要求。问：MiniQFN这种封装对于SMT修复有什么影响？会不会不利于取下来？谢谢答：MiniQFN封装是一个无引脚的封装，现在很多工程师都很熟悉用热风枪取这 些器件，对这种封装来说，我相信很多工程师已经做过试验，这是一个标准的封 装。问：Vishay公司的模拟开关有哪些独特的优势？答：Vishay的新产品在封装方面有了一个很大的改善，我们又推出了 MiniQFN 这种小型的封装，它完全通过了一个工业上面的标

14、准，比QFN可以节省50%的空 间，非常适合在便携式场景应用的，在低压应用范围和超低的范围都有一些相应 的改善，同时我们推出了新的像DD3157A 一系列的具有保护功能的模拟开关系列。 谢谢！问：DG2612和DG2613有什么区别？答：DG2612和DG2613是一款中型的带负压功能的一个开关，实际上，它基于一 个同样的设计，它的区别是2612在source端带有偏执功能，是加入了两个小的 开关，透过50欧左右的电阻接到地上面，电池在2612可以提供一个Discharge 的Path,在信号切进去之前，降低开关的噪音，2613不带开关的功能，主要原 因是在某些线路方面，即使路径在切到另外一边

15、的时候，被切断的信号还在，它 变成透过一个电阻时钟接在地上，有些客户在设计上不希望这些事情发生，因此 因人而异。问：模拟开关V+，是否要处于常开(ON)状态，对于直接电源供电。那如果电源 拿开时还有信号加上，会发生什么状况？几种主要封装如QFN,CSP和miniQFN 在跑SMT时有何特别要求不同？答：模拟开关V+般建议是常开的状态，因为信号在加进来的时候，我们需要 电源保持常开，信号可以比较适当的去传输，电源关掉的时候，有可输入的信号 直接串到输出端，这是一个不好的现象。实际在工作的时候，信号会超过半导体 的一个阀值，比如说信号超过400个毫伏，它的模拟开关是有一个P-CH或N CH的MOS

16、管去并联的，当超过这个阀值时，它的信号会自然而然的传到输出端， 所以我们建议电源是处在一个常开的状态。另外， VISHAY 在在这方面有一些新 的模拟开关，欢迎垂询。CSP的引脚是一个锡球，一般就是锡球的推力强度会稍 微大一点，我们已经超过工业的标准250克，我们的推力已经达到350克以上， 这是我们理解的一个强势， MiniQFN 是一个比较标准的引脚，它的封装的特性和 我们之前的 QFN 是比较有相似的，跑 SMT 的时候，我们没有特别的要求。问：贵公司的模拟便携开关的工作寿命是多少？工作的频率可以达到多少？答：模拟便携式的工作寿命都是按照标准去做，其中有一个高温测试是JSD147 的，至

17、于什么军用的标准，目前不是我们讨论的范畴，我们工作频率的带宽，目 前的产品我们已经做到900兆之外。问：新型模拟开关是如何解决接通瞬间的噪声？答：模拟开关在开的过程中的噪音和应用电路有关，关键是看在哪一方面的应用。 造成噪音主要有两方面的原因，一个是外部的信号源，这种状况常常发生在音频 方面，我们会看到这些方面的事情，模拟开关因为是新 MOS 的制程，它有个指标 是charge injection,在开关的瞬间，这个指标从开到关的过程中，有一个电 荷会瞬间被down在负载面，从硬件来看，如果是音频的话，用Switch的方式来 做，那个主要是解决DC偏执的不同，另外在选择模拟开关的时候，应该选择

18、 charge injection的比较小的模拟开关，长期以来一直使用一种新的设计就是 对charge injection进行一个补偿的设置，N和P并在一起时，差不多是A的 2.8倍，两边同时关的时候，电容不一样，会造成噪声，所以常常会对A进行一 个电容的补偿来平衡两边的电荷，减少对噪音的影响。问：模拟开关在应用中，会出现注入电荷的问题，如何尽可能的减少其对输入 信号的影响？答：注入电荷的影响就是我们常说的charge injection的影响，如果控制不好， 会引起很大的开关噪音，一些供应商包括我们在模拟开关上面也是做了一些内部 的处理，在内部做了一些补偿，由于 NP 的基层电容所造成的，已

19、经把 charge injection 降到最小的程度，另外是人工在布线的时候，也需要有一个相对的考 量，尽量使用单点地或者是模拟和数字地之间，尽量使用一个大面积的铺地，来 尽量减少由于线之间外部的 charge injection 来对输出信号的影响。问：模拟开关在电路使用结构上有几种方式？各有何特点？答：在医疗工业产品的应用上面，在工艺医疗产品上面，有些公司会把模拟开关 进行一些组合式的应用，最常见的是几个模拟开关的使用，这种应用可以增大通 道的电流，从而减少通道的阻抗，同时它有比较弱的信号隔离度，也可以把模拟 开关串联使用，这样会增大串联的阻抗，同时也可以提高信号的隔离度，一般很 少使用

20、到这种串联的应用，会结合一个 Shuntswitch 的开关共同使用，这种模拟 开关的组合，可以有效的提高信号的隔离度，来减少对信号阻断的机会，也有很 多人会使用这种组合，这种模型是两个开关串联在中间，同样使用一个 Shuntswitch 开关做一个接地，这种模型可以最大限度的提高信号的隔离，但是 它的结构较为复杂，所以针对不同的应用，可以采取不同的模拟开关组合的方式。问：我们在使用模拟开关作音频信号切换时，当开关关断后音频信号仍通过开 关进入功放，请问发生此现象的原因及解决办法是什么？答：模拟开关典型的电路是一对P/N沟道的MOS管去并联而成的，P沟道的门级 在V+电位的时候，我们就会发现P

21、沟道是一个负电压导通的，如果你的（输入） 电压为零的时候，输入端是一个source就是源极，如果你的元件有接Drain的 话，它的情况就会有导通，相同的就是一个源极有一个低电位， gate 比 source 高出很多，这样的时候，如发现输入信号是一个高电平，那我们电源电压关断的 时候，它的门级其实是一个零电平，如果输入信号是一个负电平的话，就会导通， 所以功放从输入端到输出端，当高于电源的时候，实际上Gate相对于source 是负电平，那这个管子就是导通的，自然而然的信号就从输入到输出，比较好的 解决办法就是建议输入电源的电压不要关掉。问：模拟开关在高频应用中EMI、EMC方面是否有影响？

22、答：可能 EMI 和 EMC 是一个比较通用的名词，一般是指电磁干扰和电磁耦合，其 实一个是敏感度一个是骚扰源的问题， EMI 是指干扰，那模拟开关是指有一个信 号输入和输出，之所以它并不是一个信号源，模拟开关不存在EMI干扰的问题， 还有一个就是 EMC 电磁敏感度。很多工程师说，模拟开关通过的时候，可能有一 些噪声出来，这个可能是布线的时候，有一些比较敏感源在旁边，模拟开关仅仅 是信号输入和输出，它可能会使信号过来，它的电源或者是地有一些信号可以串 进来，还有就是我们周边可能会有一些射频的干扰，通过一些空间射频的干扰， 会进行一些传导，这个不仅仅是模拟开关的问题，通过我们所有的器件，包括电

23、 阻也会产生一些噪音和干扰，正常的情况下，首先我们要认清EMI不是模拟开关 的问题，必须在设计的时候，要找到最根本的干扰源在哪里，其次通过模拟开关 进行试验的时候，发现有噪声出来，首先查电源是否干净，较大的干扰信号是否 进行屏蔽，其它的可能有些开关的噪音包括你的设备里面可能会有一些上升沿和 下降沿，特别频繁的开关动作的时候，也会有一些耦合过来，这之间是不是有一 些比较大的电容，在布线上有些耦合的影响，第三，是在布线的时候是否和我们 的影线有垂直的关系，就是相同的信号我们尽量使它平行走，不同的信号我们尽 量让它垂直走，尤其现在便携式设备上，设计的越来越紧凑，对工程师的布局有 一些影响，但是这是一

24、个基本的设计的规则，最后一个是我们现在发现有一些 PCB 有一些过孔，实际上最好不要让一些开关速度比较高的信号通过，因为过孔 也是一个比较强烈的干扰源。问：模拟开关使用在测量仪表中，测量点为64点，每点连接采用SPDT方式， 不知道Vashy有哪些产品适合？导通阻抗要求小于20欧姆，电容小于10pf。答:您可以选用我们的DD611或者是DD641,因为它们有很低的高通阻抗，像DD611 是18欧姆，DD642是5欧姆，同时电容也可以做到小于10PF，有很好的输出浪 涌的抑制能力。在低压驱动方面您也可以选择 DG721 系列，在 3 伏典型值的时候 可以做到5.7欧姆，电容值可以做到5.6PF，

25、是完全可以满足需求的。问：模拟开关输出信号进入ADC前应该做什么调理？其输出特性（输出阻抗）如 何？对音频信号而言。答：如果对音频信号而言，模拟开关输出信号进入ADC的时候，有一个切换的噪 声，我们在选择开关的时候，应该注意 charge injection 的噪音影响，那 ADC 的输入阻抗，因为 charge injection 的 ADC 还有另外一个指标，要看下 ADC 的 输入阻抗，然后找到对模拟开关可以接受的平衡点，来选择一个合适的模拟开关， 不一定非得选择针对音频输出的低阻抗的开关，有比较大的选择的空间，建议不 要用，因为是做ADC的处理，所以还会提供一些更大的电压范围可以带负压

26、的可 以提供平台的空间，它带正负电压的一些系列产品，像BG400L，BG94系列的那 些9408，那些带正负压的会提供一些广阔的平台空间，可以做ADC的多路输入 给 ABC 切换的应用产品。问:我比较关心直流功率开关前的逻辑控制。因对贵公司产品没有了解，很多 情况下用到一选二的开关。以前是用CD4066加反相器来做的。DG2612/3/DG2744 合适吗？答: CD4066是业界比较流行的开关，这个开关和刚才提到的CMOS模拟开关电压 范围都是很接近的，最主要的区别就是低电压的特性Vishay的工艺有很大的改 进，因此能够提供更低的工作电压，更平坦的导通曲线，还有跟CD4066相比有 比较低

27、的漏电流，在开关的逻辑选择那块Vishay新的模拟开关能够提供更低的 逻辑界面和控制线路方面来进行interface,对直流功率不是特别的了解您的问 题，如果是说希望有更大的功率的话， Vishay 的开关具有更高的密度和更好的 隔离度，也可以把多路的开关做一些并接的接法也是可以的。模拟开关电路的介绍本 文 来 自 : 电 子 电 路 图 网 () 详 细 出 处 参 考 ：模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。当选 通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态；当选通端处于截止状态时，则不 管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中

28、主要起接通信号或断开信 号的作用。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点 因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。一、模拟开关的电路组成及工作原理模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成，如图一所示。模拟开关的真值 表见表一。表一EAB1001110 0 高阻状态0 1 高阻状态模拟开关的工作原理如下：当选通端E和输人端A同为1时，则S2端为0 ,S1端为1,这时VT1导通，VT2 截止，输出端B输出为1 ,A=B，相当于输入端和输出端接通。当选通E为0时，而输人端A为0时，则S2端为1, S1端为0,这时VT1截止，VT2 导通，输出端B为0

29、,A = B，也相当于输人端和输出端接通。当选通端E为0时，这时VT1 和VT2均为截止状态，电路输出呈高阻状态。从上面的分析可以看出，只有当选通端E为高电平时，模拟开关才会被接通，此时可从 A向B传送信息；当输人端A为低电平时，模拟开关关闭，停止传送信息。二、常用的CMOS模拟开关集成电路根据电路的特性和集成度的不同，MOS模拟开关集成电路可分为很多种类。现将常用 的模拟开关集成电路的型号、名称及特性列入表二中。表二 常用的模拟开关 类别 型号 名称 特点模拟开关 CD4066 四双向模拟开关 四组独立开关，双向传输 多路模拟开关 CD4051 8 选1 模拟开关 电平位移，双向传输，地址选

30、择CD4052 双 4 选 1 模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择CD4053 三路 2 组双向模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择CD4067 单 16 通道模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择CD4097 双 8 通道电路模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择CD4529 双四路或单八路模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择三、CD4066模拟开关集成电路的应用举例CD4066是一种双向模拟开关，在集成电路内有4个独立的能控制数字及模拟信号传送 的模拟开关。每个开关有一个输人端和一个输出端，它们可以互换使用，还有一个选通端(又 称控制端)，当选通端为高电平时，开关导通；当选通端为低

31、电平时，开关截止。使用时选 通端是不允许悬空的。下面介绍CD4066模拟开关的两个应用实例。1采样信号保持电路 采样信号保持电路如图二所示。图二 采样信号保持电路模拟信号Ui从运算放大器的同相输人端输人。当模拟开关控制端为高电平时，模拟开 关导通，电容C被充电至Ui,这个过程叫做输人信号的采样。当采样结束时，使模拟开关 控制端为低电平，模拟开关断开。由于模拟开关断开时的电阻高达100M以上，且运放A2 的输人阻抗也极高，故电容C上可以保持采样信号。2四路信号交替显示装置一般的单线示波器只能显示一路连续信号，如果使用该装置，便能够用单线示波器同时 显示出四路连续信号，在需要对不同信号的时间关系进

32、行比较时，是十分方便的。本 文 来 自 : 电 子 电 路 图 网 () 详 细 出 处 参 考 ： 100kENCU; BIG6矽(I YM；%*CIK0&6 签 2图三 四路信号交替显示装置电路图图三是该装置的电路图，它采用 CD4017 计数器和振荡器组成四节拍电路，控制两个 CD4066内的4对模拟开关，使其依次导通。在每一对模拟开关上，分别加有可调直流电平 和一路输人信号，当模拟开关的选通端为高电平1 时，模拟开关导通，直流电平和输人信号 则经运算放大器反相求和后送到示波器的Y轴输人端。由于四路信号对应不同的直流电平, 所以在示波器上能将四路信号上下分开。虽然四对模拟开关是受计数器的Q0、Q1、Q2、Q3 输出端控制的，它们依次一个个地导通或截止，但由于振荡器的振荡频率较高，使人眼感觉 不到波形的闪烁 本 文 来 自 : 电 子 电 路 图 网 () 详 细 出 处 参 考