用模拟开关实现信号复用
2008-09-10
作者：Paul Rako
要 点
模拟开关的主要规格是电压、导通电阻" title="导通电阻">导通电阻、电容、电荷注入、速度和封装。
介质绝缘工艺可防止一些开关的闩锁。
开关的工作范围从直流到 400 MHz ，甚至更高。
MEMS （微机电系统）开关在高频下运行良好，但存在可靠性问题，并且封装费用昂贵。
如果您是在仿真一个模拟开关，要确保对全部寄生成分的建模。
没有哪个 IC 原理图符号能比模拟开关的符号更简单（图 1a ）。一个基本开关仅包括输入、输出、控制脚和一对电源脚。然而，在这简单的外观（图 1b ）后面，隐藏着极其复杂的东西。很多规格，包括电源电压" title="电源电压">电源电压和导通电阻，都对部件运行非常重要。模拟开关也有许多交流规格，如带宽和开关时间。所有这些规格（包括泄漏电流）都会随温度而变化，有时是彻底改变。与其它所有模拟部件一样，开关也有相互作用并有一组连续值的规格。这些规格并非白或黑，而是灰色梯度（参考文献 1 ）。
寻找新用途
模拟开关总是在仪器和工业市场中占有一席之地。数据采集卡重定模拟输入的路径，为接至 ADC 的测量提供多个通道，并把模拟输出传递到连接器或内部电路节点。这些卡中的模拟开关和多路复用器传统上是高压部件，以保持它们的工业、军用和医用传统。这些有几十年历史的应用将永远存在，但是几项新的技术进展正在使模拟开关的使用发生巨大的变化。
模拟开关最大规模用途之一是手机和其它的手提消费设备。Fairchild Semiconductor 的开关产品生产线总监 Jerry Johnston 称：“我不知道哪款手机里一个开关也没有。”大小和功能是电话中使用模拟开关的推动因素。手机外壳中只有很小的空间放置连接器，这意味着模拟开关必须将信号从多个 IC 传递到一个 USB 端口、视频端口、音频端口或电源连接器。这些开关也有多种功能，这更增加了在手机中的应用。一款手机通常包括一只基带 IC 和 RF 信号链。一款全功能手机也可能要带有数码相机和摄像头，两者都有相关的闪存系统，并且能做 MP3 和视频播放器。它也支持 USB、蓝牙和无线 LAN 连接。Johnston了解一些高端手机有多达 14 个模拟开关。
基于类似的原因，模拟开关日益增长的另一应用是便携计算机。即使最基本的笔记本电脑也有摄像头、 IR（红外线）端口、蓝牙和无线功能。此外与手机类似，便携计算机只有有限的外表面供放置连接器。尽管不像手机的空间限制那么严格，但是这种约束仍然为模拟开关提供了许多应用。
家庭娱乐设施是模拟开关的另一种大批量应用。任何一个装配电视、 DVD 播放机、立体声收音机、游戏系统、有线系统和计算机的人，都可以证实这些任务要求的视频与音频信号布线挑战。如同手机一样，这些家庭娱乐系统可能用到一些数字信号，但是仍然必须使用模拟开关来完成该设备的信号传送。例如，许多家庭娱乐系统有多个 HDMI（高清晰多媒体接口）数字信号通道，这些产品需要模拟开关传送那些信号，因为使用数字开关能引起扭曲及延迟。数字开关在完成功率时会建立一个或多个门延迟，那些延迟可能不确定，而是随着开关路由或温度而更改，门的上升和下降次数可能更改数字信号的占空比。
模拟开关的另一个大量应用是车载娱乐设备，它有与家庭娱乐系统一样的信号路由问题，而且空间更少。汽车电子设备，或“telematics”（车载通信系统）同时包含了信号路由以及娱乐、计算机和手机环境的管理挑战。
重要规格
模拟开关能经受的电压与机械开关的额定电压一样重要，有时它指示出开关的预期市场。12V到 36V开关的目标常常是仪表、军用和医用市场。那些必须从外部测量一些未知电压的数据采集系统，也得益于采用高额定电压的模拟开关。因为设计人员无法控制所测电压的水平，所以，重要的是开关能承受尽可能高的电压。对于可靠性的同样要求，促进了对介质绝缘模拟开关和故障保护模拟开关的开发。
导通电阻是模拟开关的另一个极为重要的规格。如果您的设计包含了一个为模拟开关提供缓冲的运算放大器，导通电阻似乎并不重要。运算放大器的输入阻抗可能在兆欧水平，所以把一个 100Ω的模拟开关与输入端串联，意味着这个阻抗是可忽略的，但是仅对直流。开关的导通电阻能对放大器的杂散电容和输入电容作出反应。这个反应能建立一个极点，使信号链的频率响应骤降，可能达到无法接受的水平。许多其它信号通路应用需要更低的导通电阻。尽管几十年前100Ω是可以接受的，那时工程师使用的是Fairchild通用CD4066 CMOS 模拟开关，但许多器件的导通电阻很快降低到 10Ω，现在已有多款低于 1Ω的模拟开关。例如， Pericom 公司的 PI3A3159 SPDT 模拟开关导通电阻为0.4Ω。这些新部件可以在低至 2.7V 的工作电压下，实现低导通电阻。
另一个重要规格是关态电阻，它量度的是开关阻挡信号的能力。模拟开关的基本关态电阻就是 MOS 晶体管的关态电阻，通常高于多数线路的需求。关态电阻也是 ESD （静电放电）保护二极管的一个功能，这些二极管在 IC 片芯上，防止晶体管的处理和组装中出现损坏（图 4）。把关态电阻看成是一个泄露规格可能更有帮助。因为泄漏每 10℃会加倍，应总是在预期的电路最高工作温度上检查关态电阻。此外，关态电阻和泄漏是应用于直流或低频的规格。在更高频率时，开关电容支配着关态电阻和泄漏。
对于现代模拟开关这么小的东西，不可避免会存在电容。引脚挨的很近，因此可以预计它们之间有数皮法的耦合电容。另外还必须处理晶体管结构和基材之间的电容。制造商采用专有工艺生产现代部件，这样部件就能在 RF 范围工作，轻易地达到数百兆赫。
Maxim Intergratd Products公司的副业务经理Manav Malhotra 称，一些客户要求制造商确定模拟开关的插入损耗和回波损耗，这是与射频（RF）设计相关的规格。半导体模拟开关也有其弱点：各引脚与地或电源之间的电容。舌簧继电器和 MEMS （微机电系统）开关有较小的杂散电容，使它们适合于延伸至千兆赫范围的频率，但是继电器和 MEMS 都是机械性器件，在几十万到数百万次的运行循环中会磨损。舌簧继电器开关的激励需要很大功率；MEMS 器件的运行需要成本昂贵的封装，将硅梁保持在一个空区中。即使信号仅是数百千赫，也应当观察模拟开关的引脚（包括地和电源）之间的电容，确定该器件是否能提供所需的隔离和串扰规格。
电荷注入是模拟开关中的另一个重要规格。打开开关会使电荷注入信号通道，在采样保持稳压器和馈入放大器的多路复用器中，这可能会产生灾难性的后果。那些配合内部电容的 IC设计能尽可能减少电荷注入。启动信号的上升沿越快，电荷注入的问题就会越严重。降低模拟开关控制信号的转换速率有可能把电荷注入降低到可接受的水平。如果在设计的信号通道中有任何高阻抗节点，请一定要评估这个因素。电荷注入常常是含模拟开关音频电路产生爆破声和卡嗒声的原因。如同所有规格一样，要在预期的全部设计工作温度范围上检查这个因素。
许多模拟开关要传送快速的数字信号，因此对于许多用户来说，激励速度是一个重要规格。即使在传统应用中，如数据采集多路复用器，必须在采样保持分析时考虑开关速度因素，以确保在 ADC 测量之前，信号已经稳定到一个准确的水平。也应当注意信号链中任何模拟开关的 PSRR （电源抑制比）。正如输出和电源之间的电容能快速衰减信号一样，同一个电容也能把电源轨上的高频噪声成份传入输出信号。最近，很多模拟电路采用开关电源供电。一定要检查电源轨的频谱内容。如果频率足够高，它们将通过模拟开关的内部电容进入设计的输出。在部件的电源脚串接一只电阻或电感，并在靠近模拟开关的位置放一个或多个去耦电容，可确保电源噪声不会进入设计的信号通道。这也会使线路对 RFI（射频干扰，参考文献 5）有更强的抗干扰能力。
还有一个规格的重要性和其它规格一样，这就是部件采用的封装。如果设计一种手持式仪器或手机，就需要使器件采用 SC-70 或更小的封装。如果要使用的是电源切换部件，那么可能需要大型封装帮助功率耗散，防止部件变得过热。另外一个封装考虑是与标准部件引出脚的一致性。例如，如果需要更换一个 Intersil DG403单片模拟开关，那么需要一个有相同封装和出脚的部件。要得到一个低导通电阻的小封装部件是一个挑战。Maxim Integrated Products公司的接口开关和保护业务部的执行董事 Jeffery DeAngelis 称：“多数开关面临的挑战是物理问题。要得到更小的导通电阻，得在 FET 中并排放多个金手指 （栅极结构）。这么做得到了更低的导通电阻，但是片芯增大。”
电流消耗是另一个关键参数。一些部件会根据应用的控制信号电平而改变电源的电流。要在电路试验板上评估电源的电流，不要假设数据单上的标称数值就适用于电路。此外要注意电源电流会随着温度而变化。
处理权衡问题
由于需要考虑那么多规格，一位勤勉的模拟工程师应当审视那些模拟开关固有的基本权衡。所有工程师都知道最重要的规格是成本。低成本的开关无过于老式的 CD4066 CMOS 模拟开关。它的工作电压高达 15V，可以并联使用多个开关，实现适当级别的导通电阻。在另一个极端上，介质隔离的 Intersil H 303ARH 拥有抗辐射加固的硅栅，使它适合军事和人造卫星应用。另一个权衡涉及电源电压。通常情况下，电源电压越高，导通电阻越低。例如，STMicroelectronics使用新工艺制作 STG3699B 四单刀双掷开关，使之有 0.5Ω的导通电阻。
另外一个权衡是电源电流。高速运行的器件需要更高的电源电流，能以更快的速率转换晶体管门。CMOS 或 DMOS 模拟开关常常有低的电源电流。例如， STMicro 的 STG3684 单刀双掷开关仅仅使用200 nA。此电流随着温度而上升。该公司某些部件的规格设定在+ 85℃，如 STG3689。
其他权衡包括封装的大小和功耗。电源切换（开关电源）设计需要较大的封装，从而可能需要低导通电阻，因为管芯越大，电阻越低。新颖的工艺和电路技术也已经在这个领域做出了巨大的进步。Vishay 现在提供 14 种导通电阻小于 1Ω的开关。而且这些部件的封装和 SC-70 一样小，底面积为 3mm × 2mm。
可能忽略的一个权衡是导通电阻会跟随施加的信号而发生变化。如果使用高压电源和小信号摆幅，那么这种变化可能不是问题。然而，如果信号是轨至轨地摆至电源电压，将需要一种较新的器件，它能在通过的信号电压范围上提供一致的导通电阻。
CMOS 模拟开关会更便宜，但是运行电压更低。DMOS 开关有更高的电压，转换更快。DMOS 开关通常有更严格的驱动器要求。Vishay 开发了 DG611 开关，它同时使用 CMOS 和 DMOS 以获得实现两种工艺的优点（参考文献 6）。Analog Devices 公司产品经理Liam S渋lleabh噄n 认为，辨别模拟开关制造商的一个条件是看它提供定制或专有工艺的能力，如该公司的 35V iCMOS 工艺，它能使部件适合于具体的应用。他说：“如果比较一下 ADG408 和我们的新产品 ADG1408，408 的导通电阻为 100Ω，而 1408 的导通电阻为 4.7Ω。 公司提供的1408采用相同的 TSSOP 封装，但是也有另外的封装选择 LFCSP，它要小 70%。”
MEMS 部件可能是模拟开关的未来权衡。现在的问题是机械可靠性和价格。MEMS 开关是机械式的，虽然可以预期它们的可靠性优于舌簧继电器开关，但它们仍然会磨损或彻底损坏。此外，MEMS 结构不能采用环氧树脂作密封，所以 MEMS 封装总是比硅模拟开关封装更贵。此外， MEMS 开关的切换时间较长，因为它们是机械式的。
放眼审视模拟开关的大量应用和多面性的规格，您能够发现的内容远超过眼前这些无处不在的小部件所呈现的东西（参考文献 7）。在您设计自己的下一个信号链时，一定理解它们的使用和规格。如果您正在做一个包含模拟开关的 Spice仿真，要确保模型是完整的，能显示寄生和杂散电容和打线的电感。许多Spice模型没有考虑电荷注入，或导通电阻随外加电压而发生的变化。如果实验板出现 Spice运行时不曾出现的问题，不必感到惊讶。在温度范围内检查一切，确保能买到您选择的部件，并且它会在产品寿命周期内保持量产。如果正确地使用了模拟开关，就可以实现各种性能，并降低成本，这是其他方式不能做到的。