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电子模拟开关的模拟特性和开关特性

电子模拟开关的模拟特性和开关特性 航晶微电子
2021-07-28
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    许多工程师第一次使用模拟开关,往往会把模拟开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:



模拟开关的模拟特性

(1) 导通电阻(Ron)随输入信号(Vin)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(低于负电源电压)或者过高(高于正电源电压)时,MOSFET处于反向偏置,当电压达到某一值时(超出限值0.5~4V),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。

模拟开关部分电路可以等效成图2 

                                     

(3) 电荷注入

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(杂散电容), 与构成模拟开关的NMOS和 PMOS管相伴的杂散电容引起的一种电荷变化称为“电荷注入”。在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流,而且还会产生正向尖峰和负向尖峰。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ns。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mA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nA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

(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,就很容易使电路出现问题,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nA级以下,很多模拟开关断开后的漏电流约为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。

模拟开关在断开时的等效电路如图3


   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。


参考文献

1. 魏智:《CMOS模拟开关的选择与典型应用》Maxim公司,2004

2. Graham Ls Connolly:《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




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陕西航晶微电子有限公司从事厚膜混合集成电路和军品级半导体集成电路的设计、开发、生产和服务,以其优异的模拟电路应用设计及超高温抗恶劣环境产品为特色,其产品质量可与同类进口器件相媲美。
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