最详细的模拟开关工作原理及参数详解!错过了就等着后悔吧!
作者:im足球 来源:im赛事 发布时间:2022-09-28 01:59:20

  模拟开关(Analogswitches)是利用模拟器件(JFET或MOS)的特性实现控制信号通路的开关,主要用来完成信号链路连接或断开的切换功能。由于它具有功耗低、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。

  模拟开关是一种三稳态电路,它可以根据选通控制的电平,决定输入与输出的连接状态。当选通控制处在使能状态时,输出端与输入端是导通状态的;当选通控制处在非使能状态时,输出与输入是阻断状态时,此时,无论输入信号如何变化,模拟开关输出均呈高阻状态。

  对于多通道的模拟开关芯片,每个通道都有一个通态电阻RON,这些通态电阻之间的差值称为ΔRON(Δ”ON” Resistance Between any two switches)。

  模拟开关有一个最大开关电流,即饱和漏极电流IDSS(Zero Gate voltage Drain Current),但有些数据手册中没有这个参数,一般在几百毫安以内。

  其中,电阻RDS(OFF)表示模拟开关断开时呈现的阻值,应足以达到抑制相邻两个信号链路相互干扰,此时负载RL两端的电压如下式:

  用P沟通JFET也可以组成模拟开关,但目前最常用的还是用MOSFET构成的开关,因为MOS技术是大规模数字集成电路的基础,这样可以在同一工艺下将模拟与数字功能实现在同一块芯片上,如下所示:

  但是,无论是JFET或MOS构成的模拟开关,它们导通时漏-源通态电阻RDS(ON)都与栅-源电压VGS有关,而在输入信号Ui的变化过程中,VGS也是一直随之变化的,如下图所示:

  在信号的传输过程中,真正施加在MOS管栅-源两极的电压VGS=-(15V-UO),而UO是与Ui相关的,如果输入信号Ui足够大的话,甚至会在信号传输过程中将MOS管关断,这显然不是我们想要的结果,因为我们的目标是得到一个恒定的(或比较恒定的)导通电阻RON。我们当然也希望导通电阻越小越好,但是在很多应用中,模拟开关的恒定通态电阻(导电率)是最重要的,也就是通态阻抗平坦度RDS(flat),因为它关乎输出电压的精度。

  比如,用高精度ADC(模数转换器)进行多路电压信号采集时,模拟开关的导通电阻RON不必强制要求有多小,但只要它们的导通电阻RON是恒定的,可以在算法上将其带来的误差清除。

  用一对互补MOSFET(即CMOS)即可消除这些缺点,它的结构如下图所示:

  此时模拟开关的导通电阻为两个MOS管导通电阻RDS(ON)的并联,它们的特性曲线如下图所示:

  NMOS管在信号比较低时的导通电阻较小,而PMOS管则在输入信号较高时的导通电阻较小,两个电阻并联后,则在整个信号的有效范围内都比较低。

  有些数据手册也会给出这个导通电阻的信息,如下图所示:(来自intersil的CD4051数据手册)

  比如,CD4066的原理框图如下所示:(下图来自UTC的CD4066数据手册)

  既然模拟开关由MOS管构成,自然也有相应频率响应的最大值,这个值通常可以达到数十兆,它包含两种情况:即开关分别在导通状态下与阻断状态下频率响应。开关在导通状态下的频率响应(FrequencyResponse-Switch “ON”)比较好理解,就是在模拟开关导通状态下,信号能够通过的最大频率,那么阻断状态下的频率响应又是个神马东西?如下图所示:(以下均来自UTC的模拟开关CD4066数据手册)

  其中,Feedthrough –Switch “OFF”表示在模拟开关阻断状态下的馈通频率,我们看看Fig.4的测试电路图,如下所示:

  上图已经说了,当VCON=VSS(即模拟开关阻断时)时,电路用来测试馈通(Feedthrough)状态下的频率响应。理论上,在模拟开关阻断状态下,无论有没有输入信号VIS,其相应的输出VOS是不会有输出的,但是MOS管本身是有寄生电容的(如上表中的CIO,也称为CDS,即漏极-源极电容),在关断状态下如果输入信号频率超过一定值,那信号就阻断不了了,它会通过电容CIO以高频耦合的方式通过开关,使得开关呈现导通状态。如下图所示:

  还有一个参数是控制引脚的最大开关频率(Maximum Control Input),一般我们说模拟开关的速度就是指这个参数,而不是上面提到的频率响应的最大值。它的测试电路如下所示:

  模拟开关芯片有多个通道时,通道与通道间也会有信号的串扰,这与PCB板走线串扰是同样的道理,如下图所示:

  它是指没有输入信号的选通通道(下侧)接收到来自相邻通道(上侧)信号引起的干扰,即VOS(2),注意表格中的测试条件:下侧的VCON(2)=VSS不是0,而是5V,也就是选通状态。

  同样,当控制引脚VCON在导通与阻断状态切换时,也会在信号通道上产生相应的串扰,如下图所示: