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应用笔记638正确选择CMOS模拟开关摘要本文概述了模拟开关的基本结构、工作原理和应用范围;定义了导通电阻、平坦度和电荷注入等与性能密切相关的指标;并对ESD保护、故障保护和加载-感应功能等针对特定应用的特性进行了介绍引言集成模拟开关在25年前首次问世以来,常常用作模拟信号与数字控制器的接口本文将介绍模拟开关的理论基础及其常见的应用,另外还将讨论校准型多路复用器cal-mux、故障保护型模拟开关、加载-感应开关等模拟开关的特殊性能近几年,集成模拟开关的开关性能有了很大的提高,它们可工作在非常低的电源电压,具有很小的封装尺寸无论是性能指标还是特殊功能都可提供多种选择,有经验的设计人员可以根据具体的应用挑选到理想的开关产品标准的模拟开关CMOS模拟开关易于使用,这一点已为大多数设计者所公认但是,需要提醒大家的是千万不要轻视模拟开关在某些工程问题中所发挥的作用现在,许多半导体厂商仍在生产一些早期的模拟开关,如CD
4066、MAX4066等,其基本结构如图1所示Maxim还提供MAX4610等与工业标准器件引脚兼容、但性能更优的产品图
1.采用并联n沟道和p沟道MOSFET的典型模拟开关的内部结构将n沟道MOSFET与p沟道MOSFET并联,可使信号在两个方向上同等顺畅地通过n沟道与p沟道器件之间承载信号电流的多少由输入与输出电压比决定由于开关对电流流向不存在选择问题,因而也没有严格的输入端与输出端之分两个MOSFET在内部反相与同相放大器控制下导通或断开这些放大器根据控制信号是CMOS或是TTL逻辑、以及模拟电源电压是单或是双,对数字输入信号进行所需的电平转换低电阻开关求出VIN在各种电平下的p沟道与n沟道MOSFET导通电阻RON的并联值积除以和,可以得到这种并联结构的复合导通电阻特性图2这个RON随VIN的变化曲线在不考虑温度、电源电压和模拟输入电压对RON影响的情况下为直线然而请注意,上述因素会带来负面效应,将它们降至最小常常是新产品设计的主要目标见表1图
2.图1中的n沟道和p沟道导通电阻构成一个复合的低值导通电阻表
1.低导通电阻开关Sup RON Char RDSRON tON/t plyICOMOFF/Mat geON FlatnOFF VoltFunctio IDOFF ch InjecPin-Part NumberΩess nsage nnAΩtion PackagemaΩmax Ran max mapC xmaxge xtyp V4SPST±
4.5MAX312/MAX313/225/NC/NO/
100.
51.5230to16-DIP|SO MAX314185NO,NC±204SPST+2MAX4614/MAX4612/114-DIP/SO/1NO/NC/
101116.5to15/MAX461606-QSOP NO,NC+
5.5早期的模拟开关工作于±20V电源电压,导通电阻RON为几百欧姆最近的产品如MAX4601具有低得多的电源电压,最大导通电阻只有几个欧姆电源电压对RON有显著的影响图3MAX4601额定的输入信号和电源电压的范围为
4.5V至36V或±
4.5V至±20V正如你所看到的,RON随着电源电压的降低而增大最大RON在5V时约为8Ω、12V时为3Ω、24V时仅有
2.5Ω许多新型模拟开关的额定工作电压可降至2V图4给出了Maxim的新型开关与早期开关在5V电源下的性能比较图
3.较高电源电压下导通电阻较低图
4.+5V电压下,新型模拟开关具有较低的导通电阻为单电源系统选择模拟开关时,尽量选择专用于单电源的器件此类器件无需单独的V-和地引脚,因而可节省一个引脚这样一来,较少的引脚数使单刀双掷SPDT开关可以采用小型6引脚SOT23封装同样地,低压双电源系统需要使用双电源开关该类开关需要一个V-引脚和一个地引脚,逻辑接口通常采用标准CMOS和TTL电平例如,单刀单掷SPST开关MAX4529即采用6引脚SOT23封装许多高性能模拟系统仍然使用较高电平的双极性电源,例如±15V或±12V与这些电压接口时需要一个额外的电源引脚,通常标记为VL见MAX318的数据资料VL电源连接到系统的逻辑电压,通常是5V或
3.3V使其输入逻辑信号与实际的逻辑电平相符有利于提高噪声容限并防止过量的功率消耗模拟开关的输入逻辑电平与其对电源电流的影响是最容易引起误解的概念如果逻辑输入连接至地或VCC或者当有VL时连接至VL,模拟开关基本上不存在电源电流然而,为5V开关施加TTL电平时,会使电源电流增加1000倍以上为了避免不必要的功耗,应避免使用自二十世纪80年代就沿用至今的TTL电平信号处理图3还给出了RON值随信号电压的变化情况图中曲线都落在特定的电源电压范围之内,这是由于模拟开关只能处理电源电压范围以内的模拟信号对于带保护的模拟开关,过高或过低电压的输入将在开关内部的二极管网络产生失控的电流,造成开关永久损坏通常这些二极管能够保护开关抵抗高达±2kV的短时间静电放电ESD典型CMOS模拟开关的RON会造成信号电压的线性衰减,衰减量正比于流过开关的电流对于适当大小的电流,或者设计中已经考虑了RON的效应,这一点可能并非是一个缺陷然而,如果你可以接受一定数值的RON,那么通道间的匹配度和RON平坦度就比较重要了通道间的匹配度说明了同一器件各通道RON的差异;RON平坦度是指某一通道的RON在信号范围内的变化量这两个参数的典型值为2Ω至5Ω,RON极低的开关例如MAX4601最多只有
0.5Ω匹配度/RON或平坦度/RON的比值越小,则模拟开关的精度越高大多数应用中,可以通过修改电路设计防止过大的开关电流例如,需要通过在不同反馈电阻间切换以改变运算放大器的增益时,可以采用一个将开关与高阻输入串联的电路结构图5a由于开关电流极小,因此可以忽略RON的值及其温度系数另一个设计图5b中,开关电流取决于输出电压的大小,因此其值较大图
5.增益控制电路设计的好a或坏b取决于流过开关的电流大小先断后合大多数模拟开关的导通和关断时间tON和tOFF在60ns至1µs之间不等Maxim的“无杂音”音频开关的tON和tOFF在毫秒级,消除了切换音频信号时产生的杂音这两个参数之间的大小也很重要tONtOFF时产生先断后合的动作,而tOFFtON时则为先合后断这种差异对于某些应用非常关键图5a说明在两个增益值之间切换时必须加倍小心在典型的先合后断应用中,一个开关是常闭的,改变增益时应避免使两个开关同时处于打开状态,即第二个开关必须在第一个开关打开之前闭合否则,运算放大器会采用开关增益,其输出将被驱动至电源电压另一种相反的结构先断后合非常适合将不同输入信号切换至单个运算放大器的应用为防止输入通道间短路,在下一个开关闭合之前,必须断开现有的连接当信号电平变化进而引起导通电阻变化时,将会改变插入损耗,模拟开关会产生总谐波失真THD以一个具有10ΩRON平坦度的100Ω开关为例,当负载为600Ω时,开关将产生
0.24%的THD为了减小THD,应当避免给模拟开关添加负载电荷注入效应如上所述,并非所有应用都要求低RON更低的RON需要占据更大的芯片面积,进而导致更大的输入电容,每个开关周期对输入电容进行的充电和放电需消耗更多功率根据时间常数t=RC,充电时间取决于负载电阻R和电容C,通常为几十纳秒,但低RON开关具有较长的导通和关断周期,而较大RON的开关则要更快一些Maxim提供两种类型的开关,它们具有相同的微型SOT23封装和相同的引出脚MAX4501和MAX4502的导通电阻较高,但开关速度更快MAX4514和MAX4515具有较低的导通电阻,但开关时间较长低导通电阻还带来另一负面效应,这就是比较大的流向容性栅极的电流引起较多的电荷注入每次开关导通或断开瞬间都有一定数量的电荷被注入或吸出模拟通道图6对于输出连接至高阻的开关,这种效应将引起输出信号的明显改变在一个没有其它负载的小分布电容CL上产生ΔVOUT的变化量,那么注入电荷可按公式Q=ΔVOUTCL计算图
6.来自于开关控制信号的电荷注入给模拟输出带来一个误差电压跟踪/保持放大器提供了一个很好的实例,在模数转换器转换期间用它来保持一个恒定的模拟输出图7闭合S1时,一个比较小的缓冲器电容C被充电至输入电压VS电容C只有几个pF,当S1断开时,VS保存在C上在转换开始时闭合S2,将保持电压VH加载至缓冲器这样,在整个ADC的转换周期内,高阻缓冲器保持VH恒定对于比较短的采集时间,跟踪/保持器的电容必须小,而且S1的导通电阻也要小但另一方面,电荷注入会造成VH改变±ΔVOUT几个毫伏,因此会影响到后面ADC的精度图
7.一个典型的跟踪/保持功能单元需要一个精密控制的模拟开关了解了这些基本概念后,现在,再让我们聚焦至几种针对特殊应用的新型开关高频T型开关T型开关适用于视频或高于10MHz的频率它包括两个串联的模拟开关,以及第三个连接于地和它们相连的节点之间的开关这种安排能够提供比单个开关更高的关断隔离由于寄生电容与串联开关中的每个开关并联图8,一个关断的T型开关的容性串扰一般随频率的升高而增大高频开关的问题不在于它的接通而在于它的关断当T型开关导通时,S1和S3闭合,S2断开T型开关断开时,S
1、S3断开,S2闭合这种情况下关断状态,透过串联MOSFET关断电容的耦合信号被S3旁路到地比较一下视频T型开关MAX4545与标准模拟开关MAX312对于10MHz信号的关断隔离,差异是显著的视频T型开关为-80dB,而标准模拟开关为-36dB图
8.T型开关配置衰减了透过断开关断开关的源极和漏极间的杂散电容耦合的RF信号更小封装CMOS模拟开关的其它优点还包括小封装例如6引脚SOT23封装,以及无机械部件与舌簧继电器不同Maxim提供一种很小的视频开关MAX4529,以及标准低电压SPDT开关MAX4544两者均采用6引脚SOT23封装,工作于
2.7V至12V电源电压MAX4544是目前市场上尺寸最小的SPDT开关见表2表
2.小尺寸封装RDS ICOMRONCharOff-Isolati SuptON/t ONOFF Flatnge ondB plyFunct OFFPin-Part NumberΩ/IDOF essInject max/Freq Voltion nsPackage maxFΩion uencyage maxnA maxpC MHzRanmax max ge V SPST MAX4501/M75/5+2to5-SOT23-5|8-NO/N2501-10-100/
0.1AX45020+12DIP/SO CSPST MAX4503/M150/±1to5-SOT23-5|8-NO/N2501-10-90/
0.1AX4504100±6DIP/SO CSPSTMAX4514/M150/+2to5-SOT23-5|8-NO/N201310-90/
0.1AX4515100+12DIP/SO C前面说过,Maxim提供多种类似于CD4066的通用模拟开关,包括一系列的低价格四通道模拟开关MAX4610–MAX4612MAX4610是工业标准4066的引脚兼容升级产品,具有更低的电源电压可低至2V和更高的精度通道间匹配度最大为4Ω,平坦度在18Ω以内该系列器件有三种开关设置,其低导通电阻5V时小于100Ω适用于低电压应用,采用微小的14引脚TSSOP封装最大
6.5x
5.1x
1.1mm³,解决了电路板空间问题ESD保护开关基于Maxim在带ESD保护的接口产品上所取得的成功,±15kV ESD保护也被引入一些新型模拟开关表3Maxim现已可提供首批符合IEC1000-4-24级最高级别的带±15kV ESD保护的开关所有模拟输入均经过了人体模式以及IEC1000-4-2所规定的接触放电和气隙放电等模式的ESD测试MAX4551/MAX4552/MAX4553与多数标准的四通道开关系列如DG201/DG211和MAX391产品引脚兼容为了充实标准多路复用器系列如74HC4051和MAX4581,Maxim还发布了带有ESD保护的多路复用器你无需再采用昂贵的TransZorb®器件对模拟输入进行保护表
3.带有符合IEC1000-4-2±15kV ESD保护,采用16引脚DIP、SO和QSOP封装的器件ICOMO RONSuppl RONCharg RDSOFF Maty Part Flatne tON/tO e100kHz FunctiN/IDOFF chVolta Numbe ss FF ns InjectiOFF-Isolation/Cro onΩΩge rΩmax onpC sstalkdB typmax nAmax Rangmax typmaxeV±2to4MAX45110/9±6or SPST120±1482-90/-90510+2to NO+12±2to4MAX45110/9±6or SPST120±1482-90/-90520+2to NC+124±2to MAX45SPST110/9±6or120±1482-90/-9053NO,0+2to NC+12±2to MAX458x1150/1±6or160±
1682.4-96/-9358Mux20+2to+12±2to Dual4MAX45150/1±6or x1160±
1682.4-96/-935920+2to Mux+12±2to MAX453150/1±6or160±
1682.4-96/-9360SPDT20+2to+12±2to1MAX45150/8±6SPST70±
0.5246-75690+2to NO+12±2to MAX452150/8±670±
0.5244-75/9077SPST0+2to+12±2to4MAX46150/8±6SPST70±
0.5245-75/90200+2to NO+12故障保护型开关正如前面“信号处理”部分中提到的,模拟开关的电源电压限制了输入信号的范围通常情况下这种限制不是一个问题,而在某些场合下,电源电压被关掉时模拟信号仍然存在这种情况可能会造成开关永久性的损坏,正如超出正常电源电压范围的电压瞬变一样Maxim的故障保护开关和多路复用器能够保证±25V的过压保护、±40V的掉电保护、满幅信号控制能力以及和一般开关相近的导通电阻图9不论开关状态和负载电阻如何,故障期间保证输入引脚为高阻态,只有纳安级的漏电流流过信号源图
9.该内部结构表示一个故障保护模拟开关的特殊电路如果开关P2或N2是打开的,COM输出被两个内部“后援”FET钳位于电源电压这样,COM输出保持在电源范围之内,并根据负载大小提供最多±13mA的电流,但在NO/NC引脚没有明显电流故障保护开关MAX4511/MAX4512/MAX4513与DG411–DG413及DG201/DG202/DG213引脚兼容表4值得一提的是,信号可以同样容易地从ESD和故障保护模拟开关的任意方向通过,但这些保护只在输入端有效表
4.满摆幅信号的故障保护开关ICOMO RONCharg SupplRDS OvervoltFF MattON/tO ey PartON ageFuncti/IDOFFchFF InjectiVoltag Pin-NumbΩSupplies onΩns one Packageer maxON/OFF nAmax maxpC RangeV MAXmax V±8to1Line MAX4±18or Protec100±
0.5--±36/±40-5-SOT|8-µMAX505+9to tor+36±8to3Line MAX4±18or Protec100±
0.57-±36/±40-8-DIP/SO/CERDIP506+9to tor+36±8to8Line MAX4±18or18-/DIP/SO/20-SS Protec100±
0.57-±36/±40-507+9to OPtor+36±
4.5to MAX48x1275/2400±
0.515±25/±4010±20or16-DIP/SO508Mux00+9to+36±
4.5to MAX44x1275/2±20or400±
0.515±25/±401016-DIP/SO509Mux00+9to+36±8to4MAX4500/4±18or16-DIP/SO/CERDI SPST160±
0.56±36/±40551100+9to PNO+36±8to4MAX4500/4±18or16/-DIP|16/SO|16/SPST160±
0.56±36/±40551200+9to CERDIPNC+364±8to MAX4SPST500/4±18or16-DIP/SO/CERDI160±
0.56±36/±405513NO,00+9to PNC+36±
4.5to MAX44250/1±20or175±
0.56±25/±40520-Wide SO/SSOP533SPDT50+9to+36±
4.5to2MAX4150/1±20or16-DIP/SO/CERDI SPST85±
0.56±36/±401063100+9to PNO+36±
4.5to MAX42150/1±20or16-DIP/SO/CERDI85±
0.56±25/±4010632SPDT00+9to P+36±
4.5to2MAX4150/1±20or16-DIP/SO/CERDI DPST85±
0.56±36/±401063300+9to PNO+36+9to1MAX4500/1+366-/SOT23SPST160±
0.5-±36/±40551075±
4.5to8-µMAX NC±20+9to2MAX4500/1+366-SOT23SPDT160±
0.5-±36/±40552075±
4.5to8-µMAX NO±20+9to1MAX4275/2+362:1MU275±210±25/±401014-TSSOP/SO/DIP53400±
4.5to X±20+9to2MAX4275/2+362:1MU275±210±25/±401014-TSSOP/SO/DIP53500±
4.5to X±20+
2.7to4MAX4125/8+118-µMAX SPST25±
0.51±7/±12257110±
2.7to9-UCSP NC±
5.5加载-感应开关Maxim推出了不同类型的开关采用相同封装的模拟开关系列例如,MAX4554/MAX4555/MAX4556可以配置为加载-感应开关,用于自动测试设备ATE中的开尔文检测每款器件含有用于加载电流的大电流低阻开关,以及用于检测电压或切换保护信号的较高电阻开关±15V供电时,电流开关导通电阻仅为6Ω,感应开关导通电阻为60Ω,MAX4556包含三组先断后合的SPDT开关典型的加载-感应应用出现在高精度系统和需要进行远距离测量的系统图10在4线测量中,两条线用来给负载施加一个电压或电流,另外两条线直接连接至负载,用来检测负载电压图
10.采用4线技术时,两条线用于加载,另两条线用于感应测量电压此外,还可以采用一个2线系统在加载线上和负载相反的另外一端检测负载电压由于加载电压或电流会沿导线产生压降,所以负载电压比源电压略低源和负载之间的距离越远、负载电流越大、导线电阻越大,则电压降越大这种信号衰减可以采用4线方式加以克服,额外增加两条电压检测线,其上的电流可以忽略加载感应开关简化了许多应用,例如在一个4线系统中,一个信号源在两个负载间的切换它们适合于高精度测量系统如纳伏表和飞安表,或者是采用保护线或双屏蔽同轴电缆的8线或12线加载-感应测量等,详细说明可参见MAX4554/MAX4555/MAX4556的数据资料多路复用器除开关外,Maxim具有许多开关复用器mux产品复用器是特殊形式的开关,其两路或多路输入被有选择地连接至单路输出复用器与SPDT开关同样易于使用,具有4:
1、8:
1、16:1和双4:
1、8:1等组合方式高阶复用器的数字控制类似于二进制解码器,需要三个数字输入以选择所需的通道解复器基本上是复用器的反向用法,即根据解码的地址数据将一个输入连接至两个或多个输出最后,还有交叉点开关交叉点开关通常是M xN型器件,M路输入中的任意一路或全部输入可以连接至N路输出中的任意一路或全部输出反之亦然校准型多路复用器校准型多路复用器cal-mux主要用于高精度ADC和自监测系统一个封装内部集成了多个不同元件用于从输入基准电压产生精确电压比的模拟开关、内部高精度电阻分压器、以及选择不同输入的多路复用器Maxim将这些功能集成在一个封装中该类器件中,MAX4539和MAX4540可用于修正ADC系统中的两个主要误差失调和增益误差利用内部的精密分压器,这两款器件在微控制器串行接口控制下,只需几个步骤即可测出增益和失调参考比15/4096和4081/4096相对于外部参考电压精确到15位比率5/8V+-V-和V+/2精确到8位校准型多路复用器首先送出电源电压的一半用以确定电源是否就绪系统然后测量零点失调和增益误差,并生成一个方程来修正后续数据举例来说,零输入电压应产生数字零输出校准型多路复用器利用一个非常小的输入电压,相对于VEFHI-REFLO的15/4096,来校准失调误差对于基准为
4.096V的12位ADC,15/4096相当于15mV或者说15LSB所以二进制数字输出码应该为000000001111要测量失调误差,控制器只需简单地记录二进制码000000001111与ADC实际输出之差为测量增益误差,校准型多路复用器提供一个相对于VREFHI-VREFLO的4081/4096的电压控制器测量二进制码111111110000与ADC实际输出之差知道ADC的失调和增益误差后,系统软件可建立修正系数,对后续输出进行修正后便可得到正确读数校准型多路复用器接下来就可作为一个普通的多路复用器使用,但具有周期性地对系统进行校准的功能USB
2.0开关通用串行总线USB是一个高速接口,用于手持设备与计算机的通信多个USB设备可以连接至一台计算机,采用模拟开关将USB信号切换至不同设备USB
2.0为高速信号,需要使用宽带、低电容模拟开关Maxim提供理想用于USB
2.0高速应用的USB
2.0兼容开关的优选方案表5给出了一些USB
2.0开关的示例表
5.USB
2.0开关CON SupplyRON RONCOF tON/tOF ICOMOFpF ChargeBW VoltagFunction O,Matc FPartFns,F nA,,Injectio MHzesmax hO,pF,maxmax typ npCRangemaxtypV
3.0to MAX4906F2SPDT
71.260/
30100062510003.62SPST
3.0to MAX4907F
71.260/3010004251000NO
3.6MAX4906E
2.7to2SPDT
70.
81.4/35100010920500F
3.63x
110.
2.7to MAX4899E
50.8—10001525425MUX
23.6MAX4899A4x
110.
2.7to
50.8—10001525425E MUX
53.6高压开关超声应用中,将高压脉冲±100V施加到传感器以产生超声波需使用模拟开关在传感器与主系统之间切换高压信号,因此该开关必须能够处理高压信号Maxim提供理想用于超声医疗应用的高压模拟开关的优选方案表6给出了一些示例表
6.高压开关Functio VSUPPL VSUPPLVSUPPVSUPP BWILOF tONtOFF COCOF Partns YY LYLY MHFnsns NF SinglSingl DualDual znAp pFe,V e,V,±V,±VFmin maxmin maxMAX4800A/MAX48SPST2005005004020040100203611802A NO00016MAX14800–MAX1200350350SPST40200401002036114803000NO。