电子模拟开关的模拟特性和开关特性

  • 分类:应用
  • 作者:航晶微电子
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  • 发布时间: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。

  

  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。

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