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结合实例解读模拟开关关键技术

发布时间:2017-10-30 责任编辑:lina

【导读】模拟开关是一种三稳态电路,它可以根据选通端的电平,决定输人端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时,输出端的状态取决于输人端的状态;当选通端处于截止状态时,则不管输人端电平如何,输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。


       尽管模拟开关具有机械开关不可取代的优势,然而它的应用较机械开关稍微复杂些,初次使用模拟开关的工程人员往往会由于模拟开关使用不当,引起整个系统的故障。本文通过将模拟开关与普通机械开关作比较,论述了模拟开关的若干基本概念,并结合实例对模拟开关应用的关键技术进行研究。

  模拟开关的模拟特性

  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:

  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。

  结合实例解读模拟开关关键技术

  图1:a. 模拟开关原理图;b. 模拟开关导通电阻与输入电压关系

  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(低于零电势)或者过高(高于电源电压)时,MOSFET处于反向偏置,当电压达到某一值时(超出限值0.3V),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。

  3. 注入电荷

  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,在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流。时间常数t=RC,充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C),一般持续几十纳秒。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毫安级,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,一般低于纳安级。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

  既然称之为模拟开关,自然它还具有开关性,具体表现如下:

  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,就很容易使电路生成问题,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,一般只有纳安级以下,如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模拟开关,其断开后的漏电流均为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。

  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。

  模拟开关应用实例分析

  图2是一音响设备前端放大及信号选通部分电路,其中选用了SGM324(四通道运算放大器)和SGM3002(双通道模拟开关)。

  结合实例解读模拟开关关键技术

  图2:音响前端放大及信号选通电路

  该方案设计本意是当Input=0时,Line_outL和Line_outR音频信号选通;当Input=1时,Phone_outL和Phone_outR音频信号选通。然而当实验机做出后,设计者发现当Input=1时,Line_outL和Line_outR通道有相当一部分信号分别漏到D1和D2端。应用网络分析仪HP/Agilent 3589A测试SGM3002的关断隔离度,当输入信号为10kHz时,SGM3002的关断隔离度仅为-120dB,因此芯片应该没有问题。

  事实上,该电路在模拟开关应用上存在下面两处错误:

  1. 模拟开关的输入信号缺少一个直流偏置

  图2中模拟开关部分电路可以等效成图3,本文第一部分曾经提到模拟开关输入信号输入不能为负。

  

结合实例解读模拟开关关键技术

  图3:模拟开关等效电路

  通常来讲,CMOS工艺的模拟开关输入信号最小只能到-0.3V,如果再低于这个值,芯片将不能正常工作,甚至会损坏。图2中模拟开关输入信号没有直流偏置,所以输入信号有一部分处于负值区,模拟开关自然无法正常工作。

  解决办法:将电容C2、C3均去掉,模拟开关输入信号便有了1/2VDC的直流偏置信号,此时模拟开关便可以轨到轨工作。此外,由于模拟开关公共端后面加了电容,所以直流信号依然可以被有效地隔离。

  2. 在D1和D2端缺少耦合电阻

  当模拟开关在断开的情况下,其输入与输出端等效串联了一个电容C,如果再假设在模拟开关输出端到地之间有一个等效电阻R,则模拟开关在断开时的等效电路如图4所示。

  结合实例解读模拟开关关键技术

  图4:模拟开关断开时的等效电路

  此时的模拟开关其实等效为一个RC滤波电路,由此不难得出以下公式:

  结合实例解读模拟开关关键技术

  其中,uout为模拟开关输出信号;uin为模拟开关输入信号;R为模拟开关输出端电阻负载;C为模拟开关断开时等效电容;f为输入信号频率。

  由于模拟开关等效电容C会设计成很小,所以当输入信号f处于音频区时,增益A由R和f同时决定。当R取值较小时,f起主导作用,此时A《《1,信号被有效隔离。当R取值较大时,此时R起主导作用,此时A—》1,信号几乎被完全泄漏过来。所以当输出端悬空时,其输出端与地之间电阻R—》+∞,此时模拟开关完全导通。

  修正以上两个错误后,该音频应用电路便可以正常工作了。由以上实例可以看出,充分理解模拟开关的基本概念是正确应用模拟开关的基础。






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