傳統CMOS工藝模擬開關的結構如圖1所示。將NMOS與PMOS並聯，可使信號在兩個方向上同等順暢地通過。門極用於控製開關的導通和截止
，NMOS在Vgs為正的時候導通
，在Vgs為負的時侯截止，PMOS則反之。由於PMOS和NMOS的不同特性，導致他們組成的開關具有如下圖所示的特性。NMOS和PMOS之間承載信號電流的多少由輸入與輸出電壓比決定。由於開關對電流流向不存在選擇問題
，因而也沒有輸入端與輸出端之分。兩個MOSFET由內部反相與同相邏輯控製下導通或斷開。CMOS開關的好處是軌到軌的動態範圍，雙向操作，在輸入電壓變化時，導通電阻保持不變。

 

圖1 典型模擬開關內部結構圖

 

●    靜態參數（導通電阻
，漏電流，邏輯控製觸發電平）：

 

①導通電阻RON，不同通道導通電阻的差異RON
，導通電阻的平坦度RFLAT(ON)

 

導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)會(hui)導(dao)致(zhi)信(xin)號(hao)有(you)損(sun)失(shi)
，尤(you)其(qi)是(shi)當(dang)開(kai)關(guan)串(chuan)聯(lian)的(de)負(fu)載(zai)為(wei)低(di)阻(zu)抗(kang)時(shi)損(sun)失(shi)更(geng)大(da)。應(ying)用(yong)中(zhong)應(ying)根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)選(xuan)擇(ze)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)合(he)適(shi)的(de)開(kai)關(guan)。特(te)別(bie)需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)，導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)的(de)阻(zu)值(zhi)與(yu)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)有(you)直(zhi)接(jie)關(guan)係(xi)，通(tong)常(chang)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)越(yue)大(da)，導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)就(jiu)越(yue)小(xiao)。

 

圖2 CMOS型模擬開關導通電阻特性曲線

 

NMOS管在信號比較低時的導通電阻較小

，而PMOS管則在輸入信號較高時的導通電阻較小，兩個電阻並聯後，則在整個信號的有效範圍內都比較低。

 

②漏電流Leakage Current ：

 

一個理想狀態的開關要求導通狀態下的電阻為零，斷開狀態下導通電阻趨於無限大，漏電流為零；而實際上開關斷開時為高阻狀態，漏電流不為零，常規的CMOS漏電流約1nA左zuo右you。開kai關guan斷duan開kai時shi


，漏lou電dian流liu會hui流liu入ru負fu載zai，從cong而er引yin起qi額e外wai的de誤wu差cha。如ru果guo信xin號hao源yuan內nei阻zu很hen高gao，傳chuan輸shu信xin號hao為wei直zhi流liu量liang，就jiu特te別bie需xu要yao考kao慮lv模mo擬ni開kai關guan的de漏lou電dian流liu
，一yi般ban希xi望wang漏lou電dian流liu越yue小xiao越yue好hao。

 

需要注意

，如果通過模擬開關前端電路的阻抗大則漏電流的影響不容忽略，如果前端電路阻抗較小，則導通電阻的影響就會更大些。

 

圖3 開關導通狀態下的等效電路

 

 

③邏輯控製觸發電平VIH,VIL：

 

VIH:可以被模擬開關識別成邏輯高電平的最小電平值

VIL:可以被模擬開關識別成邏輯低電平的最大電壓值。

 

l 動態參數（導通斷開時間
，傳輸延遲，電荷注入，管腳電容
，最大數據速率，隔離度等）

 

①Ton/Toff:

 

開關接收到數字控製管腳的導通或斷開信號後
，輸出真正反映輸入信號導通或斷開所需要的時間。

 

圖5 Turn on&Turn off 時間

 

②T-break-before-make:

 

這個指標大部分針對單刀多擲的模擬開關而言的，比如對於一個1:2的模擬開關（SPDT），它的定義是從斷開一個開關到打開另一個開關的時間。

 

圖6 Break-Before-Make時間

 

③T-make-before-break：

 

與上麵的參數類似，從打開開關到斷開另外一個開關的時間。

 

④切換時間：T transition time：

 

從一個輸入通道切換到另一個輸入通道後

，輸出需要的切換時間。

 

⑤T enable/disable time：

 

輸入通道在使能和禁止時，所需要的的時間。

 

⑥Propagation delay:

 

信號出現在輸入通道後，出現在輸出通道的時間差。

 

⑦電荷注入：

 

用(yong)於(yu)衡(heng)量(liang)模(mo)擬(ni)開(kai)關(guan)在(zai)進(jin)行(xing)開(kai)和(he)斷(duan)操(cao)作(zuo)時(shi)由(you)於(yu)電(dian)荷(he)的(de)放(fang)電(dian)，導(dao)致(zhi)出(chu)現(xian)在(zai)開(kai)關(guan)輸(shu)出(chu)的(de)毛(mao)刺(ci)電(dian)壓(ya)。原(yuan)理(li)是(shi)開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)時(shi)，對(dui)電(dian)容(rong)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)斷(duan)開(kai)時(shi)，儲(chu)存(cun)的(de)電(dian)荷(he)進(jin)行(xing)放(fang)電(dian)。對(dui)源(yuan)端(duan)的(de)放(fang)電(dian)不(bu)會(hui)引(yin)入(ru)誤(wu)差(cha)
，而(er)對(dui)負(fu)載(zai)端(duan)的(de)放(fang)電(dian)則(ze)會(hui)引(yin)入(ru)誤(wu)差(cha)。顯(xian)而(er)易(yi)見(jian)，電(dian)荷(he)注(zhu)入(ru)會(hui)帶(dai)來(lai)增(zeng)益(yi)誤(wu)差(cha)和(he)直(zhi)流(liu)失(shi)調(tiao)誤(wu)差(cha)。

 

⑧管腳寄生電容Cs(on),Cd(on),Cs(off),Cd(off),C in

 

Cs(on) 導通時輸入電容

Cd(on) 導通時輸出電容；

Cs(off) 斷開時的輸入電容；

Cd(off) 斷開時的輸出電容；

C in 數字控製引腳上的寄生電容。

 

⑨-3dB帶寬-3dB Bandwidth：

 

開關導通時，增益衰減3dB的時候
，可導通信號的頻率被定義為帶寬。

 

⑩隔離度Off Isolation：

 

當dang開kai關guan斷duan開kai時shi
，理li想xiang狀zhuang態tai下xia，輸shu出chu不bu應ying出chu現xian輸shu入ru信xin號hao
，實shi際ji上shang在zai輸shu出chu會hui有you與yu輸shu入ru信xin號hao頻pin率lv一yi樣yang的de信xin號hao
，這zhe是shi由you於yu輸shu入ru輸shu出chu間jian的de寄ji生sheng電dian容rong引yin起qi的de。隔ge離li度du參can數shu越yue大da越yue好hao
，表biao示shi輸shu出chu端duan耦ou合he過guo去qu的de信xin號hao越yue小xiao。

 

串擾Crosstalk：

 

對於2:1的複用器，當其中通道1導通時，通道2上會耦合出通道1的信號，Crosstalk用於衡量耦合信號的大小，參數值越大

，表示耦合過去的信號幅值越小。

 

總諧波失真Total Harmonic Distort：

 

一些音頻的信號處理對THD要求嚴格，THD定義為
，信號功率與諧波及噪聲的dB比值。測試時給開關輸入一個正弦波，開關的輸出會包含基波以及各次諧波，要注意的是導通電阻的平坦度也會影響THD的指標。

 

模擬開關應用場景

 

潤石科技深耕細分領域
，為不同的應用場景量身打造了多個係列的模擬開關：

 

①音頻類應用：RS2117/RS2118非常適合用於降噪耳機

，音箱
，KVM
、矩陣以及調音台等產品中。在音頻係統中，對模擬開關的要求是可以過交流信號，並且需要消除瞬時放電脈衝通過揚聲器時引起的POP音。這些瞬時脈衝通常由電源的通
、斷引起。下圖是用RS2118設計的一種消除POP音的電路：

 

圖7 RS2118 POP音消除電路

 

②通訊口擴展

 

USB接口複用：帶寬550MHz模擬開關RS2227/RS2228

SPI接口複用，I2S信號切換：帶寬300MHz模擬開關RS2299

UART、I2C接口擴展：RS2105/RS2058等

 

③多路信號分時采樣

 

當電路中需要采集的信號量比較多的時候
，ADC或者IO口不夠用的時候可以使用模擬開關來做端口的擴展。在滿足帶寬和電源要求的情況下，RS2251/RS2252/RS2254多路複用器可以輕鬆應對這樣的需求。

 

④耗盡型模擬開關RS550

 

當降噪耳機的電池電量耗盡時
，或者需要控製外部輸入的音源直接接入到音源時，可以直接使用耗盡型的模擬開關RS550，不供電下處於閉合導通狀態。

 

圖8 RS550在降噪耳機上的應用示意

 

附：潤石科技模擬開關選型樹狀圖

 

圖9 潤石模擬開關選型樹狀圖

 

 

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