CMOS模拟开关的特性与典型应用

　　一、前言：

　　早期的模拟开关大多工作于±20V 的电源电压，导通电阻为几百欧姆，主要用于模拟信号与数字控制的接口，近几年，集成模拟开关的性能有了很大的提高，它们可工作在非常低的电源电压，具有较低的导通电阻、微型封装尺寸和极佳的开关特性。被广泛用于测试设备、通讯产品、PBX/PABX 设备以及多媒体系统等。一些具有低导通电阻和低工作电压的模拟开关成为机械式继电器的理想替代品。

　　模拟开关的使用方法比较简单，但在具体应用中应根据实际用途做合理的选择。本文主要介绍模拟开关的基本特性和几种特殊模拟开关的典型应用。

　　二、正确选择CMOS开关：

　　1、导通电阻：传统模拟开关的结构如图1 所示，它由N 沟道MOSFET 与P 沟道MOSFET 并联构成，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2 并联结构下导通电阻(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)，这是设计人员所不希望的，如何将RON随VIN的变化量降至最小也是设计新一代模拟开关所面临的一个关键问题。

　　

　　

　　另外，导通电阻还与开关的供电电压有关，由图3 可以看出：RON随着电源电压的减小而增大，当MAX4601的电源电压为5V 时，最大RON为8Ω;当电源电压为12V 时，最大RON为3Ω;电源电压为24V时，最大RON仅为2.5Ω。RON的存在会使信号电压产生跌落，跌落量与流过开关的电流成正比，对于适当的电流这一跌落量在系统容许的误差范围内，而要降低RON所耗费的成本却很高，因此，应根据实际需要加以权衡。RON 确定后，还需考虑通道间的失配度与RON的平坦度。通道失配度用来描述同一芯片不同通道间RON 的差别;RON 的平坦度用于描述每一通道的RON在所规定的信号范围内的变化量。这两个参数的典型值为2Ω至5Ω，对于低RON 模拟开关，这些参数仅为0.5Ω。失配度/RON、平坦度/RON 这两个比值越小，说明模拟开关的精度越高。

　　2、注入电荷：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ns。这说明低RON开关具有更长的导通和关断时间。Maxim 提供两种类型的开关，每种开关都有微型SOT23 封装，MAX4501 和MAX4502 的导通电阻较高，但开关速度较快;MAX4514 和MAX4515 具有较低的导通电阻，但开关时间较长。

　　3、系统电源：为单电源供电系统选择模拟开关时，应尽量选择那些专为单电源供电而设计的产品，这类开关不需要单独的V-和GND引脚，节省了一个引脚，能够把一个单刀双掷(SPDT)开关封装在微小的SOT23-6 中。同样，低电压双电源供电系统需选用双电源供电开关，它们具有独立的V-和GND 引脚，还特别设有与标准的CMOS 或TTL 电平的逻辑接口，该系列中的SPST 开关(MAX4529)同样可采用SOT23-6 封装。许多高品质的模拟系统仍需较高的双极性电源如：±15V 或±12V 供电，模拟开关与这些电源连接时需要一个额外的电源引脚，该引脚通常标为VL，VL与系统的逻辑电源相连，一般为5V或3.3V，保证输入逻辑信号为精确的逻辑电平能够提高噪声裕量、节省功耗。

　　由于模拟开关只能处理幅度在电源电压摆幅以内的信号，输入信号幅度必须保证在所规定的电源电压范围内，对于未加保护的模拟开关，过高或过低的输入信号将在开关内部的二极管网络产生失控电流，造成模拟开关的永久损坏。