模拟开关使用指南-使用模拟开关必读.pdf

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1、低电压高性能系统中的模拟开关低电压高性能系统中的模拟开关Maxim公司驻成都应用工程师吴忠摘要摘要：本文描述了在低电压（摘要5V或更低）、高性能系统（如便携式CD品质音视频系统）中切换和开关信号会遇到的一些问题。重点介绍了交流开关特性及限制条件。利用本文介绍的技术，可以设计出一个单电源5V开关和路由系统，其性能甚至超过以往±15V系统。关键词关键词：模拟开关关键词MOSFET导通电阻过去二十年里，单片集成CMOS模拟开关一直是切换（路由）和开关模拟信号的首选器件。这种开关由一个P沟道和一个N沟道MOSFET并联而成

2、，门极（栅极）受外部驱动电路控制，构成一个寄生参数小、可双向导通的低电阻开关器件。在过去几年中，单片集成CMOS模拟开关的性能得到稳步提高，新一代的开关以其前所未有的高性能令设计人员振奋。虽然模拟开关原理简单，但是要想用好却不是一件容易之事，常常会遇到难以明状的问题，甚至会误入歧途。除此而外，由于器件向更低电压、更高速度发展，因此对信号的开关和切换比以前任何时候更具有挑战性。虽然利用单个MOSFET管就可以通断信号，但通常不能无失真地通过高质量的交流信号。在开关电源中，P沟道MOSFET管常常用做高端功率开关，当其

3、栅极接地时，开关导通；反之，升高栅极电平，开关断开。在电源系统中，由于输入信号电平变化相对较小，因此P-MOSFET作为功率开关器件可以很好地工作。但它不适合于通断电平时刻变化的音视频信号，因为栅极驱动电压随着信号电平的改变而改变，结果使得P-MOSFET的通态电阻随时都在改变。当然，限制输入信号的摆幅可以部分改善其性能，但不能从根本上解决问题。这是由于负载电阻固定不变，导通电阻的变化会使增益随信号电平的改变而变化。这种调制效应会直接引起音频谐波失真或产生视频差分增益误差。早期解决电阻平坦度问题一个聪明的办法是增加

4、一个N沟道MOSFET，它与P沟道MOSFET并联。当输入信号电平变大（变小）时，PMOS的驱动电压减小（增大）引起导通电阻变大（变小），而NMOS则相反，其驱动电压增大（减小），导通电阻变小（变大）。因此，由它们并联而成的模拟开关导通电阻变化不大，相对平坦（见图1）。图1:模拟开关由N-MOSFET与P-MOSFET并联而成。1/9低电压高性能系统中的模拟开关在较早的开关器件中，尤其是那些采用金属门工艺的模拟开关（如CD4066），FET场效应开关需要高达3V的门极驱动电压才能完全导通。虽然生产厂商暗示其产品在5

5、V甚至3V都可以工作，然而由于通态电阻平坦度差，仅适用于要求不严格场合，而非所有场合。因为，在如此低的供电电压时，信号电平处于某些范围内时，两个FET均不能完全导通，结果导通电阻平坦度很差。（见图2）图2，该图绘出了几种常用的CMOS模拟开关在不同工作电压时，导通电阻随信号电平变化特性曲线。导通电阻的变化将引起非线性失真。注意，3V电压时，CD4066电阻值大得已无实际意义了。以图2中的CD4066为例，当工作电压为3V时，其电阻变化超出了图表范围，在图表最上部某处达到其最大值--1200Ω。显然不能把它应用于3V

6、场合。当工作电压5V时，其电阻变化平坦一些，但阻值仍然大、平坦度依旧很差。硅门开关（如74HC4066）在低电压时有比较好的性能。采用这种较新工艺生产的FET只需不到1V的门极驱动电压即可导通，十分有助于改善开关的低电压工作性能。5V电压时，这种开关的导通电阻不大，平坦度也较好。它们甚至还可在某些3V场合使用。图2中最下面两条曲线是另一类模拟开关的特性，它们采用了最新的硅门工艺，性能优良。请注意开关MAX323，3V工作电压时，性能比5V时的74HC4066还好一些。当工作电压5V时，导通电阻变化只有几欧姆。这种高

7、性能为模拟开关开拓了新的应用领域。RON的作用：模拟开关性能优劣基本上由导通电阻大小及平坦度决定。△RON与负载电阻之比决定了音频失真度，视频线性度与△RON也有类似关系，如下：THD=△RON/RLOAD根据上面的关系式，为了使信号失真最小，只有尽可能地增大RLOAD、尽可能地减小△RO。到目前为止，我们只考虑了开关导通时的情况，这当然还不够，还需要从各方面综合考虑。模拟开关断开时，其精确交流等效模型（如图3）为一串联小电容。从图中可见，如果负载电阻增大，馈通电容的阻抗也变大，结果模拟开关隔离度降低。同样，当负载

8、电阻增大时，串扰也将变大。另外，在许多场合，负载电阻的大小还不能完全由设计者决定。开关的导通电阻会带来插入损耗，损耗大小由RON及RLOAD组成的分压电路确定。通常假定信号源输出阻抗为0，否则在计算插入损耗时还需将信号源内阻计入RON中，因此损耗还要大一些。为了使信噪比不降低，必须尽可能地减小损耗，然而在无源网络中损耗是不可避免的。因为过大的损耗会降低信噪比