引言

　　集成模擬開關(guān)常常用作模擬信號(hào)與數(shù)字控制器的接口。當(dāng)今市場(chǎng)上的模擬開關(guān)數(shù)量眾多，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員需要考慮多項(xiàng)性能標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)也有許多35年前開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS開關(guān)已經(jīng)發(fā)展為專用的開關(guān)電路。

　 　本文回顧標(biāo)準(zhǔn)CMOS模擬開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)并介紹常見(jiàn)模擬開關(guān)參數(shù)，例如導(dǎo)通電阻（RON）、RON平坦度、漏電流、電荷注入及關(guān)斷隔離。文中討論最新模 擬開關(guān)的性能改善：更好的開關(guān)特性、更低的供電電壓，以及更小的封裝。也介紹了專用的特性，例如故障保護(hù)、ESD保護(hù)、校準(zhǔn)型多路復(fù)用器（cal- mux）和加載-感應(yīng)功能。介紹了適用于視頻、高速USB、HDMI和PCIe的專用開關(guān)。

　　標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)基礎(chǔ)

　 　傳統(tǒng)模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。將n溝道MOSFET與p溝道MOSFET并聯(lián)，可使信號(hào)在兩個(gè)方向上同等順暢地通過(guò)。n溝道與p溝道器件之間承載信號(hào) 電流的多少由輸入與輸出電壓比決定。由于開關(guān)對(duì)電流流向不存在選擇問(wèn)題，因而也沒(méi)有嚴(yán)格的輸入端與輸出端之分。兩個(gè)MOSFET由內(nèi)部反相與同相放大器控 制下導(dǎo)通或斷開。這些放大器根據(jù)控制信號(hào)是CMOS或是TTL邏輯、以及模擬電源電壓是單或是雙，對(duì)數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行所需的電平轉(zhuǎn)換。

　　圖1. 采用并聯(lián)n溝道和p溝道MOSFET的典型模擬開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　現(xiàn)在，許多半導(dǎo)體制造商都提供諸如早期CD4066這樣的傳統(tǒng)模擬開關(guān)。有些最新設(shè)計(jì)的模擬開關(guān)與這些早期開關(guān)的引腳兼容，但性能更高。例如，有些與CD4066引腳兼容的器件（例如MAX4610）相對(duì)于原來(lái)的CD4066具有更低的RON和更高的精度。

　　對(duì)基本模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)也有一些功能性改變。有些低電容模擬開關(guān)在信號(hào)通路中只使用n溝道MOSFET（例如MAX4887），省去了較大的大幅降低模擬開關(guān)帶寬的p溝道MOSFET。

　　其它采用單個(gè)正電源軌工作的模擬開關(guān)采用電荷泵，允許負(fù)信號(hào)電壓。例如，MAX14504音頻開關(guān)工作在+2.3VCC至+5.5VCC單電源，采用內(nèi)部電荷泵，允許-VCC至+VCC的信號(hào)無(wú)失真通過(guò)。除功能改善外，工業(yè)上許多最新模擬開關(guān)的封裝比早期的器件更小。

　　低導(dǎo)通電阻（RON）開關(guān)降低信號(hào)損耗

　 　在VIN為各種電平條件下，p溝道和n溝道RON的并聯(lián)值形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)的RON特征（圖2）。RON隨VIN的變化曲線在不考慮溫度、電源電壓和模擬輸 入電壓對(duì)RON影響的情況下為直線。為使信號(hào)損耗和傳輸延遲最小，理想情況下的RON應(yīng)盡量小。然而，降低RON將增大MOSFET硅片的寬度/長(zhǎng)度（W /L）比，從而造成較高的寄生電容和較大的硅片面積。這種較大的寄生電容降低模擬開關(guān)的帶寬。如果不考慮W和L，RON是電子和空穴遷移率（μn和 μp）、氧化物電容（COX）、門限電壓（VT）及信號(hào)電壓、n溝道及p溝道MOSFET的信號(hào)電壓VGS （VIN）的復(fù)合函數(shù)，如式1a和1b所示。

　　將RON和寄生電容最小化，同時(shí)改善整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi)RON相對(duì)于VIN的線性度，往往是設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的首要目的。

　　圖2. RON與VIN的關(guān)系。圖1中的n溝道和p溝道RON構(gòu)成一個(gè)復(fù)合的低值RON。

　 　早期的模擬開關(guān)工作于±20V電源電壓，導(dǎo)通電阻RON為幾百歐姆。最新改進(jìn)達(dá)到了最大0.5Ω的RON，供電電壓低得多。電源電壓對(duì)RON的影響很大 （圖3A），施加的信號(hào)也會(huì)明顯影響RON （圖3B）。本例中，MAX4992信號(hào)和電源電壓為1.8V至5.5V，RON在較低電源電壓時(shí)增大（圖3A）。MAX4992采用單電源時(shí)達(dá)到了非常 低的RON及RON平坦度（1mΩ）。圖3B為新、舊模擬開關(guān)的比較，電源為5V。

　　圖3A. 較高電源電壓下RON較低。圖為MAX4992（單電源）RON與VCOM的關(guān)系。

　　圖3B. 新、舊模擬開關(guān)的RON比較。

　　為單電源系統(tǒng)選擇模擬開關(guān)時(shí)，盡量選擇專門針對(duì)單電源設(shè)計(jì)的器件。此類器件無(wú)需單獨(dú)的V-和地引腳，因而可節(jié)省一個(gè)引腳。引腳上的經(jīng)濟(jì)性意味著單刀雙擲（SPDT）開關(guān)（例如MAX4714）可采用小型6引腳、1.6mm2、μDFN封裝。

　　許多高性能模擬系統(tǒng)仍然使用較高電平的雙極性電源，例如±15V或±12V。與這些電壓接口時(shí)需要額外的一個(gè)電源引腳，通常稱為邏輯電源電壓（例如MAX14756）。該引腳（VL）連接至系統(tǒng)邏輯電壓，通常是1.8V或3.3V。