信號處理設(shè)計

　 　圖3A還給出了RON值隨信號電壓的變化情況。圖中曲線都落在特定的電源電壓范圍之內(nèi)，這是因為未集成內(nèi)部電荷泵的典型模擬開關(guān)只能處理電源電壓范圍之 內(nèi)的模擬信號電平。對于沒有保護(hù)的模擬開關(guān)，過高或過低電壓的輸入將在芯片內(nèi)部的二極管網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生失控的電流，造成開關(guān)永久損壞。通常這些二極管能夠保護(hù)開 關(guān)抵抗高達(dá)±2kV的短時間靜電放電（ESD）。（參見下文中的 ESD保護(hù)開關(guān)部分）。

　　模擬開關(guān)的RON會造成信號電壓的線性衰減，衰減量正比于流過開關(guān)的電流。根據(jù)應(yīng)用及電流大小的不同，可能需要考慮這種電壓變化。

　 　需要考慮的另外兩個重要參數(shù)是通道匹配度和RON平坦度。通道間的匹配度說明同一器件各通道RON的差異；RON平坦度是指某一通道的RON在信號范圍 內(nèi)的變化量。匹配度/RON或平坦度/RON的比值越小，則模擬開關(guān)的精度越高。這兩個參數(shù)的典型值分別為0.1Ω至5Ω。有些開關(guān)是專門針對低通道匹配 度和平坦度設(shè)計的。例如，MAX4992的通道匹配度可達(dá)到3mΩ，RON平坦度可達(dá)到1mΩ。MAX14535E具有非常好的RON、通道匹配度和 RON平坦度指標(biāo)，理想用于交流耦合音頻或視頻便攜式設(shè)備，可處理低至-1.5V的負(fù)信號擺動。

　　大多數(shù)應(yīng)用中，可以通過修改電路設(shè)計防 止過大的開關(guān)電流。例如，您可能希望通過在不同反饋電阻間切換來改變運算放大器的增益，這種情況下最好選擇采用高阻輸入與開關(guān)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)（圖4A）。此 時，由于開關(guān)電流較小，RON值及其溫度系數(shù)可忽略不計。然而，圖4B所示的設(shè)計中，開關(guān)電流取決于輸出電壓，因此其值較大，就不太理想。

　　圖4. 增益控制電路設(shè)計的好（A）或壞（B）取決于流過開關(guān)的電流大小。

　　音頻開關(guān)和先斷后合功能

　 　所有音頻系統(tǒng)中的一項主要性能要求是消除瞬態(tài)脈沖通過揚聲器負(fù)載放電引起的可聞咔嗒/噼噗聲。這些瞬態(tài)通常發(fā)生在電源打開和關(guān)閉期間（導(dǎo)通和關(guān)斷時 間，tON和tOFF）。無論設(shè)備在工作期間的音頻質(zhì)量如何，如果在系統(tǒng)每次打開或關(guān)閉時發(fā)出噪雜的咔嗒聲，用戶往往會認(rèn)為該音頻設(shè)備的質(zhì)量比較差。通過 延長模擬開關(guān)的tON和tOFF，可消除可聞咔嗒/噼噗聲。這減小了通過揚聲器負(fù)載進(jìn)行放電的瞬態(tài)脈沖。大多數(shù)模擬開關(guān)的tON和tOFF從低至15ns 到高達(dá)1μs不等，但有些“無雜音”開關(guān)可達(dá)到毫秒級。

　　有些無雜音開關(guān)使用旁路開關(guān)和先斷后合功能消除咔嗒聲。在使用MAX4744的 音頻應(yīng)用中，利用內(nèi)部旁路開關(guān)對輸入處的電容放電。這可防止瞬態(tài)電壓進(jìn)入揚聲器。先斷后合功能保證開關(guān)在切換至另一連接之前首先斷開之前的連接，要求 tON 》 tOFF。有些設(shè)計則要求開關(guān)先合后斷，此時tOFF 》 tON。例如，圖4A中的電路在兩種增益之間切換時必須謹(jǐn)慎。改變增益時，避免使兩個開關(guān)同時處于打開狀態(tài)非常重要；第二個開關(guān)必須在第一個開關(guān)開路之前 閉合。否則，運算放大器會采用開關(guān)增益，其輸出將被驅(qū)動至電源電壓。

　　信號電平變化會引起RON變化，造成開關(guān)的插入損耗變化，這會增大 模擬開關(guān)的總諧波失真（THD）。以RON平坦度為10Ω的100Ω開關(guān)為例，當(dāng)負(fù)載為600Ω時，開關(guān)將產(chǎn)生1.67%的THDMAX。THD是許多應(yīng) 用中的關(guān)鍵參數(shù)，表示通過開關(guān)的信號質(zhì)量或保真度。THD的定義為全部諧波分量的平方和的平方根與基波分量之比（式2a）。用式2b計算最大THD。圖5 所示為不同開關(guān)的THD比較。

　　圖5. 一組模擬開關(guān)的THD與頻率關(guān)系。

　　低RON及管理電荷注入效應(yīng)

　 　并非所有應(yīng)用都要求低RON。然而，當(dāng)應(yīng)用需要較低RON，需要考慮多項設(shè)計要求。電路所需的芯片面積更大，設(shè)計將引入更大的輸入電容，每個開關(guān)周期對 輸入電容進(jìn)行充電和放電需要消耗更大功率。該輸入電容的充電時間取決于負(fù)載電阻（R）和電容（C），其時間常數(shù)由t = RC決定。充電時間通常為幾十納秒，但高RON開關(guān)具有較短的tON和tOFF周期。有些模擬開關(guān)以相同的封裝類型和引腳排列提供不同的RON/輸入電容 組合。MAX4501和MAX4502具有相對較高的RON，tON/tOFF較短；MAX4514和MAX4515具有較低的RON，但開關(guān)時間較長。

　 　低RON還具有另一負(fù)面效應(yīng)：較高的容性柵極電流引起較高的電荷注入。每次開關(guān)導(dǎo)通或斷開瞬間都有一定數(shù)量的電荷被注入或吸出模擬通道（圖6A）。對于 輸出連接至高阻的開關(guān)，這種效應(yīng)將引起輸出信號的明顯改變。在一個沒有其它負(fù)載的小分布電容（CL）上產(chǎn)生ΔVOUT的變化量，那么注入電荷可按公式Q = ΔVOUTCL計算。跟蹤和保持放大器提供了一個很好的實例，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換期間用它來保持一個恒定的模擬輸出（圖6B）。閉合S1時，一個 比較小的緩沖器電容（C）被充電至輸入電壓（VS）。電容C只有幾個pF，當(dāng)S1斷開時，VS保存在C上。在轉(zhuǎn)換開始時閉合S2，將保持電壓（VH）加載 至緩沖器。這樣，在整個ADC的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，高阻緩沖器保持VH恒定。對于比較短的采集時間，跟蹤和保持器的電容必須小，而且S1的RON要小。注意，此 外，電荷注入會造成VH改變±ΔVOUT（幾個毫伏），因此會影響到后面ADC的精度。

　　圖6A. 來自于開關(guān)控制信號的電荷注入造成模擬輸出電壓誤差。

　　圖6B. ADC中的典型跟蹤和保持功能需要精密控制的模擬開關(guān)。

　　漏電流及其對電壓誤差的影響

　　漏電流影響模擬開關(guān)的輸出電壓。圖7和8所示為模擬開關(guān)打開和關(guān)閉階段的簡化小信號模型。這兩種情況下，大部分漏電流通過內(nèi)部寄生二極管，影響輸出電壓誤差。漏電流還是溫度的函數(shù)，每10℃大約翻一倍。ESD保護(hù)二極管（例如故障保護(hù)開關(guān)中）增大漏電流。

　　圖7. 開關(guān)閉合的等效電路圖。

　　圖8. 開關(guān)開路的等效電路圖。

　　利用式3計算導(dǎo)通狀態(tài)的輸出電壓，輸出電壓是漏電流、RON、在所施加輸入信號范圍內(nèi)RON的變動、負(fù)載電阻及源電阻的函數(shù)。對于雙向模擬開關(guān)，Ilkg等于IS或ID （圖7和8所示），取決于開關(guān)的漏極還是源極側(cè)配置為輸出。

　　關(guān)斷狀態(tài)下的輸出電壓主要受漏電流影響，由式VOUT = Ilkg × RL計算。

　　許多IC的數(shù)據(jù)資料給出了最差情況的導(dǎo)通/關(guān)斷漏電流：當(dāng)信號電壓接近電源電壓限值時，造成寄生二極管向基片注入較高電流，導(dǎo)致電流流入相鄰?fù)ǖ馈?br />