- 本文重點(diǎn)闡述為便攜式產(chǎn)品選擇模擬開關(guān)時(shí)需考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)和關(guān)鍵事項(xiàng)
- 低導(dǎo)通電阻是模擬開關(guān)在音頻切換用途時(shí)的主要選擇因素
- 英聯(lián)電子的低ICCT系列模擬開關(guān)省去電平轉(zhuǎn)換模塊，有效降低成本
- 通過(guò)在開關(guān)斷開時(shí)接通一個(gè)去噪電阻來(lái)快速釋放電荷可提高音頻切換質(zhì)量
- 英聯(lián)電子的高隔離度模擬開關(guān)采用T-Switch結(jié)構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)了信號(hào)隔離，抑制了信號(hào)串?dāng)_
在便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，模擬開關(guān)一直以來(lái)都主要是作為音頻信號(hào)切換器來(lái)使用。隨著雙卡雙模手機(jī)的普及，模擬開關(guān)成了雙卡切換必備的選擇；最新的數(shù)字電視DVB，CMMB等在一定的條件下也需要使用模擬開關(guān)。那么選擇這些開關(guān)時(shí)需要注意哪些設(shè)計(jì)問(wèn)題呢？本文重點(diǎn)闡述為便攜式產(chǎn)品選擇模擬開關(guān)時(shí)需考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)和關(guān)鍵事項(xiàng)。
導(dǎo)通電阻與平坦度
低導(dǎo)通電阻是模擬開關(guān)在音頻切換用途時(shí)的主要選擇因素。值得注意的是，導(dǎo)通電阻是針對(duì)具體的VCC 、VIN(電壓輸入)及給定負(fù)載電流而定義的。在晶體管級(jí)，RON為起始長(zhǎng)度(L)、寬度(W)、電子與空穴遷移率、氧化層電容、門限電壓及信號(hào)電壓的函數(shù)。如下所示：
RON會(huì)隨著電源電壓的增加而減小。圖1顯示了上海英聯(lián)電子科技有限公司(下文簡(jiǎn)稱英聯(lián)電子)的UM4684在不同電源電壓上測(cè)得的RON。導(dǎo)通電阻平坦度(RFLAT)即表示RON隨著VIN在0V至VCC或V-至V+)間變化而變化的情況，它是引起THD的主要原因。
帶寬、串?dāng)_與隔離度
隔離度是用來(lái)衡量開關(guān)導(dǎo)通通道與關(guān)閉通道之間的“噪聲”的指標(biāo)。它在指定頻率上測(cè)量，是關(guān)閉通道輸入與輸出之間的耦合。串?dāng)_是模擬輸入通道與另一通道之間的交叉耦合，有兩種形式：鄰近通道與非鄰近通道。這兩種參數(shù)都以dB表示。在電路設(shè)計(jì)中通常是一起考慮串?dāng)_、隔離度與帶寬指標(biāo)。雖然某些模擬開關(guān)的輸入帶寬高達(dá)數(shù)百兆赫，但其帶寬指標(biāo)本身的意義并不大，因?yàn)楦哳l下的關(guān)斷隔離度和串?dāng)_都明顯變得更糟糕。
例如，在1MHz頻率下的典型開關(guān)關(guān)斷隔離度為70dB，典型的串?dāng)_為-85dB。由于這兩項(xiàng)指標(biāo)都按20dB/+倍頻下降，所以在100MHz頻率下，關(guān)斷隔離度下降為30dB，而串?dāng)_增加到-45dB。因此，僅僅考慮帶寬是不夠的，必須考慮在高頻工作條件下這兩項(xiàng)指標(biāo)是否都能滿足應(yīng)用要求。
提升模擬開關(guān)性能
a. 低ICCT
便攜式產(chǎn)品通常由電池供電，因此功耗是選擇模擬開關(guān)時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。大部分便攜式系統(tǒng)需要多種不同的供電電壓。模擬開關(guān)的供電可能來(lái)自于電池或經(jīng)過(guò)電源管理模塊調(diào)節(jié)過(guò)的電源輸出，開關(guān)的控制輸入信號(hào)也可能來(lái)自于電源電壓不同的ASIC。當(dāng)控制輸入電壓等于0或VCC時(shí)，CMOS控制電路的功耗非常低。
但對(duì)模擬開關(guān)而言，只要控制信號(hào)輸入電平保持在大于VIH最小值或者小于VIL最大值，開關(guān)便會(huì)識(shí)別控制信號(hào)的高低電平。此時(shí)控制電壓離0和VCC越遠(yuǎn)，功耗越大，如圖2中的紅色曲線所示。更新的ASIC設(shè)計(jì)逐步走向更小幾何尺寸的工藝，這限制了它們的電壓裕量，因此在新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)控制管腳的電壓不再等于模擬開關(guān)的供電電壓。如果使用普通的模擬開關(guān)，開關(guān)電流消耗通常大于1mA，這將導(dǎo)致過(guò)多功耗。
對(duì)于某些開關(guān)，電流消耗甚至高達(dá)幾毫安，對(duì)功耗敏感的便攜式設(shè)備而言，這樣的功耗是無(wú)法接受的。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)的產(chǎn)品說(shuō)明書只給出了典型情況下(即開關(guān)輸入控制信號(hào)的高電平與開關(guān)供電電壓一致)的功耗指標(biāo)，這容易讓設(shè)計(jì)工程師感到混淆，他們會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)在低壓ASIC設(shè)計(jì)中的模擬開關(guān)竟有幾毫安的漏電流。英聯(lián)電子的模擬開關(guān)改善了控制電路的輸入緩沖器，只要芯片的控制輸入電壓大于VIH或小于VIL內(nèi)，而不是等于0V或VCC，也能保持非常小的功耗。從圖2可看到采用該技術(shù)的英聯(lián)電子UM3157模擬開關(guān)與普通的同系列模擬開關(guān)在ICCT上的顯著區(qū)別。 [page]
此外，英聯(lián)電子的低ICCT系列模擬開關(guān)具有更低的VIH電平值，可以采用較低的控制電平實(shí)現(xiàn)開關(guān)的高電平切換控制。這種特性大大減少了電路復(fù)雜性，特別是在供電電源和控制信號(hào)電平不匹配的便攜產(chǎn)品應(yīng)用中，可省去電平轉(zhuǎn)換模塊，從而有效降低了成本。以圖3所示的模擬開關(guān)切換音頻信號(hào)為例，如果采用ASIC輸出的1.8V電平作為UM3157控制管腳的輸入，則不必采用電平轉(zhuǎn)移器，就能在漏電流很小的情況下實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換。此外，由于低ICCT模擬開關(guān)的電流功耗很低（大約1uA），且開關(guān)的導(dǎo)通電阻隨工作電壓的增加而降低，所以可以采用較高的供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻。低導(dǎo)通電阻對(duì)典型的音頻開關(guān)或USB應(yīng)用而言非常重要。
b.終端電阻
在音頻電路中，當(dāng)模擬開關(guān)斷開時(shí)，由于寄生電容和電容失配，電容上的電荷無(wú)法釋放，從而導(dǎo)致耳機(jī)上的噪聲?？梢酝ㄟ^(guò)在開關(guān)斷開時(shí)接通一個(gè)去噪電阻，來(lái)快速釋放電荷，從而提高音頻切換質(zhì)量。圖4是英聯(lián)電子的UM3699在開關(guān)切換時(shí)去噪電阻的連接示意圖。
圖5是沒有采用去噪聲電阻時(shí)模擬開關(guān)的仿真波形圖。D1為輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)。IN為選擇端信號(hào)。當(dāng)IN為高電平時(shí)，開關(guān)通向1S1；當(dāng)IN為低電平時(shí)，開關(guān)通向1S2。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于寄生電容和選擇端切換脈沖的存在，開關(guān)到地之間是高阻態(tài)，所以寄生電容的電荷沒有放電回路。這樣，開關(guān)的關(guān)斷端在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)將出現(xiàn)一個(gè)比輸入數(shù)據(jù)信號(hào)更高的電平，從而導(dǎo)致噪聲。圖6是采用圖4中的去噪電阻后開關(guān)切換的仿真波形圖。由于開關(guān)斷開后連接了去噪電阻上，形成一個(gè)對(duì)地的放電回路，所以寄生電容上的電荷得以很快釋放，從而消除了開關(guān)切換時(shí)的干擾電平，提高了開關(guān)在音頻切換應(yīng)用時(shí)的聲音質(zhì)量。
c.T-Switch結(jié)構(gòu)
隔離度和串?dāng)_作為模擬開關(guān)的又一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，在高頻率信號(hào)的切換中越來(lái)越受到人們的關(guān)注。英聯(lián)電子的高隔離度模擬開關(guān)采用T-Switch結(jié)構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)了信號(hào)隔離，抑制了信號(hào)串?dāng)_。圖7是T-Switch結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)部的S1、S3閉合，S2斷開，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，S1、S3斷開，S2 閉合，這樣輸入端-Cs-地形成了一條耦合回路，同時(shí)由于兩個(gè)Cs導(dǎo)通寄生電容的存在，輸入信號(hào)更難耦合到信號(hào)輸出級(jí)，這樣提高了開關(guān)的隔離度和抗串?dāng)_能力。
