集成模擬開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS開(kāi)關(guān)已經(jīng)發(fā)展為專用的開(kāi)關(guān)電路。
本文回顧標(biāo)準(zhǔn)CMOS模擬開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)并介紹常見(jiàn)模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)的性能改善：更好的開(kāi)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(kāi)關(guān)。
標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)
傳統(tǒng)模擬開(kāi)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(kāi)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(kāi)。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(kāi)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(kāi)關(guān)。有些最新設(shè)計(jì)的模擬開(kāi)關(guān)與這些早期開(kāi)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(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)也有一些功能性改變。有些低電容模擬開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)采用電荷泵，允許負(fù)信號(hào)電壓。例如，MAX14504音頻開(kāi)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(kāi)關(guān)的封裝比早期的器件更小。
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導(dǎo)通電阻(RON)開(kāi)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)的RON比較
為單電源系統(tǒng)選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，盡量選擇專門(mén)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(kāi)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。
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信號(hào)處理設(shè)計(jì)
圖3A還給出了RON值隨信號(hào)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?yàn)槲醇蓛?nèi)部電荷泵的典型模擬開(kāi)關(guān)只能處理電源電壓范圍之內(nèi)的模擬信號(hào)電平。對(duì)于沒(méi)有保護(hù)的模擬開(kāi)關(guān)，過(guò)高或過(guò)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(kāi)關(guān)永久損壞。通常這些二極管能夠保護(hù)開(kāi)關(guān)抵抗高達(dá)±2kV的短時(shí)間靜電放電(ESD)。(參見(jiàn)下文中的ESD保護(hù)開(kāi)關(guān)部分)。
模擬開(kāi)關(guān)的RON會(huì)造成信號(hào)電壓的線性衰減，衰減量正比于流過(guò)開(kāi)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(gè)重要參數(shù)是通道匹配度和RON平坦度。通道間的匹配度說(shuō)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(hào)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(kāi)關(guān)的精度越高。這兩個(gè)參數(shù)的典型值分別為0.1Ω至5Ω。有些開(kāi)關(guān)是專門(mén)針對(duì)低通道匹配度和平坦度設(shè)計(jì)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(hào)擺動(dòng)。
大多數(shù)應(yīng)用中，可以通過(guò)修改電路設(shè)計(jì)防止過(guò)大的開(kāi)關(guān)電流。例如，您可能希望通過(guò)在不同反饋電阻間切換來(lái)改變運(yùn)算放大器的增益，這種情況下最好選擇采用高阻輸入與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)(圖4A)。此時(shí)，由于開(kāi)關(guān)電流較小，RON值及其溫度系數(shù)可忽略不計(jì)。然而，圖4B所示的設(shè)計(jì)中，開(kāi)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(jì)的好(A)或壞(B)取決于流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流大小
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音頻開(kāi)關(guān)和先斷后合功能
所有音頻系統(tǒng)中的一項(xiàng)主要性能要求是消除瞬態(tài)脈沖通過(guò)揚(yáng)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(kāi)和關(guān)閉期間(導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，tON和tOFF)。無(wú)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(kāi)或關(guān)閉時(shí)發(fā)出噪雜的咔嗒聲，用戶往往會(huì)認(rèn)為該音頻設(shè)備的質(zhì)量比較差。通過(guò)延長(zhǎng)模擬開(kāi)關(guān)的tON和tOFF，可消除可聞咔嗒/噼噗聲。這減小了通過(guò)揚(yáng)聲器負(fù)載進(jìn)行放電的瞬態(tài)脈沖。大多數(shù)模擬開(kāi)關(guān)的tON和tOFF從低至15ns到高達(dá)1μs不等，但有些“無(wú)雜音”開(kāi)關(guān)可達(dá)到毫秒級(jí)。
有些無(wú)雜音開(kāi)關(guān)使用旁路開(kāi)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(kāi)關(guān)對(duì)輸入處的電容放電。這可防止瞬態(tài)電壓進(jìn)入揚(yáng)聲器。先斷后合功能保證開(kāi)關(guān)在切換至另一連接之前首先斷開(kāi)之前的連接，要求tON > tOFF。有些設(shè)計(jì)則要求開(kāi)關(guān)先合后斷，此時(shí)tOFF > tON。例如，圖4A中的電路在兩種增益之間切換時(shí)必須謹(jǐn)慎。改變?cè)鲆鏁r(shí)，避免使兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)處于打開(kāi)狀態(tài)非常重要；第二個(gè)開(kāi)關(guān)必須在第一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)路之前閉合。否則，運(yùn)算放大器會(huì)采用開(kāi)關(guān)增益，其輸出將被驅(qū)動(dòng)至電源電壓。
信號(hào)電平變化會(huì)引起RON變化，造成開(kāi)關(guān)的插入損耗變化，這會(huì)增大模擬開(kāi)關(guān)的總諧波失真(THD)。以RON平坦度為10Ω的100Ω開(kāi)關(guān)為例，當(dāng)負(fù)載為600Ω時(shí)，開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)的信號(hào)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(jì)算最大THD。圖5所示為不同開(kāi)關(guān)的THD比較。
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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(xiàng)設(shè)計(jì)要求。電路所需的芯片面積更大，設(shè)計(jì)將引入更大的輸入電容，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期對(duì)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(shí)間取決于負(fù)載電阻(R)和電容(C)，其時(shí)間常數(shù)由t = RC決定。充電時(shí)間通常為幾十納秒，但高RON開(kāi)關(guān)具有較短的tON和tOFF周期。有些模擬開(kāi)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(duì)較高的RON，tON/tOFF較短；MAX4514和MAX4515具有較低的RON，但開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)。
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(kāi)關(guān)導(dǎo)通或斷開(kāi)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(duì)于輸出連接至高阻的開(kāi)關(guān)，這種效應(yīng)將引起輸出信號(hào)的明顯改變。在一個(gè)沒(méi)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(jì)算。跟蹤和保持放大器提供了一個(gè)很好的實(shí)例，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換期間用它來(lái)保持一個(gè)恒定的模擬輸出(圖6B)。閉合S1時(shí)，一個(gè)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(gè)pF，當(dāng)S1斷開(kāi)時(shí)，VS保存在C上。在轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)閉合S2，將保持電壓(VH)加載至緩沖器。這樣，在整個(gè)ADC的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，高阻緩沖器保持VH恒定。對(duì)于比較短的采集時(shí)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(huì)造成VH改變±ΔVOUT(幾個(gè)毫伏)，因此會(huì)影響到后面ADC的精度。
圖6A. 來(lái)自于開(kāi)關(guān)控制信號(hào)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(kāi)關(guān)
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漏電流及其對(duì)電壓誤差的影響
漏電流影響模擬開(kāi)關(guān)的輸出電壓。圖7和8所示為模擬開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉階段的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型。這兩種情況下，大部分漏電流通過(guò)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(kāi)關(guān)中)增大漏電流。
圖8. 開(kāi)關(guān)開(kāi)路的等效電路圖。
利用式3計(jì)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(hào)范圍內(nèi)RON的變動(dòng)、負(fù)載電阻及源電阻的函數(shù)。對(duì)于雙向模擬開(kāi)關(guān)，Ilkg等于IS或ID (圖7和8所示)，取決于開(kāi)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(jì)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(hào)電壓接近電源電壓限值時(shí)，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 /> [page]
視頻和高頻開(kāi)關(guān)的特殊要求
RON和寄生電容之間的平衡對(duì)視頻信號(hào)非常重要。RON較大的傳統(tǒng)模擬開(kāi)關(guān)需要額外增益級(jí)來(lái)補(bǔ)償插入損耗。同時(shí)，低RON開(kāi)關(guān)具有較大寄生電容，減小了帶寬，降低視頻質(zhì)量。低RON開(kāi)關(guān)需要輸入緩沖器，以維持帶寬，但是這會(huì)增加元件數(shù)量。
采用只有n溝道的開(kāi)關(guān)可提高帶寬，同時(shí)寄生元件和封裝尺寸變得更小，從而允許單位面積上具有更多開(kāi)關(guān)。然而，n溝道開(kāi)關(guān)容易受滿擺幅工作的限制。當(dāng)施加的視頻信號(hào)超過(guò)這些限值時(shí)，輸出將箝位，造成視頻信號(hào)失真。選擇n溝道開(kāi)關(guān)時(shí)，確保開(kāi)關(guān)的規(guī)定限值足以通過(guò)滿幅輸入信號(hào)。
在一個(gè)監(jiān)視器顯示來(lái)自于多個(gè)源的視頻應(yīng)用中，如安保和監(jiān)視系統(tǒng)，關(guān)斷隔離和串?dāng)_是關(guān)鍵參數(shù)。開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，來(lái)自于所加輸入信號(hào)的饋通總量決定關(guān)斷隔離。較高頻率時(shí)，通常為視頻和VHF應(yīng)用，視頻通過(guò)漏源電容(CDS)耦合，降低關(guān)斷隔離。與開(kāi)關(guān)相關(guān)的較高電路阻抗也會(huì)降低關(guān)斷隔離。
T型開(kāi)關(guān)拓?fù)溥m用于視頻或高于10MHz的頻率，它包括兩個(gè)串聯(lián)的模擬開(kāi)關(guān)，以及第三個(gè)連接在它們公共點(diǎn)與地之間的開(kāi)關(guān)(圖9a)。這種安排能夠提供比單個(gè)開(kāi)關(guān)更高的關(guān)斷隔離。由于寄生電容與串聯(lián)開(kāi)關(guān)中的每個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)(圖9a)，關(guān)斷的T型開(kāi)關(guān)的容性串?dāng)_一般隨頻率的升高而增大。多通道開(kāi)關(guān)中，通道之間的寄生電容將信號(hào)容性耦合至相鄰?fù)ǖ?，進(jìn)而增大串?dāng)_。
圖9A所示的T型開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，S1和S2閉合，S3斷開(kāi)；T型開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，S1和S2斷開(kāi)，S3閉合。這種關(guān)斷狀態(tài)下，通過(guò)串聯(lián)MOSFET的CDS的耦合信號(hào)被S3旁路到地。T型開(kāi)關(guān)(例如MAX4545)與標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)(例如MAX312)對(duì)于10MHz信號(hào)的關(guān)斷隔離差異明顯：-80dB相對(duì)于-36dB (圖9B)。
最后，您可考慮緩沖與無(wú)緩沖視頻開(kāi)關(guān)。作為無(wú)源視頻開(kāi)關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)視頻開(kāi)關(guān)可能需要額外電路1；而集成方法是作為有源視頻開(kāi)關(guān)，將開(kāi)關(guān)和緩沖器集成在一個(gè)封裝內(nèi)，降低信號(hào)干擾。集成的復(fù)用器-放大器(例如MAX4310)具有很強(qiáng)的關(guān)斷隔離功能，可用于高頻應(yīng)用。
圖9A. 用于射頻的T型開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)
圖9B. 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)(MAX312)與視頻開(kāi)關(guān)(MAX4545, MAX4310)的關(guān)斷隔離-頻率關(guān)系的比較
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ESD保護(hù)開(kāi)關(guān)
ESD保護(hù)是大多數(shù)模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的一項(xiàng)重要特性。標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)可提供高達(dá)±2kV的保護(hù)。設(shè)計(jì)者可增加額外的ESD保護(hù)能力，但這將占用寶貴的電路板面積，并增加輸入/輸出線上的電容。然而，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的有些開(kāi)關(guān)具有內(nèi)部二極管，可承受高達(dá)±15kV的ESD。這些開(kāi)關(guān)采用人體模式(±15kV)及IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接觸(典型值為±8kV)及氣隙放電(±15kV)法測(cè)試2。
用于高達(dá)±36V過(guò)壓保護(hù)的故障保護(hù)開(kāi)關(guān)
模擬開(kāi)關(guān)的電源軌限制了允許的輸入信號(hào)電壓范圍。(參見(jiàn)上文中的信號(hào)處理設(shè)計(jì)部分)。如果輸入信號(hào)超過(guò)電源軌，器件會(huì)鎖定或永久損壞。通常情況下，這種限制不是問(wèn)題；但在有些情況下，模擬開(kāi)關(guān)的電源關(guān)斷時(shí)輸入信號(hào)仍然存在。(如果系統(tǒng)電源排序造成輸入信號(hào)早于電源電壓出現(xiàn)，就會(huì)發(fā)生這種情況)。瞬時(shí)超出正常電源電壓范圍也會(huì)造成鎖定或永久損壞。新故障保護(hù)開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器能夠保證±36V的過(guò)壓保護(hù)、±40V的掉電保護(hù)、滿幅信號(hào)控制能力以及和一般開(kāi)關(guān)相近的低RON。無(wú)論開(kāi)關(guān)狀態(tài)或負(fù)載電阻如何，故障條件期間保證輸入引腳為高阻，只有納安級(jí)的漏電流流過(guò)信號(hào)源。
圖10所示為故障保護(hù)模擬開(kāi)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果開(kāi)關(guān)(P2或N2)是導(dǎo)通的，COM輸出被兩個(gè)內(nèi)部“后援”FET鉗位于電源電壓。這樣，COM輸出保持在電源范圍之內(nèi)，并根據(jù)負(fù)載大小提供最多±13mA的電流，但在NO/NC引腳沒(méi)有明顯電流。值得一提的是，信號(hào)可以同樣容易地從ESD和故障保護(hù)模擬開(kāi)關(guān)的任意方向通過(guò)，但這些故障保護(hù)只在輸入一側(cè)有效3。
圖10. 該內(nèi)部結(jié)構(gòu)表示故障保護(hù)模擬開(kāi)關(guān)的特殊電路
許多雙電源軌模擬開(kāi)關(guān)要求先加正電源，然后再加負(fù)電源，以防鎖定或損壞。如果是這種情況，可采用不要求電源排序的開(kāi)關(guān)，例如多路復(fù)用器MAX14752。MAX14752與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DG408/DG409的引腳兼容，輸入處的內(nèi)部二極管為開(kāi)關(guān)提供過(guò)壓/欠壓保護(hù)。
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加載-感應(yīng)開(kāi)關(guān)影響系統(tǒng)精度
電壓和電流測(cè)量系統(tǒng)中的接線方法多種多樣，這些接線方法稱為2線、3線及4線系統(tǒng)，其精度和復(fù)雜度各不相同。圖11所示的2線系統(tǒng)用于高精度不是首要因素的情況。這種方法在加載線的源端測(cè)量負(fù)載電壓。負(fù)載電壓會(huì)明顯低于源電壓，這是因?yàn)槿绻鬟^(guò)導(dǎo)線電阻的加載電流較大，線路上會(huì)發(fā)生電壓降。較長(zhǎng)的導(dǎo)線、較大的負(fù)載電流以及較高的線阻抗都會(huì)造成這種電壓降，并產(chǎn)生明顯的測(cè)量誤差。3線系統(tǒng)改善了精度，但采用4線加載-感應(yīng)技術(shù)可獲得最佳結(jié)果。
圖11. 高精度不是特別關(guān)鍵時(shí)，使用2線測(cè)量系統(tǒng)
4線加載-感應(yīng)技術(shù)(圖12)利用兩根線加載電壓或電流，使用另外兩根線直接連接在負(fù)載兩端來(lái)測(cè)量負(fù)載電壓。有些模擬加載-感應(yīng)開(kāi)關(guān)在相同的封裝內(nèi)提供不同類型的開(kāi)關(guān)。例如，MAX4554系列器件可以配置為加載-感應(yīng)開(kāi)關(guān)，用于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)中的開(kāi)爾文檢測(cè)。每款器件含有用于加載電流線的大電流低阻開(kāi)關(guān)，以及用于檢測(cè)電壓或切換保護(hù)信號(hào)的較高電阻開(kāi)關(guān)。±15V供電時(shí)，大電流開(kāi)關(guān)的RON僅為6Ω，感應(yīng)開(kāi)關(guān)的RON為60Ω。加載-感應(yīng)開(kāi)關(guān)適合于高精度測(cè)量系統(tǒng)，例如納伏和飛安表。加載感應(yīng)開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化了許多應(yīng)用，例如在一個(gè)4線系統(tǒng)中，一個(gè)信號(hào)源在兩個(gè)負(fù)載間的切換，如圖13所示。
圖13. 使用MAX4555將4線加載-感應(yīng)電路從一個(gè)源切換至兩個(gè)負(fù)載
用于多通道應(yīng)用的多路復(fù)用器和交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)
多路復(fù)用器(復(fù)用器)是特殊形式的模擬開(kāi)關(guān)，其中的兩路或多路輸入被有選擇地連接至單路輸出。復(fù)用器可以是單個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)，或者許多可選通道的多種組合(圖14)。高階復(fù)用器的數(shù)字控制類似于二進(jìn)制解碼器，需要使用數(shù)字輸入選擇相應(yīng)的通道(例如，對(duì)于8通道復(fù)用器，需要三個(gè)數(shù)字輸入)。
多路輸出選擇器基本上是復(fù)用器的反向用法，即根據(jù)解碼的地址數(shù)據(jù)將一個(gè)輸入連接至兩個(gè)或多個(gè)輸出。許多復(fù)用器可用作多路輸出選擇器。
圖14. 低壓多路復(fù)用器(上)和中壓多路復(fù)用器(下)的配置
交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)用于音頻/視頻路由、視頻點(diǎn)播、安保和監(jiān)視系統(tǒng)。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)通常是M x N型器件，M路輸入中的任意一路或全部輸入可以連接至N路輸出中的任意一路或全部輸出(反之亦然)。這些器件能夠?qū)崿F(xiàn)較大的陣列4。
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校準(zhǔn)型多路復(fù)用器修正ADC失調(diào)和增益誤差
校準(zhǔn)型多路復(fù)用器(cal-mux)主要用于高精度ADC和其它自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。一個(gè)封裝內(nèi)部集成了多個(gè)不同元件：用于從輸入基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生精確電壓比的模擬開(kāi)關(guān)、內(nèi)部高精度電阻分壓器、以及選擇不同輸入的多路復(fù)用器。
Cal-mux可用于修正ADC系統(tǒng)中的兩個(gè)主要誤差：失調(diào)和增益誤差。利用內(nèi)部精密分壓器，這些器件在微控制器串行接口控制下，只需幾個(gè)步驟即可測(cè)出增益和失調(diào)。知道ADC的失調(diào)和增益誤差后，系統(tǒng)軟件可建立修正系數(shù)，對(duì)后續(xù)輸出進(jìn)行修正后便可得到正確讀數(shù)。校準(zhǔn)型多路復(fù)用器接下來(lái)就可作為一個(gè)普通的多路復(fù)用器使用，但具有周期性地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的功能5。
USB開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信
通用串行總線(USB)是一種高速接口，使設(shè)備能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信，也可用于從USB主機(jī)為從機(jī)設(shè)備供電。多個(gè)USB設(shè)備可連接至一臺(tái)計(jì)算機(jī)，采用模擬開(kāi)關(guān)將USB信號(hào)切換至不同設(shè)備6。大多數(shù)的最新USB應(yīng)用也要求通過(guò)USB接口為便攜設(shè)備充電7。USB 2.0規(guī)范適用于高速信號(hào)，要求高帶寬/低電容的模擬開(kāi)關(guān)，如MAX14531E。
HDMI開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻、視頻信號(hào)
高清晰度多媒體接口(HDMI)是一種高速接口，用于傳輸無(wú)壓縮數(shù)字音頻/視頻信號(hào)。這種接口可實(shí)現(xiàn)高清TV (HDTV)、DVD播放機(jī)及其他HDMI兼容設(shè)備與PC、筆記本電腦及平板電腦的互連。
HDMI包括四對(duì)低壓差分信號(hào)(LVDS)線，用于紅、綠、藍(lán)(RGB)視頻通道和專用時(shí)鐘信號(hào)。理想HDMI開(kāi)關(guān)包括四個(gè)1:2或2:1差分線對(duì)開(kāi)關(guān)，采用n溝道結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)低電容和RON(例如MAX4886)8。
Display端口和PCIe開(kāi)關(guān)提高點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接性能
外設(shè)組件互連(PCI)擴(kuò)展是一種串行接口(PCI Express接口)，能夠使圖形加速端口(AGP)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更高性能。PCI Express開(kāi)關(guān)能夠與單個(gè)或多個(gè)總線的不同信號(hào)源進(jìn)行互聯(lián)。PCI Express開(kāi)關(guān)的常見(jiàn)應(yīng)用為切換display端口圖像、PC和筆記本電腦擴(kuò)展卡接口及服務(wù)器。
有些PCI Express開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)用于在兩個(gè)可能的目標(biāo)之間切換數(shù)據(jù)。例如，MAX4928A和MAX4928B支持在圖形內(nèi)存控制器中心(GMCH)和display端口或PCIe連接器之間切換信號(hào)9。
用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的高壓開(kāi)關(guān)
高壓(HV)模擬開(kāi)關(guān)理想用于多種工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。例如，超聲應(yīng)用中，將高壓脈沖(±100V)施加到傳感器以產(chǎn)生超聲波。為了在傳感器和主系統(tǒng)之間切換這些脈沖，就需要HV模擬開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)通常在整個(gè)輸入范圍內(nèi)具有低導(dǎo)通電容和相當(dāng)平坦的RON。HV開(kāi)關(guān)通常具有低電荷注入指標(biāo)，以避免雜散傳輸和相關(guān)的圖像偽影。許多HV開(kāi)關(guān)器件可通過(guò)SMBus或SPI接口進(jìn)行編程10, 11。
綜上所述：
本文實(shí)際上是一份設(shè)計(jì)指南，介紹了當(dāng)今可供使用的多種模擬開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。隨著最近技術(shù)的進(jìn)步，集成式模擬開(kāi)關(guān)提供了更好的開(kāi)關(guān)特性、更低及更高的電源電壓，以及應(yīng)用相關(guān)的設(shè)計(jì)。無(wú)論是性能指標(biāo)還是特殊功能都可提供多種選擇，有經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體的應(yīng)用挑選到合適的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品。
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