簡介

集成模擬開關通常在模擬信號和數字控制器之間構建接口，產品設計者在面對當前市場上大量的模擬開關時，需要考慮多項規格。標準的CMOS開關經過35年的發展歷程，演進出了許多針對特定應用的開關電路。

本文回顧了標準CMOS模擬開關的基本結構和通用模擬開關的一些基本參數，比如導通電阻(RON)、RON平坦度、泄漏、電荷注入和關斷隔離。文章討論了新型模擬開關的性能改進：更好的開關特性、更低的工作電壓和更小封裝，以及一些特殊應用的需求，比如：故障保護、ESD保護、校準復用器和加載/感應能力。介紹了視頻、高速USB、HDMI?和PCIe?應用的特殊開關。

標準模擬開關的基本原理

傳統模擬開關結構如圖1所示。通過并聯一個n溝道和一個p溝道MOSFET，信號可以雙向流通。輸入到輸出的電壓比值決定n或者p溝道是否可以承載更大的信號電流。因為電路沒有特定的電流流向，所以也沒有嚴格的輸入和輸出定義。內部同相和反相放大器決定兩個MOSFET的開、關狀態。放大器根據控制信號是CMOS電平還是TTL電平，模擬電源是單電源還是雙電源，對數字輸入信號進行電平轉換。

圖1. 典型模擬開關的內部結構，由n溝道和p溝道MOSFET組成。

如今許多半導體公司生產廠家提供傳統的模擬開關，比如早期的CD4066。Maxim也提供諸如MAX4610的模擬開關，與這些早期開關管腳兼容，但擁有更好的性能。例如，一些和CD4066管腳兼容的開關可提供比CD4066更低的RON和更高精度。

相比基本的模擬開關結構，新型開關在架構上也有一些調整，例如，一些低電容模擬開關(MAX4887等)只使用n溝道MOSFET，避免使用對模擬開關帶寬影響較大的p溝道MOSFET。

有些單電源供電的模擬開關利用電荷泵滿足負壓信號處理能力。比如，音頻模擬開關MAX14504，供電電壓從+2.3VCC到+5.5VCC，內部電荷泵確保無失真切換-VCC到+VCC的信號。除了功能上的改進，許多最新的工業模擬開關的封裝尺寸也遠遠小于早期型號。

低導通電阻(RON)降低信號損失

不同VIN下p溝道和n溝道MOSFET導通電阻RON相并聯，得到開關導通電阻RON的特性(圖2)。如果排除溫度、電源電壓的影響，以及RON隨模擬輸入電壓的變化，RON應該隨VIN呈線性變化關系。理想狀況下，為了保持盡可能低的信號損耗和信號延遲，應盡可能減小RON。但是，減小RON會提高MOSFET硅片的寬度/長度之比(W/L)，從而產生較大的寄生電容并占用較大的硅片面積。較大的寄生電容降低了模擬開關的帶寬。除了W、L，RON還與電子和空穴(μn和μp)的遷移率、氧化物電容(COX)、門限電壓(VT)、信號電壓、n溝道/p溝道MOSFET的VGS (VIN)存在復雜的函數關系，如式1a和1b所示。

減小RON和寄生電容、改善整個溫度和電壓范圍內RON與VIN的線性關系，通常是設計新產品的主要目標。

圖2. RON和VIN的關系曲線，圖1中n溝道和p溝道的RON并聯構成開關的導通電阻。

	(式1a)
	(式1b)

*最新信息，請參考IC數據手冊。
**典型值。

第一代的模擬開關工作電壓為±20V，導通電阻有幾百歐姆。最新的開關可以實現0.5Ω最大值的導通電阻，電源電壓也更低。工作電壓對RON有很大影響(如圖3A)，工作信號對RON影響也很大(如圖3B)。在這個例子中，MAX4992的信號和電源電壓變化范圍為：1.8V到5.5V，當電源電壓較低時，導通電阻會增大(圖3A)。當工作電壓分別為1.8V、2.7V、3.3V、5V時，導通電阻的最大值分別為0.38Ω、0.3Ω、0.28Ω和0.25Ω。許多新型模擬開關工作電壓可低至1.6V。MAX4992可以在單電源供電的情況下達到很低的RON和RON平坦度(1mΩ)。圖3B對比了在5V供電情況下，新老模擬開關的導通電阻。

圖3A. 高供電電壓下，可獲得低導通電阻。此圖是MAX4994 (單電源)的RON和VCOM對比圖。

圖3B. 與早期型號模擬開關RON的比較。

當為單電源供電系統選擇開關時，最好選擇專為單電源供電設計的開關。這些器件因為不需要單獨的V-和接地而省去一個管腳。因此，一個單刀雙擲開關(例如MAX4714)可以放進微小的6引腳、1.6mm2 μDFN封裝。同樣雙電源應用選擇雙電源供電開關。這些開關有V-和接地引腳，邏輯電平滿足標準的CMOS和TTL電平。

許多高性能模擬系統仍然使用高壓、雙極性電源供電(如MAX14756)，如±15V或±12V。這些電壓的接口需要一個額外的電源引腳，通常稱作邏輯電源。邏輯電源管腳(VL)連接到系統的邏輯電平，通常是1.8V或3.3V。使輸入邏輯信號與實際邏輯電平保持相同的參考點，以提高噪聲裕量且避免過大功耗。

人們常常誤解模擬開關輸入邏輯電平與其對電源電流的影響。如果邏輯輸入電平是地電平或VCC (或者VL)，模擬開關不會明顯地消耗供電電流。但是，如果把TTL電平加到一個5V開關上，將導致電源電流增加幾千倍。對于上世紀八十年代的產品，為了節省不必要的功耗，不得不避免使用TTL電平。

信號處理設計

圖3A也顯示了RON與信號電壓的關系。這些曲線落在供電電壓范圍內，因為典型的模擬開關內部沒有集成電荷泵，不能處理超出供電電壓范圍的信號。低于或高于電源的輸入會在內部二極管網絡中產生不受控的電流，可能永久損壞沒有保護的開關。通常，這些二極管為開關提供高達±2kV的ESD保護(參考下面ESD保護開關部分)。

模擬開關的導通電阻會導致信號電壓線性下降，下降幅度和通過開關的電流成正比。根據應用以及電流大小，需要考慮信號電壓的跌落。另外兩個需要考慮的重要參數是通道匹配和導通電阻平坦度。

通道匹配是指一個器件中各個通道導通電阻的差異；導通電阻平坦度是指單個通道內信號大小對導通電阻的影響。通道匹配和導通電阻平坦度參數越小開關越精確。這兩個參數的典型值一般為0.1Ω到5Ω。部分開關經過特殊設計，擁有更好的通道匹配和導通電阻平坦度。例如MAX4992，通道匹配達到了3mΩ，導通電阻平坦度達到了1mΩ。MAX14535E擁有很好的導通電阻、通道匹配和導通電阻平坦度指標，非常適合交流耦合的音視頻手持設備，能夠處理低至-1.5V的信號。

在大多數應用中，可以通過修改電路設計來優化開關的電流。例如，通過切換不同的反饋電阻改變運算放大器的增益。這種情況下最好選擇將開關串聯在具有高阻輸入的配置(圖4A)。因為開關電流很小，導通電阻以及它的溫度系數可以忽略；圖4B設計就不合適，因為根據輸出電壓的不同，開關電流會達到很大數值。

圖4. 增益控制電路設計的好(A)與壞(B)取決于通過開關電流的大小。

音頻開關和先斷后合功能

在所有音頻系統中，一個主要的性能要求是消除瞬時放電脈沖通過揚聲器時引起的咔嗒聲。這些瞬時脈沖通常由電源的通、斷引起(開通和關斷時間，tON和tOFF)。拋開設備工作時的音質不說，如果在系統每次開機或者關機時有咔嗒聲，客戶通常會認為這是一個劣質的音頻設備。通過延長模擬開關的tON和tOFF可以消除聽得到的咔嗒聲。這一步驟降低了通過揚聲器的瞬時脈沖。大多數模擬開關的通斷時間從低于15ns到1μs，其它一些無咔嗒聲的開關可以達到毫秒級別。

一些沒有咔嗒聲的開關通過使用旁路開關和先斷后合技術來消除咔嗒聲。在音頻應用中，MAX4744通過內部的旁路開關釋放輸入電容的能量。這個動作避免了瞬態電壓進入揚聲器。先斷后合技術保證開關在連通另一點之前斷開當前的連接，這里tON > tOFF。另外一種設計需要先合后斷的開關，那么tOFF > tON。例如圖4A中，當在兩種增益之間切換時需要小心。改變增益時，應避免出現兩個開關同時斷開的情況，這一點非常重要；第二個開關必須在第一個開關斷開之前合上，否則運算放大器處于開環狀態，將導致輸出達到最大電平。

*最新信息，請參考數據手冊。
**典型值。

變化的信號電平會改變導通電阻，進而導致開關插損的變化。這增加了模擬開關的總諧波失真(THD)。以一個導通電阻為100歐姆，導通電阻平坦度為10歐姆的開關為例，接上600歐姆負載時的最大總諧波失真(THDmax)為1.67%。THD是音頻應用中一個關鍵參數，它反映了信號通過開關后的質量或者逼真程度。THD定義為所有諧波成分平方和的均方根與基波的比值(式2)。圖5對比了不同開關的THD。

(式2)

圖5. 不同模擬開關THD與頻率的關系圖。

低導通電阻與電荷注入效應控制

并不是所有應用都要求低RON。一個應用需要考慮低RON外，還要考慮其它因素，例如：這些電路需要更大的芯片面積，設計會引入更大的輸入電容，電容在每個開關周期內的充放電會消耗更多功耗等等。輸入電容的充電時間取決于負載電阻(R)和電容(C)，時間常數為t ＝ RC。充電時間通常持續幾十納秒，較大高RON的開關則具備很短的tON和tOFF。一些模擬開關在同樣的封裝和管腳擺列下會設計出幾種不同的RON和輸入電容特性組合。MAX4501和MAX4502具有較高的RON和較短的tON/tOFF，而MAX4514和MAX4515則具有更低的RON和更長的切換時間。

低RON還帶來另外一個負面影響：大的容柵電流會導致大的電荷注入。在開關每次開啟/關閉的過程中都有一部分電荷注入或者流出模擬通道(圖6A)。對于開關連接在高阻輸出的應用，這個過程會對理想的輸出信號造成很大變化。在沒有其它負載的情況下，小的寄生電容(CL)將對輸出增加一個ΔVOUT的變化，注入電荷為Q = ΔVOUT x CL)。在模/數轉換器(ADC)進行轉換時，用于保持模擬輸出信號的采樣保持放大器就是一個很好的例子(圖6B)。開關S1導通，將緩存電容C充電到輸入電壓VS。電容C只有幾個皮法，當S1斷開時，電容C的電壓保持為VS。在轉換時導通S2將保持電壓VH)加到緩沖器上。高阻緩沖器在ADC轉換期間將電壓保持在VH)。對于采樣時間很短的應用，采樣保持電容值要求非常小，而且開關S1的RON也要很小。然而，電荷注入會導致VH)有一個±ΔVOUT (幾毫伏)的變化，這會影響后面ADC的準確度。

圖6A. 開關控制信號的電荷注入導致的模擬輸出電壓誤差。

圖6B. ADC內部典型采樣保持電路需要模擬開關的精確控制。

漏電流以及對電壓誤差的影響

漏電流會影響模擬開關的輸出電壓。圖7和圖8給出了模擬開關在導通和關斷狀態下的簡化小信號模型。在兩種情況下，大部分漏電流通過內部寄生二極管流出，導致輸出電壓誤差。漏電流隨溫度變化，溫度每變化10°C，漏電流加倍。ESD保護二極管(例如失效保護開關)加大了器件的漏電流。

圖7. 開關導通狀態下的等效電路。

圖8. 開關斷開狀態下的等效電路。

導通狀態下的輸出電壓如式3所示，它受漏電流和導通電阻的影響，導通電阻根據輸入信號、負載電阻、源電阻的不同而不同。對于雙向開關，ILKG根據開關是漏極還是源極作為輸出分別等于IS或ID。

(式3)

斷開狀態下，輸出電壓理論上受漏電流的影響，計算公式為VOUT = ILKG × RL。

許多IC數據手冊給出的是最壞情況下導通關斷的漏電流。當信號電壓達到電源電壓時，大量電流通過寄生二極管注入到基片導致電流流到相鄰通道。因而設計者需要注意所使用器件的供電電流上限，避免超過限制。超出限制會永久性損壞器件。在一些用到高輸入阻抗和低失調誤差的放大器和ADC的應用中，應當使用低漏電流的模擬開關或復用芯片。

視頻和高頻開關的特殊需求

對于視頻信號，在導通電阻和寄生電容之間的權衡非常重要。具有大導通電阻的傳統模擬開關可以通過外部增益來補償插入損耗。同時，低導通電阻的開關具有比較大的寄生電容，會降低帶寬和視頻信號的質量。低導通電阻開關需要輸入緩沖器保證帶寬，但會增加器件數量。

采用n溝道開關可以提高帶寬，因為寄生元件和封裝可以做到很小，使得單位面積內可以集成更多的開關。但是n溝道開關限制了軌到軌應用。當視頻信號超出限制幅度時，輸出會鉗位導致視頻信號失真。當選擇n溝道開關時，要確保開關的特定限制能夠滿足輸入信號完全通過。

在安防和監控系統中，一個監示器有多個信號源，隔離度和串擾是關鍵參數。隔離度定義為開關斷開狀態下，輸入信號反饋到開關另一端的強度。在視頻和VHF等典型的高頻應用中，信號通過漏源極電容(CDS)耦合，降低了隔離度。與開關相連電路的更高阻抗也導致隔離度的降低。

T型開關比較適合視頻及其它高于10MHz的高頻應用。它由兩個串聯的模擬開關和另外一個連接在它們中間到地的第三個開關組成(圖9A)。這種排列提供了高于單個開關的隔離度。由于和每個串聯開關并聯的寄生電容，關斷的T型開關的容性串擾通常隨頻率增加而增加(圖9A)。在多通道開關中，通道之間的寄生電容會將信號耦合到鄰近通道，因此增加了串擾。

圖9A所示T型開關導通時，開關S1和S1導通，S3斷開。關斷時，S1和S2斷開，S3導通。在關斷狀態，試圖通過串聯MOSFET的CDS耦合的信號被開關S3旁路到地。對于10MHz的視頻信號，T型開關(例如MAX4545)與普通開關(例如MAX312)的隔離度相差很大：分別為-80dB和-36Db (圖9B)。

最后，可以考慮選擇帶緩沖和不帶緩沖的視頻開關。普通的無源視頻開關需要額外電路1。有源視頻開關集成了開關和緩沖器，有助于減小信號干擾。集成復用放大器(例如MAX4310)在高頻應用中具有非常高的隔離度。

圖9A. 射頻應用中的T型開關結構。

圖9B. 標準開關(MAX312)和視頻開關(MAX4545，MAX4310)隔離度的對比。

更小封裝

Maxim提供極小封裝的模擬開關。例如，MAX4696/MAX4697 (1-SPDT)和MAX4688/MAX4698 (1-SPST)都是6焊球UCSP封裝(1.5mm2)。UCSP封裝淘汰了傳統的塑料封裝集成電路，大大節省空間。表3列舉了一些其它小封裝的模擬開關。

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**典型值。

ESD保護開關

對于大多數模擬開關應用，ESD保護是一個重要參數。標準的模擬開關設計ESD保護電壓為±2kV。設計者可以額外增加ESD保護，但這會占用單板面積、增大輸入輸出電容。現在，一些開關設計采用內部二極管，提供高達±15kV的ESD保護電壓。這些器件均通過IEC 61000-4-2規定的人體模式(±15kV)、接觸放電(典型±8kV)和氣隙放電(±15kV)模式的ESD測試2。

*最新信息，請參考數據手冊。
**典型值。

高達±36V過壓保護的故障保護開關

模擬開關的電源電壓限制了所允許的輸入信號電壓范圍(參考信號處理設計部分)。如果輸入信號電壓超過電源電壓，器件會閉鎖或永久性損壞。通常這個限制不會影響使用，但有些情況下信號會在開關斷電的時候作用到器件輸入(當系統上電順序導致輸入信號在器件上電完成之前加載時)。信號瞬間超過供電電壓也會導致器件閉鎖或永久損壞。新的帶故障保護的開關提供高達±36V的過壓保護，斷電狀態下達到±40V，同時提供滿擺幅信號處理能力和低導通電阻。而且，不論開關處于何種狀態、負載電阻大小，故障狀態下，輸入端均為高阻態，從源端流出的漏電流也只有幾個納安。

圖10所示是故障保護模擬開關的內部結構。如果開關(P2或N2)導通，COM輸出端將被兩個內部“自舉”FET鉗位到電源電壓，使COM輸出保持在電源電壓以內，并根據負載提供最大±13mA的電流，但是NO/NC引腳的電流并不大。注意，信號在有ESD保護或故障保護的開關中可以雙向傳輸，但故障保護只作用在輸入端3。

圖10. 故障保護模擬開關內部特殊電路結構。

許多雙電源開關要求正電源先于負電源上電，以避免器件閉鎖或損壞。有些開關則不要求上電時序，如MAX14752復用器。MAX14752與工業器件DG408/DG409管腳兼容，并且內部輸入端的二極管為開關提供過壓/欠壓保護。

表5列出了Maxim的一些故障保護開關，MAX4511/MAX4512/MAX4513與DG411–413以及器件DG201/DG202/DG213引腳兼容。

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加載/感應開關對系統精度的影響

電壓和電流測試系統中存在大量的連接技術，例如，常見的2線、3線和4線系統，它們在精度和復雜度方面有很大差別。對于精度要求不是過高的系統，可采用2線連接，如圖11所示。這種技術在加載線的源端檢測負載電壓，負載電壓可能遠遠低于源端電壓，因為如果相對較大的驅動電流流過線路阻抗，將產生較大的壓降。引線越長、負載電流越大、引線電阻越大，所產生的壓降越大，可能導致嚴重的測量誤差。3線系統可以提高精度，4線加載/感應技術則可達到更高精度。

圖11. 當高精度要求不嚴格時使用2線測量系統。

4線加載/感應技術(圖12)使用兩根線傳輸驅動電壓或電流，另外兩根線直接連接到負載測量負載電壓。模擬加載/感應開關在同一封裝內采用不同的開關類型，例如MAX4554系列配置為加載/感應開關，設計用于開爾文檢測自動測試設備(ATE)。每個器件包含一路低阻、大電流開關，用作電流加載線或用于檢測電壓或切換保護信號的高阻開關。大電流開關的導通電阻只有6Ω，感應開關在±15V供電時的導通電阻達到60Ω。加載/感應開關適用于高精度測量系統，例如納伏表和毫安表等。它們也簡化了許多應用，例如在4線系統中切換一個驅動源和兩個負載，如圖13所示。

圖12. 4線加載/感應測試技術。

圖13. 使用MAX4555將4線測試電路從一個源端切換到兩個負載。

多通道應用中的復用器和交叉開關

復用器是一種特殊的模擬開關，有兩個或更多輸入端連接到一個輸出端。復用器可以是一個簡單的SPDT開關或用于多個選通通道的組合(圖14)。利用數字輸入選擇通道(例如8通道復用器中的三個數字輸入端)，這些更高階的復用器數字控制如同2進制解碼器。

分配器是復用器反向使用。根據解碼地址，將一路輸入連接到兩路或多路輸出。許多復用器也可以用作分配器。

圖14. 低壓復用器(上)和中壓復用器(下)的結構。

表6列出了Maxim的一些交叉開關。許多開關在老一代基礎上增強了功能設計。如MAX4360是MAX458的替代型號。

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交叉點開關用于音/視頻切換、視頻點播、安防和監控系統。交叉開關通常是一個M × N的器件，任何一路或所有輸入可以連接到任何一路或所有輸出(反之亦然)。這些器件可以組成一個大型陣列4。

校準型復用器平衡ADC失調和增益誤差

校準型復用器用于精密ADC或自監控系統。它們在單芯片內集成了多個器件：從輸入基準電壓產生精確比例電壓的模擬開關、內部精密電阻分壓器、在不同輸入間進行選擇的復用器。

校準復用器可以平衡ADC系統的兩個主要誤差：失調和增益誤差。在微控制器串口控制下，通過幾個簡單的測試步驟，借助內部精密分壓器可以測量增益和失調。得到了ADC的失調和增益誤差后，系統軟件利用校準系數即可調整最終輸出，得到準確的測試結果。校準復用器是一種便利的復用器件，并可周期性地進行系統校準5。 圖15給出了MAX4539的框圖。

圖15. 低壓校準復用器MAX4539的內部框圖。

MAX4539和MAX4540分別兼容于MAX4578和MAX4579，MAX4539和MAX4540采用2.7V至12V單電源供電或±2.7V至±6V雙電源供電。MAX4578和MAX4579作為高電壓應用，可以工作在4.5V到36V單電源或±4.5V到±20V雙電源。

USB開關提升系統通信能力

通用串行總線(USB)是一種高速接口，通過標準接口支持不同設備之間的通信；也可以通過一個USB主設備給一個USB從設備供電。多個USB設備可以連接到計算機，模擬開關用于建立USB信號與不同設備之間的路徑。6大部分新型USB應用還需要通過USB接口給便攜設備充電7。USB2.0規范用于處理高速信號，需要寬帶、低電容模擬開關，如MAX14531E。Maxim提供符合USB2.0標準的開關(表7)，滿足USB2.0高速(480Mbps)應用要求。

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**典型值。

HDMI開關增強數字音/視頻信號處理

高清多媒體接口(HDMI)是一種用于切換未經壓縮的數字音頻/視頻信號的高速接口。該接口用于支持高清電視(HDTV)、DVD播放器及其它HDMI兼容設備、PC機、筆記本電腦和平板電腦之間的互聯。

HDMI接口包括四對低壓差分信號(LVDS)，用于紅、綠、藍(RGB)視頻通道和一個專用的時鐘信號。理想的HDMI開關包含四路差分對的1:2或2:1開關，采用n溝道結構確保低電容、低導通電阻(如MAX4886)特性8。

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**典型值。

DisplayPort和PCIe開關改善點對點連接性能

外設互聯標準PCIe是一個串行接口(PCI Express?接口)用于支持高性能加速圖形端口(AGP)應用，PCI Express開關實現單個或多個總線的互聯。其基本應用是切換DisplayPort圖形、PC和筆記本電腦擴展卡接口以及服務器。

有些PCIe開關設計用于在兩個終端之間切換數據，例如，MAX4928A和MAX4928B支持信號在圖形存儲控制集線器(GMCH)和DisplayPort或PCIe連接器之間切換信號9。

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**典型值。

用于工業和醫療設備的高壓開關

高壓(HV)模擬開關非常適合工業和醫療應用。例如，在超聲應用中，高壓脈沖(±100V)被施加到傳感器上，產生超聲波。高壓模擬開關在傳感器和主系統之間切換這些脈沖信號。這些開關通常在整個輸入范圍內具有低電容、平坦的導通電阻等特性。高壓開關通常具有較低的電荷注入，以避免錯誤的信號傳輸或產生圖像偽影。許多高壓開關部件可以使用SMBus或SPI接口編程10、11。 表10列出了Maxim的高壓開關。

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結論

本文介紹了當前多種類型的模擬開關。近期模擬開關技術的發展，使得集成模擬開關能夠提供更好的開關特性，可以工作在更低或更高的電源電壓，并能滿足某些特定應用的需求。

審核編輯：郭婷