請注意模擬開關和多路復用器，它們是信號通道的關鍵元件。設計人員應當了解這些重要模擬部件的應用和規(guī)格。

　　要 點

　　模擬開關的主要規(guī)格是電壓、導通電阻、電容、電荷注入、速度和封裝。

　　介質(zhì)絕緣工藝可防止一些開關的閂鎖。

　　開關的工作范圍從直流到 400 MHz ，甚至更高。

　　MEMS （微機電系統(tǒng)）開關在高頻下運行良好，但存在可靠性問題，并且封裝費用昂貴。
　　如果您是在仿真一個模擬開關，要確保對全部寄生成分的建模。

　　沒有哪個 IC 原理圖符號能比模擬開關的符號更簡單（圖 1a ）。一個基本開關僅包括輸入、輸出、控制腳和一對電源腳。然而，在這簡單的外觀（圖 1b ）后面，隱藏著極其復雜的東西。很多規(guī)格，包括電源電壓和導通電阻，都對部件運行非常重要。模擬開關也有許多交流規(guī)格，如帶寬和開關時間。所有這些規(guī)格（包括泄漏電流）都會隨溫度而變化，有時是徹底改變。與其它所有模擬部件一樣，開關也有相互作用并有一組連續(xù)值的規(guī)格。這些規(guī)格并非白或黑，而是灰色梯度（參考文獻 1 ）。

　　一個模擬開關是復雜的，但要把它們聯(lián)結(jié)成組，或者把它們集成到一個 IC 里以提供 DPDT （雙刀雙擲）功能或多路復用器，就會更加復雜。例如，一個為 ADC 送入信號的多路復用器應當是一種先開后合的器件——也就是說，在接通之前，它應當斷開觸點，防止輸入信號相互短路。但是一個音頻輸出上的多路復用器可能需要先合后開器件——也就是說，它必須先接通，然后再斷開，以防止音頻信號中出現(xiàn)令人不快的卡嗒聲和爆破音。如所有模擬部件一樣，事情要比第一眼看上去更復雜。

　　尋找新用途

　　模擬開關總是在儀器和工業(yè)市場中占有一席之地。數(shù)據(jù)采集卡重定模擬輸入的路徑，為接至 ADC 的測量提供多個通道，并把模擬輸出傳遞到連接器或內(nèi)部電路節(jié)點。這些卡中的模擬開關和多路復用器傳統(tǒng)上是高壓部件，以保持它們的工業(yè)、軍用和醫(yī)用傳統(tǒng)。這些有幾十年歷史的應用將永遠存在，但是幾項新的技術進展正在使模擬開關的使用發(fā)生巨大的變化。

　　模擬開關最大規(guī)模用途之一是手機和其它的手提消費設備。Fairchild Semiconductor 的開關產(chǎn)品生產(chǎn)線總監(jiān) Jerry Johnston 稱：“我不知道哪款手機里一個開關也沒有。”大小和功能是電話中使用模擬開關的推動因素。手機外殼中只有很小的空間放置連接器，這意味著模擬開關必須將信號從多個 IC 傳遞到一個 USB 端口、視頻端口、音頻端口或電源連接器。這些開關也有多種功能，這更增加了在手機中的應用。一款手機通常包括一只基帶 IC 和 RF 信號鏈。一款全功能手機也可能要帶有數(shù)碼相機和攝像頭，兩者都有相關的閃存系統(tǒng)，并且能做 MP3 和視頻播放器。它也支持 USB、藍牙和無線 LAN 連接。Johnston了解一些高端手機有多達 14 個模擬開關。

　　基于類似的原因，模擬開關日益增長的另一應用是便攜計算機。即使最基本的筆記本電腦也有攝像頭、 IR（紅外線）端口、藍牙和無線功能。此外與手機類似，便攜計算機只有有限的外表面供放置連接器。盡管不像手機的空間限制那么嚴格，但是這種約束仍然為模擬開關提供了許多應用。

　　家庭娛樂設施是模擬開關的另一種大批量應用。任何一個裝配電視、 DVD 播放機、立體聲收音機、游戲系統(tǒng)、有線系統(tǒng)和計算機的人，都可以證實這些任務要求的視頻與音頻信號布線挑戰(zhàn)。如同手機一樣，這些家庭娛樂系統(tǒng)可能用到一些數(shù)字信號，但是仍然必須使用模擬開關來完成該設備的信號傳送。例如，許多家庭娛樂系統(tǒng)有多個 HDMI（高清晰多媒體接口）數(shù)字信號通道，這些產(chǎn)品需要模擬開關傳送那些信號，因為使用數(shù)字開關能引起扭曲及延遲。數(shù)字開關在完成功率時會建立一個或多個門延遲，那些延遲可能不確定，而是隨著開關路由或溫度而更改，門的上升和下降次數(shù)可能更改數(shù)字信號的占空比。

　　模擬開關的另一個大量應用是車載娛樂設備，它有與家庭娛樂系統(tǒng)一樣的信號路由問題，而且空間更少。汽車電子設備，或“telematics”（車載通信系統(tǒng)）同時包含了信號路由以及娛樂、計算機和手機環(huán)境的管理挑戰(zhàn)。

　　重要規(guī)格

　　模擬開關能經(jīng)受的電壓與機械開關的額定電壓一樣重要，有時它指示出開關的預期市場。12V到 36V開關的目標常常是儀表、軍用和醫(yī)用市場。那些必須從外部測量一些未知電壓的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也得益于采用高額定電壓的模擬開關。因為設計人員無法控制所測電壓的水平，所以，重要的是開關能承受盡可能高的電壓。對于可靠性的同樣要求，促進了對介質(zhì)絕緣模擬開關和故障保護模擬開關的開發(fā)。

　　介質(zhì)絕緣是把 IC 中每個晶體管放在自己的玻璃外套中（圖2和參考文獻2）。玻璃有比硅更低的介電常數(shù)，對介質(zhì)絕緣的部件產(chǎn)生非常低的內(nèi)電容。因此，如果輸入信號超出電源軌（圖3），寄生SCR （可控硅整流器）的形成就能引起IC基材的閂鎖。制造商通常采用廉價的 CMOS 工藝為電子消費產(chǎn)品制造部件，而這些部件的最大額定電壓為5.5V。例如，F(xiàn)airchild的 FSA2270T雙路SPDT （單刀雙擲）模擬開關擺幅低于負電壓軌，這樣在沒有負電源軌情況下也能通過雙極音頻信號（參考文獻3）。另外一個例子是德州儀器公司的 TS3USB221 多路復用器/解復用器開關，其工作電壓為 2.3V。

　　故障保護是另一個重要規(guī)格。具備這一特性的器件，即使其輸入電壓超過電源軌也不會導致?lián)p壞。例如，Maxim 公司的 MAX388 模擬多路復用器的故障防護達 100V 。除提供內(nèi)部故障保護之外，線路還可以設計為在過壓情況下保護模擬開關（參考文獻4）。

　　導通電阻是模擬開關的另一個極為重要的規(guī)格。如果您的設計包含了一個為模擬開關提供緩沖的運算放大器，導通電阻似乎并不重要。運算放大器的輸入阻抗可能在兆歐水平，所以把一個 100Ω的模擬開關與輸入端串聯(lián)，意味著這個阻抗是可忽略的，但是僅對直流。開關的導通電阻能對放大器的雜散電容和輸入電容作出反應。這個反應能建立一個極點，使信號鏈的頻率響應驟降，可能達到無法接受的水平。許多其它信號通路應用需要更低的導通電阻。盡管幾十年前100Ω是可以接受的，那時工程師使用的是Fairchild通用CD4066 CMOS 模擬開關，但許多器件的導通電阻很快降低到 10Ω，現(xiàn)在已有多款低于 1Ω的模擬開關。例如， Pericom 公司的 PI3A3159 SPDT 模擬開關導通電阻為0.4Ω。這些新部件可以在低至 2.7V 的工作電壓下，實現(xiàn)低導通電阻。

　　另一個重要規(guī)格是關態(tài)電阻，它量度的是開關阻擋信號的能力。模擬開關的基本關態(tài)電阻就是 MOS 晶體管的關態(tài)電阻，通常高于多數(shù)線路的需求。關態(tài)電阻也是 ESD （靜電放電）保護二極管的一個功能，這些二極管在 IC 片芯上，防止晶體管的處理和組裝中出現(xiàn)損壞（圖 4）。把關態(tài)電阻看成是一個泄露規(guī)格可能更有幫助。因為泄漏每 10℃會加倍，應總是在預期的電路最高工作溫度上檢查關態(tài)電阻。此外，關態(tài)電阻和泄漏是應用于直流或低頻的規(guī)格。在更高頻率時，開關電容支配著關態(tài)電阻和泄漏。

　　對于現(xiàn)代模擬開關這么小的東西，不可避免會存在電容。引腳挨的很近，因此可以預計它們之間有數(shù)皮法的耦合電容。另外還必須處理晶體管結(jié)構(gòu)和基材之間的電容。制造商采用專有工藝生產(chǎn)現(xiàn)代部件，這樣部件就能在 RF 范圍工作，輕易地達到數(shù)百兆赫。

　　Maxim Intergratd Products公司的副業(yè)務經(jīng)理Manav Malhotra 稱，一些客戶要求制造商確定模擬開關的插入損耗和回波損耗，這是與射頻（RF）設計相關的規(guī)格。半導體模擬開關也有其弱點：各引腳與地或電源之間的電容。舌簧繼電器和 MEMS （微機電系統(tǒng)）開關有較小的雜散電容，使它們適合于延伸至千兆赫范圍的頻率，但是繼電器和 MEMS 都是機械性器件，在幾十萬到數(shù)百萬次的運行循環(huán)中會磨損。舌簧繼電器開關的激勵需要很大功率；MEMS 器件的運行需要成本昂貴的封裝，將硅梁保持在一個空區(qū)中。即使信號僅是數(shù)百千赫，也應當觀察模擬開關的引腳（包括地和電源）之間的電容，確定該器件是否能提供所需的隔離和串擾規(guī)格。

　　電荷注入是模擬開關中的另一個重要規(guī)格。打開開關會使電荷注入信號通道，在采樣保持穩(wěn)壓器和饋入放大器的多路復用器中，這可能會產(chǎn)生災難性的后果。那些配合內(nèi)部電容的 IC設計能盡可能減少電荷注入。啟動信號的上升沿越快，電荷注入的問題就會越嚴重。降低模擬開關控制信號的轉(zhuǎn)換速率有可能把電荷注入降低到可接受的水平。如果在設計的信號通道中有任何高阻抗節(jié)點，請一定要評估這個因素。電荷注入常常是含模擬開關音頻電路產(chǎn)生爆破聲和卡嗒聲的原因。如同所有規(guī)格一樣，要在預期的全部設計工作溫度范圍上檢查這個因素。

　　許多模擬開關要傳送快速的數(shù)字信號，因此對于許多用戶來說，激勵速度是一個重要規(guī)格。即使在傳統(tǒng)應用中，如數(shù)據(jù)采集多路復用器，必須在采樣保持分析時考慮開關速度因素，以確保在 ADC 測量之前，信號已經(jīng)穩(wěn)定到一個準確的水平。也應當注意信號鏈中任何模擬開關的 PSRR （電源抑制比）。正如輸出和電源之間的電容能快速衰減信號一樣，同一個電容也能把電源軌上的高頻噪聲成份傳入輸出信號。最近，很多模擬電路采用開關電源供電。一定要檢查電源軌的頻譜內(nèi)容。如果頻率足夠高，它們將通過模擬開關的內(nèi)部電容進入設計的輸出。在部件的電源腳串接一只電阻或電感，并在靠近模擬開關的位置放一個或多個去耦電容，可確保電源噪聲不會進入設計的信號通道。這也會使線路對 RFI（射頻干擾，參考文獻 5）有更強的抗干擾能力。

　　還有一個規(guī)格的重要性和其它規(guī)格一樣，這就是部件采用的封裝。如果設計一種手持式儀器或手機，就需要使器件采用 SC-70 或更小的封裝。如果要使用的是電源切換部件，那么可能需要大型封裝幫助功率耗散，防止部件變得過熱。另外一個封裝考慮是與標準部件引出腳的一致性。例如，如果需要更換一個 Intersil DG403單片模擬開關，那么需要一個有相同封裝和出腳的部件。要得到一個低導通電阻的小封裝部件是一個挑戰(zhàn)。Maxim Integrated Products公司的接口開關和保護業(yè)務部的執(zhí)行董事 Jeffery DeAngelis 稱：“多數(shù)開關面臨的挑戰(zhàn)是物理問題。要得到更小的導通電阻，得在 FET 中并排放多個金手指 （柵極結(jié)構(gòu)）。這么做得到了更低的導通電阻，但是片芯增大。”

　　電流消耗是另一個關鍵參數(shù)。一些部件會根據(jù)應用的控制信號電平而改變電源的電流。要在電路試驗板上評估電源的電流，不要假設數(shù)據(jù)單上的標稱數(shù)值就適用于電路。此外要注意電源電流會隨著溫度而變化。

　　處理權衡問題

　　由于需要考慮那么多規(guī)格，一位勤勉的模擬工程師應當審視那些模擬開關固有的基本權衡。所有工程師都知道最重要的規(guī)格是成本。低成本的開關無過于老式的 CD4066 CMOS 模擬開關。它的工作電壓高達 15V，可以并聯(lián)使用多個開關，實現(xiàn)適當級別的導通電阻。在另一個極端上，介質(zhì)隔離的 Intersil H 303ARH 擁有抗輻射加固的硅柵，使它適合軍事和人造衛(wèi)星應用。另一個權衡涉及電源電壓。通常情況下，電源電壓越高，導通電阻越低。例如，STMicroelectronics使用新工藝制作 STG3699B 四單刀雙擲開關，使之有 0.5Ω的導通電阻。

　　另外一個權衡是電源電流。高速運行的器件需要更高的電源電流，能以更快的速率轉(zhuǎn)換晶體管門。CMOS 或 DMOS 模擬開關常常有低的電源電流。例如， STMicro 的 STG3684 單刀雙擲開關僅僅使用200 nA。此電流隨著溫度而上升。該公司某些部件的規(guī)格設定在+ 85℃，如 STG3689。

　　其他權衡包括封裝的大小和功耗。電源切換（開關電源）設計需要較大的封裝，從而可能需要低導通電阻，因為管芯越大，電阻越低。新穎的工藝和電路技術也已經(jīng)在這個領域做出了巨大的進步。Vishay 現(xiàn)在提供 14 種導通電阻小于 1Ω的開關。而且這些部件的封裝和 SC-70 一樣小，底面積為 3mm × 2mm。

　　可能忽略的一個權衡是導通電阻會跟隨施加的信號而發(fā)生變化。如果使用高壓電源和小信號擺幅，那么這種變化可能不是問題。然而，如果信號是軌至軌地擺至電源電壓，將需要一種較新的器件，它能在通過的信號電壓范圍上提供一致的導通電阻。

　　CMOS 模擬開關會更便宜，但是運行電壓更低。DMOS 開關有更高的電壓，轉(zhuǎn)換更快。DMOS 開關通常有更嚴格的驅(qū)動器要求。Vishay 開發(fā)了 DG611 開關，它同時使用 CMOS 和 DMOS 以獲得實現(xiàn)兩種工藝的優(yōu)點（參考文獻 6）。Analog Devices 公司產(chǎn)品經(jīng)理Liam S渋lleabh噄n 認為，辨別模擬開關制造商的一個條件是看它提供定制或?qū)Ｓ泄に嚨哪芰?，如該公司?35V iCMOS 工藝，它能使部件適合于具體的應用。他說：“如果比較一下 ADG408 和我們的新產(chǎn)品 ADG1408，408 的導通電阻為 100Ω，而 1408 的導通電阻為 4.7Ω。 公司提供的1408采用相同的 TSSOP 封裝，但是也有另外的封裝選擇 LFCSP，它要小 70%。”

　　MEMS 部件可能是模擬開關的未來權衡?，F(xiàn)在的問題是機械可靠性和價格。MEMS 開關是機械式的，雖然可以預期它們的可靠性優(yōu)于舌簧繼電器開關，但它們?nèi)匀粫p或徹底損壞。此外，MEMS 結(jié)構(gòu)不能采用環(huán)氧樹脂作密封，所以  MEMS 封裝總是比硅模擬開關封裝更貴。此外， MEMS 開關的切換時間較長，因為它們是機械式的。

　　放眼審視模擬開關的大量應用和多面性的規(guī)格，您能夠發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容遠超過眼前這些無處不在的小部件所呈現(xiàn)的東西（參考文獻 7）。在您設計自己的下一個信號鏈時，一定理解它們的使用和規(guī)格。如果您正在做一個包含模擬開關的 Spice仿真，要確保模型是完整的，能顯示寄生和雜散電容和打線的電感。許多Spice模型沒有考慮電荷注入，或?qū)娮桦S外加電壓而發(fā)生的變化。如果實驗板出現(xiàn) Spice運行時不曾出現(xiàn)的問題，不必感到驚訝。在溫度范圍內(nèi)檢查一切，確保能買到您選擇的部件，并且它會在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)保持量產(chǎn)。如果正確地使用了模擬開關，就可以實現(xiàn)各種性能，并降低成本，這是其他方式不能做到的。

參考文獻
1. "All Purpose Analog Switch Design Hints," Application Brief 7, Pericom, January 1999.
2. McCarthy, Mary, and Anthony Collins, "Ask The Applications Engineer—26," Analog Dialogue, Volume 31, No. 3, 1997.
3. "Fairchild's Negative Voltage Swing Audio Switches," Fairchild Semiconductor.
4. "Overvoltage Protection for CMOS Switches and Multiplexers," Application Note AN205, Vishay Siliconix, Aug 6, 2003.
5. Rako, Paul, "RFI: keeping noise out of your designs," EDN, Jan 10, 2008, pg 25.
6. "12ns DG611 Switch Family Combines Benefits of CMOS and DMOS Technologies," Application Note AN207, Vishay Siliconix, Aug 3, 1999.
7. "Selecting the Right CMOS Analog Switch," Application Note 638, Maxim Integrated Products, Sept 3, 2002.