引言
集成模擬開關常常用作模擬信號與數字控制器的接口。當今市場上的模擬開關數量眾多，產品設計人員需要考慮多項性能標準。同時也有許多35年前開發的標準CMOS開關已經發展為專用的開關電路。
本文回顧標準CMOS模擬開關的基本結構并介紹常見模擬開關參數，例如導通電阻(RON)、RON平坦度、漏電流、電荷注入及關斷隔離。文中討論最新模擬開關的性能改善：更好的開關特性、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、ESD保護、校準型多路復用器(cal-mux)和加載-感應功能。介紹了適用于視頻、高速USB、HDMI和PCIe的專用開關。
標準模擬開關基礎
傳統模擬開關的結構如圖1所示。將n溝道MOSFET與p溝道MOSFET并聯，可使信號在兩個方向上同等順暢地通過。n溝道與p溝道器件之間承載信號電流的多少由輸入與輸出電壓比決定。由于開關對電流流向不存在選擇問題，因而也沒有嚴格的輸入端與輸出端之分。兩個MOSFET由內部反相與同相放大器控制下導通或斷開。這些放大器根據控制信號是CMOS或是TTL邏輯、以及模擬電源電壓是單或是雙，對數字輸入信號進行所需的電平轉換。
圖1. 采用并聯n溝道和p溝道MOSFET的典型模擬開關的內部結構
現在，許多半導體制造商都提供諸如早期CD4066這樣的傳統模擬開關。有些最新設計的模擬開關與這些早期開關的引腳兼容，但性能更高。例如，有些與CD4066引腳兼容的器件(例如MAX4610)相對于原來的CD4066具有更低的RON和更高的精度。
對基本模擬開關結構也有一些功能性改變。有些低電容模擬開關在信號通路中只使用n溝道MOSFET(例如MAX4887)，省去了較大的大幅降低模擬開關帶寬的p溝道MOSFET。
其它采用單個正電源軌工作的模擬開關采用電荷泵，允許負信號電壓。例如，MAX14504音頻開關工作在+2.3VCC至+5.5VCC單電源，采用內部電荷泵，允許-VCC至+VCC的信號無失真通過。除功能改善外，工業上許多最新模擬開關的封裝比早期的器件更小。
低導通電阻(RON)開關降低信號損耗
在VIN為各種電平條件下，p溝道和n溝道RON的并聯值形成并聯結構的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RON影響的情況下為直線。為使信號損耗和傳輸延遲最小，理想情況下的RON應盡量小。然而，降低RON將增大MOSFET硅片的寬度/長度(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關的帶寬。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)、門限電壓(VT)及信號電壓、n溝道及p溝道MOSFET的信號電壓VGS (VIN)的復合函數，如式1a和1b所示。
將RON和寄生電容最小化，同時改善整個溫度和電壓范圍內RON相對于VIN的線性度，往往是設計新產品的首要目的。
圖2. RON與VIN的關系。圖1中的n溝道和p溝道RON構成一個復合的低值RON。
早期的模擬開關工作于±20V電源電壓，導通電阻RON為幾百歐姆。最新改進達到了最大0.5Ω的RON，供電電壓低得多。電源電壓對RON的影響很大(圖3A)，施加的信號也會明顯影響RON (圖3B)。本例中，MAX4992信號和電源電壓為1.8V至5.5V，RON在較低電源電壓時增大(圖3A)。MAX4992采用單電源時達到了非常低的RON及RON平坦度(1mΩ)。圖3B為新、舊模擬開關的比較，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的關系。
圖3B. 新、舊模擬開關的RON比較。
為單電源系統選擇模擬開關時，盡量選擇專門針對單電源設計的器件。此類器件無需單獨的V-和地引腳，因而可節省一個引腳。引腳上的經濟性意味著單刀雙擲(SPDT)開關(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。與這些電壓接口時需要額外的一個電源引腳，通常稱為邏輯電源電壓(例如MAX14756)。該引腳(VL)連接至系統邏輯電壓，通常是1.8V或3.3V。
信號處理設計
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，這是因為未集成內部電荷泵的典型模擬開關只能處理電源電壓范圍之內的模擬信號電平。對于沒有保護的模擬開關，過高或過低電壓的輸入將在芯片內部的二極管網絡產生失控的電流，造成開關永久損壞。通常這些二極管能夠保護開關抵抗高達±2kV的短時間靜電放電(ESD)。(參見下文中的ESD保護開關部分)。
模擬開關的RON會造成信號電壓的線性衰減，衰減量正比于流過開關的電流。根據應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在信號范圍內的變化量。匹配度/RON或平坦度/RON的比值越小，則模擬開關的精度越高。這兩個參數的典型值分別為0.1Ω至5Ω。有些開關是專門針對低通道匹配度和平坦度設計的。例如，MAX4992的通道匹配度可達到3mΩ，RON平坦度可達到1mΩ。MAX14535E具有非常好的RON、通道匹配度和RON平坦度指標，理想用于交流耦合音頻或視頻便攜式設備，可處理低至-1.5V的負信號擺動。
大多數應用中，可以通過修改電路設計防止過大的開關電流。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串聯的結構(圖4A)。此時，由于開關電流較小，RON值及其溫度系數可忽略不計。然而，圖4B所示的設計中，開關電流取決于輸出電壓，因此其值較大，就不太理想。
圖4. 增益控制電路設計的好(A)或壞(B)取決于流過開關的電流大小。
音頻開關和先斷后合功能
所有音頻系統中的一項主要性能要求是消除瞬態脈沖通過揚聲器負載放電引起的可聞咔嗒/噼噗聲。這些瞬態通常發生在電源打開和關閉期間(導通和關斷時間，tON和tOFF)。無論設備在工作期間的音頻質量如何，如果在系統每次打開或關閉時發出噪雜的咔嗒聲，用戶往往會認為該音頻設備的質量比較差。通過延長模擬開關的tON和tOFF，可消除可聞咔嗒/噼噗聲。這減小了通過揚聲器負載進行放電的瞬態脈沖。大多數模擬開關的tON和tOFF從低至15ns到高達1μs不等，但有些“無雜音”開關可達到毫秒級。
有些無雜音開關使用旁路開關和先斷后合功能消除咔嗒聲。在使用MAX4744的音頻應用中，利用內部旁路開關對輸入處的電容放電。這可防止瞬態電壓進入揚聲器。先斷后合功能保證開關在切換至另一連接之前首先斷開之前的連接，要求tON > tOFF。有些設計則要求開關先合后斷，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慎。改變增益時，避免使兩個開關同時處于打開狀態非常重要；第二個開關必須在第一個開關開路之前閉合。否則，運算放大器會采用開關增益，其輸出將被驅動至電源電壓。
信號電平變化會引起RON變化，造成開關的插入損耗變化，這會增大模擬開關的總諧波失真(THD)。以RON平坦度為10Ω的100Ω開關為例，當負載為600Ω時，開關將產生1.67%的THDMAX。THD是許多應用中的關鍵參數，表示通過開關的信號質量或保真度。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所示為不同開關的THD比較。
圖5. 一組模擬開關的THD與頻率關系。
低RON及管理電荷注入效應
并非所有應用都要求低RON。然而，當應用需要較低RON，需要考慮多項設計要求。電路所需的芯片面積更大，設計將引入更大的輸入電容，每個開關周期對輸入電容進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載電阻(R)和電容(C)，其時間常數由t = RC決定。充電時間通常為幾十納秒，但高RON開關具有較短的tON和tOFF周期。有些模擬開關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，但開關時間較長。
低RON還具有另一負面效應：較高的容性柵極電流引起較高的電荷注入。每次開關導通或斷開瞬間都有一定數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，這種效應將引起輸出信號的明顯改變。在一個沒有其它負載的小分布電容(CL)上產生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，在模數轉換器(ADC)轉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S1斷開時，VS保存在C上。在轉換開始時閉合S2，將保持電壓(VH)加載至緩沖器。這樣，在整個ADC的轉換周期內，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。
漏電流及其對電壓誤差的影響
漏電流影響模擬開關的輸出電壓。圖7和8所示為模擬開關打開和關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部寄生二極管，影響輸出電壓誤差。漏電流還是溫度的函數，每10℃大約翻一倍。ESD保護二極管(例如故障保護開關中)增大漏電流。
圖7. 開關閉合的等效電路圖。
圖8. 開關開路的等效電路圖。
利用式3計算導通狀態的輸出電壓，輸出電壓是漏電流、RON、在所施加輸入信號范圍內RON的變動、負載電阻及源電阻的函數。對于雙向模擬開關，Ilkg等于IS或ID (圖7和8所示)，取決于開關的漏極還是源極側配置為輸出。
關斷狀態下的輸出電壓主要受漏電流影響，由式VOUT = Ilkg × RL計算。
許多IC的數據資料給出了最差情況的導通/關斷漏電流：當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，導致電流流入相鄰通道。
視頻和高頻開關的特殊要求
RON和寄生電容之間的平衡對視頻信號非常重要。RON較大的傳統模擬開關需要額外增益級來補償插入損耗。同時，低RON開關具有較大寄生電容，減小了帶寬，降低視頻質量。低RON開關需要輸入緩沖器，以維持帶寬，但是這會增加元件數量。
采用只有n溝道的開關可提高帶寬，同時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關。然而，n溝道開關容易受滿擺幅工作的限制。當施加的視頻信號超過這些限值時，輸出將箝位，造成視頻信號失真。選擇n溝道開關時，確保開關的規定限值足以通過滿幅輸入信號。
在一個監視器顯示來自于多個源的視頻應用中，如安保和監視系統，關斷隔離和串擾是關鍵參數。開關處于關斷狀態時，來自于所加輸入信號的饋通總量決定關斷隔離。較高頻率時，通常為視頻和VHF應用，視頻通過漏源電容(CDS)耦合，降低關斷隔離。與開關相關的較高電路阻抗也會降低關斷隔離。
T型開關拓撲適用于視頻或高于10MHz的頻率，它包括兩個串聯的模擬開關，以及第三個連接在它們公共點與地之間的開關(圖9a)。這種安排能夠提供比單個開關更高的關斷隔離。由于寄生電容與串聯開關中的每個開關并聯(圖9a)，關斷的T型開關的容性串擾一般隨頻率的升高而增大。多通道開關中，通道之間的寄生電容將信號容性耦合至相鄰通道，進而增大串擾。
圖9A所示的T型開關導通時，S1和S2閉合，S3斷開；T型開關關斷時，S1和S2斷開，S3閉合。這種關斷狀態下，通過串聯MOSFET的CDS的耦合信號被S3旁路到地。T型開關(例如MAX4545)與標準模擬開關(例如MAX312)對于10MHz信號的關斷隔離差異明顯：-80dB相對于-36dB (圖9B)。
最后，您可考慮緩沖與無緩沖視頻開關。作為無源視頻開關，標準視頻開關可能需要額外電路1；而集成方法是作為有源視頻開關，將開關和緩沖器集成在一個封裝內，降低信號干擾。集成的復用器-放大器(例如MAX4310)具有很強的關斷隔離功能，可用于高頻應用。
圖9A. 用于射頻的T型開關結構。
圖9B. 標準開關(MAX312)與視頻開關(MAX4545, MAX4310)的關斷隔離-頻率關系的比較。
ESD保護開關
ESD保護是大多數模擬開關應用的一項重要特性。標準模擬開關的設計可提供高達±2kV的保護。設計者可增加額外的ESD保護能力，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，現在設計的有些開關具有內部二極管，可承受高達±15kV的ESD。這些開關采用人體模式(±15kV)及IEC 61000-4-2標準規定的接觸(典型值為±8kV)及氣隙放電(±15kV)法測試2。
用于高達±36V過壓保護的故障保護開關
模擬開關的電源軌限制了允許的輸入信號電壓范圍。(參見上文中的信號處理設計部分)。如果輸入信號超過電源軌，器件會鎖定或永久損壞。通常情況下，這種限制不是問題；但在有些情況下，模擬開關的電源關斷時輸入信號仍然存在。(如果系統電源排序造成輸入信號早于電源電壓出現，就會發生這種情況)。瞬時超出正常電源電壓范圍也會造成鎖定或永久損壞。新故障保護開關和多路復用器能夠保證±36V的過壓保護、±40V的掉電保護、滿幅信號控制能力以及和一般開關相近的低RON。無論開關狀態或負載電阻如何，故障條件期間保證輸入引腳為高阻，只有納安級的漏電流流過信號源。
圖10所示為故障保護模擬開關的內部結構。如果開關(P2或N2)是導通的，COM輸出被兩個內部“后援”FET鉗位于電源電壓。這樣，COM輸出保持在電源范圍之內，并根據負載大小提供最多±13mA的電流，但在NO/NC引腳沒有明顯電流。值得一提的是，信號可以同樣容易地從ESD和故障保護模擬開關的任意方向通過，但這些故障保護只在輸入一側有效3。
圖10. 該內部結構表示故障保護模擬開關的特殊電路。
許多雙電源軌模擬開關要求先加正電源，然后再加負電源，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關，例如多路復用器MAX14752。MAX14752與行業標準DG408/DG409的引腳兼容，輸入處的內部二極管為開關提供過壓/欠壓保護。
加載-感應開關影響系統精度
電壓和電流測量系統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，其精度和復雜度各不相同。圖11所示的2線系統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量負載電壓。負載電壓會明顯低于源電壓，這是因為如果流過導線電阻的加載電流較大，線路上會發生電壓降。較長的導線、較大的負載電流以及較高的線阻抗都會造成這種電壓降，并產生明顯的測量誤差。3線系統改善了精度，但采用4線加載-感應技術可獲得最佳結果。
圖11. 高精度不是特別關鍵時，使用2線測量系統。
4線加載-感應技術(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載兩端來測量負載電壓。有些模擬加載-感應開關在相同的封裝內提供不同類型的開關。例如，MAX4554系列器件可以配置為加載-感應開關，用于自動測試設備(ATE)中的開爾文檢測。每款器件含有用于加載電流線的大電流低阻開關，以及用于檢測電壓或切換保護信號的較高電阻開關。±15V供電時，大電流開關的RON僅為6Ω，感應開關的RON為60Ω。加載-感應開關適合于高精度測量系統，例如納伏和飛安表。加載感應開關簡化了許多應用，例如在一個4線系統中，一個信號源在兩個負載間的切換，如圖13所示。
圖12. 4線加載-感應測量技術。
圖13. 使用MAX4555將4線加載-感應電路從一個源切換至兩個負載。
用于多通道應用的多路復用器和交叉點開關
多路復用器(復用器)是特殊形式的模擬開關，其中的兩路或多路輸入被有選擇地連接至單路輸出。復用器可以是單個SPDT開關，或者許多可選通道的多種組合(圖14)。高階復用器的數字控制類似于二進制解碼器，需要使用數字輸入選擇相應的通道(例如，對于8通道復用器，需要三個數字輸入)。
多路輸出選擇器基本上是復用器的反向用法，即根據解碼的地址數據將一個輸入連接至兩個或多個輸出。許多復用器可用作多路輸出選擇器。
圖14. 低壓多路復用器(上)和中壓多路復用器(下)的配置。
交叉點開關用于音頻/視頻路由、視頻點播、安保和監視系統。交叉點開關通常是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)。這些器件能夠實現較大的陣列4。
校準型多路復用器修正ADC失調和增益誤差
校準型多路復用器(cal-mux)主要用于高精度ADC和其它自監測系統。一個封裝內部集成了多個不同元件：用于從輸入基準電壓產生精確電壓比的模擬開關、內部高精度電阻分壓器、以及選擇不同輸入的多路復用器。
Cal-mux可用于修正ADC系統中的兩個主要誤差：失調和增益誤差。利用內部精密分壓器，這些器件在微控制器串行接口控制下，只需幾個步驟即可測出增益和失調。知道ADC的失調和增益誤差后，系統軟件可建立修正系數，對后續輸出進行修正后便可得到正確讀數。校準型多路復用器接下來就可作為一個普通的多路復用器使用，但具有周期性地對系統進行校準的功能5。
USB開關實現系統通信
通用串行總線(USB)是一種高速接口，使設備能夠通過標準接口進行通信，也可用于從USB主機為從機設備供電。多個USB設備可連接至一臺計算機，采用模擬開關將USB信號切換至不同設備6。大多數的最新USB應用也要求通過USB接口為便攜設備充電7。USB 2.0規范適用于高速信號，要求高帶寬/低電容的模擬開關，如MAX14531E。
HDMI開關實現數字音頻、視頻信號
高清晰度多媒體接口(HDMI)是一種高速接口，用于傳輸無壓縮數字音頻/視頻信號。這種接口可實現高清TV (HDTV)、DVD播放機及其他HDMI兼容設備與PC、筆記本電腦及平板電腦的互連。
HDMI包括四對低壓差分信號(LVDS)線，用于紅、綠、藍(RGB)視頻通道和專用時鐘信號。理想HDMI開關包括四個1:2或2:1差分線對開關，采用n溝道結構，以實現低電容和RON(例如MAX4886)8。
Display端口和PCIe開關提高點對點連接性能
外設組件互連(PCI)擴展是一種串行接口(PCI Express接口)，能夠使圖形加速端口(AGP)應用實現更高性能。PCI Express開關能夠與單個或多個總線的不同信號源進行互聯。PCI Express開關的常見應用為切換display端口圖像、PC和筆記本電腦擴展卡接口及服務器。
有些PCI Express開關設計用于在兩個可能的目標之間切換數據。例如，MAX4928A和MAX4928B支持在圖形內存控制器中心(GMCH)和display端口或PCIe連接器之間切換信號9。
用于工業和醫療應用的高壓開關
高壓(HV)模擬開關理想用于多種工業和醫療應用。例如，超聲應用中，將高壓脈沖(±100V)施加到傳感器以產生超聲波。為了在傳感器和主系統之間切換這些脈沖，就需要HV模擬開關。這些開關通常在整個輸入范圍內具有低導通電容和相當平坦的RON。HV開關通常具有低電荷注入指標，以避免雜散傳輸和相關的圖像偽影。許多HV開關器件可通過SMBus或SPI接口進行編程10, 11。
結論
本文實際上是一份設計指南，介紹了當今可供使用的多種模擬開關的基礎知識。隨著最近技術的進步，集成式模擬開關提供了更好的開關特性、更低及更高的電源電壓，以及應用相關的設計。無論是性能指標還是特殊功能都可提供多種選擇，有經驗的產品設計人員可以根據具體的應用挑選到合適的開關產品。
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