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模擬開關(guān)芯片是一種利用JFET或MOS的特性來控制信號通路的開關(guān)，主要用于完成信號鏈接連接或斷開的轉(zhuǎn)換功能。由于其功耗低、速度快、無機(jī)械接觸、體積小、使用壽命長，廣泛應(yīng)用于各種自動控制系統(tǒng)和電子數(shù)碼產(chǎn)品中。

傳統(tǒng)CMOS工藝模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。將NMOS與PMOS并聯(lián)，使信號在兩個方向上平穩(wěn)通過。門極用于控制開關(guān)的導(dǎo)通和截至。當(dāng)Vgs為正時，NMOS導(dǎo)通，當(dāng)Vgs為負(fù)時，PMOS則相反。

由于PMOS和NMOS的差異，它們組成的開關(guān)具有如圖所示的特點(diǎn)。NMOS和PMOS之間的信號電流量取決于輸入和輸出電壓比。由于開關(guān)不會選擇電流流向，因此輸入端和輸出端之間沒有區(qū)別。  兩個MOSFET由內(nèi)部反相與同相邏輯控制下導(dǎo)通或斷開。CMOS開關(guān)的好處是軌到軌的動態(tài)范圍，雙向操作，在輸入電壓變化時，導(dǎo)通電阻保持不變。

圖1 典型模擬開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

  靜態(tài)參數(shù)(導(dǎo)通電阻，漏電流，邏輯控制觸發(fā)電平)：①導(dǎo)通電阻RON，不同通道導(dǎo)通電阻的差異?RON，導(dǎo)通電阻的平坦度RFLAT(ON)導(dǎo)通電阻會導(dǎo)致信號有損失，尤其是當(dāng)開關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時損失更大。應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇導(dǎo)通電阻合適的開關(guān)。特別需要注意，導(dǎo)通電阻的阻值與電源供電電壓有直接關(guān)系，通常電源電壓越大，導(dǎo)通電阻就越小。

圖2 CMOS型模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻特性曲線

  NMOS管在信號比較低時的導(dǎo)通電阻較小，而PMOS管則在輸入信號較高時的導(dǎo)通電阻較小，兩個電阻并聯(lián)后，則在整個信號的有效范圍內(nèi)都比較低。

  ②漏電流Leakage Current ：一個理想狀態(tài)的開關(guān)要求導(dǎo)通狀態(tài)下的電阻為零，斷開狀態(tài)下導(dǎo)通電阻趨于無限大，漏電流為零;而實(shí)際上開關(guān)斷開時為高阻狀態(tài)，漏電流不為零，常規(guī)的CMOS漏電流約1nA左右。開關(guān)斷開時，漏電流會流入負(fù)載，從而引起額外的誤差。如果信號源內(nèi)阻很高，傳輸信號為直流量，就特別需要考慮模擬開關(guān)的漏電流，一般希望漏電流越小越好。

  需要注意，如果通過模擬開關(guān)前端電路的阻抗大則漏電流的影響不容忽略，如果前端電路阻抗較小，則導(dǎo)通電阻的影響就會更大些。

圖3 開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下的等效電路

圖4 開關(guān)斷開狀態(tài)下的等效電路(VOUT = ILKG × RL)

  ③邏輯控制觸發(fā)電平VIH,VIL：VIH:可以被模擬開關(guān)識別成邏輯高電平的最小電平值VIL:可以被模擬開關(guān)識別成邏輯低電平的最大電壓值。

  動態(tài)參數(shù)(導(dǎo)通\斷開時間，傳輸延遲，電荷注入，管腳電容，最大數(shù)據(jù)速率，隔離度等)

  ①Ton/Toff:開關(guān)接收到數(shù)字控制管腳的導(dǎo)通或斷開信號后，輸出真正反映輸入信號導(dǎo)通或斷開所需要的時間。

圖5 Turn on&Turn off 時間

  ②T-break-before-make:這個指標(biāo)大部分針對單刀多擲的模擬開關(guān)而言的，比如對于一個1:2的模擬開關(guān)(SPDT)，它的定義是從斷開一個開關(guān)到打開另一個開關(guān)的時間。

圖6 Break-Before-Make時間

  ③T-make-before-break：與上面的參數(shù)類似，從打開開關(guān)到斷開另外一個開關(guān)的時間。

  ④切換時間：T transition time：從一個輸入通道切換到另一個輸入通道后，輸出需要的切換時間。

  ⑤T enable/disable time：輸入通道在使能和禁止時，所需要的的時間。

  ⑥Propagation delay:信號出現(xiàn)在輸入通道后，出現(xiàn)在輸出通道的時間差。

  ⑦電荷注入：用于衡量模擬開關(guān)在進(jìn)行開和斷操作時由于電荷的放電，導(dǎo)致出現(xiàn)在開關(guān)輸出的毛刺電壓。原理是開關(guān)導(dǎo)通時，對電容進(jìn)行充電斷開時，儲存的電荷進(jìn)行放電。對源端的放電不會引入誤差，而對負(fù)載端的放電則會引入誤差。顯而易見，電荷注入會帶來增益誤差和直流失調(diào)誤差。

  ⑧管腳寄生電容Cs(on),Cd(on),Cs(off),Cd(off),C in Cs(on) 導(dǎo)通時輸入電容Cd(on) 導(dǎo)通時輸出電容;Cs(off) 斷開時的輸入電容;Cd(off) 斷開時的輸出電容;C in 數(shù)字控制引腳上的寄生電容。

  ⑨-3dB帶寬 -3dB Bandwidth：開關(guān)導(dǎo)通時，增益衰減3dB的時候，可導(dǎo)通信號的頻率被定義為帶寬。

  ⑩隔離度Off Isolation：當(dāng)開關(guān)斷開時，理想狀態(tài)下，輸出不應(yīng)出現(xiàn)輸入信號，實(shí)際上在輸出會有與輸入信號頻率一樣的信號，這是由于輸入輸出間的寄生電容引起的。隔離度參數(shù)越大越好，表示輸出端耦合過去的信號越小。

  ?串?dāng)_Crosstalk：對于2:1的復(fù)用器，當(dāng)其中通道1導(dǎo)通時，通道2上會耦合出通道1的信號，Crosstalk用于衡量耦合信號的大小，參數(shù)值越大，表示耦合過去的信號幅值越小。

  ?總諧波失真 Total Harmonic Distort：一些音頻的信號處理對THD要求嚴(yán)格，THD定義為，信號功率與諧波及噪聲的dB比值。測試時給開關(guān)輸入一個正弦波，開關(guān)的輸出會包含基波以及各次諧波，要注意的是導(dǎo)通電阻的平坦度也會影響THD的指標(biāo)。