傳統CMOS工藝模擬開關的結構如圖1所示。將NMOS與PMOS並聯，可使信號在兩個方向上同等順暢地通過。門極用於控製開關的導通和截止，NMOS在Vgs為正的時候導通，在Vgs為負的時侯截止，PMOS則反之。由於PMOS和NMOS的不同特性，導致他們組成的開關具有如下圖所示的特性。NMOS和PMOS之間承載信號電流的多少由輸入與輸出電壓比決定。由於開關對電流流向不存在選擇問題，因而也沒有輸入端與輸出端之分。兩個MOSFET由內部反相與同相邏輯控製下導通或斷開。CMOS開關的好處是軌到軌的動態範圍，雙向操作
，在輸入電壓變化時
，導通電阻保持不變。

 

圖1 典型模擬開關內部結構圖

 

●    靜態參數（導通電阻，漏電流，邏輯控製觸發電平）：

 

①導通電阻RON，不同通道導通電阻的差異RON
，導通電阻的平坦度RFLAT(ON)

 

daotongdianzuhuidaozhixinhaoyousunshi，youqishidangkaiguanchuanliandefuzaiweidizukangshisunshigengda。yingyongzhongyinggenjushijiqingkuangxuanzedaotongdianzuheshidekaiguan。tebiexuyaozhuyi，daotongdianzudezuzhiyudianyuangongdiandianyayouzhijieguanxi，tongchangdianyuandianyayueda
，daotongdianzujiuyuexiao。

 

圖2 CMOS型模擬開關導通電阻特性曲線

 

NMOS管在信號比較低時的導通電阻較小，而PMOS管則在輸入信號較高時的導通電阻較小，兩個電阻並聯後，則在整個信號的有效範圍內都比較低。

 

②漏電流Leakage Current ：

 

一個理想狀態的開關要求導通狀態下的電阻為零，斷開狀態下導通電阻趨於無限大，漏電流為零；而實際上開關斷開時為高阻狀態，漏電流不為零


，常規的CMOS漏電流約1nA左zuo右you。開kai關guan斷duan開kai時shi，漏lou電dian流liu會hui流liu入ru負fu載zai，從cong而er引yin起qi額e外wai的de誤wu差cha。如ru果guo信xin號hao源yuan內nei阻zu很hen高gao，傳chuan輸shu信xin號hao為wei直zhi流liu量liang
，就jiu特te別bie需xu要yao考kao慮lv模mo擬ni開kai關guan的de漏lou電dian流liu
，一yi般ban希xi望wang漏lou電dian流liu越yue小xiao越yue好hao。

 

需要注意
，如果通過模擬開關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，則導通電阻的影響就會更大些。

 

圖3 開關導通狀態下的等效電路

 

 

③邏輯控製觸發電平VIH,VIL：

 

VIH:可以被模擬開關識別成邏輯高電平的最小電平值

VIL:可以被模擬開關識別成邏輯低電平的最大電壓值。

 

l 動態參數（導通斷開時間
，傳輸延遲

，電荷注入，管腳電容，最大數據速率
，隔離度等）

 

①Ton/Toff:

 

開關接收到數字控製管腳的導通或斷開信號後
，輸出真正反映輸入信號導通或斷開所需要的時間。

 

圖5 Turn on&Turn off 時間

 

②T-break-before-make:

 

這個指標大部分針對單刀多擲的模擬開關而言的，比如對於一個1:2的模擬開關（SPDT），它的定義是從斷開一個開關到打開另一個開關的時間。

 

圖6 Break-Before-Make時間

 

③T-make-before-break：

 

與上麵的參數類似，從打開開關到斷開另外一個開關的時間。

 

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後
，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:

 

信號出現在輸入通道後
，出現在輸出通道的時間差。

 

⑦電荷注入：

 

用yong於yu衡heng量liang模mo擬ni開kai關guan在zai進jin行xing開kai和he斷duan操cao作zuo時shi由you於yu電dian荷he的de放fang電dian，導dao致zhi出chu現xian在zai開kai關guan輸shu出chu的de毛mao刺ci電dian壓ya。原yuan理li是shi開kai關guan導dao通tong時shi，對dui電dian容rong進jin行xing充chong電dian斷duan開kai時shi，儲chu存cun的de電dian荷he進jin行xing放fang電dian。對dui源yuan端duan的de放fang電dian不bu會hui引yin入ru誤wu差cha，而er對dui負fu載zai端duan的de放fang電dian則ze會hui引yin入ru誤wu差cha。顯xian而er易yi見jian，電dian荷he注zhu入ru會hui帶dai來lai增zeng益yi誤wu差cha和he直zhi流liu失shi調tiao誤wu差cha。

 

⑧管腳寄生電容Cs(on),Cd(on),Cs(off),Cd(off),C in

 

Cs(on) 導通時輸入電容

Cd(on) 導通時輸出電容；

Cs(off) 斷開時的輸入電容；

Cd(off) 斷開時的輸出電容；

C in 數字控製引腳上的寄生電容。

 

⑨-3dB帶寬-3dB Bandwidth：

 

開關導通時
，增益衰減3dB的時候，可導通信號的頻率被定義為帶寬。

 

⑩隔離度Off Isolation：

 

當(dang)開(kai)關(guan)斷(duan)開(kai)時(shi)，理(li)想(xiang)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，輸(shu)出(chu)不(bu)應(ying)出(chu)現(xian)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)，實(shi)際(ji)上(shang)在(zai)輸(shu)出(chu)會(hui)有(you)與(yu)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)一(yi)樣(yang)的(de)信(xin)號(hao)，這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)間(jian)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)引(yin)起(qi)的(de)。隔(ge)離(li)度(du)參(can)數(shu)越(yue)大(da)越(yue)好(hao)，表(biao)示(shi)輸(shu)出(chu)端(duan)耦(ou)合(he)過(guo)去(qu)的(de)信(xin)號(hao)越(yue)小(xiao)。

 

串擾Crosstalk：

 

對於2:1的複用器
，當其中通道1導通時，通道2上會耦合出通道1的信號
，Crosstalk用於衡量耦合信號的大小，參數值越大，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。測試時給開關輸入一個正弦波，開關的輸出會包含基波以及各次諧波，要注意的是導通電阻的平坦度也會影響THD的指標。

 

模擬開關應用場景

 

潤石科技深耕細分領域
，為不同的應用場景量身打造了多個係列的模擬開關：

 

①音頻類應用：RS2117/RS2118非常適合用於降噪耳機，音箱
，KVM、矩陣以及調音台等產品中。在音頻係統中，對模擬開關的要求是可以過交流信號，並且需要消除瞬時放電脈衝通過揚聲器時引起的POP音。這些瞬時脈衝通常由電源的通、斷引起。下圖是用RS2118設計的一種消除POP音的電路：

 

圖7 RS2118 POP音消除電路

 

②通訊口擴展

 

USB接口複用：帶寬550MHz模擬開關RS2227/RS2228

SPI接口複用，I2S信號切換：帶寬300MHz模擬開關RS2299

UART
、I2C接口擴展：RS2105/RS2058等

 

③多路信號分時采樣

 

當電路中需要采集的信號量比較多的時候，ADC或者IO口不夠用的時候可以使用模擬開關來做端口的擴展。在滿足帶寬和電源要求的情況下，RS2251/RS2252/RS2254多路複用器可以輕鬆應對這樣的需求。

 

④耗盡型模擬開關RS550

 

當降噪耳機的電池電量耗盡時，或者需要控製外部輸入的音源直接接入到音源時，可以直接使用耗盡型的模擬開關RS550，不供電下處於閉合導通狀態。

 

圖8 RS550在降噪耳機上的應用示意

 

附：潤石科技模擬開關選型樹狀圖

 

圖9 潤石模擬開關選型樹狀圖

 

 

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