簡介

集成模擬開關(guān)通常在模擬信號和數(shù)字控制器之間構(gòu)建接口，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在面對當(dāng)前市場上大量的模擬開關(guān)時(shí)，需要考慮多項(xiàng)規(guī)格。標(biāo)準(zhǔn)的CMOS開關(guān)經(jīng)過35年的發(fā)展歷程，演進(jìn)出了許多針對特定應(yīng)用的開關(guān)電路。

本文回顧了標(biāo)準(zhǔn)CMOS模擬開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)和通用模擬開關(guān)的一些基本參數(shù)，比如導(dǎo)通電阻(RON)、RON平坦度、泄漏、電荷注入和關(guān)斷隔離。文章討論了新型模擬開關(guān)的性能改進(jìn)：更好的開關(guān)特性、更低的工作電壓和更小封裝，以及一些特殊應(yīng)用的需求，比如：故障保護(hù)、ESD保護(hù)、校準(zhǔn)復(fù)用器和加載/感應(yīng)能力。介紹了視頻、高速USB、HDMI?和PCIe?應(yīng)用的特殊開關(guān)。

標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)的基本原理

傳統(tǒng)模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過并聯(lián)一個(gè)n溝道和一個(gè)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?yàn)殡娐窙]有特定的電流流向，所以也沒有嚴(yán)格的輸入和輸出定義。內(nèi)部同相和反相放大器決定兩個(gè)MOSFET的開、關(guān)狀態(tài)。放大器根據(jù)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(shù)字輸入信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

圖1. 典型模擬開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由n溝道和p溝道MOSFET組成。

如今許多半導(dǎo)體公司生產(chǎn)廠家提供傳統(tǒng)的模擬開關(guān)，比如早期的CD4066。Maxim也提供諸如MAX4610的模擬開關(guān)，與這些早期開關(guān)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(guān)可提供比CD4066更低的RON和更高精度。

相比基本的模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)，新型開關(guān)在架構(gòu)上也有一些調(diào)整，例如，一些低電容模擬開關(guān)(MAX4887等)只使用n溝道MOSFET，避免使用對模擬開關(guān)帶寬影響較大的p溝道MOSFET。

有些單電源供電的模擬開關(guān)利用電荷泵滿足負(fù)壓信號處理能力。比如，音頻模擬開關(guān)MAX14504，供電電壓從+2.3VCC到+5.5VCC，內(nèi)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(jìn)，許多最新的工業(yè)模擬開關(guān)的封裝尺寸也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于早期型號。

低導(dǎo)通電阻(RON)降低信號損失

不同VIN下p溝道和n溝道MOSFET導(dǎo)通電阻RON相并聯(lián)，得到開關(guān)導(dǎo)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(yīng)該隨VIN呈線性變化關(guān)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(yīng)盡可能減小RON。但是，減小RON會提高M(jìn)OSFET硅片的寬度/長度之比(W/L)，從而產(chǎn)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(guān)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(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，如式1a和1b所示。

減小RON和寄生電容、改善整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi)RON與VIN的線性關(guān)系，通常是設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的主要目標(biāo)。

圖2. RON和VIN的關(guān)系曲線，圖1中n溝道和p溝道的RON并聯(lián)構(gòu)成開關(guān)的導(dǎo)通電阻。

	(式1a)
	(式1b)

*最新信息，請參考IC數(shù)據(jù)手冊。
**典型值。

第一代的模擬開關(guān)工作電壓為±20V，導(dǎo)通電阻有幾百歐姆。最新的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)0.5Ω最大值的導(dǎo)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(gè)例子中，MAX4992的信號和電源電壓變化范圍為：1.8V到5.5V，當(dāng)電源電壓較低時(shí)，導(dǎo)通電阻會增大(圖3A)。當(dāng)工作電壓分別為1.8V、2.7V、3.3V、5V時(shí)，導(dǎo)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(guān)工作電壓可低至1.6V。MAX4992可以在單電源供電的情況下達(dá)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(guān)的導(dǎo)通電阻。

圖3A. 高供電電壓下，可獲得低導(dǎo)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(guān)RON的比較。

當(dāng)為單電源供電系統(tǒng)選擇開關(guān)時(shí)，最好選擇專為單電源供電設(shè)計(jì)的開關(guān)。這些器件因?yàn)椴恍枰獑为?dú)的V-和接地而省去一個(gè)管腳。因此，一個(gè)單刀雙擲開關(guān)(例如MAX4714)可以放進(jìn)微小的6引腳、1.6mm2 μDFN封裝。同樣雙電源應(yīng)用選擇雙電源供電開關(guān)。這些開關(guān)有V-和接地引腳，邏輯電平滿足標(biāo)準(zhǔn)的CMOS和TTL電平。

許多高性能模擬系統(tǒng)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(gè)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(tǒng)的邏輯電平，通常是1.8V或3.3V。使輸入邏輯信號與實(shí)際邏輯電平保持相同的參考點(diǎn)，以提高噪聲裕量且避免過大功耗。

人們常常誤解模擬開關(guān)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(guān)不會明顯地消耗供電電流。但是，如果把TTL電平加到一個(gè)5V開關(guān)上，將導(dǎo)致電源電流增加幾千倍。對于上世紀(jì)八十年代的產(chǎn)品，為了節(jié)省不必要的功耗，不得不避免使用TTL電平。

信號處理設(shè)計(jì)

圖3A也顯示了RON與信號電壓的關(guān)系。這些曲線落在供電電壓范圍內(nèi)，因?yàn)榈湫偷哪M開關(guān)內(nèi)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(nèi)部二極管網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生不受控的電流，可能永久損壞沒有保護(hù)的開關(guān)。通常，這些二極管為開關(guān)提供高達(dá)±2kV的ESD保護(hù)(參考下面ESD保護(hù)開關(guān)部分)。

模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻會導(dǎo)致信號電壓線性下降，下降幅度和通過開關(guān)的電流成正比。根據(jù)應(yīng)用以及電流大小，需要考慮信號電壓的跌落。另外兩個(gè)需要考慮的重要參數(shù)是通道匹配和導(dǎo)通電阻平坦度。

通道匹配是指一個(gè)器件中各個(gè)通道導(dǎo)通電阻的差異；導(dǎo)通電阻平坦度是指單個(gè)通道內(nèi)信號大小對導(dǎo)通電阻的影響。通道匹配和導(dǎo)通電阻平坦度參數(shù)越小開關(guān)越精確。這兩個(gè)參數(shù)的典型值一般為0.1Ω到5Ω。部分開關(guān)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，擁有更好的通道匹配和導(dǎo)通電阻平坦度。例如MAX4992，通道匹配達(dá)到了3mΩ，導(dǎo)通電阻平坦度達(dá)到了1mΩ。MAX14535E擁有很好的導(dǎo)通電阻、通道匹配和導(dǎo)通電阻平坦度指標(biāo)，非常適合交流耦合的音視頻手持設(shè)備，能夠處理低至-1.5V的信號。

在大多數(shù)應(yīng)用中，可以通過修改電路設(shè)計(jì)來優(yōu)化開關(guān)的電流。例如，通過切換不同的反饋電阻改變運(yùn)算放大器的增益。這種情況下最好選擇將開關(guān)串聯(lián)在具有高阻輸入的配置(圖4A)。因?yàn)殚_關(guān)電流很小，導(dǎo)通電阻以及它的溫度系數(shù)可以忽略；圖4B設(shè)計(jì)就不合適，因?yàn)楦鶕?jù)輸出電壓的不同，開關(guān)電流會達(dá)到很大數(shù)值。

圖4. 增益控制電路設(shè)計(jì)的好(A)與壞(B)取決于通過開關(guān)電流的大小。

音頻開關(guān)和先斷后合功能

在所有音頻系統(tǒng)中，一個(gè)主要的性能要求是消除瞬時(shí)放電脈沖通過揚(yáng)聲器時(shí)引起的咔嗒聲。這些瞬時(shí)脈沖通常由電源的通、斷引起(開通和關(guān)斷時(shí)間，tON和tOFF)。拋開設(shè)備工作時(shí)的音質(zhì)不說，如果在系統(tǒng)每次開機(jī)或者關(guān)機(jī)時(shí)有咔嗒聲，客戶通常會認(rèn)為這是一個(gè)劣質(zhì)的音頻設(shè)備。通過延長模擬開關(guān)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(yáng)聲器的瞬時(shí)脈沖。大多數(shù)模擬開關(guān)的通斷時(shí)間從低于15ns到1μs，其它一些無咔嗒聲的開關(guān)可以達(dá)到毫秒級別。

一些沒有咔嗒聲的開關(guān)通過使用旁路開關(guān)和先斷后合技術(shù)來消除咔嗒聲。在音頻應(yīng)用中，MAX4744通過內(nèi)部的旁路開關(guān)釋放輸入電容的能量。這個(gè)動作避免了瞬態(tài)電壓進(jìn)入揚(yáng)聲器。先斷后合技術(shù)保證開關(guān)在連通另一點(diǎn)之前斷開當(dāng)前的連接，這里tON > tOFF。另外一種設(shè)計(jì)需要先合后斷的開關(guān)，那么tOFF > tON。例如圖4A中，當(dāng)在兩種增益之間切換時(shí)需要小心。改變增益時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)斷開的情況，這一點(diǎn)非常重要；第二個(gè)開關(guān)必須在第一個(gè)開關(guān)斷開之前合上，否則運(yùn)算放大器處于開環(huán)狀態(tài)，將導(dǎo)致輸出達(dá)到最大電平。

*最新信息，請參考數(shù)據(jù)手冊。
**典型值。

變化的信號電平會改變導(dǎo)通電阻，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)插損的變化。這增加了模擬開關(guān)的總諧波失真(THD)。以一個(gè)導(dǎo)通電阻為100歐姆，導(dǎo)通電阻平坦度為10歐姆的開關(guān)為例，接上600歐姆負(fù)載時(shí)的最大總諧波失真(THDmax)為1.67%。THD是音頻應(yīng)用中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它反映了信號通過開關(guān)后的質(zhì)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(guān)的THD。

(式2)

圖5. 不同模擬開關(guān)THD與頻率的關(guān)系圖。

低導(dǎo)通電阻與電荷注入效應(yīng)控制

并不是所有應(yīng)用都要求低RON。一個(gè)應(yīng)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(shè)計(jì)會引入更大的輸入電容，電容在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的充放電會消耗更多功耗等等。輸入電容的充電時(shí)間取決于負(fù)載電阻(R)和電容(C)，時(shí)間常數(shù)為t ＝ RC。充電時(shí)間通常持續(xù)幾十納秒，較大高RON的開關(guān)則具備很短的tON和tOFF。一些模擬開關(guān)在同樣的封裝和管腳擺列下會設(shè)計(jì)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(shí)間。

低RON還帶來另外一個(gè)負(fù)面影響：大的容柵電流會導(dǎo)致大的電荷注入。在開關(guān)每次開啟/關(guān)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(guān)連接在高阻輸出的應(yīng)用，這個(gè)過程會對理想的輸出信號造成很大變化。在沒有其它負(fù)載的情況下，小的寄生電容(CL)將對輸出增加一個(gè)ΔVOUT的變化，注入電荷為Q = ΔVOUT x CL)。在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，用于保持模擬輸出信號的采樣保持放大器就是一個(gè)很好的例子(圖6B)。開關(guān)S1導(dǎo)通，將緩存電容C充電到輸入電壓VS。電容C只有幾個(gè)皮法，當(dāng)S1斷開時(shí)，電容C的電壓保持為VS。在轉(zhuǎn)換時(shí)導(dǎo)通S2將保持電壓VH)加到緩沖器上。高阻緩沖器在ADC轉(zhuǎn)換期間將電壓保持在VH)。對于采樣時(shí)間很短的應(yīng)用，采樣保持電容值要求非常小，而且開關(guān)S1的RON也要很小。然而，電荷注入會導(dǎo)致VH)有一個(gè)±ΔVOUT (幾毫伏)的變化，這會影響后面ADC的準(zhǔn)確度。

圖6A. 開關(guān)控制信號的電荷注入導(dǎo)致的模擬輸出電壓誤差。

圖6B. ADC內(nèi)部典型采樣保持電路需要模擬開關(guān)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(guān)的輸出電壓。圖7和圖8給出了模擬開關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下的簡化小信號模型。在兩種情況下，大部分漏電流通過內(nèi)部寄生二極管流出，導(dǎo)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(hù)二極管(例如失效保護(hù)開關(guān))加大了器件的漏電流。

圖7. 開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下的等效電路。

圖8. 開關(guān)斷開狀態(tài)下的等效電路。

導(dǎo)通狀態(tài)下的輸出電壓如式3所示，它受漏電流和導(dǎo)通電阻的影響，導(dǎo)通電阻根據(jù)輸入信號、負(fù)載電阻、源電阻的不同而不同。對于雙向開關(guān)，ILKG根據(jù)開關(guān)是漏極還是源極作為輸出分別等于IS或ID。

(式3)

斷開狀態(tài)下，輸出電壓理論上受漏電流的影響，計(jì)算公式為VOUT = ILKG × RL。

許多IC數(shù)據(jù)手冊給出的是最壞情況下導(dǎo)通關(guān)斷的漏電流。當(dāng)信號電壓達(dá)到電源電壓時(shí)，大量電流通過寄生二極管注入到基片導(dǎo)致電流流到相鄰?fù)ǖ馈Ｒ蚨O(shè)計(jì)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(diào)誤差的放大器和ADC的應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)使用低漏電流的模擬開關(guān)或復(fù)用芯片。

視頻和高頻開關(guān)的特殊需求

對于視頻信號，在導(dǎo)通電阻和寄生電容之間的權(quán)衡非常重要。具有大導(dǎo)通電阻的傳統(tǒng)模擬開關(guān)可以通過外部增益來補(bǔ)償插入損耗。同時(shí)，低導(dǎo)通電阻的開關(guān)具有比較大的寄生電容，會降低帶寬和視頻信號的質(zhì)量。低導(dǎo)通電阻開關(guān)需要輸入緩沖器保證帶寬，但會增加器件數(shù)量。

采用n溝道開關(guān)可以提高帶寬，因?yàn)榧纳头庋b可以做到很小，使得單位面積內(nèi)可以集成更多的開關(guān)。但是n溝道開關(guān)限制了軌到軌應(yīng)用。當(dāng)視頻信號超出限制幅度時(shí)，輸出會鉗位導(dǎo)致視頻信號失真。當(dāng)選擇n溝道開關(guān)時(shí)，要確保開關(guān)的特定限制能夠滿足輸入信號完全通過。

在安防和監(jiān)控系統(tǒng)中，一個(gè)監(jiān)示器有多個(gè)信號源，隔離度和串?dāng)_是關(guān)鍵參數(shù)。隔離度定義為開關(guān)斷開狀態(tài)下，輸入信號反饋到開關(guān)另一端的強(qiáng)度。在視頻和VHF等典型的高頻應(yīng)用中，信號通過漏源極電容(CDS)耦合，降低了隔離度。與開關(guān)相連電路的更高阻抗也導(dǎo)致隔離度的降低。

T型開關(guān)比較適合視頻及其它高于10MHz的高頻應(yīng)用。它由兩個(gè)串聯(lián)的模擬開關(guān)和另外一個(gè)連接在它們中間到地的第三個(gè)開關(guān)組成(圖9A)。這種排列提供了高于單個(gè)開關(guān)的隔離度。由于和每個(gè)串聯(lián)開關(guān)并聯(lián)的寄生電容，關(guān)斷的T型開關(guān)的容性串?dāng)_通常隨頻率增加而增加(圖9A)。在多通道開關(guān)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?dāng)_。

圖9A所示T型開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)S1和S1導(dǎo)通，S3斷開。關(guān)斷時(shí)，S1和S2斷開，S3導(dǎo)通。在關(guān)斷狀態(tài)，試圖通過串聯(lián)MOSFET的CDS耦合的信號被開關(guān)S3旁路到地。對于10MHz的視頻信號，T型開關(guān)(例如MAX4545)與普通開關(guān)(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(guān)。普通的無源視頻開關(guān)需要額外電路1。有源視頻開關(guān)集成了開關(guān)和緩沖器，有助于減小信號干擾。集成復(fù)用放大器(例如MAX4310)在高頻應(yīng)用中具有非常高的隔離度。

圖9A. 射頻應(yīng)用中的T型開關(guān)結(jié)構(gòu)。

圖9B. 標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)(MAX312)和視頻開關(guān)(MAX4545，MAX4310)隔離度的對比。

更小封裝

Maxim提供極小封裝的模擬開關(guān)。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(tǒng)的塑料封裝集成電路，大大節(jié)省空間。表3列舉了一些其它小封裝的模擬開關(guān)。

*最新信息，請參考數(shù)據(jù)手冊。
**典型值。

ESD保護(hù)開關(guān)

對于大多數(shù)模擬開關(guān)應(yīng)用，ESD保護(hù)是一個(gè)重要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的模擬開關(guān)設(shè)計(jì)ESD保護(hù)電壓為±2kV。設(shè)計(jì)者可以額外增加ESD保護(hù)，但這會占用單板面積、增大輸入輸出電容。現(xiàn)在，一些開關(guān)設(shè)計(jì)采用內(nèi)部二極管，提供高達(dá)±15kV的ESD保護(hù)電壓。這些器件均通過IEC 61000-4-2規(guī)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(shù)據(jù)手冊。
**典型值。

高達(dá)±36V過壓保護(hù)的故障保護(hù)開關(guān)

模擬開關(guān)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(shè)計(jì)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(gè)限制不會影響使用，但有些情況下信號會在開關(guān)斷電的時(shí)候作用到器件輸入(當(dāng)系統(tǒng)上電順序?qū)е螺斎胄盘栐谄骷想娡瓿芍凹虞d時(shí))。信號瞬間超過供電電壓也會導(dǎo)致器件閉鎖或永久損壞。新的帶故障保護(hù)的開關(guān)提供高達(dá)±36V的過壓保護(hù)，斷電狀態(tài)下達(dá)到±40V，同時(shí)提供滿擺幅信號處理能力和低導(dǎo)通電阻。而且，不論開關(guān)處于何種狀態(tài)、負(fù)載電阻大小，故障狀態(tài)下，輸入端均為高阻態(tài)，從源端流出的漏電流也只有幾個(gè)納安。

圖10所示是故障保護(hù)模擬開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果開關(guān)(P2或N2)導(dǎo)通，COM輸出端將被兩個(gè)內(nèi)部“自舉”FET鉗位到電源電壓，使COM輸出保持在電源電壓以內(nèi)，并根據(jù)負(fù)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(hù)或故障保護(hù)的開關(guān)中可以雙向傳輸，但故障保護(hù)只作用在輸入端3。

圖10. 故障保護(hù)模擬開關(guān)內(nèi)部特殊電路結(jié)構(gòu)。

許多雙電源開關(guān)要求正電源先于負(fù)電源上電，以避免器件閉鎖或損壞。有些開關(guān)則不要求上電時(shí)序，如MAX14752復(fù)用器。MAX14752與工業(yè)器件DG408/DG409管腳兼容，并且內(nèi)部輸入端的二極管為開關(guān)提供過壓/欠壓保護(hù)。

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

*最新信息，請參考數(shù)據(jù)手冊。

加載/感應(yīng)開關(guān)對系統(tǒng)精度的影響

電壓和電流測試系統(tǒng)中存在大量的連接技術(shù)，例如，常見的2線、3線和4線系統(tǒng)，它們在精度和復(fù)雜度方面有很大差別。對于精度要求不是過高的系統(tǒng)，可采用2線連接，如圖11所示。這種技術(shù)在加載線的源端檢測負(fù)載電壓，負(fù)載電壓可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于源端電壓，因?yàn)槿绻鄬^大的驅(qū)動電流流過線路阻抗，將產(chǎn)生較大的壓降。引線越長、負(fù)載電流越大、引線電阻越大，所產(chǎn)生的壓降越大，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的測量誤差。3線系統(tǒng)可以提高精度，4線加載/感應(yīng)技術(shù)則可達(dá)到更高精度。

圖11. 當(dāng)高精度要求不嚴(yán)格時(shí)使用2線測量系統(tǒng)。

4線加載/感應(yīng)技術(shù)(圖12)使用兩根線傳輸驅(qū)動電壓或電流，另外兩根線直接連接到負(fù)載測量負(fù)載電壓。模擬加載/感應(yīng)開關(guān)在同一封裝內(nèi)采用不同的開關(guān)類型，例如MAX4554系列配置為加載/感應(yīng)開關(guān)，設(shè)計(jì)用于開爾文檢測自動測試設(shè)備(ATE)。每個(gè)器件包含一路低阻、大電流開關(guān)，用作電流加載線或用于檢測電壓或切換保護(hù)信號的高阻開關(guān)。大電流開關(guān)的導(dǎo)通電阻只有6Ω，感應(yīng)開關(guān)在±15V供電時(shí)的導(dǎo)通電阻達(dá)到60Ω。加載/感應(yīng)開關(guān)適用于高精度測量系統(tǒng)，例如納伏表和毫安表等。它們也簡化了許多應(yīng)用，例如在4線系統(tǒng)中切換一個(gè)驅(qū)動源和兩個(gè)負(fù)載，如圖13所示。

圖12. 4線加載/感應(yīng)測試技術(shù)。

圖13. 使用MAX4555將4線測試電路從一個(gè)源端切換到兩個(gè)負(fù)載。

多通道應(yīng)用中的復(fù)用器和交叉開關(guān)

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

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

圖14. 低壓復(fù)用器(上)和中壓復(fù)用器(下)的結(jié)構(gòu)。

表6列出了Maxim的一些交叉開關(guān)。許多開關(guān)在老一代基礎(chǔ)上增強(qiáng)了功能設(shè)計(jì)。如MAX4360是MAX458的替代型號。

*最新信息，請參考數(shù)據(jù)手冊

交叉點(diǎn)開關(guān)用于音/視頻切換、視頻點(diǎn)播、安防和監(jiān)控系統(tǒng)。交叉開關(guān)通常是一個(gè)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(gè)大型陣列4。

校準(zhǔn)型復(fù)用器平衡ADC失調(diào)和增益誤差

校準(zhǔn)型復(fù)用器用于精密ADC或自監(jiān)控系統(tǒng)。它們在單芯片內(nèi)集成了多個(gè)器件：從輸入基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生精確比例電壓的模擬開關(guān)、內(nèi)部精密電阻分壓器、在不同輸入間進(jìn)行選擇的復(fù)用器。

校準(zhǔn)復(fù)用器可以平衡ADC系統(tǒng)的兩個(gè)主要誤差：失調(diào)和增益誤差。在微控制器串口控制下，通過幾個(gè)簡單的測試步驟，借助內(nèi)部精密分壓器可以測量增益和失調(diào)。得到了ADC的失調(diào)和增益誤差后，系統(tǒng)軟件利用校準(zhǔn)系數(shù)即可調(diào)整最終輸出，得到準(zhǔn)確的測試結(jié)果。校準(zhǔn)復(fù)用器是一種便利的復(fù)用器件，并可周期性地進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)5。 圖15給出了MAX4539的框圖。

圖15. 低壓校準(zhǔn)復(fù)用器MAX4539的內(nèi)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(yīng)用，可以工作在4.5V到36V單電源或±4.5V到±20V雙電源。

USB開關(guān)提升系統(tǒng)通信能力

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

*最新信息，請參考數(shù)據(jù)手冊。
**典型值。

HDMI開關(guān)增強(qiáng)數(shù)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(jīng)壓縮的數(shù)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(shè)備、PC機(jī)、筆記本電腦和平板電腦之間的互聯(lián)。

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

*最新信息，請參考數(shù)據(jù)手冊。
**典型值。

DisplayPort和PCIe開關(guān)改善點(diǎn)對點(diǎn)連接性能

外設(shè)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)PCIe是一個(gè)串行接口(PCI Express?接口)用于支持高性能加速圖形端口(AGP)應(yīng)用，PCI Express開關(guān)實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)總線的互聯(lián)。其基本應(yīng)用是切換DisplayPort圖形、PC和筆記本電腦擴(kuò)展卡接口以及服務(wù)器。

有些PCIe開關(guān)設(shè)計(jì)用于在兩個(gè)終端之間切換數(shù)據(jù)，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。

*最新信息，請參考數(shù)據(jù)手冊。
**典型值。

用于工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備的高壓開關(guān)

高壓(HV)模擬開關(guān)非常適合工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。例如，在超聲應(yīng)用中，高壓脈沖(±100V)被施加到傳感器上，產(chǎn)生超聲波。高壓模擬開關(guān)在傳感器和主系統(tǒng)之間切換這些脈沖信號。這些開關(guān)通常在整個(gè)輸入范圍內(nèi)具有低電容、平坦的導(dǎo)通電阻等特性。高壓開關(guān)通常具有較低的電荷注入，以避免錯誤的信號傳輸或產(chǎn)生圖像偽影。許多高壓開關(guān)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(guān)。

*最新信息，請參考數(shù)據(jù)手冊

結(jié)論

本文介紹了當(dāng)前多種類型的模擬開關(guān)。近期模擬開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得集成模擬開關(guān)能夠提供更好的開關(guān)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(yīng)用的需求。

審核編輯：郭婷