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結(jié)合實例解讀模擬開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)布時間:2017-10-30 責任編輯:lina

【導讀】模擬開關(guān)是一種三穩(wěn)態(tài)電路,它可以根據(jù)選通端的電平,決定輸人端與輸出端的狀態(tài)。當選通端處在選通狀態(tài)時,輸出端的狀態(tài)取決于輸人端的狀態(tài);當選通端處于截止狀態(tài)時,則不管輸人端電平如何,輸出端都呈高阻狀態(tài)。模擬開關(guān)在電子設(shè)備中主要起接通信號或斷開信號的作用。


       盡管模擬開關(guān)具有機械開關(guān)不可取代的優(yōu)勢,然而它的應(yīng)用較機械開關(guān)稍微復雜些,初次使用模擬開關(guān)的工程人員往往會由于模擬開關(guān)使用不當,引起整個系統(tǒng)的故障。本文通過將模擬開關(guān)與普通機械開關(guān)作比較,論述了模擬開關(guān)的若干基本概念,并結(jié)合實例對模擬開關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

  模擬開關(guān)的模擬特性

  許多工程師第一次使用模擬開關(guān),往往會把模擬開關(guān)完全等同于機械開關(guān)。其實模擬開關(guān)雖然具備開關(guān)性,但和機械開關(guān)有所不同,它本身還具有半導體特性:

  1. 導通電阻(Ron)隨輸入信號(VIN)變化而變化

  圖1a是模擬開關(guān)的簡單示意圖,由圖中可以看出模擬開關(guān)的常開常閉通道實際上是由兩個對偶的N溝道MOSFET與P溝道MOSFET構(gòu)成,可使信號雙向傳輸,如果將不同VIN值所對應(yīng)的P溝道MOSFET與N溝道MOSFET的導通電阻并聯(lián),可得到圖1b并聯(lián)結(jié)構(gòu)下Ron隨輸入電壓(VIN)的變化關(guān)系,如果不考慮溫度、電源電壓的影響,Ron隨Vin呈線性關(guān)系,將導致插入損耗的變化,使模擬開關(guān)產(chǎn)生總諧波失真(THD)。此外,Ron也受電源電壓的影響,通常隨著電源電壓的上升而減小。

  結(jié)合實例解讀模擬開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  圖1:a. 模擬開關(guān)原理圖;b. 模擬開關(guān)導通電阻與輸入電壓關(guān)系

  2. 模擬開關(guān)輸入有嚴格的輸入信號范圍

  由于模擬開關(guān)是半導體器件,當輸入信號過低(低于零電勢)或者過高(高于電源電壓)時,MOSFET處于反向偏置,當電壓達到某一值時(超出限值0.3V),此時開關(guān)無法正常工作,嚴重者甚至損壞。因此模擬開關(guān)在應(yīng)用中,一定要注意輸入信號不要超出規(guī)定的范圍。

  3. 注入電荷

  應(yīng)用機械開關(guān)我們當然希望Ron越低越好,因為低阻可以降低信號的損耗。然而對于模擬開關(guān)而言,低Ron并非適用于所有的應(yīng)用,較低的Ron需要占據(jù)較大的芯片面積,從而產(chǎn)生較大的輸入電容,在每個開關(guān)周期其充電和放電過程會消耗更多的電流。時間常數(shù)t=RC,充電時間取決于負載電阻(R)和電容(C),一般持續(xù)幾十納秒。這說明低Ron具有更長的導通和關(guān)斷時間。為此,選擇模擬開關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡Ron和注入電荷。

  4. 開關(guān)斷開時仍會有感應(yīng)信號漏出

  這一特性指的是當模擬開關(guān)傳輸交流信號時,在斷開情況下,仍然會有一部分信號通過感應(yīng)由輸入端傳到輸出端,或者由一個通道傳到另一個通道。通常信號的頻率越高,信號泄漏的程度越嚴重。

  5. 傳輸電流比較小

  模擬開關(guān)不同于機械開關(guān),它通常只能傳輸小電流,目前CMOS工藝的模擬開關(guān)允許連續(xù)傳輸?shù)碾娏鞔蠖嘈∮?00mA。

  6. 邏輯控制端驅(qū)動電流極小

  機械開關(guān)邏輯控制端的驅(qū)動電流往往都是毫安級,有時單純靠數(shù)字I/O很難驅(qū)動。而模擬開關(guān)的邏輯控制端驅(qū)動電流極小,一般低于納安級。因此,它完全可以由數(shù)字I/O直接驅(qū)動,從而達到降低功耗、簡化電路的目的。

  模擬開關(guān)的開關(guān)特性

  既然稱之為模擬開關(guān),自然它還具有開關(guān)性,具體表現(xiàn)如下:

  1. 信號可雙向傳輸

  有些人習慣于把模擬開關(guān)的兩個常開常閉端稱之為輸入端,公共端稱之為輸出端,其實這只是根據(jù)模擬開關(guān)的具體應(yīng)用給予的臨時定義。模擬開關(guān)大多可以使信號雙向傳輸,如果忽略這一點,就很容易使電路生成問題,比如將電壓反向偏置、電流倒灌等。

  2. 開關(guān)斷開后漏電流極小

  模擬開關(guān)在斷開(OFF)時會呈現(xiàn)高阻狀態(tài),兩傳輸端間的漏電流極小,一般只有納安級以下,如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模擬開關(guān),其斷開后的漏電流均為1nA。這么微弱的電流在應(yīng)用中可忽略不計,模擬開關(guān)此時可被認為是理想斷開的。

  總之,模擬開關(guān)是具有開關(guān)功能的半導體器件,在應(yīng)用過程中既要充分利用它的開關(guān)功能,又要考慮它的半導體特性,否則可能會出現(xiàn)意想不到的麻煩。

  模擬開關(guān)應(yīng)用實例分析

  圖2是一音響設(shè)備前端放大及信號選通部分電路,其中選用了SGM324(四通道運算放大器)和SGM3002(雙通道模擬開關(guān))。

  結(jié)合實例解讀模擬開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  圖2:音響前端放大及信號選通電路

  該方案設(shè)計本意是當Input=0時,Line_outL和Line_outR音頻信號選通;當Input=1時,Phone_outL和Phone_outR音頻信號選通。然而當實驗機做出后,設(shè)計者發(fā)現(xiàn)當Input=1時,Line_outL和Line_outR通道有相當一部分信號分別漏到D1和D2端。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀HP/Agilent 3589A測試SGM3002的關(guān)斷隔離度,當輸入信號為10kHz時,SGM3002的關(guān)斷隔離度僅為-120dB,因此芯片應(yīng)該沒有問題。

  事實上,該電路在模擬開關(guān)應(yīng)用上存在下面兩處錯誤:

  1. 模擬開關(guān)的輸入信號缺少一個直流偏置

  圖2中模擬開關(guān)部分電路可以等效成圖3,本文第一部分曾經(jīng)提到模擬開關(guān)輸入信號輸入不能為負。

  

結(jié)合實例解讀模擬開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  圖3:模擬開關(guān)等效電路

  通常來講,CMOS工藝的模擬開關(guān)輸入信號最小只能到-0.3V,如果再低于這個值,芯片將不能正常工作,甚至會損壞。圖2中模擬開關(guān)輸入信號沒有直流偏置,所以輸入信號有一部分處于負值區(qū),模擬開關(guān)自然無法正常工作。

  解決辦法:將電容C2、C3均去掉,模擬開關(guān)輸入信號便有了1/2VDC的直流偏置信號,此時模擬開關(guān)便可以軌到軌工作。此外,由于模擬開關(guān)公共端后面加了電容,所以直流信號依然可以被有效地隔離。

  2. 在D1和D2端缺少耦合電阻

  當模擬開關(guān)在斷開的情況下,其輸入與輸出端等效串聯(lián)了一個電容C,如果再假設(shè)在模擬開關(guān)輸出端到地之間有一個等效電阻R,則模擬開關(guān)在斷開時的等效電路如圖4所示。

  結(jié)合實例解讀模擬開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  圖4:模擬開關(guān)斷開時的等效電路

  此時的模擬開關(guān)其實等效為一個RC濾波電路,由此不難得出以下公式:

  結(jié)合實例解讀模擬開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  其中,uout為模擬開關(guān)輸出信號;uin為模擬開關(guān)輸入信號;R為模擬開關(guān)輸出端電阻負載;C為模擬開關(guān)斷開時等效電容;f為輸入信號頻率。

  由于模擬開關(guān)等效電容C會設(shè)計成很小,所以當輸入信號f處于音頻區(qū)時,增益A由R和f同時決定。當R取值較小時,f起主導作用,此時A《《1,信號被有效隔離。當R取值較大時,此時R起主導作用,此時A—》1,信號幾乎被完全泄漏過來。所以當輸出端懸空時,其輸出端與地之間電阻R—》+∞,此時模擬開關(guān)完全導通。

  修正以上兩個錯誤后,該音頻應(yīng)用電路便可以正常工作了。由以上實例可以看出,充分理解模擬開關(guān)的基本概念是正確應(yīng)用模擬開關(guān)的基礎(chǔ)。






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