【導(dǎo)讀】模擬開(kāi)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(dāng)選通端處在選通狀態(tài)時(shí)，輸出端的狀態(tài)取決于輸人端的狀態(tài);當(dāng)選通端處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則不管輸人端電平如何，輸出端都呈高阻狀態(tài)。模擬開(kāi)關(guān)在電子設(shè)備中主要起接通信號(hào)或斷開(kāi)信號(hào)的作用。
盡管模擬開(kāi)關(guān)具有機(jī)械開(kāi)關(guān)不可取代的優(yōu)勢(shì)，然而它的應(yīng)用較機(jī)械開(kāi)關(guān)稍微復(fù)雜些，初次使用模擬開(kāi)關(guān)的工程人員往往會(huì)由于模擬開(kāi)關(guān)使用不當(dāng)，引起整個(gè)系統(tǒng)的故障。本文通過(guò)將模擬開(kāi)關(guān)與普通機(jī)械開(kāi)關(guān)作比較，論述了模擬開(kāi)關(guān)的若干基本概念，并結(jié)合實(shí)例對(duì)模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。
許多工程師第一次使用模擬開(kāi)關(guān)，往往會(huì)把模擬開(kāi)關(guān)完全等同于機(jī)械開(kāi)關(guān)。其實(shí)模擬開(kāi)關(guān)雖然具備開(kāi)關(guān)性，但和機(jī)械開(kāi)關(guān)有所不同，它本身還具有半導(dǎo)體特性：
1. 導(dǎo)通電阻（Ron）隨輸入信號(hào)（VIN）變化而變化
圖1a是模擬開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單示意圖，由圖中可以看出模擬開(kāi)關(guān)的常開(kāi)常閉通道實(shí)際上是由兩個(gè)對(duì)偶的N溝道MOSFET與P溝道MOSFET構(gòu)成，可使信號(hào)雙向傳輸，如果將不同VIN值所對(duì)應(yīng)的P溝道MOSFET與N溝道MOSFET的導(dǎo)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(dǎo)致插入損耗的變化，使模擬開(kāi)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。
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模擬開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)" src="http://data.51spec.com:88/51spec/202009/28/030602931.jpg" height="192" width="363"/>
圖1：a. 模擬開(kāi)關(guān)原理圖；b. 模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻與輸入電壓關(guān)系
2. 模擬開(kāi)關(guān)輸入有嚴(yán)格的輸入信號(hào)范圍
由于模擬開(kāi)關(guān)是半導(dǎo)體器件，當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)低（低于零電勢(shì)）或者過(guò)高（高于電源電壓）時(shí)，MOSFET處于反向偏置，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)（超出限值0.3V），此時(shí)開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重者甚至損壞。因此模擬開(kāi)關(guān)在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號(hào)不要超出規(guī)定的范圍。
3. 注入電荷
應(yīng)用機(jī)械開(kāi)關(guān)我們當(dāng)然希望Ron越低越好，因?yàn)榈妥杩梢越档托盘?hào)的損耗。然而對(duì)于模擬開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)周期其充電和放電過(guò)程會(huì)消耗更多的電流。時(shí)間常數(shù)t=RC，充電時(shí)間取決于負(fù)載電阻（R）和電容（C），一般持續(xù)幾十納秒。這說(shuō)明低Ron具有更長(zhǎng)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。為此，選擇模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡Ron和注入電荷。
4. 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)仍會(huì)有感應(yīng)信號(hào)漏出
這一特性指的是當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)傳輸交流信號(hào)時(shí)，在斷開(kāi)情況下，仍然會(huì)有一部分信號(hào)通過(guò)感應(yīng)由輸入端傳到輸出端，或者由一個(gè)通道傳到另一個(gè)通道。通常信號(hào)的頻率越高，信號(hào)泄漏的程度越嚴(yán)重。
5. 傳輸電流比較小
模擬開(kāi)關(guān)不同于機(jī)械開(kāi)關(guān)，它通常只能傳輸小電流，目前CMOS工藝的模擬開(kāi)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(dòng)電流極小
機(jī)械開(kāi)關(guān)邏輯控制端的驅(qū)動(dòng)電流往往都是毫安級(jí)，有時(shí)單純靠數(shù)字I/O很難驅(qū)動(dòng)。而模擬開(kāi)關(guān)的邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小，一般低于納安級(jí)。因此，它完全可以由數(shù)字I/O直接驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到降低功耗、簡(jiǎn)化電路的目的。
模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性
既然稱之為模擬開(kāi)關(guān)，自然它還具有開(kāi)關(guān)性，具體表現(xiàn)如下：
1. 信號(hào)可雙向傳輸
有些人習(xí)慣于把模擬開(kāi)關(guān)的兩個(gè)常開(kāi)常閉端稱之為輸入端，公共端稱之為輸出端，其實(shí)這只是根據(jù)模擬開(kāi)關(guān)的具體應(yīng)用給予的臨時(shí)定義。模擬開(kāi)關(guān)大多可以使信號(hào)雙向傳輸，如果忽略這一點(diǎn)，就很容易使電路生成問(wèn)題，比如將電壓反向偏置、電流倒灌等。
2. 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后漏電流極小
模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)（OFF）時(shí)會(huì)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(jí)以下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模擬開(kāi)關(guān)，其斷開(kāi)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(jì)，模擬開(kāi)關(guān)此時(shí)可被認(rèn)為是理想斷開(kāi)的。
總之，模擬開(kāi)關(guān)是具有開(kāi)關(guān)功能的半導(dǎo)體器件，在應(yīng)用過(guò)程中既要充分利用它的開(kāi)關(guān)功能，又要考慮它的半導(dǎo)體特性，否則可能會(huì)出現(xiàn)意想不到的麻煩。
模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)例分析
圖2是一音響設(shè)備前端放大及信號(hào)選通部分電路，其中選用了SGM324（四通道運(yùn)算放大器）和SGM3002（雙通道模擬開(kāi)關(guān)）。
圖2：音響前端放大及信號(hào)選通電路
該方案設(shè)計(jì)本意是當(dāng)Input=0時(shí)，Line_outL和Line_outR音頻信號(hào)選通；當(dāng)Input=1時(shí)，Phone_outL和Phone_outR音頻信號(hào)選通。然而當(dāng)實(shí)驗(yàn)機(jī)做出后，設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)Input=1時(shí)，Line_outL和Line_outR通道有相當(dāng)一部分信號(hào)分別漏到D1和D2端。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀HP/Agilent 3589A測(cè)試SGM3002的關(guān)斷隔離度，當(dāng)輸入信號(hào)為10kHz時(shí)，SGM3002的關(guān)斷隔離度僅為-120dB，因此芯片應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。
事實(shí)上，該電路在模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用上存在下面兩處錯(cuò)誤：
1. 模擬開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)缺少一個(gè)直流偏置
圖2中模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)輸入信號(hào)輸入不能為負(fù)。
圖3：模擬開(kāi)關(guān)等效電路
通常來(lái)講，CMOS工藝的模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)最小只能到-0.3V，如果再低于這個(gè)值，芯片將不能正常工作，甚至?xí)p壞。圖2中模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)沒(méi)有直流偏置，所以輸入信號(hào)有一部分處于負(fù)值區(qū)，模擬開(kāi)關(guān)自然無(wú)法正常工作。
解決辦法：將電容C2、C3均去掉，模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)便有了1/2VDC的直流偏置信號(hào)，此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)便可以軌到軌工作。此外，由于模擬開(kāi)關(guān)公共端后面加了電容，所以直流信號(hào)依然可以被有效地隔離。
2. 在D1和D2端缺少耦合電阻
當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)的情況下，其輸入與輸出端等效串聯(lián)了一個(gè)電容C，如果再假設(shè)在模擬開(kāi)關(guān)輸出端到地之間有一個(gè)等效電阻R，則模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)的等效電路如圖4所示。
圖4：模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的等效電路
此時(shí)的模擬開(kāi)關(guān)其實(shí)等效為一個(gè)RC濾波電路，由此不難得出以下公式：
其中，uout為模擬開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)；uin為模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)；R為模擬開(kāi)關(guān)輸出端電阻負(fù)載；C為模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)等效電容；f為輸入信號(hào)頻率。
由于模擬開(kāi)關(guān)等效電容C會(huì)設(shè)計(jì)成很小，所以當(dāng)輸入信號(hào)f處于音頻區(qū)時(shí)，增益A由R和f同時(shí)決定。當(dāng)R取值較小時(shí)，f起主導(dǎo)作用，此時(shí)A《《1，信號(hào)被有效隔離。當(dāng)R取值較大時(shí)，此時(shí)R起主導(dǎo)作用，此時(shí)A—》1，信號(hào)幾乎被完全泄漏過(guò)來(lái)。所以當(dāng)輸出端懸空時(shí)，其輸出端與地之間電阻R—》+∞，此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)完全導(dǎo)通。
修正以上兩個(gè)錯(cuò)誤后，該音頻應(yīng)用電路便可以正常工作了。由以上實(shí)例可以看出，充分理解模擬開(kāi)關(guān)的基本概念是正確應(yīng)用模擬開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)。
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