許多工程師第一次使用模擬開關,往往會把模擬開關完全等同于機械開關。其實模擬開關雖然具備開關性,但和機械開關有所不同,它本身還具有半導體特性:
模擬開關的模擬特性
(1) 導通電阻(Ron)隨輸入信號(Vin)變化而變化
圖1a是模擬開關的簡單示意圖,由圖中可以看出模擬開關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構成,可使信號雙向傳輸,如果將不同Vin值所對應的P溝道MOSFET與N溝道MOSFET的導通電阻并聯,可得到圖1b并聯結構下Ron隨輸入電壓(Vin)的變化關系,如果不考慮溫度、電源電壓的影響,Ron隨Vin呈線性關系,將導致插入損耗的變化,使模擬開關產生總諧波失真(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。
(2)模擬開關輸入有嚴格的輸入信號范圍
由于模擬開關是半導體器件,當輸入信號過低(低于負電源電壓)或者過高(高于正電源電壓)時,MOSFET處于反向偏置,當電壓達到某一值時(超出限值0.5~4V),此時開關無法正常工作,嚴重者甚至損壞。因此模擬開關在應用中,一定要注意輸入信號不要超出規(guī)定的范圍。
(3) 電荷注入
應用機械開關我們當然希望Ron越低越好,因為低阻可以降低信號的損耗。然而對于模擬開關而言,低Ron并非適用于所有的應用,較低的Ron需要占據較大的芯片面積,從而產生較大的輸入電容(雜散電容), 與構成模擬開關的NMOS和 PMOS管相伴的雜散電容引起的一種電荷變化稱為“電荷注入”。在每個開關周期其充電和放電過程會消耗更多的電流,而且還會產生正向尖峰和負向尖峰。時間常數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ns。這說明低Ron具有更長的導通和關斷時間。為此,選擇模擬開關應該綜合權衡Ron和注入電荷。
(4)開關斷開時仍會有感應信號漏出
這一特性指的是當模擬開關傳輸交流信號時,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
模擬開關不同于機械開關,它通常只能傳輸小電流,目前CMOS工藝的模擬開關允許連續(xù)傳輸的電流大多小于500mA。
(6) 邏輯控制端驅動電流極小
機械開關邏輯控制端的驅動電流往往都是mA級,有時單純靠數字I/O很難驅動。而模擬開關的邏輯控制端驅動電流極小,一般低于nA級。因此,它完全可以由數字I/O直接驅動,從而達到降低功耗、簡化電路的目的。
模擬開關的開關特性
(1)信號可雙向傳輸
有些人習慣于把模擬開關的兩個常開常閉端稱之為輸入端,公共端稱之為輸出端,其實這只是根據模擬開關的具體應用給予的臨時定義。模擬開關大多可以使信號雙向傳輸,如果忽略這一點,就很容易使電路出現問題,比如將電壓反向偏置、電流倒灌等。
(2)開關斷開后漏電流極小
模擬開關在斷開(OFF)時會呈現高阻狀態(tài),兩傳輸端間的漏電流極小,一般只有nA級以下,很多模擬開關斷開后的漏電流約為1nA。這么微弱的電流在應用中可忽略不計,模擬開關此時可被認為是理想斷開的。
總之,模擬開關是具有開關功能的半導體器件,在應用過程中既要充分利用它的開關功能,又要考慮它的半導體特性,否則可能會出現意想不到的麻煩。