模拟开关的作用、模拟开关的选择方法

模拟开关定义

模拟开关（Analog switches）主要是完成信号链路中的信号切换功能。采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开，由于其功能类似于开关，而用模拟器件的特性实现，称为模拟开关。模拟开关回路可以实现较高的关断阻抗，一般是兆欧姆以上的关断阻抗，这是模拟开关的作用之一。为增加大家对模拟开关的认识，本文将介绍模拟开关的作用、模拟开关的选择方法。

工作原理

图1 模拟开关工作原理

模拟开关工作原理如图1，当IN端输入低时，通过逻辑控制使得COM和NC之间的通道闭合，COM和NO之间的通道断开，IN端为高时，则与之相反。

图2 传输门开关原理图

图2为NO/NC口的FET（传输门）的原理图，由一个N沟道晶体管和一个并联的P沟道晶体管组成，当OE端输入为高时，经过反相器后，P沟道导通，N沟道导通，此时A到B导通。与之相反，当OE端输出为低时，P沟道与N沟道阻断，此时A到B关断。

如何选择模拟开关

模拟开关作用主要是用于信号的切换。目前集成模拟电子开关在小信号领域已成为主导产品，与以往的机械触点式电子开关相比，集成电子开关有许多优点，例如切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。但也有若干缺点，如导通电阻较大、输入电流容量有限、动态范围小等。因而集成模拟开关主要使用在高速切换、要求系统体积小的场合。天中半导体的模拟开关采用CMOS工艺制成，均可应用于较宽的频段范围。

选择模拟开关时需考察以下指标：

1. 通道数量

集成模拟开关通常包括多个通道。通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响，通道数越多，寄生电容就越大。因为当选通一路时，其它阻断的通道并不是完全断开，而是处于高阻状态，存在泄漏电流，另外通道之间也存在着耦合与寄生电容，所以存在通道之间的相互干扰。

2. 泄漏电流

一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。而实际开关断开时为高阻状态，漏电流不为零，常规的CMOS漏电流约1nA。如果信号源内阻很高，传输信号是电流量，就特别需要考虑模拟开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。

3. 导通电阻

导通电阻的平坦度与导通电阻一致性。导通电阻会损失信号，使精度降低，尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失更大。应用中应根据实际情况选择导通电阻足够低的开关。必须注意，导通电阻的值与电源电压有直接关系，通常电源电压越大，导通电阻就越小，而且导通电阻和泄漏电流是矛盾的。要求导通电阻小，则应扩大沟道，结果会使泄漏电流增大。导通电阻随输入电压的变化会产生波动，导通电阻平坦度是指在限定的输入电压范围内，导通电阻的最大起伏值ΔRON=ΔRONMAX—ΔRONMIN。它表明导通电阻的平坦程度，ΔRON应该越小越好。导通电阻一致性代表各通道导通电阻的差值，导通电阻的一致性越好，系统在采集各路信号时由开关引起的误差也就越小。

4. 开关速度

指开关接通或断开的速度。通常用接通时间TON和断开时间TOFF表示。对于需要传输快速变化信号的场合，要求模拟开关的切换速度高，同时还应该考虑与后级采样保持电路和A/D转换器的速度相适应，从而以最优的性能价格比来选择器件。

5. 开关耐压

模拟开关由于其应用的信号链路为电子板低压工作环境，耐压值一般在15v以内，常见的有3.3v、5v、12v、15v等最大耐压值。选择时必须注意信号链路的最大电压与器件最大耐压值。

6. THD(总谐波失真)

该指标可以衡量模拟开关对于音频信号的还原度，一些音频的信号处理对THD要求严格，THD定义为，信号功率与谐波及噪声的dB比值。THD与模拟开关的导通电阻的平坦度相关。一般来说，随着导通阻抗的增加，导通阻抗平坦度(即导通阻抗在输入电压范围的变化)也相应升高。而导通阻抗平坦度的升高会降低THD性能。也就是说，在输入电压范围内，导通阻抗越平坦，THD性能就越好。

模拟开关应用

模拟开关与机械开关不同，在使用时需要考虑它的半导体特性：

1. 导通电阻(Ron)随输入信号(VIN)变化而变化

图3 Ron与VIN关系

2.  注入电荷

应用机械开关我们当然希望Ron越低越好，因为低阻可以降低信号的损耗。然而对于模拟开关而言，低Ron并非适用于所有的应用，较低的Ron需要占据较大的芯片面积，从而产生较大的输入电容，在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流。时间常数t=RC，充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，一般持续几十纳秒。这说明低Ron具有更长的导通和关断时间。为此，选择模拟开关应该综合权衡Ron和注入电荷。

3. 开关耐压

当输入信号过低(低于零电势)或者过高(高于电源电压)时，MOSFET处于反向偏置，当电压达到某一值时(超出限值0.3V)，此时开关无法正常工作，甚至损坏。因此模拟开关在应用中，一定要注意输入信号不可超出规定的范围。

图四是一音响设备前端放大及信号选通部分电路，其中使用了四通道运算放大器和双通道模拟开关：

图4 音响前端放大及信号选通电路

该方案设计本意是当Input=0时，Line_outL和Line_outR音频信号选通。当Input=1时，Phone_outL和Phone_outR音频信号选通。然而当实验机做出后，发现当Input=1时，Line_outL和Line_outR通道有相当一部分信号分别漏到D1和D2端。用网络分析仪测试模拟开关的关断隔离度，当输入信号为10kHz时，开关的关断隔离度为-120dB，因此芯片应该没有问题。

事实上，该电路在模拟开关应用上存在下面两处错误：

1. 模拟开关的输入信号缺少一个直流偏置

模拟开关部分电路可以等效成图五，CMOS工艺的模拟开关输入信号最小只能到-0.3V，如果再低于这个值，芯片将不能正常工作，甚至会损坏。图四中模拟开关输入信号没有直流偏置，所以输入信号有一部分处于负值区，模拟开关自然无法正常工作。

图5 模拟开关等效电路

解决办法：将电容C2、C3均去掉，模拟开关输入信号便有了1/2VDC的直流偏置信号，此时模拟开关便可以轨到轨工作。

2. 在D1和D2端缺少耦合电阻

当模拟开关在断开的情况下，其输入与输出端等效串联了一个电容C，如果再假设在模拟开关输出端到地之间有一个等效电阻R，则模拟开关在断开时的等效电路如图六所示。

图6 模拟开关断开时等效电路

此时的模拟开关其实等效为一个RC滤波电路，由此不难得出以下公式：

其中，Uout为模拟开关输出信号，Uin为模拟开关输入信号，R为模拟开关输出端电阻负载，C为模拟开关断开时等效电容，f为输入信号频率。

由于模拟开关等效电容C会设计成很小，所以当输入信号f处于音频区时，增益A由R和f同时决定。当R取值较小时，f起主导作用，此时A<<1，信号被有效隔离。当R取值较大时，此时R起主导作用，此时A—>1，信号几乎被完全泄漏过来。所以当输出端悬空时，其输出端与地之间电阻R—>+∞，此时模拟开关完全导通。

修正以上两个错误后，该音频应用电路便可以正常工作了。由以上实例可以看出，充分理解模拟开关的基本概念是正确应用模拟开关的基础。