正确选择CMOS模拟开关

16-QFN 16-TSSOP 16-TQFN 16-TSSOP
早期的模拟开关工作于±20V 电源电压，导通电阻 RON 为几百欧姆。最近的产品(如 MAX4601)具有低得多的电源电压，最大导通电阻只有几个欧姆。电源电压对 RON 有显著的影 响(图 3)。MAX4601 额定的输入信号和电源电压的范围为 4.5V 至 36V 或±4.5V 至±20V。正 如你所看到的，RON 随着电源电压的降低而增大。最大 RON 在 5V 时约为 8Ω 、12V 时为 3Ω 、 24V 时仅有 2.5Ω 。许多新型模拟开关的额定工作电压可降至 2V。图 4 给出了 Maxim 的新型 开关与早期开关在 5V 电源下的性能比较。
模拟开关的输入逻辑电平与其对电源电流的影响是最容易引起误解的概念。如果逻辑输 入连接至地或 VCC (或者当有 VL 时连接至 VL)，模拟开关基本上不存在电源电流。然而，为 5V 开关施加 TTL 电平时，会使电源电流增加 1000 倍以上。为了避免不必要的功耗，应避免 使用自二十世纪 80 年代就沿用至今的 TTL 电平。

美信社区：
正确选择 CMOS 模拟开关
摘要：本文概述了模拟开关的基本结构、工作原理和应用范围；定义了导通电阻、平 坦度和电荷注入等与性能密切相关的指标；并对 ESD 保护、故障保护和加载-感应功能等针 对特定应用的特性进行了介绍。
引言 集成模拟开关在 25 年前首次问世以来，常常用作模拟信号与数字控制器的接口。本文 将介绍模拟开关的理论基础及其常见的应用，另外还将讨论校准型多路复用器(cal-mux)、 故障保护型模拟开关、加载-感应开关等模拟开关的特殊性能。
近几年，集成模拟开关的开关性能有了很大的提高，它们可工作在非常低的电源电压， 具有很小的封装尺寸。无论是性能指标还是特殊功能都可提供多种选择，有经验的设计人员 可以根据具体的应用挑选到理想的开关产品。
to
+36
± 4.5
to
± 20
300/2
0.5 0.5
300 or
00
+4.5
to
+36
16-DIP|/SO
± 4.5
to
± 20
300/2
0.4 0.4
450 or
00
+4.5
to
+36
16-DIP/SO
275/2
0.25 0.3
-60
00
± 4.5 to ± 20 or
+4.5 to
16-DIP/WID SO/SSOP
Matc
Suppl Charge y
ICOM(OFF)/ID(
Flatne tON/tOF
N)
h
Injecti Volta
OFF) (nA
ss F (ns
(Ω
(Ω
on (pC ge
max)
(Ω max)
max)
max
typ) Rang
max
)
e (V)
PinPackage
4 SPST
± 4.5
MAX312/MAX313/MAX3
大多数应用中，可以通过修改电路设计防止过大的开关电流。例如，需要通过在不同反 馈电阻间切换以改变运算放大器的增益时，可以采用一个将开关与高阻输入串联的电路结构 (图 5a)。由于开关电流极小，因此可以忽略 RON 的值及其温度系数。另一个设计(图 5b)中， 开关电流取决于输出电压的大小，因此其值较大。
信号处理 图 3 还给出了 RON 值随信号电压的变化情况。图中曲线都落在特定的电源电压范围之内， 这是由于模拟开关只能处理电源电压范围以内的模拟信号。对于带保护的模拟开关，过高或 过低电压的输入将在开关内部的二极管网络产生失控的电流，造成开关永久损坏。通常这些 二极管能够保护开关抵抗高达±2kV 的短时间静电放电(ESD)。
2 SPST NO 5
± 4.5
to
250/20 16-DIP/SO
00
or
+4.5

MAX4622
2 SPDT 5
0.5
MAX4623
2 DPST 5
0.5
4 SPST
MAX4661/MAX4662/MA
NO/NC/NO, 2.5
0.5
225/1
NC/NO/NO, 10
0.5
1.5 2
30 to
16-DIP|SO
14
85
NC
± 20
4 SPST
MAX4614/MAX4615/MA
NO/NC/NO, 10
1
X4616
NC
+2 to 14-DIP/SO/16-Q
1 1 12/10 6.5
+5.5
SOP
MAX4617
8X1 Mux 10
图 1. 采用并联 n 沟道和 p 沟道 MOSFET 的典型模拟开关的内部结构
将 n 沟道 MOSFET 与 p 沟道 MOSFET 并联，可使信号在两个方向上同等顺畅地通过。n 沟 道与 p 沟道器件之间承载信号电流的多少由输入与输出电压比决定。由于开关对电流流向不 存在选择问题，因而也没有严格的输入端与输出端之分。两个 MOSFET 在内部反相与同相放 大器控制下导通或断开。这些放大器根据控制信号是 CMOS 或是 TTL 逻辑、以及模拟电源电 压是单或是双，对数字输入信号进行所需的电平转换。
0
+5.5
+1.6
0.15 0.2 25/10 5
to
+4.2
+1.6 0.4 0.2 25/15 40 to
+3.6
+2 to 0.12 0.27 60/40 170
+5.5
10-µ MAX® 12-TQFN
8-SOT23
14-TSSOP 16-QFN
36-UCSP™ 36-TQFN
16-TQFN 16-TSSOP

美信社区：
常数 t = RC，充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，通常为几十纳秒，但低 RON 开关具 有较长的导通和关断周期，而较大 RON 的开关则要更快一些。
Maxim 提供两种类型的开关，它们具有相同的微型 SOT23 封装和相同的引出脚。MAX4501 和 MAX4502 的导通电阻较高，但开关速度更快。MAX4514 和 MAX4515 具有较低的导通电阻， 但开关时间较长。低导通电阻还带来另一负面效应，这就是比较大的流向容性栅极的电流引 起较多的电荷注入。每次开关导通或断开瞬间都有一定数量的电荷被注入或吸出模拟通道 (图 6)。对于输出连接至高阻的开关，这种效应将引起输出信号的明显改变。在一个没有其 它负载的小分布电容(CL)上产生 Δ VOUT 的变化量，那么注入电荷可按公式 Q = Δ VOUTCL 计算。
1
+2 to 16-DIP/SO/QSO
1 1 15/10 3
+5.5
P
MAX4618
Dual 4X1
10
1
Mux
+2 to 16-DIP/SO|QSO
1
- 15/10 3
+5.5
P
MAX4619
3 SPDT 10
1
+2 to 16-DIP|SO|6/QS
1
- 15/10 3
+5.5
OP
MAX4621
图 5a 说明在两个增益值之间切换时必须加倍小心。在典型的先合后断应用中，一个开 关是常闭的，改变增益时应避免使两个开关同时处于打开状态，即第二个开关必须在第一个 开关打开之前闭合。否则，运算放大器会采用开关增益，其输出将被驱动至电源电压。另一 种相反的结构(先断后合)非常适合将不同输入信号切换至单个运算放大器的应用。为防止输 入通道间短路，在下一个开关闭合之前，必须断开现有的连接。
低电阻开关 求出 VIN 在各种电平下的 p 沟道与 n 沟道 MOSFET 导通电阻(RON)的并联值(积除以和)， 可以得到这种并联结构的复合导通电阻特性(图 2)。这个 RON 随 VIN 的变化曲线在不考虑温

美信社区：
X4663
NC
4 SPST
MAX4664/MAX4665/MA
NO/NC/NO, 4
0.5
X4666
NC
2 SPST
MAX4667/MAX4668/MA
NO/NC/NO, 2.5
0.5
X4669
NC
MAX4680/MAX4690/MA 2 SPST NO 1.25 0.5
X4694
美信社区：
图 5. 增益控制电路设计的好(a)或坏(b)取决于流过开关的电流大小
先断后合 大多数模拟开关的导通和关断时间(tON 和 tOFF)在 60ns 至 1µs 之间不等。Maxim 的“无 杂音”音频开关的 tON 和 tOFF 在毫秒级，消除了切换音频信号时产生的杂音。这两个参数 之间的大小也很重要：tON > tOFF 时产生先断后合的动作，而 tOFF > tON 时则为先合后断。 这种差异对于某些应用非常关键。
to +36
± 4.5
to
± 20
250/2
0.5 0.5
80 or
00
+4.5
to
+36
16-DIP/SO
± 4.5
to
± 20
250/2
0.5 0.5
80 or
00
+4.5
to
+36
16-DIP/SO
± 4.5
to
± 20
250/2
16-DIP/SO|/SSO
- 0.4