一、 前言：早期的模擬開關(guān)大多工作于土20V的電源電壓，導(dǎo)通電阻為幾百歐姆，主要用于模擬信號與數(shù)字控制的接口，近幾年，集成模擬開關(guān)的性能有了很大的提高，它們可工作在非常低的電源電壓，具有較低的導(dǎo)通電阻、微型封裝尺寸和極佳的開關(guān)特性。被廣泛用于測試設(shè)備、通訊產(chǎn)品、PBX/PABX設(shè)備以及多媒體系統(tǒng)等。一些具有低導(dǎo)通電阻和低工作電壓的模擬開關(guān)成為機(jī)械式繼電器的理想替代品。模擬開關(guān)的使用方法比較簡單，但在具體應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際用途做合理的選擇。本文主要介紹模擬開關(guān)的基本特性和幾種特殊模擬開關(guān)的典型應(yīng)用。二、 正確選擇CMOS開關(guān)：1、導(dǎo)通電阻：傳統(tǒng)模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由N溝道MOSFET與P溝道MOSFET并聯(lián)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(dǎo)通電阻并聯(lián)，可得到圖2并聯(lián)結(jié)構(gòu)下導(dǎo)通電阻（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，使模擬開關(guān)產(chǎn)生總諧波失真（THD），這是設(shè)計(jì)人員所不希望的，如何將Ron隨VIN的變化量降至最小也是設(shè)計(jì)新一代模擬開關(guān)所面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題。圖L模擬開美的基本結(jié)構(gòu)VNiVj圖八導(dǎo)通電阻隨輸入電壓的變化關(guān)系另外，導(dǎo)通電阻還與開關(guān)的供電電壓有關(guān)，由圖3可以看出：Ron隨著電源電壓的減小而增大，當(dāng)MAX4601的電源電壓為5V時(shí)，最大Ron為8Q；當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，最大Ron為3Q；電源電壓為24V時(shí)，最大Ron僅為2.5Q。Ron的存在會使信號電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過開關(guān)的電流成正比，對于適當(dāng)?shù)碾娏鬟@一跌落量在系統(tǒng)容許的誤差范圍內(nèi)，而要降低Ron所耗費(fèi)的成本卻很高，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要加以權(quán)衡。Ron確定后，還需考慮通道間的失配度與Ron的平坦度。ATMEL代理通道失配度用來描述同一芯片不同通道間Ron的差別；Ron的平坦度用于描述每一通道的Ron在所規(guī)定的信號范圍內(nèi)的變化量。這兩個(gè)參數(shù)的典型值為2Q至5Q，對于低Ron模擬開關(guān)，這些參數(shù)僅為0.5Q。失配度/Ron、平坦度/Ron這兩個(gè)比值越小，說明模擬開關(guān)的精度越高。注入電荷：低Ron并非適用于所有的應(yīng)用，較低的^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)開關(guān)周期其充電和放電過程會消耗更多的電流。時(shí)間常麴=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ns。這說明低Ron開關(guān)具有更長的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。Maxim提供兩種類型的開關(guān)，每種開關(guān)都有微型SOT23封裝，MAX4501和MAX4502的導(dǎo)通電阻較高，但開關(guān)速度較快；MAX4514和MAX4515具有較低的導(dǎo)通電阻，但開關(guān)時(shí)間較長。3、系統(tǒng)電源：為單電源供電系統(tǒng)選擇模擬開關(guān)時(shí)，應(yīng)盡量選擇那些專為單電源供電而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，這類開關(guān)不需要單獨(dú)的V-和GND引腳，節(jié)省了一個(gè)引腳，能夠把一個(gè)單刀雙擲（SPDT）開關(guān)封裝在微小的SOT23-6中。同樣，低電壓雙電源供電系統(tǒng)需選用雙電源供電開關(guān)，它們

具有獨(dú)立的V-和GND引腳，還特別設(shè)有與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或TTL電平的邏輯接口，該系列中的SPST開關(guān)（MAX4529）同樣可采用SOT23-6封裝。許多高品質(zhì)的模擬系統(tǒng)仍需較高的雙極性電源如：±15V或±12V供電，模擬開關(guān)與這些電源連接時(shí)需要一個(gè)額外的電源引腳，該引腳通常標(biāo)為VL，VL與系統(tǒng)的邏輯電源相連，一般為5V或3.3V，保證輸入邏輯信號為精確的邏輯電平能夠提高噪聲裕量、節(jié)省功耗。由于模擬開關(guān)只能處理幅度在電源電壓擺幅以內(nèi)的信號，輸入信號幅度必須保證在所規(guī)定的電源電壓范圍內(nèi)，對于未加保護(hù)的模擬開關(guān)，過高或過低的輸入信號將在開關(guān)內(nèi)部的二2、極管網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生失控電流，造成模擬開關(guān)的永久損壞+=!i+=!i1\7.?Vif\J'+=:?V0246ElIDV1-1161U”2-1

VcOMW)圖3,導(dǎo)通電阻隨電源電壓的變化關(guān)系三、幾種特殊的模擬開關(guān)：1、 高頻T型開關(guān)T型開關(guān)適用于視頻及其它頻率高于10MHz的應(yīng)用，如圖4所示，它由兩個(gè)模擬開關(guān)（S1、S3）串聯(lián)組成，另一開關(guān)S2接在地和S1、S3的交點(diǎn)之間，ATMEL代理商這種結(jié)構(gòu)的開關(guān)其關(guān)斷隔離高于單個(gè)開關(guān)，由于寄生電容與每個(gè)串聯(lián)開關(guān)并聯(lián)，斷開狀態(tài)的T型開關(guān)其容性串?dāng)_隨頻率的提高而增大。因此，影響開關(guān)高頻特性的關(guān)鍵在于開關(guān)的斷開狀態(tài)而不是接通狀態(tài)。當(dāng)T型開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，S1和S3閉合，S2斷開；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，S1、S2斷開，S3閉合，此時(shí)，那些要通過串聯(lián)MOSFET的寄生電容耦合到輸出端的輸入信號礪3旁路，斷開狀態(tài)下的10MHz視頻T型開關(guān)（MAX4545）的關(guān)斷隔離達(dá)-80dB，而標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)（MAX312）的關(guān)斷隔離度只有-36dB。2、 微型封裝CMOS開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)還包括小的封裝尺寸，如6腳SOT23開關(guān)不含任何機(jī)械部件（與舌簧繼電器不同），Maxim提供的小型視頻開關(guān)（MAX4529）及標(biāo)準(zhǔn)的低電壓SPDT開關(guān)（MAX4544）均采用6腳SOT23封裝，供電范圍為2.7V至12V。另外，Maxim具有多種如同CD4066的通用模擬開關(guān)，例如新發(fā)布的MAX4610-MAX4612低成本四模擬開關(guān)，其中，MAX4610引腳兼容于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4066，而且能夠工作在更低的電源電壓（低至2V）,具有較高的精度，通道間最大失配電阻為4Q；平坦度在8Q以內(nèi)。這些型號有三種不同的開關(guān)設(shè)置，低導(dǎo)通電阻5V時(shí)小于100Q）適用于低電壓應(yīng)用，采用緊湊的14腳TSSOP封裝（6.5x5.1x1.1mm3）解決了線路板尺寸緊張問題。3、 ESD保護(hù)開關(guān)基于Maxim成功的ESD保護(hù)接口產(chǎn)品，±15kVESD保護(hù)電路被引入到某些模擬開關(guān)中，新推出的可承受±15kV靜電沖擊的模擬開關(guān)完全符合IEC1000-4-2Level4標(biāo)準(zhǔn)，所有模擬輸入通路均經(jīng)過人體模型ESD檢測和IEC1000-4-2規(guī)定的空氣間隙放電模式檢驗(yàn)。MAX4551-4553引腳與多種標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)（如DG201/211和MAX391等）兼容，針對多路復(fù)用器系列產(chǎn)品，如74HC4051和MAX4581，Maxim還研制生產(chǎn)了帶有ESD保護(hù)的多路復(fù)用器。在新的設(shè)計(jì)中，無需再采用昂貴的TranszorbsTM器件對模擬輸入進(jìn)行保護(hù)。4、 故障保護(hù)型開關(guān)模擬開關(guān)的電源電壓限制了輸入信號的范圍，一般情況下，這種限制對模擬開關(guān)的使用沒有影響，但在某些應(yīng)用中，系統(tǒng)斷電時(shí)模擬開關(guān)的輸入端仍有信號存在，此時(shí)，由于輸入信號超出了電源電壓的范圍，TI代理商將造成開關(guān)的永久性損壞。Maxim帶有故障保護(hù)的新型模擬開關(guān)和多路復(fù)用器能夠提供土25V的過壓保護(hù)，掉電時(shí)保護(hù)電壓達(dá)土40V，同時(shí)可處理滿電源擺幅信號，并具有較低的導(dǎo)通電阻。故障狀態(tài)下，輸入端被置成高阻態(tài)，與開關(guān)狀態(tài)和負(fù)載電阻無關(guān)，只有nA級的泄漏電流流過信號源。Cm CsVIDF!)I-SWIICHSIS3ONONOFFONOFFOFFONOFF圖4.高頻T型開美的基本結(jié)構(gòu)5、加載-感應(yīng)開關(guān)在過去幾年中，Maxim推出了一系列新型模擬開關(guān)，其中MAX4554-MAX4556加載-感應(yīng)型開關(guān)，適用于自動(dòng)檢測設(shè)備（ATE）中的Kelvin檢測。每中型號包含有用于加載電流的低電阻、大電流開關(guān)和用于檢測電壓或切換保護(hù)線的高阻開關(guān)?！?5V供電時(shí)，電流開關(guān)導(dǎo)通電阻僅6Q，感應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通電阻為60Q，MAX4556內(nèi)置三路SPDT開關(guān)。加載感應(yīng)開關(guān)主要用于高精度系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離測量系統(tǒng)（圖5），在4線測量中，2線為負(fù)載加載電壓或電流，其余2線直接與負(fù)載感應(yīng)線連接。2線系統(tǒng)中，負(fù)載電壓感應(yīng)線與加載線連接到負(fù)載的兩端。由于加載電壓或電流會沿線產(chǎn)生壓降，所以負(fù)載電壓比信號源電壓略低，負(fù)載與信號源間的距離以及負(fù)載電流、導(dǎo)通電阻等都將造成負(fù)載電壓的衰減。采用4線方式可減小信號衰落，4線方式中的2條附加電壓感應(yīng)線上流過的電流可忽略。新型加載感應(yīng)開關(guān)簡化了許多應(yīng)用，例如nV級電壓表、飛歐級電阻計(jì)等。6、校準(zhǔn)型多路復(fù)用器校準(zhǔn)型多路復(fù)用器(Cal-muxes)主要用于高精度A/D轉(zhuǎn)換器和自監(jiān)控系統(tǒng)，芯片內(nèi)的組合結(jié)構(gòu)主要包括：從輸入基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生精密電壓比的模擬開關(guān)，高精度電阻分壓器，用于選擇不同輸入的多路復(fù)用器。該類器件中，MAX4539和MAX4540可用于修正A/D轉(zhuǎn)換中的兩個(gè)主要誤差：失調(diào)誤差與增益誤差。AI89C2051利用內(nèi)部精密的分壓器，在微處理器的串行接口控制下測量增益和失調(diào)電壓，參考比為15/4096和4081/4096，精確到15位，對于基準(zhǔn)為4.096V的A/D轉(zhuǎn)換器，15/4096倍的基準(zhǔn)電壓為15mV，二進(jìn)制數(shù)字輸出為000000001111，為測量失調(diào)誤差，控制器記錄二進(jìn)制數(shù)000000001111與ADC實(shí)際輸出之差，用該誤差值對失調(diào)電壓加以修正。為測量增益誤差，校準(zhǔn)多路復(fù)用器用4081/4096代替(VREFHI-VREFLO)，微控制器記錄二進(jìn)制數(shù)111111110000與ADC實(shí)際輸出之差，已知ADC的失調(diào)誤差和增益誤