使用模拟开关实现信号复用

要 点

模拟开关的主要规格是电压、导通电阻、电容、电荷注入、速度和封装。

介质绝缘工艺可防止一些开关的闩锁。

开关的工作范围从直流到 400 MHz ，甚至更高。

MEMS (微机电系统)开关在高频下运行良好，但存在可靠性问题，并且封装费用昂贵。

如果您是在仿真一个模拟开关，要确保对全部寄生成分的建模。

没有哪个 IC 原理图符号能比模拟开关的符号更简单(图 1a )。一个基本开关仅包括输入、输出、控制脚和一对电源脚。然而，在这简单的外观(图 1b )后面，隐藏着极其复杂的东西。很多规格，包括电源电压和导通电阻，都对部件运行非常重要。模拟开关也有许多交流规格，如带宽和开关时间。所有这些规格(包括泄漏电流)都会随温度而变化，有时是彻底改变。与其它所有模拟部件一样，开关也有相互作用并有一组连续值的规格。这些规格并非白或黑，而是灰色梯度(参考文献 1 )。

一个模拟开关是复杂的，但要把它们联结成组，或者把它们集成到一个 IC 里以提供 DPDT (双刀双掷)功能或多路复用器，就会更加复杂。例如，一个为 ADC 送入信号的多路复用器应当是一种先开后合的器件——也就是说，在接通之前，它应当断开触点，防止输入信号相互短路。但是一个音频输出上的多路复用器可能需要先合后开器件——也就是说，它必须先接通，然后再断开，以防止音频信号中出现令人不快的卡嗒声和爆破音。如所有模拟部件一样，事情要比第一眼看上去更复杂。

寻找新用途

模拟开关总是在仪器和工业市场中占有一席之地。数据采集卡重定模拟输入的路径，为接至 ADC 的测量提供多个通道，并把模拟输出传递到连接器或内部电路节点。这些卡中的模拟开关和多路复用器传统上是高压部件，以保持它们的工业、军用和医用传统。这些有几十年历史的应用将永远存在，但是几项新的技术进展正在使模拟开关的使用发生巨大的变化。

模拟开关最大规模用途之一是手机和其它的手提消费设备。Fairchild Semiconductor 的开关产品生产线总监 Jerry Johnston 称：“我不知道哪款手机里一个开关也没有。”大小和功能是电话中使用模拟开关的推动因素。手机外壳中只有很小的空间放置连接器，这意味着模拟开关必须将信号从多个 IC 传递到一个 USB 端口、视频端口、音频端口或电源连接器。这些开关也有多种功能，这更增加了在手机中的应用。一款手机通常包括一只基带 IC 和 RF 信号链。一款全功能手机也可能要带有数码相机和摄像头，两者都有相关的闪存系统，并且能做 MP3 和视频播放器。它也支持 USB、蓝牙和无线 LAN 连接。Johnston了解一些高端手机有多达 14 个模拟开关。

基于类似的原因，模拟开关日益增长的另一应用是便携计算机。即使最基本的笔记本电脑也有摄像头、 IR(红外线)端口、蓝牙和无线功能。此外与手机类似，便携计算机只有有限的外表面供放置连接器。尽管不像手机的空间限制那么严格，但是这种约束仍然为模拟开关提供了许多应用。

家庭娱乐设施是模拟开关的另一种大批量应用。任何一个装配电视、 DVD 播放机、立体声收音机、游戏系统、有线系统和计算机的人，都可以证实这些任务要求的视频与音频信号布线挑战。如同手机一样，这些家庭娱乐系统可能用到一些数字信号，但是仍然必须使用模拟开关来完成该设备的信号传送。例如，许多家庭娱乐系统有多个 HDMI(高清晰多媒体接口)数字信号通道，这些产品需要模拟开关传送那些信号，因为使用数字开关能引起扭曲及延迟。数字开关在完成功率时会建立一个或多个门延迟，那些延迟可能不确定，而是随着开关路由或温度而更改，门的上升和下降次数可能更改数字信号的占空比。

模拟开关的另一个大量应用是车载娱乐设备，它有与家庭娱乐系统一样的信号路由问题，而且空间更少。汽车电子设备，或“telematics”(车载通信系统)同时包含了信号路由以及娱乐、计算机和手机环境的管理挑战。

重要规格

模拟开关能经受的电压与机械开关的额定电压一样重要，有时它指示出开关的预期市场。12V到 36V开关的目标常常是仪表、军用和医用市场。那些必须从外部测量一些未知电压的数据采集系统，也得益于采用高额定电压的模拟开关。因为设计人员无法控制所测电压的水平，所以，重要的是开关能承受尽可能高的电压。对于可靠性的同样要求，促进了对介质绝缘模拟开关和故障保护模拟开关的开发。

介质绝缘是把 IC 中每个晶体管放在自己的玻璃外套中(图2和参考文献2)。玻璃有比硅更低的介电常数，对介质绝缘的部件产生非常低的内电容。因此，