使用模拟开关实现信号复用

如果输入信号超出电源轨(图3)，寄生SCR (可控硅整流器)的形成就能引起IC基材的闩锁。制造商通常采用廉价的 CMOS 工艺为电子消费产品制造部件，而这些部件的最大额定电压为5.5V。例如，Fairchild的 FSA2270T双路SPDT (单刀双掷)模拟开关摆幅低于负电压轨，这样在没有负电源轨情况下也能通过双极音频信号(参考文献3)。另外一个例子是德州仪器公司的 TS3USB221 多路复用器/解复用器开关，其工作电压为 2.3V。

故障保护是另一个重要规格。具备这一特性的器件，即使其输入电压超过电源轨也不会导致损坏。例如，Maxim 公司的 MAX388 模拟多路复用器的故障防护达 100V 。除提供内部故障保护之外，线路还可以设计为在过压情况下保护模拟开关(参考文献4)。

导通电阻是模拟开关的另一个极为重要的规格。如果您的设计包含了一个为模拟开关提供缓冲的运算放大器，导通电阻似乎并不重要。运算放大器的输入阻抗可能在兆欧水平，所以把一个 100Ω的模拟开关与输入端串联，意味着这个阻抗是可忽略的，但是仅对直流。开关的导通电阻能对放大器的杂散电容和输入电容作出反应。这个反应能建立一个极点，使信号链的频率响应骤降，可能达到无法接受的水平。许多其它信号通路应用需要更低的导通电阻。尽管几十年前100Ω是可以接受的，那时工程师使用的是Fairchild通用CD4066 CMOS 模拟开关，但许多器件的导通电阻很快降低到 10Ω，现在已有多款低于 1Ω的模拟开关。例如， Pericom 公司的 PI3A3159 SPDT 模拟开关导通电阻为0.4Ω。这些新部件可以在低至 2.7V 的工作电压下，实现低导通电阻。

另一个重要规格是关态电阻，它量度的是开关阻挡信号的能力。模拟开关的基本关态电阻就是 MOS 晶体管的关态电阻，通常高于多数线路的需求。关态电阻也是 ESD (静电放电)保护二极管的一个功能，这些二极管在 IC 片芯上，防止晶体管的处理和组装中出现损坏(图 4)。把关态电阻看成是一个泄露规格可能更有帮助。因为泄漏每 10℃会加倍，应总是在预期的电路最高工作温度上检查关态电阻。此外，关态电阻和泄漏是应用于直流或低频的规格。在更高频率时，开关电容支配着关态电阻和泄漏。

对于现代模拟开关这么小的东西，不可避免会存在电容。引脚挨的很近，因此可以预计它们之间有数皮法的耦合电容。另外还必须处理晶体管结构和基材之间的电容。制造商采用专有工艺生产现代部件，这样部件就能在 RF 范围工作，轻易地达到数百兆赫。

Maxim Intergratd Products公司的副业务经理Manav Malhotra 称，一些客户要求制造商确定模拟开关的插入损耗和回波损耗，这是与射频(RF)设计相关的规格。半导体模拟开关也有其弱点：各引脚与地或电源之间的电容。舌簧继电器和 MEMS (微机电系统)开关有较小的杂散电容，使它们适合于延伸至千兆赫范围的频率，但是继电器和 MEMS 都是机械性器件，在几十万到数百万次的运行循环中会磨损。舌簧继电器开关的激励需要很大功率;MEMS 器件的运行需要成本昂贵的封装，将硅梁保持在一个空区中。即使信号仅是数百千赫，也应当观察模拟开关的引脚(包括地和电源)之间的电容，确定该器件是否能提供所需的隔离和串扰规格。

电荷注入是模拟开关中的另一个重要规格。打开开关会使电荷注入信号通道，在采样保持稳压器和馈入放大器的多路复用器中，这可能会产生灾难性的后果。那些配合内部电容的 IC设计能尽可能减少电荷注入。启动信号的上升沿越快，电荷注入的问题就会越严重。降低模拟开关控制信号的转换速率有可能把电荷注入降低到可接受的水平。如果在设计的信号通道中有任何高阻抗节点，请一定要评估这个因素。电荷注入常常是含模拟开关音频电路产生爆破声和卡嗒声的原因。如同所有规格一样，要在预期的全部设计工作温度范围上检查这个因素。

许多模拟开关要传送快速的数字信号，因此对于许多用户来说，激励速度是一个重要规格。即使在传统应用中，如数据采集多路复用器，必须在采样保持分析时考虑开关速度因素，以确保在 ADC 测量之前，信号已经稳定到一个准确的水平。也应当注意信号链中任何模拟开关的 PSRR (电源抑制比)。正如输出和电源之间的电容能快速衰减信号一样，同一个电容也能把电源轨上的高频噪声成份传入输出信号。最近，很多模拟电路采用开关电源供电。一定要检查电源轨的频谱内容。如果频率足够高，它们将通过模拟开关的内部电容进入设计的输出。在部件的电源脚串接一只电阻或电感，并在靠近模拟开关的位置放一个或多个去耦电容，可确保电源噪声