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結(jié)合實(shí)例解讀模擬開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2017-10-30 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】模擬開(kāi)關(guān)是一種三穩(wěn)態(tài)電路,它可以根據(jù)選通端的電平,決定輸人端與輸出端的狀態(tài)。當(dāng)選通端處在選通狀態(tài)時(shí),輸出端的狀態(tài)取決于輸人端的狀態(tài);當(dāng)選通端處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),則不管輸人端電平如何,輸出端都呈高阻狀態(tài)。模擬開(kāi)關(guān)在電子設(shè)備中主要起接通信號(hào)或斷開(kāi)信號(hào)的作用。


       盡管模擬開(kāi)關(guān)具有機(jī)械開(kāi)關(guān)不可取代的優(yōu)勢(shì),然而它的應(yīng)用較機(jī)械開(kāi)關(guān)稍微復(fù)雜些,初次使用模擬開(kāi)關(guān)的工程人員往往會(huì)由于模擬開(kāi)關(guān)使用不當(dāng),引起整個(gè)系統(tǒng)的故障。本文通過(guò)將模擬開(kāi)關(guān)與普通機(jī)械開(kāi)關(guān)作比較,論述了模擬開(kāi)關(guān)的若干基本概念,并結(jié)合實(shí)例對(duì)模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

  模擬開(kāi)關(guān)的模擬特性

  許多工程師第一次使用模擬開(kāi)關(guān),往往會(huì)把模擬開(kāi)關(guān)完全等同于機(jī)械開(kāi)關(guān)。其實(shí)模擬開(kāi)關(guān)雖然具備開(kāi)關(guān)性,但和機(jī)械開(kāi)關(guān)有所不同,它本身還具有半導(dǎo)體特性:

  1. 導(dǎo)通電阻(Ron)隨輸入信號(hào)(VIN)變化而變化

  圖1a是模擬開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單示意圖,由圖中可以看出模擬開(kāi)關(guān)的常開(kāi)常閉通道實(shí)際上是由兩個(gè)對(duì)偶的N溝道MOSFET與P溝道MOSFET構(gòu)成,可使信號(hào)雙向傳輸,如果將不同VIN值所對(duì)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1b并聯(lián)結(jié)構(gòu)下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(xiàn)性關(guān)系,將導(dǎo)致插入損耗的變化,使模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)生總諧波失真(THD)。此外,Ron也受電源電壓的影響,通常隨著電源電壓的上升而減小。

  結(jié)合實(shí)例解讀模擬開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  圖1:a. 模擬開(kāi)關(guān)原理圖;b. 模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻與輸入電壓關(guān)系

  2. 模擬開(kāi)關(guān)輸入有嚴(yán)格的輸入信號(hào)范圍

  由于模擬開(kāi)關(guān)是半導(dǎo)體器件,當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)低(低于零電勢(shì))或者過(guò)高(高于電源電壓)時(shí),MOSFET處于反向偏置,當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)(超出限值0.3V),此時(shí)開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作,嚴(yán)重者甚至損壞。因此模擬開(kāi)關(guān)在應(yīng)用中,一定要注意輸入信號(hào)不要超出規(guī)定的范圍。

  3. 注入電荷

  應(yīng)用機(jī)械開(kāi)關(guān)我們當(dāng)然希望Ron越低越好,因?yàn)榈妥杩梢越档托盘?hào)的損耗。然而對(duì)于模擬開(kāi)關(guān)而言,低Ron并非適用于所有的應(yīng)用,較低的Ron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(kāi)關(guān)周期其充電和放電過(guò)程會(huì)消耗更多的電流。時(shí)間常數(shù)t=RC,充電時(shí)間取決于負(fù)載電阻(R)和電容(C),一般持續(xù)幾十納秒。這說(shuō)明低Ron具有更長(zhǎng)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。為此,選擇模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡Ron和注入電荷。

  4. 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)仍會(huì)有感應(yīng)信號(hào)漏出

  這一特性指的是當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)傳輸交流信號(hào)時(shí),在斷開(kāi)情況下,仍然會(huì)有一部分信號(hào)通過(guò)感應(yīng)由輸入端傳到輸出端,或者由一個(gè)通道傳到另一個(gè)通道。通常信號(hào)的頻率越高,信號(hào)泄漏的程度越嚴(yán)重。

  5. 傳輸電流比較小

  模擬開(kāi)關(guān)不同于機(jī)械開(kāi)關(guān),它通常只能傳輸小電流,目前CMOS工藝的模擬開(kāi)關(guān)允許連續(xù)傳輸?shù)碾娏鞔蠖嘈∮?00mA。

  6. 邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小

  機(jī)械開(kāi)關(guān)邏輯控制端的驅(qū)動(dòng)電流往往都是毫安級(jí),有時(shí)單純靠數(shù)字I/O很難驅(qū)動(dòng)。而模擬開(kāi)關(guān)的邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小,一般低于納安級(jí)。因此,它完全可以由數(shù)字I/O直接驅(qū)動(dòng),從而達(dá)到降低功耗、簡(jiǎn)化電路的目的。

  模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性

  既然稱(chēng)之為模擬開(kāi)關(guān),自然它還具有開(kāi)關(guān)性,具體表現(xiàn)如下:

  1. 信號(hào)可雙向傳輸

  有些人習(xí)慣于把模擬開(kāi)關(guān)的兩個(gè)常開(kāi)常閉端稱(chēng)之為輸入端,公共端稱(chēng)之為輸出端,其實(shí)這只是根據(jù)模擬開(kāi)關(guān)的具體應(yīng)用給予的臨時(shí)定義。模擬開(kāi)關(guān)大多可以使信號(hào)雙向傳輸,如果忽略這一點(diǎn),就很容易使電路生成問(wèn)題,比如將電壓反向偏置、電流倒灌等。

  2. 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后漏電流極小

  模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)(OFF)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)高阻狀態(tài),兩傳輸端間的漏電流極小,一般只有納安級(jí)以下,如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模擬開(kāi)關(guān),其斷開(kāi)后的漏電流均為1nA。這么微弱的電流在應(yīng)用中可忽略不計(jì),模擬開(kāi)關(guān)此時(shí)可被認(rèn)為是理想斷開(kāi)的。

  總之,模擬開(kāi)關(guān)是具有開(kāi)關(guān)功能的半導(dǎo)體器件,在應(yīng)用過(guò)程中既要充分利用它的開(kāi)關(guān)功能,又要考慮它的半導(dǎo)體特性,否則可能會(huì)出現(xiàn)意想不到的麻煩。

  模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用實(shí)例分析

  圖2是一音響設(shè)備前端放大及信號(hào)選通部分電路,其中選用了SGM324(四通道運(yùn)算放大器)和SGM3002(雙通道模擬開(kāi)關(guān))。

  結(jié)合實(shí)例解讀模擬開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  圖2:音響前端放大及信號(hào)選通電路

  該方案設(shè)計(jì)本意是當(dāng)Input=0時(shí),Line_outL和Line_outR音頻信號(hào)選通;當(dāng)Input=1時(shí),Phone_outL和Phone_outR音頻信號(hào)選通。然而當(dāng)實(shí)驗(yàn)機(jī)做出后,設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)Input=1時(shí),Line_outL和Line_outR通道有相當(dāng)一部分信號(hào)分別漏到D1和D2端。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀HP/Agilent 3589A測(cè)試SGM3002的關(guān)斷隔離度,當(dāng)輸入信號(hào)為10kHz時(shí),SGM3002的關(guān)斷隔離度僅為-120dB,因此芯片應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。

  事實(shí)上,該電路在模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用上存在下面兩處錯(cuò)誤:

  1. 模擬開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)缺少一個(gè)直流偏置

  圖2中模擬開(kāi)關(guān)部分電路可以等效成圖3,本文第一部分曾經(jīng)提到模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)輸入不能為負(fù)。

  

結(jié)合實(shí)例解讀模擬開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  圖3:模擬開(kāi)關(guān)等效電路

  通常來(lái)講,CMOS工藝的模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)最小只能到-0.3V,如果再低于這個(gè)值,芯片將不能正常工作,甚至?xí)p壞。圖2中模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)沒(méi)有直流偏置,所以輸入信號(hào)有一部分處于負(fù)值區(qū),模擬開(kāi)關(guān)自然無(wú)法正常工作。

  解決辦法:將電容C2、C3均去掉,模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)便有了1/2VDC的直流偏置信號(hào),此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)便可以軌到軌工作。此外,由于模擬開(kāi)關(guān)公共端后面加了電容,所以直流信號(hào)依然可以被有效地隔離。

  2. 在D1和D2端缺少耦合電阻

  當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)的情況下,其輸入與輸出端等效串聯(lián)了一個(gè)電容C,如果再假設(shè)在模擬開(kāi)關(guān)輸出端到地之間有一個(gè)等效電阻R,則模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)的等效電路如圖4所示。

  結(jié)合實(shí)例解讀模擬開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  圖4:模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的等效電路

  此時(shí)的模擬開(kāi)關(guān)其實(shí)等效為一個(gè)RC濾波電路,由此不難得出以下公式:

  結(jié)合實(shí)例解讀模擬開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

  其中,uout為模擬開(kāi)關(guān)輸出信號(hào);uin為模擬開(kāi)關(guān)輸入信號(hào);R為模擬開(kāi)關(guān)輸出端電阻負(fù)載;C為模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)等效電容;f為輸入信號(hào)頻率。

  由于模擬開(kāi)關(guān)等效電容C會(huì)設(shè)計(jì)成很小,所以當(dāng)輸入信號(hào)f處于音頻區(qū)時(shí),增益A由R和f同時(shí)決定。當(dāng)R取值較小時(shí),f起主導(dǎo)作用,此時(shí)A《《1,信號(hào)被有效隔離。當(dāng)R取值較大時(shí),此時(shí)R起主導(dǎo)作用,此時(shí)A—》1,信號(hào)幾乎被完全泄漏過(guò)來(lái)。所以當(dāng)輸出端懸空時(shí),其輸出端與地之間電阻R—》+∞,此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)完全導(dǎo)通。

  修正以上兩個(gè)錯(cuò)誤后,該音頻應(yīng)用電路便可以正常工作了。由以上實(shí)例可以看出,充分理解模擬開(kāi)關(guān)的基本概念是正確應(yīng)用模擬開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)。






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