- 本文重點闡述為便攜式產(chǎn)品選擇模擬開關(guān)時需考慮的設(shè)計參數(shù)和關(guān)鍵事項
- 低導(dǎo)通電阻是模擬開關(guān)在音頻切換用途時的主要選擇因素
- 英聯(lián)電子的低ICCT系列模擬開關(guān)省去電平轉(zhuǎn)換模塊，有效降低成本
- 通過在開關(guān)斷開時接通一個去噪電阻來快速釋放電荷可提高音頻切換質(zhì)量
- 英聯(lián)電子的高隔離度模擬開關(guān)采用T-Switch結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)了信號隔離，抑制了信號串擾
在便攜式產(chǎn)品設(shè)計中，模擬開關(guān)一直以來都主要是作為音頻信號切換器來使用。隨著雙卡雙模手機的普及，模擬開關(guān)成了雙卡切換必備的選擇；最新的數(shù)字電視DVB，CMMB等在一定的條件下也需要使用模擬開關(guān)。那么選擇這些開關(guān)時需要注意哪些設(shè)計問題呢？本文重點闡述為便攜式產(chǎn)品選擇模擬開關(guān)時需考慮的設(shè)計參數(shù)和關(guān)鍵事項。
導(dǎo)通電阻與平坦度
低導(dǎo)通電阻是模擬開關(guān)在音頻切換用途時的主要選擇因素。值得注意的是，導(dǎo)通電阻是針對具體的VCC 、VIN(電壓輸入)及給定負載電流而定義的。在晶體管級，RON為起始長度(L)、寬度(W)、電子與空穴遷移率、氧化層電容、門限電壓及信號電壓的函數(shù)。如下所示：
RON會隨著電源電壓的增加而減小。圖1顯示了上海英聯(lián)電子科技有限公司(下文簡稱英聯(lián)電子)的UM4684在不同電源電壓上測得的RON。導(dǎo)通電阻平坦度(RFLAT)即表示RON隨著VIN在0V至VCC或V-至V+)間變化而變化的情況，它是引起THD的主要原因。
帶寬、串擾與隔離度
隔離度是用來衡量開關(guān)導(dǎo)通通道與關(guān)閉通道之間的“噪聲”的指標。它在指定頻率上測量，是關(guān)閉通道輸入與輸出之間的耦合。串擾是模擬輸入通道與另一通道之間的交叉耦合，有兩種形式：鄰近通道與非鄰近通道。這兩種參數(shù)都以dB表示。在電路設(shè)計中通常是一起考慮串擾、隔離度與帶寬指標。雖然某些模擬開關(guān)的輸入帶寬高達數(shù)百兆赫，但其帶寬指標本身的意義并不大，因為高頻下的關(guān)斷隔離度和串擾都明顯變得更糟糕。
例如，在1MHz頻率下的典型開關(guān)關(guān)斷隔離度為70dB，典型的串擾為-85dB。由于這兩項指標都按20dB/+倍頻下降，所以在100MHz頻率下，關(guān)斷隔離度下降為30dB，而串擾增加到-45dB。因此，僅僅考慮帶寬是不夠的，必須考慮在高頻工作條件下這兩項指標是否都能滿足應(yīng)用要求。
提升模擬開關(guān)性能
a. 低ICCT
便攜式產(chǎn)品通常由電池供電，因此功耗是選擇模擬開關(guān)時的一個重要考慮因素。大部分便攜式系統(tǒng)需要多種不同的供電電壓。模擬開關(guān)的供電可能來自于電池或經(jīng)過電源管理模塊調(diào)節(jié)過的電源輸出，開關(guān)的控制輸入信號也可能來自于電源電壓不同的ASIC。當控制輸入電壓等于0或VCC時，CMOS控制電路的功耗非常低。
但對模擬開關(guān)而言，只要控制信號輸入電平保持在大于VIH最小值或者小于VIL最大值，開關(guān)便會識別控制信號的高低電平。此時控制電壓離0和VCC越遠，功耗越大，如圖2中的紅色曲線所示。更新的ASIC設(shè)計逐步走向更小幾何尺寸的工藝，這限制了它們的電壓裕量，因此在新的系統(tǒng)設(shè)計中，驅(qū)動控制管腳的電壓不再等于模擬開關(guān)的供電電壓。如果使用普通的模擬開關(guān)，開關(guān)電流消耗通常大于1mA，這將導(dǎo)致過多功耗。
對于某些開關(guān)，電流消耗甚至高達幾毫安，對功耗敏感的便攜式設(shè)備而言，這樣的功耗是無法接受的。大多數(shù)標準模擬開關(guān)的產(chǎn)品說明書只給出了典型情況下(即開關(guān)輸入控制信號的高電平與開關(guān)供電電壓一致)的功耗指標，這容易讓設(shè)計工程師感到混淆，他們會驚奇地發(fā)現(xiàn)在低壓ASIC設(shè)計中的模擬開關(guān)竟有幾毫安的漏電流。英聯(lián)電子的模擬開關(guān)改善了控制電路的輸入緩沖器，只要芯片的控制輸入電壓大于VIH或小于VIL內(nèi)，而不是等于0V或VCC，也能保持非常小的功耗。從圖2可看到采用該技術(shù)的英聯(lián)電子UM3157模擬開關(guān)與普通的同系列模擬開關(guān)在ICCT上的顯著區(qū)別。 [page]
此外，英聯(lián)電子的低ICCT系列模擬開關(guān)具有更低的VIH電平值，可以采用較低的控制電平實現(xiàn)開關(guān)的高電平切換控制。這種特性大大減少了電路復(fù)雜性，特別是在供電電源和控制信號電平不匹配的便攜產(chǎn)品應(yīng)用中，可省去電平轉(zhuǎn)換模塊，從而有效降低了成本。以圖3所示的模擬開關(guān)切換音頻信號為例，如果采用ASIC輸出的1.8V電平作為UM3157控制管腳的輸入，則不必采用電平轉(zhuǎn)移器，就能在漏電流很小的情況下實現(xiàn)開關(guān)切換。此外，由于低ICCT模擬開關(guān)的電流功耗很低（大約1uA），且開關(guān)的導(dǎo)通電阻隨工作電壓的增加而降低，所以可以采用較高的供電電壓來實現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻。低導(dǎo)通電阻對典型的音頻開關(guān)或USB應(yīng)用而言非常重要。
b.終端電阻
在音頻電路中，當模擬開關(guān)斷開時，由于寄生電容和電容失配，電容上的電荷無法釋放，從而導(dǎo)致耳機上的噪聲?？梢酝ㄟ^在開關(guān)斷開時接通一個去噪電阻，來快速釋放電荷，從而提高音頻切換質(zhì)量。圖4是英聯(lián)電子的UM3699在開關(guān)切換時去噪電阻的連接示意圖。
圖5是沒有采用去噪聲電阻時模擬開關(guān)的仿真波形圖。D1為輸入的數(shù)據(jù)信號。IN為選擇端信號。當IN為高電平時，開關(guān)通向1S1；當IN為低電平時，開關(guān)通向1S2。當開關(guān)斷開時，由于寄生電容和選擇端切換脈沖的存在，開關(guān)到地之間是高阻態(tài)，所以寄生電容的電荷沒有放電回路。這樣，開關(guān)的關(guān)斷端在較長的時間內(nèi)將出現(xiàn)一個比輸入數(shù)據(jù)信號更高的電平，從而導(dǎo)致噪聲。圖6是采用圖4中的去噪電阻后開關(guān)切換的仿真波形圖。由于開關(guān)斷開后連接了去噪電阻上，形成一個對地的放電回路，所以寄生電容上的電荷得以很快釋放，從而消除了開關(guān)切換時的干擾電平，提高了開關(guān)在音頻切換應(yīng)用時的聲音質(zhì)量。
c.T-Switch結(jié)構(gòu)
隔離度和串擾作為模擬開關(guān)的又一項重要性能指標，在高頻率信號的切換中越來越受到人們的關(guān)注。英聯(lián)電子的高隔離度模擬開關(guān)采用T-Switch結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)了信號隔離，抑制了信號串擾。圖7是T-Switch結(jié)構(gòu)圖。當開關(guān)導(dǎo)通時，內(nèi)部的S1、S3閉合，S2斷開，從而實現(xiàn)信號的有效傳輸；當開關(guān)斷開時，S1、S3斷開，S2 閉合，這樣輸入端-Cs-地形成了一條耦合回路，同時由于兩個Cs導(dǎo)通寄生電容的存在，輸入信號更難耦合到信號輸出級，這樣提高了開關(guān)的隔離度和抗串擾能力。
