- 本文重點(diǎn)闡述為便攜式產(chǎn)品選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)需考慮的設計參數和關(guān)鍵事項
- 低導通電阻是模擬開(kāi)關(guān)在音頻切換用途時(shí)的主要選擇因素
- 英聯(lián)電子的低ICCT系列模擬開(kāi)關(guān)省去電平轉換模塊，有效降低成本
- 通過(guò)在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)接通一個(gè)去噪電阻來(lái)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(kāi)關(guān)采用T-Switch結構，有效實(shí)現了信號隔離，抑制了信號串擾
在便攜式產(chǎn)品設計中，模擬開(kāi)關(guān)一直以來(lái)都主要是作為音頻信號切換器來(lái)使用。隨著(zhù)雙卡雙模手機的普及，模擬開(kāi)關(guān)成了雙卡切換必備的選擇；最新的數字電視DVB，CMMB等在一定的條件下也需要使用模擬開(kāi)關(guān)。那么選擇這些開(kāi)關(guān)時(shí)需要注意哪些設計問(wèn)題呢？本文重點(diǎn)闡述為便攜式產(chǎn)品選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)需考慮的設計參數和關(guān)鍵事項。
導通電阻與平坦度
低導通電阻是模擬開(kāi)關(guān)在音頻切換用途時(shí)的主要選擇因素。值得注意的是，導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(cháng)度(L)、寬度(W)、電子與空穴遷移率、氧化層電容、門(mén)限電壓及信號電壓的函數。如下所示：
RON會(huì )隨著(zhù)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(jiǎn)稱(chēng)英聯(lián)電子)的UM4684在不同電源電壓上測得的RON。導通電阻平坦度(RFLAT)即表示RON隨著(zhù)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(lái)衡量開(kāi)關(guān)導通通道與關(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。這兩種參數都以dB表示。在電路設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(kāi)關(guān)的輸入帶寬高達數百兆赫，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(kāi)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(mǎn)足應用要求。
提升模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。大部分便攜式系統需要多種不同的供電電壓。模擬開(kāi)關(guān)的供電可能來(lái)自于電池或經(jīng)過(guò)電源管理模塊調節過(guò)的電源輸出，開(kāi)關(guān)的控制輸入信號也可能來(lái)自于電源電壓不同的ASIC。當控制輸入電壓等于0或VCC時(shí)，CMOS控制電路的功耗非常低。
但對模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)便會(huì )識別控制信號的高低電平。此時(shí)控制電壓離0和VCC越遠，功耗越大，如圖2中的紅色曲線(xiàn)所示。更新的ASIC設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，因此在新的系統設計中，驅動(dòng)控制管腳的電壓不再等于模擬開(kāi)關(guān)的供電電壓。如果使用普通的模擬開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)電流消耗通常大于1mA，這將導致過(guò)多功耗。
對于某些開(kāi)關(guān)，電流消耗甚至高達幾毫安，對功耗敏感的便攜式設備而言，這樣的功耗是無(wú)法接受的。大多數標準模擬開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)只給出了典型情況下(即開(kāi)關(guān)輸入控制信號的高電平與開(kāi)關(guān)供電電壓一致)的功耗指標，這容易讓設計工程師感到混淆，他們會(huì )驚奇地發(fā)現在低壓ASIC設計中的模擬開(kāi)關(guān)竟有幾毫安的漏電流。英聯(lián)電子的模擬開(kāi)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，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(kāi)關(guān)與普通的同系列模擬開(kāi)關(guān)在ICCT上的顯著(zhù)區別。 [page]
此外，英聯(lián)電子的低ICCT系列模擬開(kāi)關(guān)具有更低的VIH電平值，可以采用較低的控制電平實(shí)現開(kāi)關(guān)的高電平切換控制。這種特性大大減少了電路復雜性，特別是在供電電源和控制信號電平不匹配的便攜產(chǎn)品應用中，可省去電平轉換模塊，從而有效降低了成本。以圖3所示的模擬開(kāi)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，則不必采用電平轉移器，就能在漏電流很小的情況下實(shí)現開(kāi)關(guān)切換。此外，由于低ICCT模擬開(kāi)關(guān)的電流功耗很低（大約1uA），且開(kāi)關(guān)的導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(lái)實(shí)現更低的導通電阻。低導通電阻對典型的音頻開(kāi)關(guān)或USB應用而言非常重要。
b.終端電阻
在音頻電路中，當模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于寄生電容和電容失配，電容上的電荷無(wú)法釋放，從而導致耳機上的噪聲?？梢酝ㄟ^(guò)在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)接通一個(gè)去噪電阻，來(lái)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(kāi)關(guān)切換時(shí)去噪電阻的連接示意圖。
圖5是沒(méi)有采用去噪聲電阻時(shí)模擬開(kāi)關(guān)的仿真波形圖。D1為輸入的數據信號。IN為選擇端信號。當IN為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)通向1S1；當IN為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)通向1S2。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于寄生電容和選擇端切換脈沖的存在，開(kāi)關(guān)到地之間是高阻態(tài)，所以寄生電容的電荷沒(méi)有放電回路。這樣，開(kāi)關(guān)的關(guān)斷端在較長(cháng)的時(shí)間內將出現一個(gè)比輸入數據信號更高的電平，從而導致噪聲。圖6是采用圖4中的去噪電阻后開(kāi)關(guān)切換的仿真波形圖。由于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后連接了去噪電阻上，形成一個(gè)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(kāi)關(guān)切換時(shí)的干擾電平，提高了開(kāi)關(guān)在音頻切換應用時(shí)的聲音質(zhì)量。
c.T-Switch結構
隔離度和串擾作為模擬開(kāi)關(guān)的又一項重要性能指標，在高頻率信號的切換中越來(lái)越受到人們的關(guān)注。英聯(lián)電子的高隔離度模擬開(kāi)關(guān)采用T-Switch結構，有效實(shí)現了信號隔離，抑制了信號串擾。圖7是T-Switch結構圖。當開(kāi)關(guān)導通時(shí)，內部的S1、S3閉合，S2斷開(kāi)，從而實(shí)現信號的有效傳輸；當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，S1、S3斷開(kāi)，S2 閉合，這樣輸入端-Cs-地形成了一條耦合回路，同時(shí)由于兩個(gè)Cs導通寄生電容的存在，輸入信號更難耦合到信號輸出級，這樣提高了開(kāi)關(guān)的隔離度和抗串擾能力。
