美信（Maxim）CMOS模拟开关设计精华集锦

　　引言

　　集成模拟开关常常用作模拟信号与数字控制器的接口。当今市场上的模拟开关数量众多，产品设计人员需要考虑多项性能标准。同时也有许多35年前开发的标准CMOS开关已经发展为专用的开关电路。

　 　本文回顾标准CMOS模拟开关的基本结构并介绍常见模拟开关参数，例如导通电阻（RON）、RON平坦度、漏电流、电荷注入及关断隔离。文中讨论最新模 拟开关的性能改善：更好的开关特性、更低的供电电压，以及更小的封装。也介绍了专用的特性，例如故障保护、ESD保护、校准型多路复用器（cal- mux）和加载-感应功能。介绍了适用于视频、高速USB、HDMI和PCIe的专用开关。

　　标准模拟开关基础

　 　传统模拟开关的结构如图1所示。将n沟道MOSFET与p沟道MOSFET并联，可使信号在两个方向上同等顺畅地通过。n沟道与p沟道器件之间承载信号 电流的多少由输入与输出电压比决定。由于开关对电流流向不存在选择问题，因而也没有严格的输入端与输出端之分。两个MOSFET由内部反相与同相放大器控 制下导通或断开。这些放大器根据控制信号是CMOS或是TTL逻辑、以及模拟电源电压是单或是双，对数字输入信号进行所需的电平转换。

　　

　　图1. 采用并联n沟道和p沟道MOSFET的典型模拟开关的内部结构

　　现在，许多半导体制造商都提供诸如早期CD4066这样的传统模拟开关。有些最新设计的模拟开关与这些早期开关的引脚兼容，但性能更高。例如，有些与CD4066引脚兼容的器件（例如MAX4610）相对于原来的CD4066具有更低的RON和更高的精度。

　　对基本模拟开关结构也有一些功能性改变。有些低电容模拟开关在信号通路中只使用n沟道MOSFET（例如MAX4887），省去了较大的大幅降低模拟开关带宽的p沟道MOSFET。

　　其它采用单个正电源轨工作的模拟开关采用电荷泵，允许负信号电压。例如，MAX14504音频开关工作在+2.3VCC至+5.5VCC单电源，采用内部电荷泵，允许-VCC至+VCC的信号无失真通过。除功能改善外，工业上许多最新模拟开关的封装比早期的器件更小。

　　低导通电阻（RON）开关降低信号损耗

　 　在VIN为各种电平条件下，p沟道和n沟道RON的并联值形成并联结构的RON特征（图2）。RON随VIN的变化曲线在不考虑温度、电源电压和模拟输 入电压对RON影响的情况下为直线。为使信号损耗和传输延迟最小，理想情况下的RON应尽量小。然而，降低RON将增大MOSFET硅片的宽度/长度（W /L）比，从而造成较高的寄生电容和较大的硅片面积。这种较大的寄生电容降低模拟开关的带宽。如果不考虑W和L，RON是电子和空穴迁移率（μn和 μp）、氧化物电容（COX）、门限电压（VT）及信号电压、n沟道及p沟道MOSFET的信号电压VGS （VIN）的复合函数，如式1a和1b所示。

　　将RON和寄生电容最小化，同时改善整个温度和电压范围内RON相对于VIN的线性度，往往是设计新产品的首要目的。

　　

　　图2. RON与VIN的关系。图1中的n沟道和p沟道RON构成一个复合的低值RON。

　　

　 　早期的模拟开关工作于±20V电源电压，导通电阻RON为几百欧姆。最新改进达到了最大0.5Ω的RON，供电电压低得多。电源电压对RON的影响很大 （图3A），施加的信号也会明显影响RON （图3B）。本例中，MAX4992信号和电源电压为1.8V至5.5V，RON在较低电源电压时增大（图3A）。MAX4992采用单电源时达到了非常 低的RON及RON平坦度（1mΩ）。图3B为新、旧模拟开关的比较，电源为5V。

　　

　　图3A. 较高电源电压下RON较低。图为MAX4992（单电源）RON与VCOM的关系。

　　

　　图3B. 新、旧模拟开关的RON比较。

　　为单电源系统选择模拟开关时，尽量选择专门针对单电源设计的器件。此类器件无需单独的V-和地引脚，因而可节省一个引脚。引脚上的经济性意味着单刀双掷（SPDT）开关（例如MAX4714）可采用小型6引脚、1.6mm2、μDFN封装。

　　许多高性能模拟系统仍然使用较高电平的双极性电源，例如±15V或±12V。与这些电压接口时需要额外的一个电源引脚，通常称为逻辑电源电压（例如MAX14756）。该引脚（VL）连接至系统逻辑电压，通常是1.8V或3.3V。