如何有效地比较CMOS开关和固态继电器的性能

【导读】源极和漏极之间的关断电容CDS(OFF)可用来衡量关断开关后，源极信号耦合到漏极的能力。它是固态继电器（如PhotoMOS®、OptoMOS®、光继电器或MOSFET继电器）中常见的规格参数，在固态继电器数据手册中通常称为输出电容COUT。CMOS开关通常不包含此规格参数，但关断隔离度是表征相同现象的另一种方法，关断隔离度定义为，开关关断状态下，耦合到漏极的源极的信号量。本文将讨论如何从关断隔离度推导出COUT，以及如何通过它来更有效地比较固态继电器和CMOS开关的性能。这一点很重要，因为CMOS开关适合许多使用固态继电器的应用，例如切换直流信号和高速交流信号。

如何从关断隔离度导出 CDS(OFF)

图1显示 ADG5412的关断隔离度与频率的典型性能图。该图显示，当源极上的信号频率上升时，关断隔离度降低。

图1.ADG5412关断隔离度与频率的关系（±15 V双电源）。

这意味着，随着信号频率增加，源极上有更多信号会出现在关断开关的漏极。如果您观察开关的等效电路在关断状态下的表现，如图2中的测试电路所示，会发现这种状况不足为奇。当开关处于断开状态时，源极和漏极之间存在寄生电容，即图中的CDS(OFF)。这种寄生电容使高频信号能够通过，关断隔离图就是为了确定这些特征。

图2.关断隔离度测量测试电路。

我们从图2所示的测试电路中获取VS和VOUT，然后将它们代入以下公式中，以计算关断隔离度：

将从关断隔离图中得到的结果应用到开路开关的等效电路中，可计算得出CMOS开关的CDS(OFF)。首先，如果考虑关断开关通道和负载，我们可以将电路视为高通滤波器，如图3所示。

图3.CDS(OFF)和RL高通滤波器。

所示电路的转换函数可以通过以下公式计算得出：

接下来，考虑源电压VS及其阻抗，如图2所示。源阻抗RS为50 Ω，与50 Ω负载阻抗RL匹配。假设在理想情况下，CDS(OFF)短路，那么在阻抗相等时，VS为VIN的2倍。这意味着，当根据VS计算转换函数时，整个转换函数会翻倍。

所以，整个系统的转换函数为：

然后，可以将这个转换函数代入关断隔离度公式，得出：

然后，重新变换该公式，求解CDS(OFF)的值：

这意味着，如果知道RL、输入信号的频率f，以及关断隔离规格值(dB)，就可以计算出CDS(OFF)。这些值可以在ADI公司产品系列中的开关或多路复用器产品的数据手册中找到。以下示例将展示其执行步骤。

CDS(OFF)计算示例

本例使用受SPI控制的4路SPST开关 ADGS1612。ADGS1612的关断隔离规格为−65 dB，可以在数据手册中的表1中找到。根据关断隔离规格的测试条件部分，RL为50 Ω，信号频率f为100 kHz。将这些值代入CDS(OFF)公式，可以计算得出电容值。

注意，在开关与多路复用器的关断隔离测量电路中，在开关通道的源极引脚之前，可能包含一个额外的50 Ω端接电阻，如图4所示。采用以这种方式测量得出的关断隔离规格，仍然可以使用CDS(OFF)公式进行计算。但是，如果源极引脚使用50 Ω端接电阻（随后用于CDS(OFF)公式中），需要在数据手册给出的关断隔离规格的基础上加上6 dB。这是为了进行补偿，因为源极的50 Ω端接电阻会使电压减半，相当于−6 dB。

图4.源极上具有50 Ω端接电阻的关断隔离度测试电路。

CMOS开关与固态继电器的关系

表1显示从ADI公司产品系列中选择的开关产品的CDS(OFF)值。 ADG54xx 和 ADG52xx 系列可以处理摆幅高达44 V的信号电压， ADG14xx 和 ADG12xx 系列可以传输摆幅高达33 V的信号电压。这种可比较信号的范围为30 V至40 V固态继电器。表中的最后一列还显示了如何使用CDS(OFF)和开关导通电阻来计算RON、CDS(OFF)乘积，在固态继电器中，它被用作等第值(order of merit)。RON、CDS(OFF)乘积显示在开关开启时，对信号的衰减影响非常小，以及开关在关断时，阻截高速信号的作用有多强。该表显示 ADG1412 的RON、COFF乘积小于5，在市面上的固态继电器中，这一点相当有优势。

表1.在ADI公司产品系列中选择SPST × 4开关的 CDS(OFF)

与固态继电器相比，CMOS开关具有多项优势。具体包括：

●    更易于驱动开关逻辑

ADI公司大部分CMOS开关的典型数字输入电流为1 nA，而固态继电器中二极管的推荐正向电流为5 mA。这意味着，CMOS开关易于直接被微控制器上的GPIO控制。

●    更快的开关速度

ADG1412的典型开启时间为100 ns，固态继电器的开启时间为几百毫秒。

●    单个封装内集成更多开关

例如， ADGS1414D 采用5 mm × 4 mm封装，具有8个开关通道、1.5 Ω导通电阻和5 pF CDS(OFF)。也就是说，每2.5 mm2封装面积内一个开关。

结论

开关在关断状态下阻截信号的能力至关重要。在固态继电器中，COFF规格用于衡量开关两端的电容，它允许输入信号耦合到关断开关的输出。在CMOS开关中，不会直接测量此电容；但是，可以通过关断隔离度规格来推算此电容。通过推导开路开关的转换函数，可以使用关断隔离度值(dB)、输入信号的频率和负载电阻来确定CDS(OFF)。在比较CMOS开关和固态继电器的COUT规格时，CDS(OFF)是一个重要值。此外，CDS(OFF)还可用于计算RON、CDS(OFF)乘积，这是一个等第值，用于显示开关的整体关断隔离和信号丢失性能。这样针对应用选择开关时，就可以更直观对CMOS开关和固态继电器进行比较选择。相比固态继电器，CMOS开关也有诸多优势，例如，更易于驱动开关逻辑、更快的开关速度，以及能够在封装中集成更多开关。

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