模擬開關(guān)都是雙向的嗎？

模擬開關(guān)主要是完成信號鏈路中的信號切換功能。采用MOS管的開關(guān)方式實現(xiàn)了對信號鏈路關(guān)斷或者打開;由于其功能類似于開關(guān)，而用模擬器件的特性實現(xiàn)，成為模擬開關(guān)。

模擬開關(guān)在電子設(shè)備中主要起接通信號或斷開信號的作用。由于模擬開關(guān)具有功耗低、速度快、無機械觸點、體積小和使用壽命長等特點，因而，在自動控制系統(tǒng)和計算機中得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，便攜式產(chǎn)品越來越多地采用多源設(shè)計，因此開關(guān)功能是視頻、音頻傳輸及處理過程中的一個重要組成部分。早期采用的機械開關(guān)具有可靠性低、體積大、功耗大的缺點，所以模擬開關(guān)已經(jīng)引起了越來越多人的重視，并已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。

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

模擬開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)特性和應(yīng)用

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

1. 導通電阻(Ron)隨輸入信號(VIN)變化而變化

圖1a是模擬開關(guān)的簡單示意圖，由圖中可以看出模擬開關(guān)的常開常閉通道實際上是由兩個對偶的N溝道MOSFET與P溝道MOSFET構(gòu)成，可使信號雙向傳輸，如果將不同VIN值所對應(yīng)的P溝道MOSFET與N溝道MOSFET的導通電阻并聯(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呈線性關(guān)系，將導致插入損耗的變化，使模擬開關(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。

模擬開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)特性和應(yīng)用

圖1：a. 模擬開關(guān)原理圖;b. 模擬開關(guān)導通電阻與輸入電壓關(guān)系

2. 模擬開關(guān)輸入有嚴格的輸入信號范圍

由于模擬開關(guān)是半導體器件，當輸入信號過低(低于零電勢)或者過高(高于電源電壓)時，MOSFET處于反向偏置，當電壓達到某一值時(超出限值0.3V)，此時開關(guān)無法正常工作，嚴重者甚至損壞。因此模擬開關(guān)在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號不要超出規(guī)定的范圍。

3. 注入電荷

應(yīng)用機械開關(guān)我們當然希望Ron越低越好，因為低阻可以降低信號的損耗。然而對于模擬開關(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，在每個開關(guān)周期其充電和放電過程會消耗更多的電流。時間常數(shù)t=RC，充電時間取決于負載電阻(R)和電容(C)，一般持續(xù)幾十納秒。這說明低Ron具有更長的導通和關(guān)斷時間。為此，選擇模擬開關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡Ron和注入電荷。

4. 開關(guān)斷開時仍會有感應(yīng)信號漏出

這一特性指的是當模擬開關(guān)傳輸交流信號時，在斷開情況下，仍然會有一部分信號通過感應(yīng)由輸入端傳到輸出端，或者由一個通道傳到另一個通道。通常信號的頻率越高，信號泄漏的程度越嚴重。

5. 傳輸電流比較小

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

6. 邏輯控制端驅(qū)動電流極小

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

模擬開關(guān)的開關(guān)特性

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

1. 信號可雙向傳輸

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

2. 開關(guān)斷開后漏電流極小

模擬開關(guān)在斷開(OFF)時會呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，兩傳輸端間的漏電流極小，一般只有納安級以下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模擬開關(guān)，其斷開后的漏電流均為1nA。這么微弱的電流在應(yīng)用中可忽略不計，模擬開關(guān)此時可被認為是理想斷開的。

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

模擬開關(guān)應(yīng)用實例分析

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

模擬開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)特性和應(yīng)用

圖2：音響前端放大及信號選通電路

該方案設(shè)計本意是當Input=0時，Line_outL和Line_outR音頻信號選通;當Input=1時，Phone_outL和Phone_outR音頻信號選通。然而當實驗機做出后，設(shè)計者發(fā)現(xiàn)當Input=1時，Line_outL和Line_outR通道有相當一部分信號分別漏到D1和D2端。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀HP/Agilent 3589A測試SGM3002的關(guān)斷隔離度，當輸入信號為10kHz時，SGM3002的關(guān)斷隔離度僅為-120dB，因此芯片應(yīng)該沒有問題。

事實上，該電路在模擬開關(guān)應(yīng)用上存在下面兩處錯誤：

1. 模擬開關(guān)的輸入信號缺少一個直流偏

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

模擬開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)特性和應(yīng)用

圖3：模擬開關(guān)等效電路

通常來講，CMOS工藝的模擬開關(guān)輸入信號最小只能到-0.3V，如果再低于這個值，芯片將不能正常工作，甚至會損壞。圖2中模擬開關(guān)輸入信號沒有直流偏置，所以輸入信號有一部分處于負值區(qū)，模擬開關(guān)自然無法正常工作。

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

2. 在D1和D2端缺少耦合電阻

當模擬開關(guān)在斷開的情況下，其輸入與輸出端等效串聯(lián)了一個電容C，如果再假設(shè)在模擬開關(guān)輸出端到地之間有一個等效電阻R，則模擬開關(guān)在斷開時的等效電路如圖4所示。

模擬開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)特性和應(yīng)用

圖4：模擬開關(guān)斷開時的等效電路

此時的模擬開關(guān)其實等效為一個RC濾波電路，由此不難得出以下公式：

模擬開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)特性和應(yīng)用

其中，uout為模擬開關(guān)輸出信號;uin為模擬開關(guān)輸入信號;R為模擬開關(guān)輸出端電阻負載;C為模擬開關(guān)斷開時等效電容;f為輸入信號頻率。

由于模擬開關(guān)等效電容C會設(shè)計成很小，所以當輸入信號f處于音頻區(qū)時，增益A由R和f同時決定。當R取值較小時，f起主導作用，此時A《《1，信號被有效隔離。當R取值較大時，此時R起主導作用，此時A—》1，信號幾乎被完全泄漏過來。所以當輸出端懸空時，其輸出端與地之間電阻R—》+∞，此時模擬開關(guān)完全導通。

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