《電子技術(shù)應(yīng)用》
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模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器知識詳解
摘要: 模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器知識詳解
Abstract:
Key words :

問:ADI公司不給出ADG系列模擬開關(guān)多路轉(zhuǎn)換器的帶寬,這是為什么?

答:ADG系列模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器的輸入帶寬雖然高達數(shù)百兆赫,但是其帶寬指標本身不是很有意義的。因為在高頻情況下,關(guān)斷隔離(offisolation)和關(guān)擾指標都明顯變壞。例如,在1MHz情況下,開關(guān)的關(guān)斷隔離典型值為70dB,串擾典型值為-85dB。由于這兩項指標都按20dB/+倍頻下降,所以在10MHz時,關(guān)斷隔離降為50dB,串擾增加為-65dB;在100MHz時,關(guān)斷隔離降為30dB,而串擾增加為-45dB。所以,僅僅考慮帶寬是不夠的,必須考慮在所要求的高頻工作條件下這兩項指標下降是否能滿足應(yīng)用的要求。(關(guān)斷隔離是指當開關(guān)斷開時,對耦合無用信號的一種度量——譯者注。)

問:哪種模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器在電源電壓低于產(chǎn)品說明中的規(guī)定值情況下仍能正
常工作?

答:ADG系列全部模開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器在電源電壓降到+5V或±5V情況下都能正常工作。受電源電壓影響的技術(shù)指標有響應(yīng)時間、導通電阻、電源電流和漏電流。降低電源電壓會降低電源電流和漏電流。例如,在125°C,±15V時,ADG411關(guān)斷狀態(tài)源極漏電流IS(OFF)和漏極漏電流ID(OFF)都為±20nA,導通狀態(tài)漏極漏電流ID(ON)為±40nA;在同樣溫度下,當電源電壓降為±5V,IS(OFF)和ID(OFF)降為±25nA,ID(ON)降為±5nA。在+125°C,±15V時,電源電流I DD ,I SS 和IL最大為5μA;在±5V時,電源電流,最大值降為1μA。導通電阻和響應(yīng)時間隨電源電壓降低而增加。圖1和圖2分別示出了ADG408的導通電阻和響應(yīng)時間隨電源電壓變化的關(guān)系曲線。

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圖1 導通電阻與電源
電壓的關(guān)系曲線
問:有些ADG系列模擬開關(guān)是用DI工藝制造的,DI是怎么回事?

答:DI是英文Dielectric Isolation介質(zhì)隔離的縮寫,按照DI工藝要求,每
個CMOS開關(guān)的NMOS管和PMOS管之間都有一層絕緣層(溝道)。這樣可以消除普通的模擬開關(guān)之間的寄生PN結(jié),所以可以制造出完全防閂鎖的開關(guān)。在采用PN結(jié)隔離(不是溝道)工藝中,

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圖2 響應(yīng)時間與電源電壓的關(guān)系曲線

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圖3 DI工藝結(jié)構(gòu)示意

PMOS和NMOS管中的N溝道和P溝道構(gòu)成一種反向偏置正常工作的二極管,當模擬輸入信號超過電源電壓時,開關(guān)處于過壓或斷電狀態(tài),二極管正向偏置,構(gòu)成雙晶體管組成的類似可控硅(SCR)電路。由于它對此電流劇烈地放大,最終導致閂鎖。然而,采用DI工藝制造的CMOS開關(guān)不會產(chǎn)生這種二極管效應(yīng),因此使器件防閂鎖。

問:帶故障保護的多路開關(guān)或通道保護器是如何工作的?

答:帶故障保護的多路開關(guān)的一個通道或通道保護器是由兩個NMOS管和兩個PMOS管組成的。其中一個PMOS管不放在直接信號路經(jīng)上,通常將另一個PMOS管的源極接到它的襯底(背柵極)。這樣可以起到降低閾值電壓的作用,從而可增加正常工作條件下輸入信號的范圍?;谕瑯永碛?,將一個NMOS管的源極和另一個管子的背柵極相連。正常工作期間,帶故障保護的多路轉(zhuǎn)換器和普通器件一樣工作。當輸入通道出現(xiàn)故障時,這意味著輸入信號超過由電源電壓決定的閾值電壓。閾值電壓與電源電壓的關(guān)系如下:

對于正過壓情況,閾值電壓由(V DD -V TN )決定。其中V TN 為NMOS管的閾值電壓(典型值15V);對于負過壓情況,閾值電壓由(V SS -V TP )決定。其中VTP 為PMOS管的閾值電壓(典型值2V)。當輸入電壓超過上述閾值電壓而且通道未加負載時,通道輸出電壓可箝住到閾值電壓。

問:當出現(xiàn)過壓時,上述多路轉(zhuǎn)換器如何工作?

答:圖4和圖5示出了信號路經(jīng)晶體管在過壓條件下的工作情況。圖4示出了當正過壓信號加到通道時,NMOS,PMOS和NMOS三個管子串聯(lián)工作的情況。當?shù)谝粋€NMOS管的漏極電壓超過(V DD -V TN )時,它進入飽和工作狀態(tài)。它的源極電位等于(V DD-V TN ),而其它兩個MOS管則處于非飽和工作狀態(tài)。

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圖4 正過壓施加在通道上的工作情況

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圖5 負過壓施加在通道上的工作情況

當負過壓施加通道上漏極電壓超過閾值(V SS -V TP )時,PMOS管進入飽和工作方式。像正過壓情況一樣,其它兩個MOS管都處于非飽和狀態(tài)。

問:負載如何影響箝位電壓?

答:當通道加負載時,其輸出電壓箝位在兩個閾值電壓之間。例如,負載為1kΩ,V DD =+15,在正過壓情況下,輸出電壓箝位在(V DD -V TN -ΔV),其中ΔV為通道上兩個非飽和MOS管上產(chǎn)生的電壓降IR。這個例子說明被箝位的NMOS管的輸出電壓低于135V。因為其余兩個MOS管的導通電阻通常為100Ω,所以流過的電流為135V/(1kΩ+100Ω)=1227mA,在這兩個管子(NMOS和PMOS)上產(chǎn)生的電壓降為12V,從而使箝位電壓VCLAMP 為123V。因此出現(xiàn)故障期間的輸出電流由負載決定,即V CLAMP /RL。

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圖6 箝位電壓的確定

問:當電源斷電時,帶故障保護的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和通道保護器還有保護作用嗎?

答:有。當電源電壓降低或突然斷電時,這種器件仍然有故障保護功能。
當V DD 和V SS 等于0V時,如圖7所示,管子處于斷電狀態(tài),此時電流小到亞納安
級。

問:什么是“電荷注入”?

答:模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)的電荷注入是指

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圖7 電源斷電狀態(tài)

與構(gòu)成模擬開關(guān)的NMOS和PMOS管相伴的雜散電容引起的一種電荷變化。模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)模型以及與其相伴的雜散電容如圖8和9所示。模擬開關(guān)基本上由一個

NMOS管和一個PMOS管并聯(lián)而成。對于雙極性輸入信號,這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個“浴盆”形電阻,其等效電路圖示出了由電荷注入效應(yīng)引起的主要寄生電容C GDN (NMOS管柵漏電容)和G GDP (PMOS管柵漏電容)。伴隨PMOS管產(chǎn)生的柵漏電容大約是NMOS管產(chǎn)生的柵漏電容的2倍,因為這兩種管子具有相同的導通電阻,PMOS管的面積大約是NMOS管的2倍。因此對于從市場上得到的典型模擬開關(guān)來說,伴隨PMOS管產(chǎn)生的雜散電容大約是NMOS管的2倍。

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圖8 由寄生電容表現(xiàn)出的CMOS模擬開關(guān)電路結(jié)構(gòu)

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圖9 由電荷注入效應(yīng)引起的主要寄生電容表現(xiàn)出的等效電路

當開關(guān)導通時,正電壓加到NMOS管的柵極,而負電壓加到PMOS管的柵極。因為寄生電容C
GDN 和C GDP 失配,所以注入到漏極的正電荷和負電荷的數(shù)量不相等,這樣就造成模擬開關(guān)輸出端的電荷遷移,呈現(xiàn)出負向電壓的尖脈沖。因為模擬開關(guān)現(xiàn)在處于導通狀態(tài),所以負電荷通過模擬開關(guān)的導通電阻(100Ω)很快地放電掉。在第5μs處的仿真的曲線可以說明這一點(見圖10和11)。當開關(guān)斷開時,負電壓加到NMOS管的柵極,而正電壓加到PMOS管的柵極。

從而使充電電荷加到模擬開關(guān)的輸出端。因為模擬開關(guān)現(xiàn)在處于斷開狀態(tài),所以對這種注
入正電荷的放電路經(jīng)是一種高阻狀態(tài)(100MΩ)。這樣使開關(guān)在下次導通之前負載電容一直

存貯這個電荷。這種仿真曲線清楚地說明,CL上帶的電壓(由于電荷注入)在第25μs再次
導通之前一直保持170mV。在這一點又將等量的負電荷注入到輸出端,從而使CL上的電壓
降到0V。在第35μs此模擬開關(guān)再次導通,上述過程以這種周期方式連續(xù)進行。

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圖10 用于圖11仿真輸出曲線的時序圖

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圖11 100kHz模擬開關(guān)電荷注入效應(yīng)仿真輸出曲線

當開關(guān)頻率和負載電阻降低時,由于模擬開關(guān)在下次切換之前才能把注入電荷泄漏掉
,所以開關(guān)輸出包含正向尖峰和負向尖峰,如圖12所示。

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圖12 在開關(guān)頻率和負載電阻很低情況下模擬開關(guān)輸出曲線

問:如何改善模擬開關(guān)的電荷注入作用?
答:如上所述,電荷注入效應(yīng)是由于NMOS管和PMOS管的寄生柵漏電容的失配造成的。如果使寄生柵漏電容匹配,那么就幾乎不會有電荷注入效應(yīng)。ADI公司的CMOS模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器都能夠很精密地做到這一點。通過在NMOS管的柵極和漏極之間引入一個虛擬電容(C DUMMY )的方法來解決它們之間的匹配問題,如圖13所示。遺憾的是,只有在規(guī)定的條件下才能實現(xiàn)寄生電容的匹配,即PMOS管和NMOS管的源極電壓都必須為0V。這樣做是因為寄生電容C GDN 和C GDP 不恒定,而是隨其源極電壓變化而變化的。當NMOS和PMOS管

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圖13 在V
SOURCE =0V條件下,實現(xiàn)寄生電容的匹配

的源極電壓變化時,其通道深度變化,從而使C GDN 和C GDP 跟著變化。因此電荷注入效應(yīng)在V SOURCE =0V時的匹配情況,對于V SOURCE 為其它值時提供參考。注:在匹配條件下,即V SOURCE =0V,模擬開關(guān)的產(chǎn)品說明中通常給出電荷注入值。在這種情況下,大多數(shù)模擬開關(guān)的電荷注入值一般都非常好,最大2~3pC,但對于V SOURCE 等于其它值,電荷注入值將增加,增加程度依具體器件而定。許多產(chǎn)品說明都給出電荷注入值與源極電壓V SOURCE 關(guān)系曲線。

問:在應(yīng)用中,我如何減小電荷注入效應(yīng)?

答:由于一定量的電荷注入引起的電荷注入效應(yīng)在模擬開關(guān)的輸出端產(chǎn)生一種電壓毛刺。尖峰幅度是模擬開關(guān)輸出的負載電容以及開關(guān)的導通時間和關(guān)斷時間的函數(shù),負載電容越大,輸出電壓毛刺越小,即Q=C×V或V=Q/C,其中Q恒定。當然,增加負載電容不是總能做到的,因為它會減少通道的帶寬。但是對于音頻應(yīng)用來說,增加負載電容是減少那些無用的“劈拍”和“卡搭”聲的有效方法。選擇導通時間和關(guān)斷時間短的模擬開關(guān)也是減小輸出端尖峰幅度有效方法。因為在較長的時間范圍內(nèi)注入相同數(shù)量的電荷,從而使電漏泄時間變長,因此使毛刺變寬,而幅度降低。有些音頻模擬開關(guān),例如SSM2401/SSM2412(其導通時間規(guī)定為10ms)采用上述方法是非常有效的。還值得指出的是,電荷注入效應(yīng)與模擬開關(guān)的導通電阻密切相關(guān)。通常導通電阻R ON 越低,電荷注入作用越壞。其原因顯然與導通電阻的幾何尺寸有關(guān),因為增加加NMOS和PMOS管的面積會降低R ON ,而增大C GDN 和C GDP 。因此適當選擇R ON 來降低電荷注入效應(yīng)的方法,對于許多應(yīng)用也是一種選擇。

問:如何評估模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器的電荷注入作用?
答:評估模擬開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器電荷注入作用的最有效方法如圖14(左)所示。用相當高的工作頻率(>10kHz)控制開關(guān)的導通和斷開,在(高阻探頭)示波器的輸出端觀察輸出波形,測得的類似曲線如圖14(右)所示。注入到負載電容的電荷注入量按公式ΔVOUT ×CL計算,其中ΔV OUT 是輸出脈沖幅度。

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圖14 電荷注入作用的評估方法

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