探究模拟开关的模拟特性及开关特性

许多工程师第一次使用模拟开关，往往会把模拟开关完全等同于机械开关。其实模拟开关虽然具备开关性，但和机械开关有所不同，它本身还具有半导体特性：

模拟开关的模拟特性

（1） 导通电阻(Ron)随输入信号(Vin)变化而变化

图1a是模拟开关的简单示意图，由图中可以看出模拟开关的常开常闭通道实际上是由两个对偶的N沟道MOSFET与P沟道MOSFET构成，可使信号双向传输，如果将不同Vin值所对应的P沟道MOSFET与N沟道MOSFET的导通电阻并联，可得到图1b并联结构下Ron随输入电压(Vin)的变化关系，如果不考虑温度、电源电压的影响，Ron随Vin呈线性关系，将导致插入损耗的变化，使模拟开关产生总谐波失真(THD)。此外，Ron也受电源电压的影响，通常随着电源电压的上升而减小。

（2）模拟开关输入有严格的输入信号范围

由于模拟开关是半导体器件，当输入信号过低(低于负电源电压)或者过高(高于正电源电压)时，MOSFET处于反向偏置，当电压达到某一值时(超出限值0.5～4V)，此时开关无法正常工作，严重者甚至损坏。因此模拟开关在应用中，一定要注意输入信号不要超出规定的范围。

模拟开关部分电路可以等效成图2

（3） 电荷注入

应用机械开关我们当然希望Ron越低越好，因为低阻可以降低信号的损耗。然而对于模拟开关而言，低Ron并非适用于所有的应用，较低的Ron需要占据较大的芯片面积，从而产生较大的输入电容(杂散电容)， 与构成模拟开关的NMOS和 PMOS管相伴的杂散电容引起的一种电荷变化称为“电荷注入”。在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流，而且还会产生正向尖峰和负向尖峰。时间常数t=RC，充电时间取决于负载电阻R和电容C，一般持续几十ns。这说明低Ron具有更长的导通和关断时间。为此，选择模拟开关应该综合权衡Ron和注入电荷。

（4）开关断开时仍会有感应信号漏出

这一特性指的是当模拟开关传输交流信号时，在断开情况下，仍然会有一部分信号通过感应由输入端传到输出端，或者由一个通道传到另一个通道。通常信号的频率越高，信号泄漏的程度越严重。

（5）传输电流比较小

模拟开关不同于机械开关，它通常只能传输小电流，目前CMOS工艺的模拟开关允许连续传输的电流大多小于500mA。

（6） 逻辑控制端驱动电流极小

机械开关逻辑控制端的驱动电流往往都是mA级，有时单纯靠数字I/O很难驱动。而模拟开关的逻辑控制端驱动电流极小，一般低于nA级。因此，它完全可以由数字I/O直接驱动，从而达到降低功耗、简化电路的目的。

模拟开关的开关特性

（1）信号可双向传输

有些人习惯于把模拟开关的两个常开常闭端称之为输入端，公共端称之为输出端，其实这只是根据模拟开关的具体应用给予的临时定义。 模拟开关大多可以使信号双向传输 ，如果忽略这一点，就很容易使电路出现问题，比如将电压反向偏置、电流倒灌等。

（2）开关断开后漏电流极小

**模拟开关在断开(OFF)时会呈现高阻状态，**两传输端间的漏电流极小，一般只有nA级以下，很多模拟开关断开后的漏电流约为1nA。这么微弱的电流在应用中可忽略不计，模拟开关此时可被认为是理想断开的。

模拟开关在断开时的等效电路如图3

总之，模拟开关是具有开关功能的半导体器件，在应用过程中既要充分利用它的开关功能，又要考虑它的半导体特性，否则可能会出现意想不到的麻烦。

参考文献

1. 魏智：《CMOS模拟开关的选择与典型应用》Maxim公司，2004
2. Graham Ls Connolly：《在超便携应用中模拟开关的关键设计参数》飞兆半导体公司，2004