模拟开关工作原理及参数详解！

模拟开关主要是完成信号链路中的信号切换功能。采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开；由于其功能类似于开关，而用模拟器件的特性实现，成为模拟开关。

模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用

由于采用了MOS管的开断性能，模拟开关回路可以实现较高的关断阻抗，一般是兆欧姆以上的关断阻抗；和很低的导通阻抗，一般为几个欧姆级别，因此可以很好的实现信号链路切换和断开隔离的作用。根据应用需求不同；模拟开关可以分为音频模拟开关、视频模拟开关、数字开关、通用模拟开关等。

多路模拟开关

是从多个模拟输入信号中切换选择所需输入通道模拟输入信号电路。场效应晶体管作为模拟开关而得到广泛应用。其优点是工作速度可达10的6次方次/3，导通电阻低（5~25欧），截止电阻高达10的10次方欧。

研究表明：只有正确选择多路开关的种类，注意多路开关与相关电路的合理搭配与协调，保证各电路单元有合适的工作状态，才能充分发挥多路开关的性能，甚至弥补某性能指标的欠缺，收到预期的效果。目前市场上的多路开关以CMOS电路为主。

模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通控制的电平，决定输入与输出的连接状态。当选通控制处在使能状态时，输出端与输入端是导通状态的；当选通控制处在非使能状态时，输出与输入是阻断状态时，此时，无论输入信号如何变化，模拟开关输出均呈高阻状态。

最基本的模拟开关结构如下图所示：

其中，Q1为N沟通JFET（JunctionField-Effect Transistor，结型场效应晶体管），当VGS=0时，源极与漏极之间是导通的，如下图所示：

此时的电路等效如下图所示：

其中，电阻RDS（ON）表示N沟通JFET导通时的漏-源导通电阻rDS（on）（Static Drain Source On Resistance），也是模拟开关的通态电阻RON（”ON” Resistance），此时负载RL两端的电压如下式：

对于多通道的模拟开关芯片，每个通道都有一个通态电阻RON，这些通态电阻之间的差值称为ΔRON（Δ”ON” Resistance Between any two switches）。

模拟开关有一个最大开关电流，即饱和漏极电流IDSS（Zero Gate voltage Drain Current），但有些数据手册中没有这个参数，一般在几百毫安以内。

当栅-源电压VGS《VGS（OFF）（栅-源夹断电压，一般在-1V～-10V）时，源极与漏极之间是断开的，如下图所示：

此时电路等效如下：

其中，电阻RDS（OFF）表示模拟开关断开时呈现的阻值，应足以达到抑制相邻两个信号链路相互干扰，此时负载RL两端的电压如下式：

我们通常将模拟开关表示如下图所示：

其中，O/C表示模拟开关控制引脚（Open/Close）

用P沟通JFET也可以组成模拟开关，但目前最常用的还是用MOSFET构成的开关，因为MOS技术是大规模数字集成电路的基础，这样可以在同一工艺下将模拟与数字功能实现在同一块芯片上，如下所示：

但是，无论是JFET或MOS构成的模拟开关，它们导通时漏-源通态电阻RDS（ON）都与栅-源电压VGS有关，而在输入信号Ui的变化过程中，VGS也是一直随之变化的，如下图所示：

在信号的传输过程中，真正施加在MOS管栅-源两极的电压VGS=-（15V-UO），而UO是与Ui相关的，如果输入信号Ui足够大的话，甚至会在信号传输过程中将MOS管关断，这显然不是我们想要的结果，因为我们的目标是得到一个恒定的（或比较恒定的）导通电阻RON。我们当然也希望导通电阻越小越好，但是在很多应用中，模拟开关的恒定通态电阻（导电率）是最重要的，也就是通态阻抗平坦度RDS（flat），因为它关乎输出电压的精度。

比如，用高精度ADC（模数转换器）进行多路电压信号采集时，模拟开关的导通电阻RON不必强制要求有多小，但只要它们的导通电阻RON是恒定的，可以在算法上将其带来的误差清除。

用一对互补MOSFET（即CMOS）即可消除这些缺点，它的结构如下图所示：

当O/C控制引脚为高电平时，Q1（PMOS）因栅-源电压VGS《VGS（ON）而导通（PMOS的导通阈值为负电压），同样，Q2（NMOS）因栅-源电压VGS》VGS（ON）而导通（NMOS的导通阈值为正电压），如下图所示：

此时模拟开关的导通电阻为两个MOS管导通电阻RDS（ON）的并联，它们的特性曲线如下图所示：

NMOS管在信号比较低时的导通电阻较小，而PMOS管则在输入信号较高时的导通电阻较小，两个电阻并联后，则在整个信号的有效范围内都比较低。

当O/C控制引脚为低电平时，两个MOS管均为阻断状态，如下图所示：

有些数据手册也会给出这个导通电阻的信息，如下图所示：（来自intersil的CD4051数据手册）

这种基本的结构也叫做传输栅，有些规格书中以下面的符号表示：

比如，CD4066的原理框图如下所示：（下图来自UTC的CD4066数据手册）

既然模拟开关由MOS管构成，自然也有相应频率响应的最大值，这个值通常可以达到数十兆，它包含两种情况：即开关分别在导通状态下与阻断状态下频率响应。开关在导通状态下的频率响应（FrequencyResponse-Switch “ON”）比较好理解，就是在模拟开关导通状态下，信号能够通过的最大频率，那么阻断状态下的频率响应又是个神马东西？如下图所示：（以下均来自UTC的模拟开关CD4066数据手册）

其中，Feedthrough –Switch “OFF”表示在模拟开关阻断状态下的馈通频率，我们看看Fig.4的测试电路图，如下所示：

上图已经说了，当VCON=VSS（即模拟开关阻断时）时，电路用来测试馈通（Feedthrough）状态下的频率响应。理论上，在模拟开关阻断状态下，无论有没有输入信号VIS，其相应的输出VOS是不会有输出的，但是MOS管本身是有寄生电容的（如上表中的CIO，也称为CDS，即漏极-源极电容），在关断状态下如果输入信号频率超过一定值，那信号就阻断不了了，它会通过电容CIO以高频耦合的方式通过开关，使得开关呈现导通状态。如下图所示：

还有一个参数是控制引脚的最大开关频率（Maximum Control Input），一般我们说模拟开关的速度就是指这个参数，而不是上面提到的频率响应的最大值。它的测试电路如下所示：

模拟开关芯片有多个通道时，通道与通道间也会有信号的串扰，这与PCB板走线串扰是同样的道理，如下图所示：

它是指没有输入信号的选通通道（下侧）接收到来自相邻通道（上侧）信号引起的干扰，即VOS（2），注意表格中的测试条件：下侧的VCON（2）=VSS不是0，而是5V，也就是选通状态。