模拟开关的关键技术特性和应用实例分析近年来，便携式产品越来越多地采用多源设计，因此开关功能是视频、音频传输及处理过程中的一个重要组成部分。

早期采用的机械开关具有可靠性低、体积大、功耗大的缺点，所以模拟开关已经引起了越来越多人的重视，并已被广泛应用于各种电子产品中。

尽管模拟开关具有机械开关不可取代的优势，然而它的应用较机械开关稍微复杂些，初次使用模拟开关的工程人员往往会由于模拟开关使用不当，引起整个系统的故障。

本文通过将模拟开关与普通机械开关作比较，论述了模拟开关的若干基本概念，并结合实例对模拟开关应用的关键技术进行研究。

模拟开关的模拟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：1. 导通电阻(R on)随输入信号(V IN)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V IN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R on随输入电压(V IN)的变化关系，如果不考虑温度、电源电压的影响，R on随V in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，R on也受电源电压的影响，通常随着电源电压的上升而减小。

图1：a. 模拟开关原理图；b. 模拟开关导通电阻与输入电压关系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(低于零电势)或者过高(高于电源电压)时，MOSFET处于反向偏置，当电压达到某一值时(超出限值0.3V)，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。

3. 注入电荷应用机械开关我们当然希望R on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R on并非适用于所有的应用，较低的R on需要占据较大的芯片面积，从而产生较大的输入电容，在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流。

时间常数t=RC，充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，一般持续几十纳秒。

这说明低R on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R on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毫安级，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，一般低于纳安级。

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既然称之为模拟开关，自然它还具有开关性，具体表现如下：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，就很容易使电路生成问题，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，一般只有纳安级以下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模拟开关，其断开后的漏电流均为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。

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。

模拟开关应用实例分析图2是一音响设备前端放大及信号选通部分电路，其中选用了SGM324(四通道运算放大器)和SGM3002(双通道模拟开关)。

图2：音响前端放大及信号选通电路该方案设计本意是当Input=0时，Line_outL和Line_outR音频信号选通；当Input=1时，Phone_outL和Phone_outR音频信号选通。

然而当实验机做出后，设计者发现当Input=1时，Line_outL和Line_outR通道有相当一部分信号分别漏到D1和D2端。

应用网络分析仪HP/Agilent 3589A测试SGM3002的关断隔离度，当输入信号为10kHz时，SGM3002的关断隔离度仅为-120dB，因此芯片应该没有问题。

事实上，该电路在模拟开关应用上存在下面两处错误：1. 模拟开关的输入信号缺少一个直流偏置图2中模拟开关部分电路可以等效成图3，本文第一部分曾经提到模拟开关输入信号输入不能为负。

图3：模拟开关等效电路通常来讲，CMOS工艺的模拟开关输入信号最小只能到-0.3V，如果再低于这个值，芯片将不能正常工作，甚至会损坏。

图2中模拟开关输入信号没有直流偏置，所以输入信号有一部分处于负值区，模拟开关自然无法正常工作。

解决办法：将电容C2、C3均去掉，模拟开关输入信号便有了1/2VDC的直流偏置信号，此时模拟开关便可以轨到轨工作。

此外，由于模拟开关公共端后面加了电容，所以直流信号依然可以被有效地隔离。

2. 在D1和D2端缺少耦合电阻当模拟开关在断开的情况下，其输入与输出端等效串联了一个电容C，如果再假设在模拟开关输出端到地之间有一个等效电阻R，则模拟开关在断开时的等效电路如图4所示。

图4：模拟开关断开时的等效电路此时的模拟开关其实等效为一个RC滤波电路，由此不难得出以下公式：其中，u out为模拟开关输出信号；u in为模拟开关输入信号；R为模拟开关输出端电阻负载；C为模拟开关断开时等效电容；f为输入信号频率。

由于模拟开关等效电容C会设计成很小，所以当输入信号f处于音频区时，增益A由R和f同时决定。

当R取值较小时，f起主导作用，此时A<<1，信号被有效隔离。

当R取值较大时，此时R起主导作用，此时A—>1，信号几乎被完全泄漏过来。

所以当输出端悬空时，其输出端与地之间电阻R—>+∞，此时模拟开关完全导通。

修正以上两个错误后，该音频应用电路便可以正常工作了。

由以上实例可以看出，充分理解模拟开关的基本概念是正确应用模拟开关的基础。

参考文献1. 魏智：《CMOS模拟开关的选择与典型应用》Maxim公司，20042. 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曹会宾应用工程师caohuibin@哈尔滨圣邦微电子有限公司问：选择模拟开关主要需注意哪些参数？答：模拟开关要根据不同的应用选择不同的参数，如果是应用在高频操作的状态下，导通阻抗和频宽，电容都比较重要，但是对一些小信号低电压的操作，电路通道的损耗还有电荷注入，泄露电流引起信号损耗和开关噪音这些都是比较重要的因素，所以还是要根据不同的情况做不同的选择。

问：模拟开光的泄漏电流和导通电阻是不是一对矛盾的量？能不能同时都做得很小？答：模拟开关的泄漏电流和导通阻抗不是一对矛盾的量，模拟开关的导通阻抗和它的频宽相应的来说是对立的矛盾，正常来说，模拟开关的泄露电流是比较小的，都是在pA级的，对新的工艺来说，可以将导通电流和平宽同时进行优化，导通电阻降下来，负载的效率会有一定的提高，频带拓宽在高速传输应用。

问：高频操作，在结构上如何选择模拟开关？答：高频信号的传输与模拟开关的动态电路和静态参数的优化，还与模拟开关的脚位，一些电源电路的线路的布局有关系，比如说在数据口的D+和D-，一般建议大家进行平行输出，不要有一些相互的交差。

相反的，在其它有干扰的信号进来的时候，尽量不要和数据口作平行，这样会有一些耦合，然后在一些电源信号影响比较大的时候，建议和PCB的数据线做一个将近似90度直角，好处是可以保持信号的纯净。

另外，就是电源的GND和信号线做适当屏蔽，这对高频的信号会有更好的传输。

谢谢！问：Vishay公司的这一类器件在焊接上有无特殊要求，温度控制是否苛刻？答：Vishay的模拟开关都是一个标准的器件，在出厂之前，我们有一个JEDEC020C 标准认证，建议大家按照这个行业标准去做就可以，没有其它特殊的要求。

问：MiniQFN这种封装对于SMT修复有什么影响？会不会不利于取下来？谢谢答：MiniQFN封装是一个无引脚的封装，现在很多工程师都很熟悉用热风枪取这些器件，对这种封装来说，我相信很多工程师已经做过试验，这是一个标准的封装。

问：Vishay公司的模拟开关有哪些独特的优势？答：Vishay的新产品在封装方面有了一个很大的改善，我们又推出了MiniQFN这种小型的封装，它完全通过了一个工业上面的标准，比QFN可以节省50%的空间，非常适合在便携式场景应用的，在低压应用范围和超低的范围都有一些相应的改善，同时我们推出了新的像DD3157A一系列的具有保护功能的模拟开关系列。

谢谢！问：DG2612和DG2613有什么区别？答：DG2612和DG2613是一款中型的带负压功能的一个开关，实际上，它基于一个同样的设计，它的区别是2612在source端带有偏执功能，是加入了两个小的开关，透过50欧左右的电阻接到地上面，电池在2612可以提供一个Discharge 的Path，在信号切进去之前，降低开关的噪音，2613不带开关的功能，主要原因是在某些线路方面，即使路径在切到另外一边的时候，被切断的信号还在，它变成透过一个电阻时钟接在地上，有些客户在设计上不希望这些事情发生，因此因人而异。

问：模拟开关V+，是否要处于常开(ON)状态，对于直接电源供电。

那如果电源拿开时还有信号加上，会发生什么状况？几种主要封装如QFN,CSP和miniQFN在跑SMT时有何特别要求不同？答：模拟开关V+一般建议是常开的状态，因为信号在加进来的时候，我们需要电源保持常开，信号可以比较适当的去传输，电源关掉的时候，有可输入的信号直接串到输出端，这是一个不好的现象。

实际在工作的时候，信号会超过半导体的一个阀值，比如说信号超过400个毫伏，它的模拟开关是有一个P－CH或N－CH的MOS管去并联的，当超过这个阀值时，它的信号会自然而然的传到输出端，所以我们建议电源是处在一个常开的状态。

另外， VISHAY 在在这方面有一些新的模拟开关，欢迎垂询。

CSP的引脚是一个锡球，一般就是锡球的推力强度会稍微大一点，我们已经超过工业的标准250克，我们的推力已经达到350克以上，这是我们理解的一个强势，MiniQFN是一个比较标准的引脚，它的封装的特性和我们之前的QFN是比较有相似的，跑SMT的时候，我们没有特别的要求。