便携设备及消费电子USB应用中的模拟开关选择

当进行便携设备的设计时，工程师在选择模拟开关时必须特别关注RON、串扰、THD、带宽、电荷注入、插损等参数。本文阐述了模拟开关的工作原理以及选择这种器件时对各种关键参数的折衷考虑。最近几年，开关正进入到PC、服务器、笔记本电脑及扩展基座(dockingstation)应用等市场中，这随后导致众多芯片厂商蜂拥推出各种“总线开关”。这些总线开关之所以具有吸引力，是因为通过在应用中与(缓存或存储器中的)多路复用/解复用数据隔离或进行电压转换，在插入(连接)或断开期间就很方便地将总线电容与插卡或设备隔开。大多数总线开关产品都是能处理奇偶或非奇偶应用数据通信总线宽度的8、10、16、18、24或32位器件。这些产品还被用于字节交换、纵横(交叉)路由及存储器交错等。总线开关一般被设计成单NMOS器件，且由于其双向本质、低(或“零”)传播延时(典型为250ps)、低电容及低电流源要求而常常被用作缓冲器或收发器的替代器件。但单NMOS通道的缺点是，随着源极电压接近Vcc，栅极下面的漏-源区会逐渐被夹紧，从而限制电流供应能力并使输出电压箝位。但请记住，电流源是以驱动缓冲器为特征，而开关并非天然就具有电流供应能力，它只想起简单的“连线”作用。其主要缺点是下降沿上的下冲，这会引起存储器模块的假同步，但此问题由于“下冲加固电路(UHC)”及类似技术的引入而被固定。笔记本电脑/PC继续将开关用于多路复用应用，包括在视频上重叠图形(画中画)、MPEG数据流的切换(在串-并转换后)以及随后在视频加速卡上不同监视器(TV、LCD、PC监视器)源之间的RGB数据复用等。图1：FSTU3125型4位总线开关。图2：传输门的合成RON最近几年，消费者对带有多个源的高技术特性的渴求已经在推动技术需求的发展，因此开关功能是视频、图形及音频传输或处理过程中的一个完整组成部分。鉴于此，除简单的RON及RFLAT特征外，目前对“开关”在串扰、总谐波失真(THD)、衰减及带宽方面的指标要求也有了很大的提高。这推动了转向“模拟开关”系列产品。起初，人们只是简单地将“总线开关”技术换成更小的数据位宽，因为RON电阻、RFLAT及5V电源已经够用。10至75欧以上的开关指标已经足够，而且人们想用音频放大器来设计系统，以便能驱动从数百至数千欧的扬声器通路阻抗。功率并非必然是一个限制因素，在相对较高的放大器阻抗(100k欧姆)中串联10至75欧姆的电阻，对功率转换或信号衰减的影响很小，因为放大器增益会补偿任何插入损耗。此外，相对较低的开关阻抗对非线性失真的影响也很小。随着手机及其它超便携式产品的日益普及，用户对更多功能的需求日益增加。包括照相、email、即时消息及互联网访问在内的更强特性集有多条数据路径需要控制。因此人们正在采用集成度更高的基带处理器、多处理器架构、定制ASIC及电源管理芯片组。这种集成反过来又压低了电源电压，要求模拟开关既能在整个电源电压范围内工作，同时又不至于使RON(平坦度)、串扰、带宽及总谐波失真等关键指标明显下降。现在的趋势是：低RON(1?以下)，同时保证适当低的I/O电容；低衰减和保证不同电压时的平坦度。超便携环境中的关键设计参数因此，当在超便携空间内进行设计时，工程师在选择模拟开关时所必须回答的关键问题包括RON、串扰、THD、带宽、电荷注入、插损等指标。在讨论这些指标以前，先来了解一下模拟开关的工作原理以及这些器件的折衷与限制因素。模拟开关由传输(或选通)门(PMOS与NMOS并联)组成，且基于半导体物理的固有特性，对于等效(匹配)RON，PMOS的尺寸大约为NMOS尺寸的两倍。这意味着存在影响电荷注入指标的电容失配(稍后讨论)。图2显示对于传输门，“理论上”单个器件与合成RON特性的曲线。图3显示一种单刀双掷(SPDT)模拟开关(例如飞兆半导体的FSA2257)在不同电源电压上所测图3：不同电源电压范围的典型Ron指标(FSA2257)。得的合成RON。可看出，当转向低电压(1.8V)环境时，在RON中如何有适中的偏差(Δ)，这也是为什么在低电压及低RON模拟开关开发方面相当活跃的主要原因。导通电阻与平坦度人们从直觉上可能会认为RON最低的器件会最好，但必须考虑的是具体应用在信号摆动、可用电源与源/吸收电流方面的要求以及成本与封装目标等。导通电阻在数据手册中针对具体VCC、VIN(电压输入)及给定负载电流而指定。在晶体管级，RON为器件长度(L)、器件宽度(W)、电子与空穴迁移率((n、(p)、氧化层电容(COX)、门限电压(VT)及信号电压(VGS)的函数。最佳情况是拥有设计成匹配的导通电阻以使RON位于信号电压中点的MOS器件。导通电阻平坦度(RFLAT)即表示RON随着VIN在0V至VCC(或V-至V+)间变化而变化的情况，或者表示图2所示的RON曲线的波峰与谷底之差。若RFLAT指标较大，则表示PMOS/NMOS失配且合成RON曲线可引起随输入信号变化的可变衰减，进而导致语音信号失真。RFLAT仍将是合成RON最大与最小值之间的差。因此，工艺技术与特性尺寸在选择模拟开关设计时非常重要。公式1及公式2表示如何计算图2中的导通电阻曲线。图4：带宽测试原理图。从以上公式，假设(p、(n、VT及COX固定，我们可看出，在低电压环境下，栅-源电压及宽度由于保持(或减少)RON而如何不符合我们的理想，因为当减少VGS时宽度必然增加，这反过来又会增加具有较高电容的器件的周长。我们在设计时必须创造出既能有效增加栅极面积以减少沟道电阻同时又使周界增加最小的晶体管。通过将RON减小至小于1?，我们还能运用该技术来直接(而不是通过放大器)驱动扬声器(从32?直至8?)。这也暗示着电流吸收能力指标超过今天数据手册上通常给出的100mA，从而能满足扬声器的功率转换能力要求。带宽、串扰与隔离度图5：串扰与隔离度测试原理图。具有讽刺意味的是，带宽指标几乎没有什么意义，除非我们将串扰及隔离度指标与带宽一起考虑。数百MHz的3dB带宽很常见，但由于串扰及隔离度指标会以20dB/10的速度下降，故在高频时它们将占主要地位。一般而言，带宽是针对1MHz的测试频率而言，且为负载电容的函数。图4为一种典型的带宽指标测试原理图。对于采用模拟开关的视频应用，人们一定会认为在1MHz频率上拥有70dB隔离度的开关在100MHz频率上仅拥有30dB的隔离度。同样，当在1MHz频率上拥有-90dB的串扰时，在100MHz频率上仅拥有-50dB的串扰。串扰与隔离度是用来衡量开关通道与不用(或关闭)通道之间“噪声”的指标，且在指定频率上测量。串扰是指模拟输入通道与另一通道之间的交叉耦合，且可以有两种形式：邻近通道与非邻近通道。隔离度是指禁用通道输入与输出之间的耦合。这两种参数都以dB表示，即图6：开关应用与THD。隔离度通常以增益(VOUT/VIN)来表示，但有些数据手册可能会将其表示为相对于VIN的衰减。串扰与隔离度会以20dB/10的速度下降。图5显示串扰与隔离度指标测试原理图。插入损耗插入损耗是指输出信号相对于输入信号的衰减，且为负载与系统环境的函数。故它是一项必须明确了解且由环境确定的指标，因为它随负载与板设计的变化可能会影响到整个系统性能。如图2所示，计算插损时，公式变为：公式3-请注意，我们这里使用了?RFLAT而不是RON，因为那是开关在那部分合成电阻中工作的最坏情况。从理论上讲，我们是想拥有真正匹配器件的谷点。由于插损还是电路板与系统环境的函数，故在插入开关以前通过测量该环境的插入损耗而将其考虑进去非常重要。例如，您可能拥有在1MHz频率上测得的特定插入损耗，然后发现开关在更高频率上具有更大的衰减并认为这是开关的特征，但这可能是电路板设计带来了大部分衰减。插入损耗也可用图5右侧所示隔离度的方案来测试。总谐波失真从概念上讲，总谐波失真也是一种插损，但它被定义成模拟信号在谐波方面的失真，且以百分比而不是以dB来表示。因此，RFLAT及结电容仍是引起THD的主要因素。图6及公式4与公式5给出开关如何引入失真(THD的函数)。图7：THD测试原理图。其中，公式4-换言之，THD是谐波系数与基本系数平方和之比的均方根值。这些系数同时也是流经模拟开关的信号电流的函数，因此又是RFLAT/RON值的函数。作为一阶近似，由于RFLAT(0.1xRON，故：但随着我们转向低RON开关，电容开始变得更占优势，且当我们开始在视频领域使用这些开关时，它便成为我们所测得的主要阻抗(电抗)。图7显示THD指标测试原理图。电荷注入电荷注入与模拟开关在开关期间的失配寄生电容及其对输出信号完整性的贡献相关。由于这种失配，当开关接通时，PMOS与NMOS的栅-漏电容会将不同程度的正负电荷耦合到漏极中。当开关打开时，输出端电荷便有效地通过开关导通电阻放电。当开关关断时，所耦合的电荷便会通过栅-漏电容而增加至输出中，且由于开关现在为高阻抗，故输出负载必须储存该电荷直至开关再次打开。对于低频，随着注入电荷在下一次开关转换以前“泄漏”，人们可能会看到在输出上出现正负假信号。有人可能会将分立电容置于裸片上的NMOS栅-漏之间来减少电容失配，但这也只能补偿一部分特定频率及输入电压。实际上，注入电荷为开关通-断时间与CLOAD的函数。为减少电荷注入效应，可增加CLOAD(Q=CxV)，但这也会减少带宽。重要的是须记住，电荷注入会随源电压而改变，而数据手册一般规定Vsource=0，因为在其它电压上，对于单个器件，漏-源电容会随沟道变化而改变(公式1及公式2)。图8显示电荷注入指标测试原理图。因此在今天的超便携市场中，如果工程师在设计未来特性集时想保证有良好的信号完整性、优异的立体声、最佳的功率转换、更小的封装以及良好的隔离，则他必须考虑很多对立的变量，因为数据手册并不总是能给出器件在实际应用所处频率上的性能。对模拟开关以上所有参数及其来源的了解，将使您能做出正确的工程决策。图9所示框图给出了一种典型的USB应用，其中模拟开关能扮演一个创新的角色。作者：GrahamLSConnolly应用/定义工程师图8：电荷注入测试原理图图9：采用SP3TFSA3357模拟开关的典型USB2.0OTG存储芯片率先获得Hi-SpeedUSB2.0OTG认证target=_blankUSB应用。Email：[e-mail]飞兆半导体公司IC部