干货分享 | 当您的开关选择不是二择其一时

在如今的电子设备中，信息和数据的处理完全在数字领域内进行。然而，在涉及到与现实世界的连接时，模拟信号仍然发挥着至关重要的作用。在当今的“智能”世界中，我们要用到众多传感器来测量各种数据点，因此许多设备需要从一大堆不同的输入中进行选择。但是，要弄清楚应该选择哪种模拟开关，以及哪些是重要参数，日益成为设计人员面临的一大挑战。

为满足我们的信息需求，我们需要快速而准确地获得数据。随着传感器技术的进步，尤其是传感器的微型化发展，让我们能够更方便获得简单而经济高效的传感技术。事实上，作为许多控制单元中一个有用的增强功能，环境属性（如温度、湿度、亮度等）检测功能日益成为许多消费类应用中的一项常见功能。在复杂的电子系统中，这导致需要处理的模拟信号数量激增。

无论是在什么情况下检测或测量物理特性，得到的主要电子信号在规定的范围内均具有连续的电压电平。然后，需要将这个信号转换为可由系统处理的数字信号。在大多数应用中，模数（AD）转换采用中等频率下的信号来完成。模拟开关可用于扩展通道数量并在通道之间进行切换，使转换器能够在给定时间片段内处理其中的一个通道。因此，对于高性能系统，需要考虑模数转换器和模拟开关的各种参数。

基本原理

在大部分数据转换应用中，分辨率和精度都是非常重要的参数。分辨率由位数决定，所以 10 位会产生2^10（即1024）个不同的数字电平。精度是指由误差源造成的采样电平偏差，其中误差源包括信号路径中的压降、导致信号电压电平发生变化的旁道干扰效应。因此，要实现精确的模数转换，良好的信号完整性至关重要。

△ 模数转换原理

当然，这项要求并不是仅适用于转换器，也包括转换器前面的任何开关。如果开关的电阻足够小，便能够满足信号完整性要求，从而实现较高精度。然而，开关还必须具有低电容，以便使开关瞬态保持在可控范围内。不幸的是，实现低电阻特性往往会增加电容。所以，做好平衡是关键。

开关要求

开关的容许通道电阻可以根据模数转换器的精度要求和内部电阻来得出。下图显示了典型的模数转换器和 8:1 多路复用器。在计算模拟开关的容许导通电阻（Ron）时，我们可以考虑以下应用情景：模数转换器的最低内部电阻为 20 kΩ。如果每个通道的给定最大输入电压为 3.3 V，则开关通道中的压降为：

VSW = (Vin / (RSW + RAD)) * RSW = (3.3 V / (120 Ω + 20000 Ω)) * 120 Ω = 19.68 mV

该压降意味着转换存在一个恒定的偏移。它可以与常见的 10 位分辨率联系起来：3.3 V / 2^10 = 3.22 mV，这与 19.68 mV 的最低有效位（LSB） 6 大致对应。压降常数因子可通过系统中的软件加以校正，或者根据精度要求，处于可接受范围内。因此，开关内部电阻要求是常量，而不是极低值。

△ 模拟复用器和模数转换器

通道注流保护

信号干扰的另一个重要方面和来源是通道切换行为。如果电容过高，通道电容可能会感应生成瞬态电压。要在设计中保持较低电容往往会造成通道电阻增加。

在“正常”条件或行为下，当 8:1 多路复用器的8个通道只有 1 个被选中时，所有其他通道均会持续保持低功率并具有一定的电压电平。不过，这些通道已关断，不会有电流（除了低泄漏电流）流入开关。

在某些情况下，未选中通道的输入电压可能会升高，甚至超过开关的 VCC 电平，但这种情况可能只会出现很短的时间。在标准设计结构中，这种超高的输入电压也会影响输出电压，因为它会通过 VCC 拉高输出电平。这进而会篡改所选通道的电压，从而影响模数转换结果。缓解这一影响的机制就是注流控制功能，Nexperia（安世半导体）的 4851 系列 8 通道模拟复用器/解复用器中就集成了这一功能。这可以确保高低值之间存在明显区别。

△ 通过注流效应控制，确保信号完整性

作者简介

Christian Backhaus

Christian 是 Nexperia 的应用营销经理，主要负责模拟和逻辑 IC。他毕业于德国亚琛工业大学，获得了电子工程学位。毕业后，他曾在三菱、飞利浦和恩智浦半导体担任过多种开发和系统工程职位，领域涵盖微控制器、视频、电视系统和安全分析等等。除了逻辑和集成 IC 方面的经验外，Christian 也对集成逻辑控制电路和软件的电源应用感兴趣。