在超便携应用中模拟开关的关键设计参数

近年来，开关产品纷纷进入PC、服务器、笔记本电脑和底座应用等领域，令许多芯片供应商推出各式总线开关产品。总线开关能够在板卡或器件插拔期间方便地隔离总线电容，通过隔离对数据 (高速缓存和内存) 进行多路复用/分解操作或进行电压变换。典型的总线开关设计为一个单独的NMOS器件，其缺点是：随着源电压接近Vcc，栅极的源-漏区被夹断，会限制电流的驱动能力和输出电压。
近几年来，开关功能已成为视频、图形及音频传输或处理领域的重要组成部分。为此，除了简单的RON和RFLAT特性外，对于开关的串扰、THD(总谐波失真)、衰减以及带宽等特性的要求显著提高。这使得业界转用模拟开关的系列产品。
随着手机和其他超便携产品进入主流产品行列，要求加入更多功能，如图像、电子邮件、短信以及互联网接入，这需要对多重数据通路进行控制。而高集成度基带处理器、多处理器结构、定制ASIC和功率管理芯片组也已集成在产品中，迫使电源电压降低，因而需要模拟开关在整个电源电压范围内工作，同时要求开关的关键特性，如RON (平坦度)、串扰、带宽和THD等衰减最少。现在的开关发展趋势是低RON值 (小于1W)，并在不同电压下保持适合的低I/O电容、低衰减和良好平坦度。
面对超便携应用，工程师在设计选择模拟开关时必须了解多项关键参数，如RON、串扰、THD、带宽、电荷注入和插入损耗。

图1  传输门电路的复合RON

图2  带宽测试原理图

图3  串扰和关断隔离测试原理图

图4  开关应用和THD

图5  THD测试原理图

图6  电荷注入的测试原理图

图7 使用SP3T FSA3357模拟开关的典型USB应用

导通电阻和平坦度
模拟开关由一个传输门电路 (PMOS与NMOS并联) 构成，为了得到等效 (匹配) 的RON，PMOS大小需近似为NMOS的两倍。这也意味着电容失配的存在，从而影响电荷注入特性。传输门电路的复合RON特性曲线如图1所示。
直觉上可能会认为RON愈低的器件愈好，但必须考虑特定应用的信号摆幅、适用电源、源/灌电流要求、成本和封装目标等因素。产品数据表中的导通电阻是在给定负载电流和特定VCC和VIN条件下的数值。在晶体管级，RON是器件长度 (L)、器件宽度 (W)、电子和空穴迁移率(mn, mp)、氧化层电容 (COX)、阈值电压 (VT) 和信号电压 (VGS) 的函数。最佳状况是使MOS器件与导通电阻相匹配，即是使RON位于信号电压的中点。
RON P=L/(mp * Cox *W (VGS - VT ))
RON n=L/(mn * Cox *W (VGS - VT))
假设mp、mn、VT和Cox不变，因为在低电压环境下VGS降低，所以，为了维持或减小RON就必须加大沟道宽度，从而引起器件周长和电容的增大。在设计晶体管时必须创新，有效地增加栅极面积，以减小通道电阻，但同时使周长的增加降至最小。通过将RON降低至1W以下，就可以不必通过放大器而直接驱动扬声器 (从32W变为8W)。这也意味着目前产品数据表中一般显示100mA以上的电流吸收能力，可以满足扬声器的功率转换性能要求。
导通电阻平坦度 (RFLAT) 是指VIN从0V到VCC(或从V-到V+) 变化时RON的变化，或是RON在波峰和波谷之间的差值，如图1所示。如果RFLAT太大，意味着 PMOS/NMOS不匹配，复合RON曲线会引起音频信号随输入信号变化的可变衰减和失真。因此，在选择模拟开关时工艺技术和特征尺寸非常重要。

带宽
带宽指标需要与串扰和关断隔离统一考虑。几百兆赫兹的带宽 (3dB) 非常普遍，但是由于串扰和关断隔离以20 dB/decade的幅度衰减，因此在高频时它们将成为主要的影响因素。一般来说，带宽在1MHz的测试频率下测定，并是负载电容的函数。带宽的测试原理图如图2所示。

串扰和关断隔离
在视频应用中使用模拟开关时，须知道在1MHz下隔离度为70dB的开关在100MHz下隔离度仅有30dB。同样地，在1MHz下串扰为-90dB的开关在100MHz下串扰仅为 -50dB。串扰和关断隔离是量度“噪声”在特定频率下从开关通道串扰至未用(或关断)通道的指标。串扰是指一个模拟输入通道与另一个通道之间的交叉耦合，有邻近通道和非邻近通道两种耦合形式。关断隔离是失效通道从输入到输出的耦合。这些参数均以dB定义为：
20 Log10 (VOUT / VIN )
一般采用增益 (VOUT / VIN )来表示，但某些产品数据表可能将它表示为相对于VIN的衰减。串扰和关断隔离以20 dB/decade的幅度衰减。测试原理如图3所示。

插入损耗
插入损耗是由输入信号到输出信号的衰减，是负载和系统环境的函数。因此，它是由环境定义的参数，负载和线路板设计的变化都会对系统性能产生影响。
插入损耗 (dB)=20 Log10 (1 + 芌FLAT / RLOAD)
考虑到最坏情况，在式中使用芌FLAT而不是简单的RON。因为插入损耗也是线路板和系统环境的函数，所以在插入开关之前测量插入损耗是很重要的。例如，在1MHz下测量出开关的插入损耗，然后发现开关在高频下出现较大衰减，并以为这是开关的特性，但实际上可能线路板设计才是导致衰减加剧的主要原因。插入损耗的测试设置也在图3中示出。

THD
THD也是一种插入损耗，但它是以谐波形式来定义模拟信号的失真，并用百分数而不是dB表示。此外，RFLAT和结电容是造成THD的主因。图4和下两式说明开关如何将失真表示为THD的函数。
VOUT=a1 Vp sin(wt) + a2 Vp sin(2wt) + 缮.+ an Vp sin(nwt)
其中 VIN = Vp sinwt
 
换句话说，THD是谐波系数的平方和与基波系数之比的平方根。这些系数也是流过模拟开关的信号电流的函数，即为RFLAT / RON的函数。由于RFLAT≌0.1×RON， 因此THD的一次近似为：
THD≌(0.1 x RON / RLOAD)×100%
但是，当使用低RON值的开关时，电容成为主要因素。如果在视频领域使用这些开关，就需要计算阻抗 (电抗)值。THD的测试原理如图5所示。

电荷注入
电荷注入是开关过程中模拟开关的寄生电容失配及其对输出信号完整性影响的函数。在开关导通时，由于失配的存在，PMOS和NMOS的栅-漏电容将不同水平的正负电荷耦合进入漏极。由于开关导通，输出端有效移动的电荷通过开关导通电阻有效释放。当开关关断时，耦合电荷通过栅-漏电容添加在输出端，由于开关处于高阻态，所以输出负载必须存储电荷直到开关再次导通。低频情况下，因为在下次开关转换之前注入电荷发生泄漏，输出端可能会出现正负脉冲干扰，可通过在NMOS源-漏之间跨接一个分立电容的方法来减小电容失配，但这只能补偿特定的频率和输入电源电压下的情况。实际上，注入电荷是开关闭合和关断次数以及CLOAD的函数。为了减小注入电荷的影响，CLOAD会增加，但这样会减小带宽。电荷注入会随源极电压而变化，对于个别器件，产品资料表通常指定Vs=0，因为在其它电压下，漏-源电容会随沟道改变而变化。电荷注入的测试原理图如图6所示。

结语
面对今天的超便携市场，工程师在设计未来产品时必须考虑许多相对的变数，以确保产品拥有良好的信号完整性、优良的立体声效果、最佳的功率转换、小型封装及良好的隔离。
随着趋势延续，使用模拟开关创造创新产品解决方案的机会不断涌现。如何在减少器件数量的同时，在相同或更小的线路板面积上增加位宽或功能是很有吸引力的。而了解和掌握模拟开关的所有参数将有助于设计师做出英明的工程决策。
图7所示为典型的USB应用，模拟开关在其中起着重要的作用。