在超便攜應(yīng)用中模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

近年來(lái)，開(kāi)關(guān)產(chǎn)品紛紛進(jìn)入PC、服務(wù)器、筆記本電腦和底座應(yīng)用等領(lǐng)域，令許多芯片供應(yīng)商推出各式總線開(kāi)關(guān)產(chǎn)品?？偩€開(kāi)關(guān)能夠在板卡或器件插拔期間方便地隔離總線電容，通過(guò)隔離對(duì)數(shù)據(jù) (高速緩存和內(nèi)存) 進(jìn)行多路復(fù)用/分解操作或進(jìn)行電壓變換。典型的總線開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為一個(gè)單獨(dú)的NMOS器件，其缺點(diǎn)是：隨著源電壓接近Vcc，柵極的源-漏區(qū)被夾斷，會(huì)限制電流的驅(qū)動(dòng)能力和輸出電壓。
近幾年來(lái)，開(kāi)關(guān)功能已成為視頻、圖形及音頻傳輸或處理領(lǐng)域的重要組成部分。為此，除了簡(jiǎn)單的RON和RFLAT特性外，對(duì)于開(kāi)關(guān)的串?dāng)_、THD(總諧波失真)、衰減以及帶寬等特性的要求顯著提高。這使得業(yè)界轉(zhuǎn)用模擬開(kāi)關(guān)的系列產(chǎn)品。
隨著手機(jī)和其他超便攜產(chǎn)品進(jìn)入主流產(chǎn)品行列，要求加入更多功能，如圖像、電子郵件、短信以及互聯(lián)網(wǎng)接入，這需要對(duì)多重?cái)?shù)據(jù)通路進(jìn)行控制。而高集成度基帶處理器、多處理器結(jié)構(gòu)、定制ASIC和功率管理芯片組也已集成在產(chǎn)品中，迫使電源電壓降低，因而需要模擬開(kāi)關(guān)在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)工作，同時(shí)要求開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵特性，如RON (平坦度)、串?dāng)_、帶寬和THD等衰減最少。現(xiàn)在的開(kāi)關(guān)發(fā)展趨勢(shì)是低RON值 (小于1W)，并在不同電壓下保持適合的低I/O電容、低衰減和良好平坦度。
面對(duì)超便攜應(yīng)用，工程師在設(shè)計(jì)選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)必須了解多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，如RON、串?dāng)_、THD、帶寬、電荷注入和插入損耗。

圖1  傳輸門(mén)電路的復(fù)合RON

圖2  帶寬測(cè)試原理圖

圖3  串?dāng)_和關(guān)斷隔離測(cè)試原理圖

圖4  開(kāi)關(guān)應(yīng)用和THD

圖5  THD測(cè)試原理圖

圖6  電荷注入的測(cè)試原理圖

圖7 使用SP3T FSA3357模擬開(kāi)關(guān)的典型USB應(yīng)用

導(dǎo)通電阻和平坦度
模擬開(kāi)關(guān)由一個(gè)傳輸門(mén)電路 (PMOS與NMOS并聯(lián)) 構(gòu)成，為了得到等效 (匹配) 的RON，PMOS大小需近似為NMOS的兩倍。這也意味著電容失配的存在，從而影響電荷注入特性。傳輸門(mén)電路的復(fù)合RON特性曲線如圖1所示。
直覺(jué)上可能會(huì)認(rèn)為RON愈低的器件愈好，但必須考慮特定應(yīng)用的信號(hào)擺幅、適用電源、源/灌電流要求、成本和封裝目標(biāo)等因素。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中的導(dǎo)通電阻是在給定負(fù)載電流和特定VCC和VIN條件下的數(shù)值。在晶體管級(jí)，RON是器件長(zhǎng)度 (L)、器件寬度 (W)、電子和空穴遷移率(mn, mp)、氧化層電容 (COX)、閾值電壓 (VT) 和信號(hào)電壓 (VGS) 的函數(shù)。最佳狀況是使MOS器件與導(dǎo)通電阻相匹配，即是使RON位于信號(hào)電壓的中點(diǎn)。
RON P=L/(mp * Cox *W (VGS - VT ))
RON n=L/(mn * Cox *W (VGS - VT))
假設(shè)mp、mn、VT和Cox不變，因?yàn)樵诘碗妷涵h(huán)境下VGS降低，所以，為了維持或減小RON就必須加大溝道寬度，從而引起器件周長(zhǎng)和電容的增大。在設(shè)計(jì)晶體管時(shí)必須創(chuàng)新，有效地增加?xùn)艠O面積，以減小通道電阻，但同時(shí)使周長(zhǎng)的增加降至最小。通過(guò)將RON降低至1W以下，就可以不必通過(guò)放大器而直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器 (從32W變?yōu)?W)。這也意味著目前產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中一般顯示100mA以上的電流吸收能力，可以滿足揚(yáng)聲器的功率轉(zhuǎn)換性能要求。
導(dǎo)通電阻平坦度 (RFLAT) 是指VIN從0V到VCC(或從V-到V+) 變化時(shí)RON的變化，或是RON在波峰和波谷之間的差值，如圖1所示。如果RFLAT太大，意味著 PMOS/NMOS不匹配，復(fù)合RON曲線會(huì)引起音頻信號(hào)隨輸入信號(hào)變化的可變衰減和失真。因此，在選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)工藝技術(shù)和特征尺寸非常重要。

帶寬
帶寬指標(biāo)需要與串?dāng)_和關(guān)斷隔離統(tǒng)一考慮。幾百兆赫茲的帶寬 (3dB) 非常普遍，但是由于串?dāng)_和關(guān)斷隔離以20 dB/decade的幅度衰減，因此在高頻時(shí)它們將成為主要的影響因素。一般來(lái)說(shuō)，帶寬在1MHz的測(cè)試頻率下測(cè)定，并是負(fù)載電容的函數(shù)。帶寬的測(cè)試原理圖如圖2所示。

串?dāng)_和關(guān)斷隔離
在視頻應(yīng)用中使用模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，須知道在1MHz下隔離度為70dB的開(kāi)關(guān)在100MHz下隔離度僅有30dB。同樣地，在1MHz下串?dāng)_為-90dB的開(kāi)關(guān)在100MHz下串?dāng)_僅為 -50dB。串?dāng)_和關(guān)斷隔離是量度“噪聲”在特定頻率下從開(kāi)關(guān)通道串?dāng)_至未用(或關(guān)斷)通道的指標(biāo)。串?dāng)_是指一個(gè)模擬輸入通道與另一個(gè)通道之間的交叉耦合，有鄰近通道和非鄰近通道兩種耦合形式。關(guān)斷隔離是失效通道從輸入到輸出的耦合。這些參數(shù)均以dB定義為：
20 Log10 (VOUT / VIN )
一般采用增益 (VOUT / VIN )來(lái)表示，但某些產(chǎn)品數(shù)據(jù)表可能將它表示為相對(duì)于VIN的衰減。串?dāng)_和關(guān)斷隔離以20 dB/decade的幅度衰減。測(cè)試原理如圖3所示。

插入損耗
插入損耗是由輸入信號(hào)到輸出信號(hào)的衰減，是負(fù)載和系統(tǒng)環(huán)境的函數(shù)。因此，它是由環(huán)境定義的參數(shù)，負(fù)載和線路板設(shè)計(jì)的變化都會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。
插入損耗 (dB)=20 Log10 (1 + 芌FLAT / RLOAD)
考慮到最壞情況，在式中使用芌FLAT而不是簡(jiǎn)單的RON。因?yàn)椴迦霌p耗也是線路板和系統(tǒng)環(huán)境的函數(shù)，所以在插入開(kāi)關(guān)之前測(cè)量插入損耗是很重要的。例如，在1MHz下測(cè)量出開(kāi)關(guān)的插入損耗，然后發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)在高頻下出現(xiàn)較大衰減，并以為這是開(kāi)關(guān)的特性，但實(shí)際上可能線路板設(shè)計(jì)才是導(dǎo)致衰減加劇的主要原因。插入損耗的測(cè)試設(shè)置也在圖3中示出。

THD
THD也是一種插入損耗，但它是以諧波形式來(lái)定義模擬信號(hào)的失真，并用百分?jǐn)?shù)而不是dB表示。此外，RFLAT和結(jié)電容是造成THD的主因。圖4和下兩式說(shuō)明開(kāi)關(guān)如何將失真表示為T(mén)HD的函數(shù)。
VOUT=a1 Vp sin(wt) + a2 Vp sin(2wt) + 繕.+ an Vp sin(nwt)
其中 VIN = Vp sinwt
 
換句話說(shuō)，THD是諧波系數(shù)的平方和與基波系數(shù)之比的平方根。這些系數(shù)也是流過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的信號(hào)電流的函數(shù)，即為RFLAT / RON的函數(shù)。由于RFLAT≌0.1