便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

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简介: 在便携式产品设计中,模拟开关一直以来都主要是作为音频信号切换器来使用。随着双卡双模手机的普及,模拟开关现在已成了双卡切换的必备选择。本文主要介绍便携式产品中选用模拟开关应注意的事项。

模拟开关和多路转换器的作用主要是用于信号的切换。目前集成模拟电子开关在小信号领域已成为主导产品,与以往的机械触点式电子开关相比,集成电子开关有许多优点,例如切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。但也有若干缺点,如导通电阻较大,输入电流容量有限,动态范围小等。因而集成模拟开关主要使用在高速切换、要求系统体积小的场合。在较低的频段上f<10MHz),集成模拟开关通常采用CMOS工艺制成:而在较高的频段上(f>10MHz),则广泛采用双极型晶体管工艺。

最新的数字电视DVB、CMMB等应用在一定条件下也需要使用模拟开关。本文重点阐述为便携式产品选择模拟开关时需考虑的设计参数和关键事项。

导通电阻与平坦度

低导通电阻是模拟开关在音频切换用途时的主要选择因素。值得注意的是,导通电阻是针对具体的VCC 、VIN(电压输入)及给定负载电流而定义的。在晶体管级,RON为器是长度(L)、宽度(W)、电子与空穴迁移率、氧化层电容、门限电压及信号电压的函数。如下所示:

便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

RON会随着电源电压的增加而减小。图1显示了上海英联电子科技有限公司(下文简称英联电子)的UM4684在不同电源电压上测得的RON。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,它是引起THD的主要原因。

便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

带宽、串扰与隔离度

隔离度是用来衡量开关导通通道与关闭通道之间的“噪声”的指标。它在指定频率上测量,是关闭通道输入与输出之间的耦合。串扰是模拟输入通道与另一通道之间的交叉耦合,有两种形式:邻近通道与非邻近通道。这两种参数都以dB表示。在电路设计中通常是一起考虑串扰、隔离度与带宽指标。虽然某些模拟开关的输入带宽高达数百兆赫,但其带宽指标本身的意义并不大,因为高频下的关断隔离度和串扰都明显变得更糟糕。

提升模拟开关性能

(1) 低ICCT

便携式产品通常由电池供电,因此功耗是选择模拟开关时的一个重要考虑因素。大部分便携式系统需要多种不同的供电电压。模拟开关的供电可能来自于电池或经过电源管理模块调节过的电源输出,开关的控制输入信号也可能来自于电源电压不同的ASIC。当控制输入电压等于0或VCC时,CMOS控制电路的功耗非常低。

但对模拟开关而言,只要控制信号输入电平保持在大于VIH最小值或者小于VIL最大值,开关便会识别控制信号的高低电平。此时控制电压离0和VCC越远,功耗越大,如图2中的红色曲线所示。更新的ASIC设计逐步走向更小几何尺寸的工艺,这限制了它们的电压裕量,因此在新的系统设计中,驱动控制管脚的电压不再等于模拟开关的供电电压。如果使用普通的模拟开关,开关电流消耗通常大于1mA,这将导致过多功耗。

便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

此外,英联电子的低ICCT系列模拟开关具有更低的VIH电平值,可以采用较低的控制电平实现开关的高电平切换控制。这种特性大大减少了电路复杂性,特别是在供电电源和控制信号电平不匹配的便携产品应用中,可省去电平转换模块,从而有效降低了成本。

便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

在便携式产品设计中,模拟开关一直以来都主要是作为音频信号切换器来使用。随着双卡双模手机的普及,模拟开关现在已成了双卡切换的必备选择。最新的数字电视DVB、CMMB等应用在一定条件下也需要使用模拟开关。本文重点阐述为便携式产品选择模拟开关时需考虑的设计参数和关键事项。

导通电阻与平坦度

低导通电阻是模拟开关在音频切换用途时的主要选择因素。值得注意的是,导通电阻是针对具体的VCC 、VIN(电压输入)及给定负载电流而定义的。在晶体管级,RON为器是长度(L)、宽度(W)、电子与空穴迁移率、氧化层电容、门限电压及信号电压的函数。如下所示:

便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

RON会随着电源电压的增加而减小。图1显示了上海英联电子科技有限公司(下文简称英联电子)的UM4684在不同电源电压上测得的RON。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,它是引起THD的主要原因。

便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

(2) 终端电阻

在音频电路中,当模拟开关断开时,由于寄生电容和电容失配,电容上的电荷无法释放,从而导致耳机上的噪声。可以通过在开关断开时接通一个去噪电阻,来快速释放电荷,从而提高音频切换质量。图4是英联电子的UM3699在开关切换时去噪电阻的连接示意图。

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图5是没有采用去噪声电阻时模拟开关的仿真波形图。D1为输入的数据信号。IN为选择端信号。当IN为高电平时,开关通向1S1;当IN为低电平时,开关通向1S2。当开关断开时,由于寄生电容和选择端切换脉冲的存在,开关到地之间是高阻态,所以寄生电容的电荷没有放电回路。这样,开关的关断端在较长的时间内将出现一个比输入数据信号更高的电平,从而导致噪声。图6是采用图4中的去噪电阻后开关切换的仿真波形图。由于开关断开后连接了去噪电阻上,形成一个对地的放电回路,所以寄生电容上的电荷得以很快释放,从而消除了开关切换时的干扰电平,提高了开关在音频切换应用时的声音质量。

便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

便携式产品中选用模拟开关应注意的事项

(3) T-Switch结构

隔离度和串扰作为模拟开关的又一项重要性能指标,在高频率信号的切换中越来越受到人们的关注。英联电子的高隔离度模拟开关采用T-Switch结构,有效实现了信号隔离,抑制了信号串扰。图7是T-Switch结构图。当开关导通时,内部的S1、S3闭合,S2断开,从而实现信号的有效传输;当开关断开时,S1、S3断开,S2 闭合,这样输入端-Cs-地形成了一条耦合回路,同时由于两个Cs导通寄生电容的存在,输入信号更难耦合到信号输出级,这样提高了开关的隔离度和抗串扰能力。

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