模拟开关与多路转换器知识详解

问：ADI公司不给出ADG系列模拟开关和多路转换器的带宽，这是为什么?

答：ADG系列模拟开关和多路转换器的输入带宽虽然高达数百兆赫，但是其带宽指标本身不是很有意义的。因为在高频情况下，关断隔离(offisolation)和关扰指标都明显变坏。例如，在1MHz情况下，开关的关断隔离典型值为70dB，串扰典型值为-85dB。由于这两项指标都按20dB/+倍频下降，所以在10MHz时，关断隔离降为50dB，串扰增加为-65dB；在100MHz时，关断隔离降为30dB，而串扰增加为-45dB。所以，仅仅考虑带宽是不够的，必须考虑在所要求的高频工作条件下这两项指标下降是否能满足应用的要求。(关断隔离是指当开关断开时，对耦合无用信号的一种度量——译者注。)

问：哪种模拟开关和多路转换器在电源电压低于产品说明中的规定值情况下仍能正
常工作?

答：ADG系列全部模开关和多路转换器在电源电压降到+5V或±5V情况下都能正常工作。受电源电压影响的技术指标有响应时间、导通电阻、电源电流和漏电流。降低电源电压会降低电源电流和漏电流。例如，在125°C，±15V时，ADG411关断状态源极漏电流IS(OFF)和漏极漏电流ID(OFF)都为±20nA，导通状态漏极漏电流ID(ON)为±40nA；在同样温度下，当电源电压降为±5V，IS(OFF)和ID(OFF)降为±25nA，ID(ON)降为±5nA。在+125°C，±15V时，电源电流I DD ，I SS 和IL最大为5μA；在±5V时，电源电流，最大值降为1μA。导通电阻和响应时间随电源电压降低而增加。图1和图2分别示出了ADG408的导通电阻和响应时间随电源电压变化的关系曲线。

图1 导通电阻与电源
电压的关系曲线
问：有些ADG系列模拟开关是用DI工艺制造的，DI是怎么回事?

答：DI是英文Dielectric Isolation介质隔离的缩写，按照DI工艺要求，每
个CMOS开关的NMOS管和PMOS管之间都有一层绝缘层(沟道)。这样可以消除普通的模拟开关之间的寄生PN结，所以可以制造出完全防闩锁的开关。在采用PN结隔离(不是沟道)工艺中，

图2 响应时间与电源电压的关系曲线

图3 DI工艺结构示意

PMOS和NMOS管中的N沟道和P沟道构成一种反向偏置正常工作的二极管，当模拟输入信号超过电源电压时，开关处于过压或断电状态，二极管正向偏置，构成双晶体管组成的类似可控硅(SCR)电路。由于它对此电流剧烈地放大，最终导致闩锁。然而，采用DI工艺制造的CMOS开关不会产生这种二极管效应，因此使器件防闩锁。

问：带故障保护的多路开关或通道保护器是如何工作的?

答：带故障保护的多路开关的一个通道或通道保护器是由两个NMOS管和两个PMOS管组成的。其中一个PMOS管不放在直接信号路经上，通常将另一个PMOS管的源极接到它的衬底(背栅极)。这样可以起到降低阈值电压的作用，从而可增加正常工作条件下输入信号的范围。基于同样理由，将一个NMOS管的源极和另一个管子的背栅极相连。正常工作期间，带故障保护的多路转换器和普通器件一样工作。当输入通道出现故障时，这意味着输入信号超过由电源电压决定的阈值电压。阈值电压与电源电压的关系如下：

对于正过压情况，阈值电压由(V DD -V TN )决定。其中V TN 为NMOS管的阈值电压(典型值15V)；对于负过压情况，阈值电压由(V SS -V TP )决定。其中VTP 为PMOS管的阈值电压(典型值2V)。当输入电压超过上述阈值电压而且通道未加负载时，通道输出电压可箝住到阈值电压。

问：当出现过压时，上述多路转换器如何工作?

答：图4和图5示出了信号路经晶体管在过压条件下的工作情况。图4示出了当正过压信号加到通道时，NMOS，PMOS和NMOS三个管子串联工作的情况。当第一个NMOS管的漏极电压超过(V DD -V TN )时，它进入饱和工作状态。它的源极电位等于(V DD-V TN )，而其它两个MOS管则处于非饱和工作状态。

图4 正过压施加在通道上的工作情况

图5 负过压施加在通道上的工作情况

当负过压施加通道上漏极电压超过阈值(V SS -V TP )时，PMOS管进入饱和工作方式。像正过压情况一样，其它两个MOS管都处于非饱和状态。

问：负载如何影响箝位电压?

答：当通道加负载时，其输出电压箝位在两个阈值电压之间。例如，负载为1kΩ，V DD =+15，在正过压情况下，输出电压箝位在(V DD -V TN -ΔV)，其中ΔV为通道上两个非饱和MOS管上产生的电压降IR。这个例子说明被箝位的NMOS管的输出电压低于135V。因为其余两个MOS管的导通电阻通常为100Ω，所以流过的电流为135V/(1kΩ+100Ω)=1227mA，在这两个管子(NMOS和PMOS)上产生的电压降为12V，从而使箝位电压VCLAMP 为123V。因此出现故障期间的输出电流由负载决定，即V CLAMP /RL。

图6 箝位电压的确定

问：当电源断电时，带故障保护的多路转换开关和通道保护器还有保护作用吗?

答：有。当电源电压降低或突然断电时，这种器件仍然有故障保护功能。
当V DD 和V SS 等于0V时，如图7所示，管子处于断电状态，此时电流小到亚纳安
级。