最详细的模拟开关工作原理及参数详解！错过了就等着后悔吧！
Author:Jackie Long
模拟开关（Analogswitches）是利用模拟器件（JFET或MOS）的特性实现控制信号通路的开关，主要用来完成信号链路连接或断开的切换功能。由于它具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。
模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通控制的电平，决定输入与输出的连接状态。当选通控制处在使能状态时，输出端与输入端是导通状态的；当选通控制处在非使能状态时，输出与输入是阻断状态时，此时，无论输入信号如何变化，模拟开关输出均呈高阻状态。
最基本的模拟开关结构如下图所示：
其中，Q1为N沟通JFET（JunctionField-Effect Transistor，结型场效应晶体管），当VGS=0时，源极与漏极之间是导通的，如下图所示：
此时的电路等效如下图所示：
其中，电阻RDS(ON)表示N沟通JFET导通时的漏 - 源导通电阻rDS(on) （Static Drain Source On Resistance ） ，也是模拟开关的通态电阻 RON （”ON” Resistance ） ，此时负载RL两端的电压如下式：
对于多通道的模拟开关芯片，每个通道都有一个通态电阻RON，这些通态电阻之间的差值称为ΔRON （ Δ”ON” Resistance Between any two switches ）。
模拟开关有一个最大开关电流，即饱和漏极电流 IDSS （Zero Gate voltage Drain Current ） ，但有些数据手册中没有这个参数，一般在几百毫安以内。
当栅-源电压VGS<VGS(OFF)（栅-源夹断电压，一般在-1V～-10V）时，源极与漏极之间是断开的，如下图所示：
此时电路等效如下：
其中，电阻RDS(OFF)表示模拟开关断开时呈现的阻值，应足以达到抑制相邻两个信号链路相互干扰，此时负载RL两端的电压如下式：
我们通常将模拟开关表示如下图所示：
其中，O/C表示模拟开关控制引脚（Open/Close）
用P沟通JFET也可以组成模拟开关，但目前最常用的还是用MOSFET构成的开关，因为MOS技术是大规模数字集成电路的基础，这样可以在同一工艺下将模拟与数字功能实现在同一块芯片上，如下所示：
但是，无论是JFET或MOS构成的模拟开关，它们导通时漏-源通态电阻RDS(ON)都与栅-源电压VGS有关，而在输入信号Ui的变化过程中，VGS也是一直随之变化的，如下图所示：
在信号的传输过程中，真正施加在MOS管栅-源两极的电压VGS=-（15V-UO），而UO是与Ui相关的，如果输入信号Ui足够大的话，甚至会在信号传输过程中将MOS管关断，这显然不是我们想要的结果，因为我们的目标是得到一个恒定的（或比较恒定的）导通电阻RON。我们当然也希望导通电阻越小越好，但是在很多应用中，模拟开关的恒定通态电阻（导电率）是最重要的，也就是通态阻抗平坦度RDS(flat)，因为它关乎输出电压的精度。
比如，用高精度ADC（模数转换器）进行多路电压信号采集时，模拟开关的导通电阻RON不必强制要求有多小，但只要它们的导通电阻RON是恒定的，可以在算法上将其带来的误差清除。
用一对互补MOSFET（即CMOS）即可消除这些缺点，它的结构如下图所示：
当O/C控制引脚为高电平时，Q1（PMOS）因栅-源电压VGS<VGS(ON)而导通（PMOS的导通阈值为负电压），同样，Q2（NMOS）因栅-源电压VGS>VGS(ON)而导通（NMOS的导通阈值为正电压），如下图所示：
此时模拟开关的导通电阻为两个MOS管导通电阻RDS(ON)的并联，它们的特性曲线如下图所示：
NMOS管在信号比较低时的导通电阻较小，而PMOS管则在输入信号较高时的导通电阻较小，两个电阻并联后，则在整个信号的有效范围内都比较低。
当O/C控制引脚为低电平时，两个MOS管均为阻断状态，如下图所示：
有些数据手册也会给出这个导通电阻的信息，如下图所示：（来自intersil的CD4051数据手册）
这种基本的结构也叫做传输栅，有些规格书中以下面的符号表示：
比如，CD4066的原理框图如下所示：（下图来自UTC的CD4066数据手册）
既然模拟开关由MOS管构成，自然也有相应频率响应的最大值，这个值通常可以达到数十兆，它包含两种情况：即开关分别在导通状态下与阻断状态下频率响应。开关在导通状态下的频率响应（ FrequencyResponse-Switch “ON” ） 比较好理解，就是在模拟开关导通状态下，信号能够通过的最大频率，那么阻断状态下的频率响应又是个神马东西？如下图所示：（以下均来自UTC的模拟开关CD4066数据手册）
其中，Feedthrough –Switch “OFF”表示在模拟开关阻断状态下的馈通频率，我们看看Fig.4的测试电路图，如下所示：
上图已经说了，当VCON=VSS（即模拟开关阻断时）时，电路用来测试馈通（Feedthrough）状态下的频率响应。理论上，在模拟开关阻断状态下，无论有没有输入信号VIS，其相应的输出VOS是不会有输出的，但是MOS管本身是有寄生电容的（如上表中的CIO，也称为CDS，即漏极-源极电容），在关断状态下如果输入信号频率超过一定值，那信号就阻断不了了，它会通过电容CIO以高频耦合的方式通过开关，使得开关呈现导通状态。如下图所示：
还有一个参数是控制引脚的最大开关频率（ Maximum Control Input ） ，一般我们说模拟开关的速度就是指这个参数，而不是上面提到的频率响应的最大值。它的测试电路如下所示：
模拟开关芯片有多个通道时，通道与通道间也会有信号的串扰，这与PCB板走线串扰是同样的道理，如下图所示：
它是指没有输入信号的选通通道（下侧）接收到来自相邻通道（上侧）信号引起的干扰，即VOS(2)，注意表格中的测试条件：下侧的VCON(2)=VSS不是0，而是5V，也就是选通状态。
同样，当控制引脚VCON在导通与阻断状态切换时，也会在信号通道上产生相应的串扰，如下图所示：
模拟开关芯片的作用解析
模拟开关芯片是一种常见的集成电路元件，它在电子设备中起着重要的作用。模拟开关芯片的主要功能是将模拟信号进行开关控制，从而实现信号的选择、切换和放大。它可以在各种电子设备中使用，包括通信设备、音频设备、视频设备等。
模拟开关芯片的作用可以从以下几个方面进行解析：
首先，模拟开关芯片可以实现信号的选择和切换。在电子设备中，常常需要对不同的信号进行选择和切换，以实现不同功能的切换或者信号的混合。模拟开关芯片通过控制开关，可以实现对不同信号的选择和切换，从而满足不同功能的需求。
其次，模拟开关芯片可以实现信号的放大和缓冲。在信号处理过程中，有时需要对信号进行放大或者缓冲，以保证信号的质量和稳定性。模拟开关芯片可以通过内部的放大器和缓冲器来实现对信号的放大和缓冲，从而提高信号的质量和稳定性。
另外，模拟开关芯片还可以实现信号的保护和隔离。在一些特殊的应用场景中，需要对信号进行保护和隔离，以避免信号的干扰和损坏。模拟开关芯片可以通过内部的保护电路和隔离器来实现对信号的保护和隔离，从而确保信号的稳定和安全。
总的来说，模拟开关芯片在电子设备中起着非常重要的作用，它可以实现信号的选择、切换、放大、缓冲、保护和隔离等功能，从而满足不同应用场景的需求。随着电子设备的不断发展和智能化，模拟开关芯片的应用范围将会越来越广泛，其作用也将会变得越来越重要。
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