CMOS模拟开关的选择与典型应用

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CMOS模拟开关的选择与典型应用 CMOS模拟开关 CMOS模拟开关选择 模拟开关应用
早期的模拟开关大多工作于±20V 的电源电压，导通电阻为几百欧姆，主要用于模拟信
号与数字控制的接口，近几年，集成模拟开关的性能有了很大的提高，它们可工作在非常低
的电源电压，具有较低的导通电阻、微型封装尺寸和极佳的开关特性。被广泛用于测试设备、
通讯产品、PBX/PABX 设备以及多媒体系统等。一些具有低导通电阻和低工作电压的模拟开关
成为机械式继电器的理想替代品。
模拟开关的使用方法比较简单，但在具体应用中应根据实际用途做合理的选择。本文主
要介绍模拟开关的基本特性和几种特殊模拟开关的典型应用。
二、正确选择CMOS开关：
1、导通电阻：传统模拟开关的结构如图1 所示，它由N 沟道MOSFET 与P 沟道MOSFET 并联
构成，可使信号双向传输，如果将不同VIN值所对应的P 沟道MOSFET 与N 沟道MOSFET 的导
通电阻并联，可得到图2 并联结构下导通电阻（RON）随输入电压（VIN）的变化关系，如果不
考虑温度、电源电压的影响，RON 随VIN 呈线性关系，将导致插入损耗的变化，使模拟开关产
生总谐波失真（THD），这是设计人员所不希望的，如何将RON随VIN的变化量降至最小也是设
计新一代模拟开关所面临的一个关键问题
三、几种特殊的模拟开关：
1、高频T型开关
T 型开关适用于视频及其它频率高于10MHz
的应用，如图4 所示，它由两个模拟开关（S1、
S3）串联组成，另一开关S2 接在地和S1、S3
的交点之间，这种结构的开关其关断隔离高于
单个开关，由于寄生电容与每个串联开关并联，
断开状态的T 型开关其容性串扰随频率的提高
而增大。因此，影响开关高频特性的关键在于
开关的断开状态而不是接通状态。
当T 型开关导通时，S1 和S3 闭合，S2 断
开；当开关断开时，S1、S2 断开，S3 闭合，此
时，那些要通过串联MOSFET 的寄生电容耦合到输出端的输入信号被S3 旁路，断开状态下的
10MHz 视频T 型开关（MAX4545）的关断隔离达-80dB，而标准模拟开关（MAX312）的关断隔
离度只有-36dB。
2、微型封装
CMOS开关的优点还包括小的封装尺寸，如6脚SOT23开关不含任何机械部件（与舌簧继
电器不同），Maxim 提供的小型视频开关（MAX4529）及标准的低电压SPDT 开关（MAX4544）
均采用6 脚SOT23 封装，供电范围为2.7V 至12V。另外，Maxim 具有多种如同CD4066 的通
用模拟开关，例如新发布的MAX4610-MAX4612 低成本四模拟开关，其中，MAX4610 引脚兼容
于工业标准的4066，而且能够工作在更低的电源电压（低至2V），具有较高的精度，通道间
最大失配电阻为4Ω；平坦度在8Ω以内。这些型号有三种不同的开关设置，低导通电阻（5V
时小于100Ω）适用于低电压应用，采用紧凑的14 脚TSSOP 封装（6.5 x 5.1 x 1.1 mm3）
解决了线路板尺寸紧张问题。
3、ESD保护开关
基于Maxim 成功的ESD 保护接口产品，±15kV ESD 保护电路被引入到某些模拟开关中，
新推出的可承受±15kV 静电冲击的模拟开关完全符合IEC1000-4-2 Level 4 标准，所有模
拟输入通路均经过人体模型ESD 检测和IEC1000-4-2 规定的空气间隙放电模式检验。
CMOS模拟开关的选择与典型应用
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MAX4551-4553 引脚与多种标准开关（如DG201/211 和MAX391 等）兼容，针对多路复用器系
列产品，如74HC4051 和MAX4581，Maxim 还研制生产了带有ESD 保护的多路复用器。在新的
设计中，无需再采用昂贵的TranszorbsTM器件对模拟输入进行保护。
4、故障保护型开关
模拟开关的电源电压限制了输入信号的范围，一般情况下，这种限制对模拟开关的使用
没有影响，但在某些应用中，系统断电时模拟开关的输入端仍有信号存在，此时，由于输入
信号超出了电源电压的范围，将造成开关的永久性损坏。
Maxim 带有故障保护的新型模拟开关和多路复用器能够提供±25V 的过压保护，掉电时
保护电压达±40V，同时可处理满电源摆幅信号，并具有较低的导通电阻。故障状态下，输
入端被置成高阻态，与开关状态和负载电阻无关，只有nA级的泄漏电流流过信号源。
5、加载-感应开关
在过去几年中，Maxim 推出了一系列新型模拟开关，其中MAX4554-MAX4556 加载-感应
型开关，适用于自动检测设备（ATE）中的Kelvin 检测。每中型号包含有用于加载电流的低
电阻、大电流开关和用于检测电压或切换保护线的高阻开关。±15V 供电时，电流开关导通
电阻仅6Ω，感应开关导通电阻为60Ω，MAX4556内置三路SPDT开关。
加载感应开关主要用于高精度系统和远
距离测量系统（图5），在4线测量中，2线为
负载加载电压或电流，其余2 线直接与负载感
应线连接。2 线系统中，负载电压感应线与加
载线连接到负载的两端。由于加载电压或电流
会沿线产生压降，所以负载电压比信号源电压
略低，负载与信号源间的距离以及负载电流、
导通电阻等都将造成负载电压的衰减。采用4
线方式可减小信号衰落，4 线方式中的2 条附
加电压感应线上流过的电流可忽略。新型加载
感应开关简化了许多应用，例如nV级电压表、飞欧级电阻计等。

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