Аналоговый ключ представляет собой микросхемный коммутатор сигналов, который использует характеристики структур JFET или МОП для управления сигнальным трактом и в основном используется для реализации функции переключения при подключении или отключении сигнальной линии. Благодаря низкому энергопотреблению, высокой скорости, отсутствию механических контактов, небольшому размеру и длительному сроку службы он широко используется в различных системах автоматического управления и электронных цифровых продуктах.
Структура традиционного аналогового ключа на основе КМОП-процесса показана на следующем рисунке. Параллельное соединение нМОП (NMOS) и пМОП (PMOS) структур позволяет одинаково плавно передавать сигналы в обоих направлениях. Затвор используется для управления включением и выключением ключа. NMOS включается, когда напряжение затвор-исток (Vgs) положительно, и выключается, когда Vgs отрицательно, а PMOS функционирует противоположным образом.
Из-за различных характеристик PMOS и NMOS ключ, составленный из них, имеет графики работы, показанные на следующем рисунке. Величина тока сигнала, передаваемого между NMOS и PMOS, определяется отношением входного напряжения к выходному. Поскольку у ключа нет проблемы выбора направления тока, нет различия между входом и выходом. Два МОП-транзистора включаются и выключаются под управлением внутренней инвертирующей и неинвертирующей логики. Преимуществом КМОП-ключей является динамический диапазон rail-to-rail, двунаправленная работа, а сопротивление во включенном состоянии остается неизменным при изменении входного напряжения.
Аналоговые ключи имеют определенные статические характеристики: сопротивление во включенном состоянии RON, разность сопротивлений во включенном состоянии между различными каналами RON, неравномерность сопротивления во включенном состоянии RFLAT(ON), ток утечки, уровень срабатывания логического управления. Сопротивление во включенном состоянии приведет к потере сигнала, особенно когда нагрузка, включенная последовательно с переключателем, имеет низкое полное сопротивление. При применении ключ с соответствующим сопротивлением во включенном состоянии должен быть выбран в соответствии с реальными требованиями. Особое внимание следует обратить на то, что сопротивление в открытом состоянии напрямую связано с напряжением питания. Как правило, чем выше напряжение питания, тем меньше сопротивление во включенном состоянии.
Сопротивление во включенном состоянии канала NMOS мало, когда сигнал относительно низкий, в то время как сопротивление канала PMOS во включенном состоянии мало, когда входной сигнал высокий. После того, как два резистора соединены параллельно, они относительно низки в эффективном диапазоне всего сигнала.
Ток утечки: ключ в идеальном состоянии требует нулевого сопротивления во включенном состоянии, а сопротивление во включенном состоянии в выключенном состоянии стремится к бесконечности, а ток утечки равен нулю. Фактически ключ находится в состоянии высокого импеданса, когда он выключен, и ток утечки равен нулю. Ток не равен нулю, а обычный ток утечки КМОП составляет около 1 нА. Когда ключ выключен, ток утечки будет течь в нагрузку, вызывая дополнительные ошибки. Если внутреннее сопротивление источника сигнала очень велико, а сигнал передачи постоянный, особенно необходимо учитывать ток утечки аналогового ключа. Как правило, чем меньше ток утечки, тем лучше.
Следует отметить, что если полное сопротивление входной цепи через аналоговый ключ велико, влияние тока утечки нельзя игнорировать. Если импеданс входной цепи мал, влияние сопротивления во включенном состоянии будет больше.
© digitrode.ru