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MT-088 指南 模拟开关和多路复用器基本知识 简介 在要求针对模拟信号控制和选择指定传输路径的电子系统的设计中，固态模拟开关和多路 复用器已成为必要元件之一。这些器件被用于广泛的应用之中，包括多通道数据采集系 统、过程控制、仪器仪表、视频系统等。 20世纪60年代晚期的开关和多路复用器均以分立式MOSFET器件设计，并用小型PC板或模 块生产。随着CMOS工艺的发展(以相同的基板生产优异的PMOS和NMOS 晶体管)，开关和 多路复用器在20世纪70年代中期快速转向了集成电路形式，推出了广受欢迎的ADI公司 AD7500 系列(1973年问世)等产品。1976年推出了带介质隔离系列，支持± 25 V的输入过压 (超出供电轨)，而且不易闩锁。 这些早期的CMOS开关和多路复用器主要设计用于处理最高±10 V的信号，并工作于±15 V 的电源之下。1979年，ADI公司推出大获成功的ADG200 系列开关和多路复用器，1988 年，ADG201 系列问世，该器件采用专有的线性兼容CMOS工艺(LC2MOS)制成。这些器件 在±15 V电源下可支持最高±15 V的输入信号。 20世纪80年代和90年代出现了大量的开关和多路复用器，其趋势是更低的导通电阻、更快 的开关、更低的电源电压、更低的成本、更低的功耗和更小的表贴封装。 如今，模拟开关和多路复用器有多种配置、选项可供选择，可以适应几乎所有应用。低于 0.5 Ω的导通电阻、皮安级漏电流、大于1 GHz的信号带宽以及1.8 V单电源供电，这些全都 可以利用现代CMOS技术来实现。市场上同时还有采用±15 V电源、基于ADI公司iCMOS®(工 业CMOS)工艺的工业产品。 尽管CMOS是目前最流行的开关和多路复用器IC工艺，但双极性工艺(JFET)和互补双极性 工艺(也支持JFET)通常用于视频开关和多路复用等特殊应用，因为这些应用要求的高性能 是CMOS工艺无法实现的。传统的CMOS开关和多路复用器在视频频率下往往存在多种劣 势。它们的开关时间一般不够快，而且需要外部缓冲才能驱动典型的视频负载。另外， CMOS开关导通电阻随信号电平的较小变化(RON调制 可能会给差分放大和相位带来无用的 失真。基于互补双极性技术的多路复用器在视频频率下具有更好的表现——但其功耗和成 本与CMOS器件相比有明显增加。 Rev.0, 10/08, WK Page 1 of 23 MT-088 CMOS开关基础 理想型模拟开关不存在导通电阻，具有无穷大的关断阻抗和零时间延迟，可以处理大信号 和共模电压。实际的CMOS模拟开关不满足其中任意一条，但是，如果我们了解模拟开关 的不足，这些缺陷多数是可以克服的。 CMOS开关具有优秀的组合属性。其最基本的形式是MOSFET 晶体管，这是一种电压控制 电阻。在“导通”状态下，其电阻可能不到1 Ω，而在“关断”状态下，其电阻则会升至数百兆 欧，并且存在皮安级漏电流。CMOS技术兼容逻辑电路，可以高密度集成在IC之中。其快 速开关特性得到良好的控制，仅具有最少的电路寄生效应。 MOSFET 晶体管是双向的。换言之，它们可以同样轻松地开关正、负电压，传导正、负电 流。MOSFET 晶体管具有一个电压控制电阻，随信号电压则呈非线性变化，如图1所示。 PMOS NMOS ALTERNATE SYMBOLS 图1：MOSFET开关导通电阻与信号电压之间的关系 互补MOS工艺(CMOS)可以产出优异的P沟道和N沟道MOSFET 。并联连接PMOS和NMOS 器件，结果会形成如图2所示的基本双向CMOS开关。这种组合有利于减少导通电阻，同 时也可能产生随信号电压变化小得多的电阻。 Page 2 of 23