4 信號(hào)開關(guān)規(guī)格和特性

顯然，開關(guān)的重要特性取決于開關(guān)的用途。例如，V_CC 電平是多少，需要導(dǎo)通哪些幅度信號(hào)，系統(tǒng)的信號(hào)失真極限是多少，等等。下面將進(jìn)一步詳細(xì)介紹這些規(guī)格和特性：

• 電源電壓：單電源 - 僅具有相對(duì)接地的正極電源極引腳的器件。對(duì)于非電荷泵開關(guān)，V_CC 確定了無需削波即可通過的模擬信號(hào)的幅度。施加的電壓被標(biāo)記為 V_DD、V_CC、V₊，等等。諸如 TMUX1072、SN3257-Q1、TMUX136 和 TMUX15xx、CB3Q 系列且集成了電荷泵的開關(guān)可將柵極電壓提升至 V_CC 以上（代價(jià)是更大的 I_CC），從而導(dǎo)通幅度大于 V_CC 的信號(hào)。
• 電源電壓：雙電源 - 具有相對(duì)接地的正極和負(fù)極電源極引腳的器件。施加到正極引腳的電壓被標(biāo)記為 V_DD、V_CC、V₊ 等等，而施加到負(fù)極引腳的電壓被標(biāo)記為 V_SS、V_EE、V- 等等。對(duì)于非電荷泵開關(guān)，V_CC 確定了無需削波即可通過的模擬信號(hào)的幅度。導(dǎo)通晶體管的一個(gè)或多個(gè)柵極必須相對(duì)于預(yù)期輸入電壓范圍中的最小值和最大值進(jìn)行偏置。諸如 TMUX11xx、TMUX61xx、TMUX62xx、TMUX74xxF、TMUX72xx、TMUX81xx、TMUX82xx、MUX36Sxx、MUX36Dxx、CD4000 和 TMUX40xx 系列之類的開關(guān)允許通過兩個(gè)電源進(jìn)行偏置，因此易于導(dǎo)通正負(fù)信號(hào)。
• 開關(guān)控制信號(hào)電平 (V_IH/V_IL)：V_IH 是讓輸入控制信號(hào)達(dá)到邏輯 1 值的最小電壓，而 V_IL 是讓輸入控制信號(hào)能夠保持邏輯 0 值的最大電壓。為什么這些是模擬開關(guān)的重要注意事項(xiàng)？在大多數(shù)應(yīng)用中，信號(hào)開關(guān)由數(shù)字源的輸出進(jìn)行控制，因此，控制信號(hào)電平 V_IH 和 V_IL 必須與該數(shù)字源兼容，以確保開關(guān)正常工作。為防止數(shù)字邏輯控制問題，系統(tǒng)必須確保輸出高電平 (V_OH) 邏輯輸出高于其所控制的輸入高電平 (V_IH) 邏輯輸入。此外，邏輯輸出的輸出低電平 (V_OL) 必須低于其所控制的邏輯輸入的輸入低電平 (V_IL)。有關(guān)該邏輯標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)參閱 圖 4-1。某些組件可能不符合這一標(biāo)準(zhǔn)，但讓 V_IH < V_OH 且 V_Il > V_OL 可確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。此外，在 VIH 和 VIL 電平間運(yùn)行控制邏輯時(shí)，器件處于未定狀態(tài)，無法確定輸出。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱 慢速或浮動(dòng) CMOS 輸入的含義。
  圖 4-1 邏輯閾值

• 邏輯引腳上的集成下拉：TI 多路復(fù)用器的邏輯輸入是 CMOS 輸入。除非使用的器件在邏輯引腳上有集成有下拉電阻器，在任何情況下都不建議使 TI 多路復(fù)用器的邏輯輸入保持懸空（請(qǐng)參閱 慢速或浮點(diǎn) CMOS 輸入的含義）。如果未將電阻器驅(qū)動(dòng)為高電平或低電平，則這些電阻器將邏輯引腳保持為已知狀態(tài)。這樣，無需額外的外部組件，節(jié)省了成本和空間。

• 導(dǎo)通電阻 (R_ON)：開關(guān)路徑接通后插入到信號(hào)路徑的電阻。由于會(huì)影響信號(hào)損失和衰減，必須考慮采用較低 R_ON 的折衷方案。無電荷泵開關(guān)通過大型導(dǎo)通晶體管實(shí)現(xiàn)了低 R_ON。這些較大的晶體管導(dǎo)致芯片尺寸更大，且 C_io 增加。這種附加的通道電容可以限制開關(guān)的頻率響應(yīng)，因此非常重要。如 Topic Link Label2.3所述，采用電荷泵技術(shù)的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)較低的 R_ON 和 C_io，但需要明顯更高的 I_CC。
  圖 4-2 導(dǎo)通電阻
• 開關(guān)輸出電平：不帶電荷泵的開關(guān)可以通過的最大信號(hào)電平通常被限制在開關(guān) V_CC。開關(guān)下游器件上是否有足夠的噪聲容限可以使開關(guān)中的信號(hào)衰減不會(huì)引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤？例如，CBT 器件的 N 溝道晶體管將開關(guān)輸出鉗制在 V_CC 運(yùn)行電壓下方略多于 1V 的位置，使其不適合用于 5V CMOS 高電平（V_IH = 3.5V）信號(hào)傳輸（除非從至少 4.5V 的 V_CC 運(yùn)行）。在傳輸門架構(gòu)的器件中看不到此鉗位。
• 導(dǎo)通和關(guān)斷電容 (C_ON/C_OFF)：開關(guān)路徑處于低阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)的導(dǎo)通容性負(fù)載。開關(guān)路徑處于高阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)的關(guān)斷容性負(fù)載。總開關(guān)電容和負(fù)載電容會(huì)影響響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間和扇出限值，故必須加予考慮。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用手冊(cè)：使用低導(dǎo)通電容多路復(fù)用器改善穩(wěn)定性問題。C_io 是器件輸入/輸出 (I/O) 端子在施加輸入條件后的電容，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格在輸出端建立高阻抗?fàn)顟B(tài)。此參數(shù)是在器件輸入/輸出 (I/O) 端遇到的內(nèi)部電容。這些值根據(jù)器件的設(shè)計(jì)、工藝和封裝進(jìn)行確定。
  圖 4-3 源極和漏極關(guān)斷電容
  圖 4-4 源極和漏極導(dǎo)通電容
• 頻率響應(yīng)：所有 CMOS 開關(guān)對(duì)于可通過的頻率都設(shè)有上限。無論在芯片制造過程中可以保持多低的 R_ON 和 C_io ，都會(huì)形成一個(gè)不需要的低通濾波器，使開關(guān)輸出信號(hào)衰減。開關(guān)的帶寬 (BW) 是指可以通過開關(guān)且衰減不超過 3dB 的信號(hào)頻率范圍。
  圖 4-5 帶寬

• 閂鎖效應(yīng)抑制：此特性可防止器件的電源軌由于電氣過應(yīng)力、注入電流或電氣快速瞬變而短接在一起（閂鎖效應(yīng)）。有關(guān)TI多路復(fù)用器閂鎖效應(yīng)抑制的信息，請(qǐng)參閱 使用閂鎖效應(yīng)抑制多路復(fù)用器幫助提高系統(tǒng)可靠性。

• 正弦波失真或總諧波失真：這些是器件線性度的量度。非線性的引入可以有多種方式（設(shè)計(jì)、器件物理特性等），但通常主要影響因素是 R_ON。如 圖 2-2 和圖 2-4 所示，對(duì)于所有類型的 CMOS 開關(guān)，R_ON 因 V_I/O 而異。具有低的R_ON 很重要，但在信號(hào)范圍內(nèi)保持平緩的 R_ON 幾乎同樣重要。
• 串?dāng)_：需要考慮兩種類型的串?dāng)_：
  • 通道-通道串?dāng)_ (X_TALK)：不必要的信號(hào)從導(dǎo)通通道耦合到關(guān)斷通道的量度。此串?dāng)_在特定頻率下測(cè)量得出并以 dB 為單位。串?dāng)_水平是開關(guān)控制信號(hào)與開關(guān)輸出解耦程度的量度。由于 CMOS 工藝的寄生電容，改變控制信號(hào)上的狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)噪聲。在音頻應(yīng)用中，可能正是由于這一原因，有時(shí)在打開或關(guān)閉音頻設(shè)備時(shí)會(huì)聽到令人討厭的噗噗聲。TS5A22364 等器件具有內(nèi)置分流電阻器，可將未選擇的信號(hào)路徑上積累的電容放電，以減少噗噗聲。
    圖 4-6 通道-通道串?dāng)_
  • 開關(guān)間串?dāng)_。串?dāng)_水平也是相鄰?fù)ǖ酪种频牧慷?。與控制-輸出串?dāng)_一樣，寄生電容可以將一個(gè)開關(guān)上的信號(hào)與另一開關(guān)上的信號(hào)耦合。
• 電荷注入 (Q_C)：電荷注入是不必要的信號(hào)從控制 (IN) 輸入耦合到模擬輸出的量度。電荷注入以庫(kù)侖 (C) 為單位，可通過控制輸入切換時(shí)引起的總電荷來測(cè)量。TI 規(guī)定了“使能-輸出”串?dāng)_規(guī)格，一些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也使用此參數(shù)。與“使能-輸出”串?dāng)_一樣，改變控制引腳狀態(tài)會(huì)使電荷耦合到引入信號(hào)噪聲的晶體管通道。本報(bào)告中提供了與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的相對(duì)比較數(shù)據(jù)。TI 多路復(fù)用器（例如 TMUX1308、TMUX1309 和 SN74HC4851）具有內(nèi)置注入電流控制電路，可將任何注入電流分流到地面上，穩(wěn)定輸出信號(hào)。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 通過控制注入電流防止串?dāng)_。
  圖 4-7 電荷注入
• 關(guān)斷隔離：對(duì)關(guān)斷狀態(tài)開關(guān)阻抗的量度。當(dāng)相應(yīng)通道處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，關(guān)斷隔離是在特定頻率下測(cè)量得出的，以dB為單位。
  圖 4-8 關(guān)斷隔離
• 導(dǎo)通泄漏電流：泄露電流是在輸入端口處于導(dǎo)通狀態(tài)、相應(yīng)的輸出端口處于導(dǎo)通狀態(tài)且輸出端為開路時(shí)測(cè)得的（請(qǐng)參閱 圖 4-9）。高阻抗?fàn)顟B(tài)下的泄漏電流應(yīng)非常小。泄漏電流如果很高，可能會(huì)給隔離總線帶來負(fù)載并破壞數(shù)據(jù)。
  圖 4-9 導(dǎo)通泄漏電流
• 關(guān)斷泄漏電流：泄露電流是在最壞的輸入和輸出條件下且相應(yīng)通道輸出處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)在輸入端口測(cè)得的（請(qǐng)參閱 圖 4-10）。泄漏電流是一個(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)闊o論開關(guān)閉合還是打開，泄漏電流都會(huì)導(dǎo)致直流誤差。
  圖 4-10 關(guān)斷泄漏電流
• 先斷后合時(shí)間 (t_BBM)：確保在多路復(fù)用器中，當(dāng)信號(hào)路徑被選擇輸入改變時(shí)，兩個(gè)多路復(fù)用器路徑絕不會(huì)形成電氣連接。先斷后合之間的延遲是一項(xiàng)安全功能，可防止在器件切換時(shí)連接兩個(gè)輸入。輸出首先斷開與導(dǎo)通狀態(tài)開關(guān)的連接，然后再與下一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)開關(guān)建立連接。這樣可以保證，當(dāng)信號(hào)路徑被選擇輸入改變時(shí)，兩個(gè)多路復(fù)用器路徑絕不會(huì)形成電氣連接。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 圖 4-11。
  圖 4-11 先斷后合時(shí)間 (t_BBM)
• 導(dǎo)通 (t_ON)/關(guān)斷 (t_OFF) 時(shí)間：開關(guān)路徑在內(nèi)部更改為導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)所需的時(shí)間。這些參數(shù)決定了開關(guān)能夠以多快的速度響應(yīng)所需的導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)（請(qǐng)參閱圖 4-12）。通常，開關(guān)的啟用和禁用時(shí)間是不對(duì)稱的。這通常不構(gòu)成問題，因?yàn)楹苌儆袘?yīng)用需要高控制（啟用）信號(hào)頻率。有關(guān)開關(guān)時(shí)序特性的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱開關(guān)和多路復(fù)用器：時(shí)序特性是什么？。
  圖 4-12 導(dǎo)通 (t_ON) 和關(guān)斷 (t_OFF) 時(shí)間
• 傳播延遲 (t_pd)：這是信號(hào)從輸入到輸出通過開關(guān)所需的時(shí)間。除了最關(guān)鍵的時(shí)序預(yù)算之處，該參數(shù)幾乎可以忽略不計(jì)。當(dāng)開關(guān)接通時(shí)，通過一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)通晶體管的傳播延遲很小。與開關(guān)本身相比，開關(guān)輸出上的負(fù)載和輸入的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于傳播延遲和時(shí)序的影響和限制通常要大得多。導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通電容以及器件的負(fù)載可用作估計(jì)傳播延遲的方法。
• 1.8V 控制邏輯：具有此特性的開關(guān)具有內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換器，可防止電源軌和控制邏輯之間的電壓不匹配。V_IH 和 V_IL 電平在任何電壓電源下都與 1.8V 邏輯電平兼容。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱 使用 1.8V 邏輯多路復(fù)用器和開關(guān)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的技術(shù)說明。大多數(shù)新的 TMUX 器件（例如：TMUX1108、TMUX1511、TS3A27518E、TS5A26542）都具有 1.8V 控制邏輯特性。內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換器可防止 TMUX 器件的電源軌與處理器的控制邏輯之間的電壓不匹配。此特性使處理器可以通過標(biāo)準(zhǔn)的 1.8V GPIO 引腳直接控制多路復(fù)用器。這樣，無需外部電壓轉(zhuǎn)換器，節(jié)省了系統(tǒng)空間。

• 1.2V 控制邏輯：與 1.8V 控制邏輯類似，該特性使 TMUX1575 等多路復(fù)用器能夠與 1.2V 邏輯電平邏輯兼容，減少了對(duì)外部電壓轉(zhuǎn)換器的需要，節(jié)省了系統(tǒng)空間。

• 支持負(fù)電壓：定義為允許負(fù)電壓通過而無需雙電源的多路復(fù)用器。TMUX4157N 是具有單一負(fù)電壓電源的示例，而 TS5A22362 和 TS5A22364 器件均是只通過單側(cè)正電源支持負(fù)模擬信號(hào)通過的示例。

• 自動(dòng)防故障邏輯：當(dāng)信號(hào)引腳上的電壓大于 VDD 時(shí)，確保開關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)并且邏輯引腳不會(huì)對(duì) VDD 反向供電。當(dāng)選擇引腳上存在邏輯信號(hào)且開關(guān)未通電時(shí)，具有自動(dòng)防故障邏輯的 TI 開關(guān)（例如 TMUX1574、TMUX1575、TMUX72xx、TMUX73xx 和 TMUX4157N）將保護(hù)下游元件。此特性允許在電源極引腳之前對(duì)控制引腳施加電壓，從而保護(hù)器件免受潛在的損壞。開關(guān)在 SEL 邏輯引腳上保持高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而防止電源在電源排序期間流經(jīng) VDD。例如，自動(dòng)防故障邏輯特性允許在電源 V_DD = 0V 時(shí)將 TMUX1574 的選擇引腳斜升至 5.5V。此外，該特性使多路復(fù)用器可以在 V_DD 低于選擇引腳上的電壓時(shí)運(yùn)行。
  • 保護(hù)多路復(fù)用器和下游 IC 免受損壞。
  • 消除對(duì)電源排序解決方案的需求。
  • 減少 BOM 數(shù)目和成本。簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
  • 提高系統(tǒng)可靠性。

    有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 自動(dòng)防故障邏輯是什么？。

  圖 4-13 自動(dòng)防故障邏輯