【经验】解析模拟开关应用设计要点及选型步骤

模拟开关，是利用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，在各种自动控制系统和电子数码产品中得到了广泛应用。

下面润石科技分享模拟开关的一些基础要点，为广大工程师在模拟开关应用设计和选型使用上提供参考。

1、定义

模拟开关是电子开关的一种，为了导通（或隔离）模拟信号（包括电压和电流信号）以及支持模拟应用（例如音频和视频数据传输）而设计的。

需要注意跟负载开关做区分，负载开关是可以通过大电流的，因为其导通内阻很小。模拟开关是模拟开关本质上是在系统接口资源不够时，进行分时复用，提供一种高性价比的解决方案。

由于采用了MOS管的开断性能，模拟开关回路可以实现较高的关断阻抗，一般是兆欧姆以上的关断阻抗；和很低的导通阻抗，一般为几个欧姆级别，因此可以很好的实现信号链路切换和断开隔离的作用。根据应用需求不同；模拟开关可以分为音频模拟开关、视频模拟开关、数字开关、通用模拟开关等。

模拟开关内部的等效电路，由 NMOS 和 PMOS 管并联组成，这样可以做到输入输出都能达到轨到轨，而且模拟开关的信号流是双向的，不区分方向。COM引脚表示公共端，NC 引脚表示常闭端，也就是 Control引脚为低电平时开关的状态。NO 引脚表示常开端，也就是 Control 引脚为高电平时开关的状态。

单刀单掷型模拟开关RS2166

单刀双掷型模拟开关RS2057

2、模拟开关形态

单刀单掷(SPST)，单刀双掷(SPDT)，单刀三掷(SPTT)，或者通俗讲，就是 1 切 2，1 切 3，1 切 4，1 切 8，1 切 16，然后一个芯片里面有几个 几切几 开关，就叫多少个通道数。

3、特定场景模拟开关

音频开关：允许通过音频信号（负电压—Vcc） 耗尽型开关：Vcc上电时开关关断，Vcc断开时开关导通

USB2.0开关：支持480Mbps的信号速率（-3dB带宽为550MHz）

4、模拟开关的主要参数

● 电压范围

1）供电电压范围：开关供电电压指的是加在芯片供电端的电压值，分为支持正负供电和不支持正负供电两种情况。供电范围也决定了信号可以无削波的传输幅度。

2）模拟电压范围：在NC，NO，COM这些端口上允许通过的电压范围。一般为0-Vcc或者VDD-VEE=Spe

● 泄露电流

在开关导通/关断的时候，在源极（S）和漏极（D）测到的非理想的电流值。

如果通过模拟开关前端电路的阻抗大则漏电流的影响不容忽略，如果前端电路阻抗较小，则导通电阻的影响就会更大些。

● 导通电阻

开关路径接通后插入信号路径的电阻。 导通电阻会随着输入电压值改变。

导通电阻平坦度 (RON FLAT) - VD 或 VS 电压范围下，同一通道内 Ron 最大值与最小值之间的差值。

● 允许通过电流（与导通电阻相关）

开关闭合后，开关允许流过的电流大小，考虑到导通电阻，越大电流带来的电压损失越大，功耗/发热也会越大

● 带宽

可通过开关且衰减不超过 3dB 的信号频率范围

● 开关控制信号电平（VIH、VIL）

开关更改内部信号路径所需的控制引脚（EN、SEL、IN 等）上所需的电压电平。

   • VIH – 输入控制信号实现逻辑 "1"高 值的最小电压

   • VIL – 输入控制信号保持逻辑 "0"低 值的最大电压

● 寄生电容

导通寄生电容：开关路径处于低阻抗状态时的电容性负载。

关断寄生电容：开关路径处于高阻抗状态时的电容性负载。

● 开关时间

ton/toff--在地址信号上升或下降超过逻辑阈值后，开关输出上升或下降到最终值的给定百分比内所需的时间。

t (BBM)--先断后合时间: 开关在切换通道的时候会先段开原有的连接再与新的路径连接

确保在多路复用器中，当通过选择输入改变信号路径时，两个多路复用器路径绝不会形成电气连接。

● 隔离度 & 串扰度

关断隔离 (OISO)：测量关断状态开关阻抗。这是 VD1 与 VS1 之比，以 dB 为单位，当相应通道处于关断状态时，在特定频率下测量得出。

通道间串扰 (XTALK) ：对从导通通道到关断通道之间不必要的信号耦合的一种量度。这是 VS2 与 VS1 之比，在特定频率下测量得出并以 dB 为单位。

5、模拟开关应用设计要点1

a、注意耐压范围

b、注意导通电阻和后级负载的数量级关系

c、模拟开关不是负载开关，导通电流仅能承受mA量级

d、选择合适的带宽

    1）USB接口复用：RS2227/RS2228

    2）SPI接口复用，I2S信号切换：带宽300MHz模拟开关RS2299

    3）UART、I2C接口扩展：RS2105/RS2058等

e、特定场景开关

    1）音频应用考虑以通过负压的开关。RS2117/8

    2）头戴耳机考虑耗尽型开关。RS550

    3）多路复用器：RS2251/RS2252/RS2254

RS2117/RS2118非常适合用于降噪耳机，音箱，KVM、矩阵以及调音台等产品中。在音频系统中，对模拟开关的要求是可以过交流信号，并且需要消除瞬时放电脉冲通过扬声器时引起的POP音。这些瞬时脉冲通常由电源的通、断引起。下图是用RS2118设计的一种消除POP音的电路：

6、模拟开关应用设计要点2

a、注意耐压范围

b、注意导通电阻和后级负载的数量级关系

c、模拟开关不是负载开关，导通电流仅能承受mA量级

d、选择合适的带宽

    1）USB接口复用：RS2227/RS2228

    2）SPI接口复用，I2S信号切换：带宽300MHz模拟开关RS2299

    3）UART、I2C接口扩展：RS2105/RS2058等

e、特定场景开关

    1）音频应用考虑以通过负压的开关。RS2117/8

    2）头戴耳机考虑耗尽型开关。RS550

    3）多路复用器：RS2251/RS2252/RS2254

蓝牙降噪耳机一般需要有一个功能，即降噪模块不工作时，外部的 Line in 信号可以正常输入，这个功能需要用到耗尽型的模拟开关来实现，具体表现为模拟开关有电时隔离，断电后导通。RS550 是专门为这种应用设计的耗尽型模拟开关。

特性：提供 4 通道，满足左右声道立体声差分信号和单端信号应用；覆盖音频频段；提供WLCSP12、QFN-3x3mm 两种封装。

7、模拟开关的选型步骤：

a、根据实际传输信号幅度选择模拟开关的供电电压值，同时注意将控制脚的高低电平。

b、选择合适的导通阻抗，考虑负载电阻值，导通电流，泄露电流等参数；

c、选择合适的带宽，确认开关的开启和关断速率；

d、确认模拟开关可以承受的电流值大小；

e、确定芯片的封装大小

8、润石公司模拟开关优势

a、种类丰富，封装齐全

b、带宽覆盖面广，550MHz以下全覆盖

c、导通阻抗相对低

d、泄漏电流1μA