最近，許多人都談論過低歐姆值類比開關的參數如導通電阻、電荷注入和導通電阻平坦度等，但是關於因應特定應用選擇合適低歐姆值開關的題目卻較少人談及...
最近，許多人都談論過低歐姆值類比開關的參數如導通電阻、電荷注入和導通電阻平坦度等，但是關於因應特定應用選擇合適低歐姆值開關的題目卻較少人談及。因此本文將針對音頻信號失真加以分析，以便充分瞭解如何在可攜設計的功率節省和信號保真之間取得平衡。
此外，也將分析低歐姆值類比開關在低電壓資料擷取應用中的使用狀況，藉此瞭解如何在關鍵規格基礎上確定合適的取樣頻率，從而加快設計進程。
類比開關正廣泛用於可攜設備的基頻音頻設計中。根據音頻信號的處理需求，類比開關在手機中的典型應用會如圖1所示，在樂曲生成器的振鈴和基頻聲音之間共用揚聲器。而使用低導通電阻開關可以節省功率。但當考慮到置於開關後音頻放大器所提供的增益，便毋需要採用超低導通電阻(遠低於1歐姆)。音頻放大器可以補償開關的損耗。另一方面，任何由開關帶來的非線性失真，會被放大並導致音頻信號失真。音頻放大器的增益越高，輸出端的諧波失真越大。
在確定選用何種開關如超低導通電阻或低失真之前，先要找出在頻域中引起總諧波失真(THD)的因素。為了簡便起見，我們不會使用繁複的FFT演算法，而是拉普拉斯(Leplace)域中的轉換函數來進行簡要分析，以深入瞭解THD的成因。
任何導通開關模型均可以轉換函數表達：
(詳細請見新通訊44期10月號第52頁)
RON為導通電阻，RL是總體阻性負載。對於圖1應用中的開關，RL是音頻放大器的輸入阻抗，該阻抗非常高，一般超過1MΩ。CON是開關自身的導通電容，而Ci則是放大器的輸入電容。鑒於低歐姆值開關的RL和CON分別高出RON和Ci很多，程式(1)可簡化為程式(2)。而公式(3)至(4)為相應的幅度(︳G(s)︳)和相位(γ)回應。
(詳細請見新通訊44期10月號第53頁)
上式中的w是輸入信號頻率。公式(3)和(4)中R或C值的改變可能在低頻區域(20 到20 kHz音頻信號)中引起開關轉換幅度和相位的非線性失真。低頻增益和相位變化的成因包括RON平坦度和CON值的改變。通常，在設計中降低開關的導通電阻會在相反方向增加導通電容。實際上，這裏的導通電容是由內部MOS元件交疊電容構成，如閘源極和閘汲極交疊電容以及接面電容，而後者更是主要的組成部分。接面電容的電壓依賴性對於超低歐姆值開關的THD具有關鍵作用。接面電容靈敏度對比所施加的電壓可透過程式(5)表達。
(詳細請見新通訊44期10月號第53頁)
此處V是施加於結的反向偏置電壓，而為內置結電勢。接面電容對於輸入電壓的靈敏度是影響導通電容變化的主要因素，考慮到導通電阻平坦度因先進的CMOS技術而變得很小，導通電容的變化遂支配著超低歐姆值開關的總諧波失真。對於超低歐姆值類比開關，導通電容和其平坦度是引起音頻信號失真的主因。因此，必需在來自更小導通電阻的功率節省和來自高導通電容的更高諧波失真之間取得平衡。以Fairchild所推出的FSA2257(雙SPDT)和FSA4157 (單SPDT)音頻開關為例，其THD僅為0.002%，且導通電阻低，最大值為1.15歐姆，功率較低。加上採用超小型封裝，令這些開關非常適用於可攜產品。其封裝面僅1.45mm2(6腳 MicroPak)。
單刀/單擲(SPST)和單刀/雙擲(SPDT)開關，現廣泛用於低壓資料擷取應用中，如工業控制和低壓儀表。圖2是典型低壓取樣和保持電路，並具有可編程增益放大器。A1元件提供的增益由前置MUX切換的感測器輸出決定。經檢測的超低幅度信號往往需要高增益。增益層可以是簡單的同相放大器或三個放大器的儀表放大器。圖2反饋電阻網路的連接方式具多種溫度穩定增益優點，因為開關不是反饋網路的一部分。必須用具有低導通電阻和低漏電流的開關，將由IR壓降引起的靜態誤差減至最低。在U3開關和A/D轉換器間的單位增益緩衝器是簡單的一層，可消除A2差動輸入之間電荷注入，提高信號精度。該緩衝器亦提供類比開關和A/D轉換器間的隔離，透過在電容器CH上保持穩定的電荷，使取樣電壓的雜訊效應降至最小。取樣/保持電路的最小取樣頻率由採集時間(tSD)和 A/D轉換器延遲時間的總和來決定，tSD由開關的導通時間(tON)和設定時間tS構成，如公式(6)所示。
(詳細請見新通訊44期10月號第54頁)
上式中A是類比開關U3輸入電壓的幅值，ε是由用戶定義可接受的誤差範圍，通常較A/D轉換器解析度()小。此處的數位N是A/D轉換器數位輸出的位元寬度。
由此可見，開關導通電阻、漏電流以及電荷注入等是資料擷取應用中靜態誤差的可能來源。RC時間常數決定了為維持取樣信號精度所需穩定信號最短的時間。這方面的要求在Fairchild新推出的FSA1156(常開SPST)、FSA1157(常閉SPST) 和FSA1256(雙SPST)開關，均可理想地用於低壓攜帶型資料擷取應用中，其漏電流一般僅為700pA，且所有上述元件都採用小型封裝 (MicroPakTM)，ESD性能高達8KV (HBM)，能很好地滿足精密儀器應用的要求。
隨著手持和超攜帶型應用如手機、工業控制和低電壓儀錶等日益講求通信和電腦功能方面的聚合，採用小型封裝的超低歐姆值類比開關將更廣泛地用於這些設計之中，滿足各式功能需要。透過瞭解主要規格和應用需求之間的相關性，設計人員可以選擇合適的元件，有效地加快設計進程。導通電阻並非所有應用的唯一準則。對於類比和數位設計，必需在功率節省、信號保真以及精度維護之間取得平衡。