模拟开关和多路复用器基本知识

模拟开关和多路复用器是电子设计中的关键元件，用于控制和选择模拟信号的传输路径。这些器件在各种应用中都有所应用，比如多通道数据采集系统、过程控制、仪器仪表以及视频系统等。 早期的模拟开关和多路复用器基于分立式MOSFET设计，但在20世纪70年代随着CMOS工艺的进步，这些组件被集成到集成电路中，例如ADI公司的AD7500系列。CMOS工艺的优势在于可以在同一芯片上制造性能优良的PMOS和NMOS晶体管，使得开关和多路复用器在性能上有了显著提升。随后的发展趋势包括更低的导通电阻、更快的开关速度、更低的电源电压、更低的成本、更低的功耗和更小的封装尺寸。 现代模拟开关和多路复用器可以处理更高的信号电压，例如ADG200和ADG201系列，它们在±15 V电源下支持±15 V的输入信号。近年来，随着技术的进一步发展，一些器件的导通电阻已经低于0.5 Ω，信号带宽超过1 GHz，甚至可以在1.8 V单电源下工作。此外，还有采用±15 V电源的工业产品，如基于ADI公司的iCMOS工艺的器件，特别适合工业环境。 CMOS开关的基础是MOSFET晶体管，这是一种电压控制的电阻。在导通状态，其电阻非常低，而在关断状态，电阻极高，同时存在极小的漏电流。CMOS技术能够与逻辑电路兼容，并且可以实现高密度集成，提供快速的开关速度和较低的寄生效应。MOSFET是双向的，可以处理正负电压和电流。 互补MOS工艺（CMOS）结合P沟道和N沟道MOSFET，形成双向开关，减少了导通电阻并降低了电阻随信号电压变化的影响。然而，CMOS开关的导通电阻并非完全线性，这可能导致直流精度和交流失真的问题。通过优化设计，如ADG8xx系列，可以显著降低导通电阻，提高线性度，并扩大工作温度范围。 在实际应用中，需要注意CMOS开关的开关驱动、信号摆幅对导通电阻的影响，以及输入信号电平和温度对性能的影响。例如，图4显示了ADG801/ADG802 CMOS开关的导通电阻与输入信号电平的关系。此外，图5所示的等效电路可以帮助理解两个相邻CMOS开关之间的相互作用。 模拟开关和多路复用器是现代电子系统中的重要组成部分，它们的发展历程反映了半导体技术的进步。设计师在选择和应用这些器件时，需要考虑其电气特性、开关速度、电源需求、信号带宽以及工作环境等多个因素，以确保最佳性能和可靠性。