模拟开关的模拟特性及工作原理

模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。

模拟开关的模拟特性

模拟开关虽然具备开关性，但和机械开关有所不同，它本身还具有半导体特性：

1.导通电阻(Ron)随输入信号(VIN)变化而变化

a是模拟开关的简单示意图，由图中可以看出模拟开关的常开常闭通道实际上是由两个对偶的N沟道MOSFET与P沟道MOSFET构成，可使信号双向传输，如果将不同VIN值所对应的P沟道MOSFET与N沟道MOSFET的导通电阻并联，可得到图b并联结构下Ron随输入电压(VIN)的变化关系，如果不考虑温度、电源电压的影响，Ron随Vin呈线性关系，将导致插入损耗的变化，使模拟开关产生总谐波失真(THD)。此外，Ron也受电源电压的影响，通常随着电源电压的上升而减小。

2.模拟开关输入有严格的输入信号范围

由于模拟开关是半导体器件，当输入信号过低(低于零电势)或者过高(高于电源电压)时，MOSFET处于反向偏置，当电压达到某一值时(超出限值0.3V)，此时开关无法正常工作，严重者甚至损坏。因此模拟开关在应用中，一定要注意输入信号不要超出规定的范围。

3.注入电荷

应用机械开关我们当然希望Ron越低越好，因为低阻可以降低信号的损耗。然而对于模拟开关而言，低Ron并非适用于所有的应用，较低的Ron需要占据较大的芯片面积，从而产生较大的输入电容，在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流。时间常数t=RC，充电时间取决于负载电阻(R)和电容(C)，一般持续几十纳秒。这说明低Ron具有更长的导通和关断时间。为此，选择模拟开关应该综合权衡Ron和注入电荷。

4.开关断开时仍会有感应信号漏出

这一特性指的是当模拟开关传输交流信号时，在断开情况下，仍然会有一部分信号通过感应由输入端传到输出端，或者由一个通道传到另一个通道。通常信号的频率越高，信号泄漏的程度越严重。

5.传输电流比较小

模拟开关不同于机械开关，它通常只能传输小电流，目前CMOS工艺的模拟开关允许连续传输的电流大多小于500mA。

6.逻辑控制端驱动电流极小

机械开关逻辑控制端的驱动电流往往都是毫安级，有时单纯靠数字I/O很难驱动。而模拟开关的逻辑控制端驱动电流极小，一般低于纳安级。因此，它完全可以由数字I/O直接驱动，从而达到降低功耗、简化电路的目的。

模拟开关的开关特性

既然称之为模拟开关，自然它还具有开关性，具体表现如下：

1.信号可双向传输

有些人习惯于把模拟开关的两个常开常闭端称之为输入端，公共端称之为输出端，其实这只是根据模拟开关的具体应用给予的临时定义。模拟开关大多可以使信号双向传输，如果忽略这一点，就很容易使电路生成问题，比如将电压反向偏置、电流倒灌等。

2.开关断开后漏电流极小

模拟开关在断开(OFF)时会呈现高阻状态，两传输端间的漏电流极小，一般只有纳安级以下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模拟开关，其断开后的漏电流均为1nA。这么微弱的电流在应用中可忽略不计，模拟开关此时可被认为是理想断开的。

总之，模拟开关是具有开关功能的半导体器件，在应用过程中既要充分利用它的开关功能，又要考虑它的半导体特性，否则可能会出现意想不到的麻烦。

模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成，如图一所示。模拟开关的真值表见表一。

模拟开关的工作原理如下：

当选通端Ｅ和输人端Ａ同为1时，则S2端为０，Ｓ1端为１，这时ＶＴ1导通，ＶＴ2截止，输出端Ｂ输出为１，Ａ=Ｂ，相当于输入端和输出端接通。

当选通Ｅ为0时，而输人端Ａ为０时，则S2端为1，S1端为０，这时ＶＴ1截止，VT2导通，输出端Ｂ为０，Ａ＝Ｂ，也相当于输人端和输出端接通。

当选通端Ｅ为０时，这时ＶＴ1和ＶＴ2均为截止状态，电路输出呈高阻状态。

只有当选通端Ｅ为高电平时，模拟开关才会被接通，此时可从Ａ向Ｂ传送信息；当输人端Ａ为低电平时，模拟开关关闭，停止传送信息。