Стандартные компоненты от TI: аналоговые коммутаторы и их применение

Филипп Пишо, Кристофер Грейвс (Texas Instruments)

В статье инженеров компании Texas Instruments рассматривается проблема выбора аналоговых коммутаторов для различных электронных разработок в промышленности, бытовой технике и сетевом оборудовании. Приведены технические характеристики рекомендуемых компанией аналоговых коммутаторов TS12A4516, TS5A3159, TS3USB221 и TS2PCIE2212.
Аналоговые коммутаторы все чаще применяются в различном конечном оборудовании, включая бытовую электронику (оборудование мобильной связи и аудиосистемы), промышленные системы и сетевое оборудование. Каждая область применения устанавливает особые требования, что осложняет задачу разработчиков при выборе оптимального коммутатора. Оптимизации разработки с применением аналогового коммутатора способствует правильный выбор сочетания сопротивления коммутатора во включенном состоянии (R_DS(ON)) и его емкости во включенном состоянии (CON).

Современные аналоговые коммутаторы состоят либо из транзистора с каналом n-типа и транзистора с каналом p-типа, либо из транзистора с каналом n-типа и генератора подкачки заряда. В реальных условиях изменение выходного сигнала обусловлено паразитным эффектом коммутатора. Результатом может быть снижение амплитуды, искажение сигнала, фазовый сдвиг, возникновение помех и подавление частот.

Параметры, способствующие возникновению неидеальных характеристик:

• R_DS(ON) – сопротивление в открытом состоянии от стока к истоку полевого транзистора
• C_ON/C_OFF – емкость в состоянии «вкл» и «выкл»
• R_ONFLAT – равномерность сопротивления в состоянии «вкл»
• QC – инжекция заряда
• Перекрестные помехи/развязка в состоянии «выкл»

Все эти характеристики обладают сильной взаимозависимостью. Следовательно, разработчик должен с особым вниманием отнестись к выбору компромиссных решений для каждого отдельного случая с учетом особенностей применения.

Как упоминалось ранее, существует две основных структуры аналоговых коммутаторов (рис. 1).

           

Рис. 1. Основные структуры аналоговых коммутаторов

Для обеих этих КМОП-структур сопротивление и емкость коммутатора во включенном состоянии будут определяться характеристиками канала. Сопротивление и емкость по мере усложнения процесса будут снижаться за счет наибольшего рабочего напряжения из-за более тонкого слоя подзатворного оксида. О компромиссе можно говорить в том случае, когда ширина транзистора в коммутаторе увеличивается для снижения сопротивления R_DS(ON). Однако это приводит к увеличению емкости C_ON/C_OFF.

Чаще всего применяются аналоговые коммутаторы с параллельными МОП-транзистором с каналом р-типа и МОП-транзистором с каналом n-типа, так как это обеспечивает двунаправленный путь с низким сопротивлением для любого входного сигнала в диапазоне от V_DD до V_SS. Альтернативой является МОП-транзистор с каналом n-типа, где уровень напряжения на затворе превышает значение V_DD вследствие воздействия генератора подкачки заряда. Это позволяет сохранять низкое сопротивление канала для всего диапазона входных сигналов. Дополнительным преимуществом является отсутствие транзистора с каналом р-типа, который снижает общую емкость аналогового коммутатора. Если по условиям разработки для определенного процесса допускается воздействие достаточно высокого напряжения генератора подкачки заряда на целостность оксидного слоя затвора, то кривую зависимости R_DS(ON) от входного сигнала для коммутатора с генератором подкачки заряда можно сдвинуть вниз и сделать более плоской, как покaзано на рис. 2. Самый большой недостаток коммутатора с генератором подкачки заряда - невозможность его использования в портативных устройствах, обусловленная тем, что внутренний генератор и генератор подкачки заряда обычно потребляют около 100 мкА.

Рис. 2. Сравнение RDS (ON) для коммутатора с каналом n-/р-типа и коммутатора с генератором подкачки заряда

Теперь мы знаем, что при рассмотрении конструкции аналоговых коммутаторов основное внимание должно уделяться сопротивлению и емкости во включенном состоянии. Так как кремниевый коммутатор не является идеальным, сигнал, который проходит через коммутатор, изменяется благодаря его внутренним сопротивлению (R) и емкости (C). Основной мерой сбоя сигнала являются вносимые потери. По существу, это снижение максимальной мощности, которое может произойти при размещении коммутатора на пути прохождения сигнала. Как правило, измерение вносимых потерь осуществляется при входном сопротивлении осциллографа 50 Ом, как показано на рис. 3, что приводит к снижению амплитуды сигнала.

Рис. 3. Вносимые потери и кривые измерения ширины полосы пропускания

На рисунке показаны кривые вносимых потерь для трех аналоговых коммутаторов с различными характеристиками сопротивления (R_DS(ON)) и емкости (C_ON). По причине взаимозависимости сопротивления и емкости во включенном состоянии, частотная характеристика кривой вносимых потерь будет определяться полным сопротивлением коммутатора. Далее приводятся характеристики трех коммутаторов:

Коммутатор 1 - R_DS(ON) = 1,1 Ом, CON = 84 пФ

Коммутатор 2 - R_DS(ON) = 6 Ом, CON = 6 пФ

Коммутатор 3 - R_DS(ON) = 14 Ом, CON = 4 пФ

Ясно видно, что вносимые потери на низких частотах обусловлены значением сопротивления R_DS(ON). Емкость выглядит как обрыв и лишь в незначительной степени влияет на полное сопротивление коммутатора. Тем не менее, по мере увеличения частоты, емкость коммутатора (C_ON) начинает оказывать все большее влияние во вносимые потери. Второй параметр аналогового коммутатора, который может быть определен по данной диаграмме - ширина полосы пропускания. Для коммутатора ширина полосы пропускания рассчитывается путем определения частоты, в которой вносимые потери снижаются на 3 дБ с начальной НЧ-точки. В большинстве случаев ширина полосы пропускания -3 дБ будет увеличиваться по мере снижения емкости во включенном состоянии независимо от сопротивления коммутатора. Несмотря на это, для областей применения, в которых используются частоты сигнала в диапазоне 100...500 МГц, лучше использовать коммутатор 2, так как он имеет более низкие вносимые потери, чем коммутатор 3, что объясняется более низким сопротивлением в открытом состоянии.

Сопротивление и емкость аналогового коммутатора воздействуют не только на амплитуду проходящего сигнала, но и на его качество. Для повышения качества сигнала в системе следует свести к минимуму суммарный коэффициент гармонических искажений (THD). Как следует из названия, суммарный коэффициент гармонических искажений имеет непосредственное отношение к звуковым системам при низких частотах. Следовательно, сопротивление коммутатора будет основным фактором при определении характеристики системы, как это следует из уравнения, приведенного ниже:

THD ~ R_FLAT/R_LOAD

В данном случае, R_FLAT - это изменение R_DS(ON) по всему диапазону входного сигнала, а R_LOAD - полное сопротивление (импеданс) нагрузки, например, наушников или динамика. По мере снижения сопротивления коммутатора кривая зависимости R_DS(ON) от входного сигнала будет становиться более плоской, и суммарный коэффициент гармонических искажений будет снижаться.

Подобным же образом на характеристики высокочастотной системы сильно влияет качество сигнала, который часто отображается на глазковой диаграмме. Для этих высокоскоростных систем решающее значение имеет большой раскрыв глазковой диаграммы. Изменение происходит по мере возрастания амплитуды сигнала и пограничных показателей. Оба этих параметра могут быть оптимизированы путем снижения емкости коммутатора в открытом состоянии в интересующем диапазоне входного сигнала. На рис. 4 представлены две глазковых диаграммы при скорости передачи сигналов 208 МГц.

Рис. 4. Глазковые диаграммы

Слева представлена глазковая диаграмма для TS5A23157, емкость в открытом состоянии (C_ON) которого составляет 18 пФ. Справа представлена глазковая диаграмма для TS3DS26227, емкость в открытом состоянии (C_ON) которого ниже и составляет 10.5 пФ. Результатом является позитивное изменение раскрыва глазковой диаграммы с более крутым фронтом.

Как было сказано выше, значения R_DS(ON) и C_ON обладают высокой взаимозависимостью и зависят от структуры коммутатора. Поэтому очень важно выбрать коммутатор, подходящий именно для данной области применения.

Например, разработчику, который хочет переключить звуковые сигналы (различные варианты применения: телефонная трубка, бытовая электроника, профессиональные аудиосистемы и т.д.) следует крайне тщательно выбирать коммутатор с отличными характеристиками сопротивления во включенном состоянии R_DS(ON) (сопротивление 0.5...1.5 Ом, равномерность сопротивления 0.15 Ом), так как это повлияет на искажение сигнала, тогда как ширина полосы пропускания, а, следовательно, и емкость во включенном состоянии (C_ON), не играют большой роли (допустимое значение > 50 пФ). Для областей применения со средней скоростью, как, например, передача данных через USB, следует найти надлежащий компромисс между скоростью (а, следовательно, и значением C_ON) и ослаблением сигнала. В этом случае пользователь должен рассмотреть возможность высокой скорости (до 1.1 ГГц) с сохранением надлежащих характеристик R_DS(ON) (5...6 Ом), чтобы удерживать ослабление сигнала на как можно более низком уровне. И, наконец, для видеосистем (PCI Express или HDMI) необходимо подобрать самый быстрый коммутатор для поддержки скорости потока видеоданных. Скорее всего, предпочтение будет отдано коммутатору с МОП-структурой «транзистор с каналом n-типа/генератор подкачки заряда», который демонстрирует лучшие характеристики C_ON. Однако следует учесть, что это происходит за счет более высокого значения R_DS(ON) и более значительного потребления энергии.

Дополнительные возможности применения, например, в промышленности (регулировка усиления, предварительное формирование и преобразование сигнала) соотносятся с другими основными требованиями, в частности, диапазоном входного сигнала и способностью использовать двойное напряжение питания. При выборе коммутатора следует рассматривать и другие параметры, в том числе инжекцию заряда, перекрестные помехи, ток в рабочей точке и изоляцию в закрытом состоянии.

В заключение приводятся характеристики четырех коммутаторов (табл. 1) для четырех различных вариантов применения. Таблица может помочь в поиске компромиссного решения с учетом области применения и структуры коммутатора.

Таблица 1. Характеристики аналоговых коммутаторов Texas Instruments

Варианты применения	Промышленность	Аудиосистемы	USB	Видеосистемы: PCI Express/HDMI
Пример	TS12A4516	TS5A3159	TS3USB221	TS2PCIE2212
Конфигурация	МОП-структуры с каналом n-/р-типа	МОП-структуры с каналом n-/р-типа	МОП-структуры с каналом n-типа + генератор подкачки заряда	МОП-структуры с каналом n-типа + генератор подкачки заряда
RDS(ON), Ом	25	1.1	6	14
CON, пФ	16	84	6	4
RDSON Flat, Ом	3	0.15	1	5
Vin min, В	-5.5/+5,5	0/+5.5	0/+5.5	0/+1.9
BW, ГГц	0.45	0.1	1.1	2,5
Инжекция заряда, пКл	13	36	нет	нет
Перекрестные помехи, дБ	нет	-65	-41	-39
Icc, мкА	70	0.1	30	160