4 信號開關規格和特性

顯然，開關的重要特性取決于開關的用途。例如，V_CC 電平是多少，需要導通哪些幅度信號，系統的信號失真極限是多少，等等。下面將進一步詳細介紹這些規格和特性：

• 電源電壓：單電源 - 僅具有相對接地的正極電源極引腳的器件。對于非電荷泵開關，V_CC 確定了無需削波即可通過的模擬信號的幅度。施加的電壓被標記為 V_DD、V_CC、V₊，等等。諸如 TMUX1072、SN3257-Q1、TMUX136 和 TMUX15xx、CB3Q 系列且集成了電荷泵的開關可將柵極電壓提升至 V_CC 以上（代價是更大的 I_CC），從而導通幅度大于 V_CC 的信號。
• 電源電壓：雙電源 - 具有相對接地的正極和負極電源極引腳的器件。施加到正極引腳的電壓被標記為 V_DD、V_CC、V₊ 等等，而施加到負極引腳的電壓被標記為 V_SS、V_EE、V- 等等。對于非電荷泵開關，V_CC 確定了無需削波即可通過的模擬信號的幅度。導通晶體管的一個或多個柵極必須相對于預期輸入電壓范圍中的最小值和最大值進行偏置。諸如 TMUX11xx、TMUX61xx、TMUX62xx、TMUX74xxF、TMUX72xx、TMUX81xx、TMUX82xx、MUX36Sxx、MUX36Dxx、CD4000 和 TMUX40xx 系列之類的開關允許通過兩個電源進行偏置，因此易于導通正負信號。
• 開關控制信號電平 (V_IH/V_IL)：V_IH 是讓輸入控制信號達到邏輯 1 值的最小電壓，而 V_IL 是讓輸入控制信號能夠保持邏輯 0 值的最大電壓。為什么這些是模擬開關的重要注意事項？在大多數應用中，信號開關由數字源的輸出進行控制，因此，控制信號電平 V_IH 和 V_IL 必須與該數字源兼容，以確保開關正常工作。為防止數字邏輯控制問題，系統必須確保輸出高電平 (V_OH) 邏輯輸出高于其所控制的輸入高電平 (V_IH) 邏輯輸入。此外，邏輯輸出的輸出低電平 (V_OL) 必須低于其所控制的邏輯輸入的輸入低電平 (V_IL)。有關該邏輯標準，請參閱 圖 4-1。某些組件可能不符合這一標準，但讓 V_IH < V_OH 且 V_Il > V_OL 可確保系統正常運行。此外，在 VIH 和 VIL 電平間運行控制邏輯時，器件處于未定狀態，無法確定輸出。有關更多信息，請參閱 慢速或浮動 CMOS 輸入的含義。
  圖 4-1 邏輯閾值

• 邏輯引腳上的集成下拉：TI 多路復用器的邏輯輸入是 CMOS 輸入。除非使用的器件在邏輯引腳上有集成有下拉電阻器，在任何情況下都不建議使 TI 多路復用器的邏輯輸入保持懸空（請參閱 慢速或浮點 CMOS 輸入的含義）。如果未將電阻器驅動為高電平或低電平，則這些電阻器將邏輯引腳保持為已知狀態。這樣，無需額外的外部組件，節省了成本和空間。

• 導通電阻 (R_ON)：開關路徑接通后插入到信號路徑的電阻。由于會影響信號損失和衰減，必須考慮采用較低 R_ON 的折衷方案。無電荷泵開關通過大型導通晶體管實現了低 R_ON。這些較大的晶體管導致芯片尺寸更大，且 C_io 增加。這種附加的通道電容可以限制開關的頻率響應，因此非常重要。如 Topic Link Label2.3所述，采用電荷泵技術的開關可以實現較低的 R_ON 和 C_io，但需要明顯更高的 I_CC。
  圖 4-2 導通電阻
• 開關輸出電平：不帶電荷泵的開關可以通過的最大信號電平通常被限制在開關 V_CC。開關下游器件上是否有足夠的噪聲容限可以使開關中的信號衰減不會引起數據錯誤？例如，CBT 器件的 N 溝道晶體管將開關輸出鉗制在 V_CC 運行電壓下方略多于 1V 的位置，使其不適合用于 5V CMOS 高電平（V_IH = 3.5V）信號傳輸（除非從至少 4.5V 的 V_CC 運行）。在傳輸門架構的器件中看不到此鉗位。
• 導通和關斷電容 (C_ON/C_OFF)：開關路徑處于低阻抗狀態時的導通容性負載。開關路徑處于高阻抗狀態時的關斷容性負載。總開關電容和負載電容會影響響應時間、穩定時間和扇出限值，故必須加予考慮。有關更多信息，請參閱應用手冊：使用低導通電容多路復用器改善穩定性問題。C_io 是器件輸入/輸出 (I/O) 端子在施加輸入條件后的電容，根據產品規格在輸出端建立高阻抗狀態。此參數是在器件輸入/輸出 (I/O) 端遇到的內部電容。這些值根據器件的設計、工藝和封裝進行確定。
  圖 4-3 源極和漏極關斷電容
  圖 4-4 源極和漏極導通電容
• 頻率響應：所有 CMOS 開關對于可通過的頻率都設有上限。無論在芯片制造過程中可以保持多低的 R_ON 和 C_io ，都會形成一個不需要的低通濾波器，使開關輸出信號衰減。開關的帶寬 (BW) 是指可以通過開關且衰減不超過 3dB 的信號頻率范圍。
  圖 4-5 帶寬

• 閂鎖效應抑制：此特性可防止器件的電源軌由于電氣過應力、注入電流或電氣快速瞬變而短接在一起（閂鎖效應）。有關TI多路復用器閂鎖效應抑制的信息，請參閱 使用閂鎖效應抑制多路復用器幫助提高系統可靠性。

• 正弦波失真或總諧波失真：這些是器件線性度的量度。非線性的引入可以有多種方式（設計、器件物理特性等），但通常主要影響因素是 R_ON。如 圖 2-2 和圖 2-4 所示，對于所有類型的 CMOS 開關，R_ON 因 V_I/O 而異。具有低的R_ON 很重要，但在信號范圍內保持平緩的 R_ON 幾乎同樣重要。
• 串擾：需要考慮兩種類型的串擾：
  • 通道-通道串擾 (X_TALK)：不必要的信號從導通通道耦合到關斷通道的量度。此串擾在特定頻率下測量得出并以 dB 為單位。串擾水平是開關控制信號與開關輸出解耦程度的量度。由于 CMOS 工藝的寄生電容，改變控制信號上的狀態會導致輸出端出現噪聲。在音頻應用中，可能正是由于這一原因，有時在打開或關閉音頻設備時會聽到令人討厭的噗噗聲。TS5A22364 等器件具有內置分流電阻器，可將未選擇的信號路徑上積累的電容放電，以減少噗噗聲。
    圖 4-6 通道-通道串擾
  • 開關間串擾。串擾水平也是相鄰通道抑制的量度。與控制-輸出串擾一樣，寄生電容可以將一個開關上的信號與另一開關上的信號耦合。
• 電荷注入 (Q_C)：電荷注入是不必要的信號從控制 (IN) 輸入耦合到模擬輸出的量度。電荷注入以庫侖 (C) 為單位，可通過控制輸入切換時引起的總電荷來測量。TI 規定了“使能-輸出”串擾規格，一些競爭對手也使用此參數。與“使能-輸出”串擾一樣，改變控制引腳狀態會使電荷耦合到引入信號噪聲的晶體管通道。本報告中提供了與競爭對手的相對比較數據。TI 多路復用器（例如 TMUX1308、TMUX1309 和 SN74HC4851）具有內置注入電流控制電路，可將任何注入電流分流到地面上，穩定輸出信號。有關更多詳細信息，請參閱 通過控制注入電流防止串擾。
  圖 4-7 電荷注入
• 關斷隔離：對關斷狀態開關阻抗的量度。當相應通道處于關斷狀態時，關斷隔離是在特定頻率下測量得出的，以dB為單位。
  圖 4-8 關斷隔離
• 導通泄漏電流：泄露電流是在輸入端口處于導通狀態、相應的輸出端口處于導通狀態且輸出端為開路時測得的（請參閱 圖 4-9）。高阻抗狀態下的泄漏電流應非常小。泄漏電流如果很高，可能會給隔離總線帶來負載并破壞數據。
  圖 4-9 導通泄漏電流
• 關斷泄漏電流：泄露電流是在最壞的輸入和輸出條件下且相應通道輸出處于關斷狀態時在輸入端口測得的（請參閱 圖 4-10）。泄漏電流是一個重要的參數，因為無論開關閉合還是打開，泄漏電流都會導致直流誤差。
  圖 4-10 關斷泄漏電流
• 先斷后合時間 (t_BBM)：確保在多路復用器中，當信號路徑被選擇輸入改變時，兩個多路復用器路徑絕不會形成電氣連接。先斷后合之間的延遲是一項安全功能，可防止在器件切換時連接兩個輸入。輸出首先斷開與導通狀態開關的連接，然后再與下一個導通狀態開關建立連接。這樣可以保證，當信號路徑被選擇輸入改變時，兩個多路復用器路徑絕不會形成電氣連接。有關更多詳細信息，請參閱 圖 4-11。
  圖 4-11 先斷后合時間 (t_BBM)
• 導通 (t_ON)/關斷 (t_OFF) 時間：開關路徑在內部更改為導通或關斷狀態所需的時間。這些參數決定了開關能夠以多快的速度響應所需的導通或關斷狀態（請參閱圖 4-12）。通常，開關的啟用和禁用時間是不對稱的。這通常不構成問題，因為很少有應用需要高控制（啟用）信號頻率。有關開關時序特性的更多詳細信息，請參閱開關和多路復用器：時序特性是什么？。
  圖 4-12 導通 (t_ON) 和關斷 (t_OFF) 時間
• 傳播延遲 (t_pd)：這是信號從輸入到輸出通過開關所需的時間。除了最關鍵的時序預算之處，該參數幾乎可以忽略不計。當開關接通時，通過一個或多個導通晶體管的傳播延遲很小。與開關本身相比，開關輸出上的負載和輸入的驅動強度對于傳播延遲和時序的影響和限制通常要大得多。導通電阻、導通電容以及器件的負載可用作估計傳播延遲的方法。
• 1.8V 控制邏輯：具有此特性的開關具有內置電壓轉換器，可防止電源軌和控制邏輯之間的電壓不匹配。V_IH 和 V_IL 電平在任何電壓電源下都與 1.8V 邏輯電平兼容。有關更多信息，請參閱 使用 1.8V 邏輯多路復用器和開關簡化設計的技術說明。大多數新的 TMUX 器件（例如：TMUX1108、TMUX1511、TS3A27518E、TS5A26542）都具有 1.8V 控制邏輯特性。內置電壓轉換器可防止 TMUX 器件的電源軌與處理器的控制邏輯之間的電壓不匹配。此特性使處理器可以通過標準的 1.8V GPIO 引腳直接控制多路復用器。這樣，無需外部電壓轉換器，節省了系統空間。

• 1.2V 控制邏輯：與 1.8V 控制邏輯類似，該特性使 TMUX1575 等多路復用器能夠與 1.2V 邏輯電平邏輯兼容，減少了對外部電壓轉換器的需要，節省了系統空間。

• 支持負電壓：定義為允許負電壓通過而無需雙電源的多路復用器。TMUX4157N 是具有單一負電壓電源的示例，而 TS5A22362 和 TS5A22364 器件均是只通過單側正電源支持負模擬信號通過的示例。

• 自動防故障邏輯：當信號引腳上的電壓大于 VDD 時，確保開關保持關斷狀態并且邏輯引腳不會對 VDD 反向供電。當選擇引腳上存在邏輯信號且開關未通電時，具有自動防故障邏輯的 TI 開關（例如 TMUX1574、TMUX1575、TMUX72xx、TMUX73xx 和 TMUX4157N）將保護下游元件。此特性允許在電源極引腳之前對控制引腳施加電壓，從而保護器件免受潛在的損壞。開關在 SEL 邏輯引腳上保持高阻抗狀態，從而防止電源在電源排序期間流經 VDD。例如，自動防故障邏輯特性允許在電源 V_DD = 0V 時將 TMUX1574 的選擇引腳斜升至 5.5V。此外，該特性使多路復用器可以在 V_DD 低于選擇引腳上的電壓時運行。
  • 保護多路復用器和下游 IC 免受損壞。
  • 消除對電源排序解決方案的需求。
  • 減少 BOM 數目和成本。簡化系統設計。
  • 提高系統可靠性。

    有關更多詳細信息，請參閱 自動防故障邏輯是什么？。

  圖 4-13 自動防故障邏輯