【獨(dú)家焦點(diǎn)】一文學(xué)會(huì)高效比較CMOS開關(guān)和固態(tài)繼電器性能

作者：ADI產(chǎn)品應(yīng)用工程師Stephen Nugent

(資料圖)

源極和漏極之間的關(guān)斷電容CDS(OFF)可用來衡量關(guān)斷開關(guān)后，源極信號(hào)耦合到漏極的能力。它是固態(tài)繼電器（如PhotoMOS^?、OptoMOS^?、光繼電器或MOSFET繼電器）中常見的規(guī)格參數(shù)，在固態(tài)繼電器數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常稱為輸出電容C_OUT。CMOS開關(guān)通常不包含此規(guī)格參數(shù)，但關(guān)斷隔離度是表征相同現(xiàn)象的另一種方法，關(guān)斷隔離度定義為，開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下，耦合到漏極的源極的信號(hào)量。ADI將在本文討論如何從關(guān)斷隔離度推導(dǎo)出C_OUT，以及如何通過它來更有效地比較固態(tài)繼電器和CMOS開關(guān)的性能。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)镃MOS開關(guān)適合許多使用固態(tài)繼電器的應(yīng)用，例如切換直流信號(hào)和高速交流信號(hào)。

如何從關(guān)斷隔離度導(dǎo)出C_DS(OFF)

圖1顯示ADG5412的關(guān)斷隔離度與頻率的典型性能圖。該圖顯示，當(dāng)源極上的信號(hào)頻率上升時(shí)，關(guān)斷隔離度降低。

圖1.ADG5412關(guān)斷隔離度與頻率的關(guān)系（±15V雙電源）

這意味著，隨著信號(hào)頻率增加，源極上有更多信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在關(guān)斷開關(guān)的漏極。如果您觀察開關(guān)的等效電路在關(guān)斷狀態(tài)下的表現(xiàn)，如圖2中的測(cè)試電路所示，會(huì)發(fā)現(xiàn)這種狀況不足為奇。當(dāng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，源極和漏極之間存在寄生電容，即圖中的C_DS(OFF)。這種寄生電容使高頻信號(hào)能夠通過，關(guān)斷隔離圖就是為了確定這些特征。

圖2.關(guān)斷隔離度測(cè)量測(cè)試電路

從圖2所示的測(cè)試電路中獲取V_S和V_OUT，然后將它們代入以下公式中，以計(jì)算關(guān)斷隔離度：

將從關(guān)斷隔離圖中得到的結(jié)果應(yīng)用到開路開關(guān)的等效電路中，可計(jì)算得出CMOS開關(guān)的C_DS(OFF)。首先，如果考慮關(guān)斷開關(guān)通道和負(fù)載，可以將電路視為高通濾波器，如圖3所示。

圖3.C_DS(OFF)和R_L高通濾波器

所示電路的轉(zhuǎn)換函數(shù)可以通過以下公式計(jì)算得出：

接下來，考慮源電壓V_S及其阻抗，如圖2所示。源阻抗R_S為50Ω，與50Ω負(fù)載阻抗R_L匹配。假設(shè)在理想情況下，C_DS(OFF)短路，那么在阻抗相等時(shí)，V_S為V_IN的2倍。這意味著，當(dāng)根據(jù)V_S計(jì)算轉(zhuǎn)換函數(shù)時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)會(huì)翻倍。

所以，整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)為：

然后，可以將這個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)代入關(guān)斷隔離度公式，得出：

然后，重新變換該公式，求解C_DS(OFF)的值：

這意味著，如果知道R_L、輸入信號(hào)的頻率f，以及關(guān)斷隔離規(guī)格值(dB)，就可以計(jì)算出C_DS(OFF)。這些值可以在ADI產(chǎn)品系列中的開關(guān)或多路復(fù)用器產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。以下示例將展示其執(zhí)行步驟。

C_DS(OFF)計(jì)算示例

本例使用受SPI控制的4路SPST開關(guān)ADGS1612。ADGS1612的關(guān)斷隔離規(guī)格為?65dB，可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的表1中找到。根據(jù)關(guān)斷隔離規(guī)格的測(cè)試條件部分，R_L為50?，信號(hào)頻率f為100kHz。將這些值代入C_DS(OFF)公式，可以計(jì)算得出電容值。

注意，在開關(guān)與多路復(fù)用器的關(guān)斷隔離測(cè)量電路中，在開關(guān)通道的源極引腳之前，可能包含一個(gè)額外的50?端接電阻，如圖4所示。采用以這種方式測(cè)量得出的關(guān)斷隔離規(guī)格，仍然可以使用C_DS(OFF)公式進(jìn)行計(jì)算。但是，如果源極引腳使用50Ω端接電阻（隨后用于C_DS(OFF)公式中），需要在數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的關(guān)斷隔離規(guī)格的基礎(chǔ)上加上6dB。這是為了進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)樵礃O的50?端接電阻會(huì)使電壓減半，相當(dāng)于?6dB。

圖4.源極上具有50 ?端接電阻的關(guān)斷隔離度測(cè)試電路

CMOS開關(guān)與固態(tài)繼電器的關(guān)系

表1顯示從ADI產(chǎn)品系列中選擇的開關(guān)產(chǎn)品的C_DS(OFF)值。ADG54xx和ADG52xx系列可以處理擺幅高達(dá)44V的信號(hào)電壓，ADG14xx和ADG12xx系列可以傳輸擺幅高達(dá)33V的信號(hào)電壓。這種可比較信號(hào)的范圍為30V至40V固態(tài)繼電器。表中的最后一列還顯示了如何使用C_DS(OFF)和開關(guān)導(dǎo)通電阻來計(jì)算R_ON、C_DS(OFF)乘積，在固態(tài)繼電器中，它被用作等第值(order of merit)。R_ON、C_DS(OFF)乘積顯示在開關(guān)開啟時(shí)，對(duì)信號(hào)的衰減影響非常小，以及開關(guān)在關(guān)斷時(shí)，阻截高速信號(hào)的作用有多強(qiáng)。該表顯示ADG1412的R_ON、C_OFF乘積小于5，在市面上的固態(tài)繼電器中，這一點(diǎn)相當(dāng)有優(yōu)勢(shì)。

表1.在ADI產(chǎn)品系列中選擇SPST × 4開關(guān)的CDS(OFF)

與固態(tài)繼電器相比，CMOS開關(guān)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。具體包括：

?更易于驅(qū)動(dòng)開關(guān)邏輯

ADI大部分CMOS開關(guān)的典型數(shù)字輸入電流為1nA，而固態(tài)繼電器中二極管的推薦正向電流為5mA。這意味著，CMOS開關(guān)易于直接被微控制器上的GPIO控制。

?更快的開關(guān)速度

ADG1412的典型開啟時(shí)間為100ns，固態(tài)繼電器的開啟時(shí)間為幾百毫秒。

?單個(gè)封裝內(nèi)集成更多開關(guān)

例如，ADGS1414D采用5mm × 4mm封裝，具有8個(gè)開關(guān)通道、1.5?導(dǎo)通電阻和5pF C_DS(OFF)。也就是說，每2.5mm²封裝面積內(nèi)一個(gè)開關(guān)。

結(jié)論

開關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)下阻截信號(hào)的能力至關(guān)重要。在固態(tài)繼電器中，C_OFF規(guī)格用于衡量開關(guān)兩端的電容，它允許輸入信號(hào)耦合到關(guān)斷開關(guān)的輸出。在CMOS開關(guān)中，不會(huì)直接測(cè)量此電容；但是，可以通過關(guān)斷隔離度規(guī)格來推算此電容。通過推導(dǎo)開路開關(guān)的轉(zhuǎn)換函數(shù)，可以使用關(guān)斷隔離度值(dB)、輸入信號(hào)的頻率和負(fù)載電阻來確定C_DS(OFF)。在比較CMOS開關(guān)和固態(tài)繼電器的C_OUT規(guī)格時(shí)，C_DS(OFF)是一個(gè)重要值。此外，C_DS(OFF)還可用于計(jì)算R_ON、C_DS(OFF)乘積，這是一個(gè)等第值，用于顯示開關(guān)的整體關(guān)斷隔離和信號(hào)丟失性能。這樣針對(duì)應(yīng)用選擇開關(guān)時(shí)，就可以更直觀對(duì)CMOS開關(guān)和固態(tài)繼電器進(jìn)行比較選擇。相比固態(tài)繼電器，CMOS開關(guān)也有諸多優(yōu)勢(shì)，例如，更易于驅(qū)動(dòng)開關(guān)邏輯、更快的開關(guān)速度，以及能夠在封裝中集成更多開關(guān)。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Stephen Nugent是ADI公司自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用工程師。2014年畢業(yè)于英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)，獲電氣電子工程碩士學(xué)位。Stephen于2014年加入ADI公司，負(fù)責(zé)為模擬開關(guān)和多路復(fù)用器產(chǎn)品系列提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞： 固態(tài)繼電器 數(shù)據(jù)手冊(cè) 端接電阻 產(chǎn)品系列 測(cè)試電路