近年來，開關產品紛紛進入PC、服務器、筆記本電腦和底座應用等領域，令許多芯片供應商推出各式總線開關產品。總線開關能夠在板卡或器件插拔期間方便地隔離總線電容，通過隔離對數據 (高速緩存和內存) 進行多路復用/分解操作或進行電壓變換。典型的總線開關設計為一個單獨的NMOS器件，其缺點是：隨著源電壓接近Vcc，柵極的源-漏區被夾斷，會限制電流的驅動能力和輸出電壓。
近幾年來，開關功能已成為視頻、圖形及音頻傳輸或處理領域的重要組成部分。為此，除了簡單的RON和RFLAT特性外，對于開關的串擾、THD(總諧波失真)、衰減以及帶寬等特性的要求顯著提高。這使得業界轉用模擬開關的系列產品。
隨著手機和其他超便攜產品進入主流產品行列，要求加入更多功能，如圖像、電子郵件、短信以及互聯網接入，這需要對多重數據通路進行控制。而高集成度基帶處理器、多處理器結構、定制ASIC和功率管理芯片組也已集成在產品中，迫使電源電壓降低，因而需要模擬開關在整個電源電壓范圍內工作，同時要求開關的關鍵特性，如RON (平坦度)、串擾、帶寬和THD等衰減最少。現在的開關發展趨勢是低RON值 (小于1W)，并在不同電壓下保持適合的低I/O電容、低衰減和良好平坦度。
面對超便攜應用，工程師在設計選擇模擬開關時必須了解多項關鍵參數，如RON、串擾、THD、帶寬、電荷注入和插入損耗。

圖1  傳輸門電路的復合RON

圖2  帶寬測試原理圖

圖3  串擾和關斷隔離測試原理圖

圖4  開關應用和THD

圖5  THD測試原理圖

圖6  電荷注入的測試原理圖

圖7 使用SP3T FSA3357模擬開關的典型USB應用

導通電阻和平坦度
模擬開關由一個傳輸門電路 (PMOS與NMOS并聯) 構成，為了得到等效 (匹配) 的RON，PMOS大小需近似為NMOS的兩倍。這也意味著電容失配的存在，從而影響電荷注入特性。傳輸門電路的復合RON特性曲線如圖1所示。
直覺上可能會認為RON愈低的器件愈好，但必須考慮特定應用的信號擺幅、適用電源、源/灌電流要求、成本和封裝目標等因素。產品數據表中的導通電阻是在給定負載電流和特定VCC和VIN條件下的數值。在晶體管級，RON是器件長度 (L)、器件寬度 (W)、電子和空穴遷移率(mn, mp)、氧化層電容 (COX)、閾值電壓 (VT) 和信號電壓 (VGS) 的函數。最佳狀況是使MOS器件與導通電阻相匹配，即是使RON位于信號電壓的中點。
RON P=L/(mp * Cox *W (VGS - VT ))
RON n=L/(mn * Cox *W (VGS - VT))
假設mp、mn、VT和Cox不變，因為在低電壓環境下VGS降低，所以，為了維持或減小RON就必須加大溝道寬度，從而引起器件周長和電容的增大。在設計晶體管時必須創新，有效地增加柵極面積，以減小通道電阻，但同時使周長的增加降至最小。通過將RON降低至1W以下，就可以不必通過放大器而直接驅動揚聲器 (從32W變為8W)。這也意味著目前產品數據表中一般顯示100mA以上的電流吸收能力，可以滿足揚聲器的功率轉換性能要求。
導通電阻平坦度 (RFLAT) 是指VIN從0V到VCC(或從V-到V+) 變化時RON的變化，或是RON在波峰和波谷之間的差值，如圖1所示。如果RFLAT太大，意味著 PMOS/NMOS不匹配，復合RON曲線會引起音頻信號隨輸入信號變化的可變衰減和失真。因此，在選擇模擬開關時工藝技術和特征尺寸非常重要。

帶寬
帶寬指標需要與串擾和關斷隔離統一考慮。幾百兆赫茲的帶寬 (3dB) 非常普遍，但是由于串擾和關斷隔離以20 dB/decade的幅度衰減，因此在高頻時它們將成為主要的影響因素。一般來說，帶寬在1MHz的測試頻率下測定，并是負載電容的函數。帶寬的測試原理圖如圖2所示。

串擾和關斷隔離
在視頻應用中使用模擬開關時，須知道在1MHz下隔離度為70dB的開關在100MHz下隔離度僅有30dB。同樣地，在1MHz下串擾為-90dB的開關在100MHz下串擾僅為 -50dB。串擾和關斷隔離是量度“噪聲”在特定頻率下從開關通道串擾至未用(或關斷)通道的指標。串擾是指一個模擬輸入通道與另一個通道之間的交叉耦合，有鄰近通道和非鄰近通道兩種耦合形式。關斷隔離是失效通道從輸入到輸出的耦合。這些參數均以dB定義為：
20 Log10 (VOUT / VIN )
一般采用增益 (VOUT / VIN )來表示，但某些產品數據表可能將它表示為相對于VIN的衰減。串擾和關斷隔離以20 dB/decade的幅度衰減。測試原理如圖3所示。

插入損耗
插入損耗是由輸入信號到輸出信號的衰減，是負載和系統環境的函數。因此，它是由環境定義的參數，負載和線路板設計的變化都會對系統性能產生影響。
插入損耗 (dB)=20 Log10 (1 + 芌FLAT / RLOAD)
考慮到最壞情況，在式中使用芌FLAT而不是簡單的RON。因為插入損耗也是線路板和系統環境的函數，所以在插入開關之前測量插入損耗是很重要的。例如，在1MHz下測量出開關的插入損耗，然后發現開關在高頻下出現較大衰減，并以為這是開關的特性，但實際上可能線路板設計才是導致衰減加劇的主要原因。插入損耗的測試設置也在圖3中示出。

THD
THD也是一種插入損耗，但它是以諧波形式來定義模擬信號的失真，并用百分數而不是dB表示。此外，RFLAT和結電容是造成THD的主因。圖4和下兩式說明開關如何將失真表示為THD的函數。
VOUT=a1 Vp sin(wt) + a2 Vp sin(2wt) + 繕.+ an Vp sin(nwt)
其中 VIN = Vp sinwt
 
換句話說，THD是諧波系數的平方和與基波系數之比的平方根。這些系數也是流過模擬開關的信號電流的函數，即為RFLAT / RON的函數。由于RFLAT≌0.1×RON， 因此THD的一次近似為：
THD≌(0.1 x RON / RLOAD)×100%
但是，當使用低RON值的開關時，電容成為主要因素。如果在視頻領域使用這些開關，就需要計算阻抗 (電抗)值。THD的測試原理如圖5所示。

電荷注入
電荷注入是開關過程中模擬開關的寄生電容失配及其對輸出信號完整性影響的函數。在開關導通時，由于失配的存在，PMOS和NMOS的柵-漏電容將不同水平的正負電荷耦合進入漏極。由于開關導通，輸出端有效移動的電荷通過開關導通電阻有效釋放。當開關關斷時，耦合電荷通過柵-漏電容添加在輸出端，由于開關處于高阻態，所以輸出負載必須存儲電荷直到開關再次導通。低頻情況下，因為在下次開關轉換之前注入電荷發生泄漏，輸出端可能會出現正負脈沖干擾，可通過在NMOS源-漏之間跨接一個分立電容的方法來減小電容失配，但這只能補償特定的頻率和輸入電源電壓下的情況。實際上，注入電荷是開關閉合和關斷次數以及CLOAD的函數。為了減小注入電荷的影響，CLOAD會增加，但這樣會減小帶寬。電荷注入會隨源極電壓而變化，對于個別器件，產品資料表通常指定Vs=0，因為在其它電壓下，漏-源電容會隨溝道改變而變化。電荷注入的測試原理圖如圖6所示。

結語
面對今天的超便攜市場，工程師在設計未來產品時必須考慮許多相對的變數，以確保產品擁有良好的信號完整性、優良的立體聲效果、最佳的功率轉換、小型封裝及良好的隔離。
隨著趨勢延續，使用模擬開關創造創新產品解決方案的機會不斷涌現。如何在減少器件數量的同時，在相同或更小的線路板面積上增加位寬或功能是很有吸引力的。而了解和掌握模擬開關的所有參數將有助于設計師做出英明的工程決策。
圖7所示為典型的USB應用，模擬開關在其中起著重要的作用。