4 信号开关规格和特性

显然，开关的重要特性取决于开关的用途。例如，V_CC 电平是多少，需要导通哪些幅度信号，系统的信号失真极限是多少，等等。下面将进一步详细介绍这些规格和特性：

• 电源电压：单电源 - 仅具有相对接地的正极电源极引脚的器件。对于非电荷泵开关，V_CC 确定了无需削波即可通过的模拟信号的幅度。施加的电压被标记为 V_DD、V_CC、V₊，等等。诸如 TMUX1072、SN3257-Q1、TMUX136 和 TMUX15xx、CB3Q 系列且集成了电荷泵的开关可将栅极电压提升至 V_CC 以上（代价是更大的 I_CC），从而导通幅度大于 V_CC 的信号。
• 电源电压：双电源 - 具有相对接地的正极和负极电源极引脚的器件。施加到正极引脚的电压被标记为 V_DD、V_CC、V₊ 等等，而施加到负极引脚的电压被标记为 V_SS、V_EE、V- 等等。对于非电荷泵开关，V_CC 确定了无需削波即可通过的模拟信号的幅度。导通晶体管的一个或多个栅极必须相对于预期输入电压范围中的最小值和最大值进行偏置。诸如 TMUX11xx、TMUX61xx、TMUX62xx、TMUX74xxF、TMUX72xx、TMUX81xx、TMUX82xx、MUX36Sxx、MUX36Dxx、CD4000 和 TMUX40xx 系列之类的开关允许通过两个电源进行偏置，因此易于导通正负信号。
• 开关控制信号电平 (V_IH/V_IL)：V_IH 是让输入控制信号达到逻辑 1 值的最小电压，而 V_IL 是让输入控制信号能够保持逻辑 0 值的最大电压。为什么这些是模拟开关的重要注意事项？在大多数应用中，信号开关由数字源的输出进行控制，因此，控制信号电平 V_IH 和 V_IL 必须与该数字源兼容，以确保开关正常工作。为防止数字逻辑控制问题，系统必须确保输出高电平 (V_OH) 逻辑输出高于其所控制的输入高电平 (V_IH) 逻辑输入。此外，逻辑输出的输出低电平 (V_OL) 必须低于其所控制的逻辑输入的输入低电平 (V_IL)。有关该逻辑标准，请参阅 图 4-1。某些组件可能不符合这一标准，但让 V_IH < V_OH 且 V_Il > V_OL 可确保系统正常运行。此外，在 VIH 和 VIL 电平间运行控制逻辑时，器件处于未定状态，无法确定输出。有关更多信息，请参阅 慢速或浮动 CMOS 输入的含义。
  图 4-1 逻辑阈值

• 逻辑引脚上的集成下拉：TI 多路复用器的逻辑输入是 CMOS 输入。除非使用的器件在逻辑引脚上有集成有下拉电阻器，在任何情况下都不建议使 TI 多路复用器的逻辑输入保持悬空（请参阅 慢速或浮点 CMOS 输入的含义）。如果未将电阻器驱动为高电平或低电平，则这些电阻器将逻辑引脚保持为已知状态。这样，无需额外的外部组件，节省了成本和空间。

• 导通电阻 (R_ON)：开关路径接通后插入到信号路径的电阻。由于会影响信号损失和衰减，必须考虑采用较低 R_ON 的折衷方案。无电荷泵开关通过大型导通晶体管实现了低 R_ON。这些较大的晶体管导致芯片尺寸更大，且 C_io 增加。这种附加的通道电容可以限制开关的频率响应，因此非常重要。如 Topic Link Label2.3所述，采用电荷泵技术的开关可以实现较低的 R_ON 和 C_io，但需要明显更高的 I_CC。
  图 4-2 导通电阻
• 开关输出电平：不带电荷泵的开关可以通过的最大信号电平通常被限制在开关 V_CC。开关下游器件上是否有足够的噪声容限可以使开关中的信号衰减不会引起数据错误？例如，CBT 器件的 N 沟道晶体管将开关输出钳制在 V_CC 运行电压下方略多于 1V 的位置，使其不适合用于 5V CMOS 高电平（V_IH = 3.5V）信号传输（除非从至少 4.5V 的 V_CC 运行）。在传输门架构的器件中看不到此钳位。
• 导通和关断电容 (C_ON/C_OFF)：开关路径处于低阻抗状态时的导通容性负载。开关路径处于高阻抗状态时的关断容性负载。总开关电容和负载电容会影响响应时间、稳定时间和扇出限值，故必须加予考虑。有关更多信息，请参阅应用手册：使用低导通电容多路复用器改善稳定性问题。C_io 是器件输入/输出 (I/O) 端子在施加输入条件后的电容，根据产品规格在输出端建立高阻抗状态。此参数是在器件输入/输出 (I/O) 端遇到的内部电容。这些值根据器件的设计、工艺和封装进行确定。
  图 4-3 源极和漏极关断电容
  图 4-4 源极和漏极导通电容
• 频率响应：所有 CMOS 开关对于可通过的频率都设有上限。无论在芯片制造过程中可以保持多低的 R_ON 和 C_io ，都会形成一个不需要的低通滤波器，使开关输出信号衰减。开关的带宽 (BW) 是指可以通过开关且衰减不超过 3dB 的信号频率范围。
  图 4-5 带宽

• 闩锁效应抑制：此特性可防止器件的电源轨由于电气过应力、注入电流或电气快速瞬变而短接在一起（闩锁效应）。有关TI多路复用器闩锁效应抑制的信息，请参阅 使用闩锁效应抑制多路复用器帮助提高系统可靠性。

• 正弦波失真或总谐波失真：这些是器件线性度的量度。非线性的引入可以有多种方式（设计、器件物理特性等），但通常主要影响因素是 R_ON。如 图 2-2 和图 2-4 所示，对于所有类型的 CMOS 开关，R_ON 因 V_I/O 而异。具有低的R_ON 很重要，但在信号范围内保持平缓的 R_ON 几乎同样重要。
• 串扰：需要考虑两种类型的串扰：
  • 通道-通道串扰 (X_TALK)：不必要的信号从导通通道耦合到关断通道的量度。此串扰在特定频率下测量得出并以 dB 为单位。串扰水平是开关控制信号与开关输出解耦程度的量度。由于 CMOS 工艺的寄生电容，改变控制信号上的状态会导致输出端出现噪声。在音频应用中，可能正是由于这一原因，有时在打开或关闭音频设备时会听到令人讨厌的噗噗声。TS5A22364 等器件具有内置分流电阻器，可将未选择的信号路径上积累的电容放电，以减少噗噗声。
    图 4-6 通道-通道串扰
  • 开关间串扰。串扰水平也是相邻通道抑制的量度。与控制-输出串扰一样，寄生电容可以将一个开关上的信号与另一开关上的信号耦合。
• 电荷注入 (Q_C)：电荷注入是不必要的信号从控制 (IN) 输入耦合到模拟输出的量度。电荷注入以库仑 (C) 为单位，可通过控制输入切换时引起的总电荷来测量。TI 规定了“使能-输出”串扰规格，一些竞争对手也使用此参数。与“使能-输出”串扰一样，改变控制引脚状态会使电荷耦合到引入信号噪声的晶体管通道。本报告中提供了与竞争对手的相对比较数据。TI 多路复用器（例如 TMUX1308、TMUX1309 和 SN74HC4851）具有内置注入电流控制电路，可将任何注入电流分流到地面上，稳定输出信号。有关更多详细信息，请参阅 通过控制注入电流防止串扰。
  图 4-7 电荷注入
• 关断隔离：对关断状态开关阻抗的量度。当相应通道处于关断状态时，关断隔离是在特定频率下测量得出的，以dB为单位。
  图 4-8 关断隔离
• 导通泄漏电流：泄露电流是在输入端口处于导通状态、相应的输出端口处于导通状态且输出端为开路时测得的（请参阅 图 4-9）。高阻抗状态下的泄漏电流应非常小。泄漏电流如果很高，可能会给隔离总线带来负载并破坏数据。
  图 4-9 导通泄漏电流
• 关断泄漏电流：泄露电流是在最坏的输入和输出条件下且相应通道输出处于关断状态时在输入端口测得的（请参阅 图 4-10）。泄漏电流是一个重要的参数，因为无论开关闭合还是打开，泄漏电流都会导致直流误差。
  图 4-10 关断泄漏电流
• 先断后合时间 (t_BBM)：确保在多路复用器中，当信号路径被选择输入改变时，两个多路复用器路径绝不会形成电气连接。先断后合之间的延迟是一项安全功能，可防止在器件切换时连接两个输入。输出首先断开与导通状态开关的连接，然后再与下一个导通状态开关建立连接。这样可以保证，当信号路径被选择输入改变时，两个多路复用器路径绝不会形成电气连接。有关更多详细信息，请参阅 图 4-11。
  图 4-11 先断后合时间 (t_BBM)
• 导通 (t_ON)/关断 (t_OFF) 时间：开关路径在内部更改为导通或关断状态所需的时间。这些参数决定了开关能够以多快的速度响应所需的导通或关断状态（请参阅图 4-12）。通常，开关的启用和禁用时间是不对称的。这通常不构成问题，因为很少有应用需要高控制（启用）信号频率。有关开关时序特性的更多详细信息，请参阅开关和多路复用器：时序特性是什么？。
  图 4-12 导通 (t_ON) 和关断 (t_OFF) 时间
• 传播延迟 (t_pd)：这是信号从输入到输出通过开关所需的时间。除了最关键的时序预算之处，该参数几乎可以忽略不计。当开关接通时，通过一个或多个导通晶体管的传播延迟很小。与开关本身相比，开关输出上的负载和输入的驱动强度对于传播延迟和时序的影响和限制通常要大得多。导通电阻、导通电容以及器件的负载可用作估计传播延迟的方法。
• 1.8V 控制逻辑：具有此特性的开关具有内置电压转换器，可防止电源轨和控制逻辑之间的电压不匹配。V_IH 和 V_IL 电平在任何电压电源下都与 1.8V 逻辑电平兼容。有关更多信息，请参阅 使用 1.8V 逻辑多路复用器和开关简化设计的技术说明。大多数新的 TMUX 器件（例如：TMUX1108、TMUX1511、TS3A27518E、TS5A26542）都具有 1.8V 控制逻辑特性。内置电压转换器可防止 TMUX 器件的电源轨与处理器的控制逻辑之间的电压不匹配。此特性使处理器可以通过标准的 1.8V GPIO 引脚直接控制多路复用器。这样，无需外部电压转换器，节省了系统空间。

• 1.2V 控制逻辑：与 1.8V 控制逻辑类似，该特性使 TMUX1575 等多路复用器能够与 1.2V 逻辑电平逻辑兼容，减少了对外部电压转换器的需要，节省了系统空间。

• 支持负电压：定义为允许负电压通过而无需双电源的多路复用器。TMUX4157N 是具有单一负电压电源的示例，而 TS5A22362 和 TS5A22364 器件均是只通过单侧正电源支持负模拟信号通过的示例。

• 自动防故障逻辑：当信号引脚上的电压大于 VDD 时，确保开关保持关断状态并且逻辑引脚不会对 VDD 反向供电。当选择引脚上存在逻辑信号且开关未通电时，具有自动防故障逻辑的 TI 开关（例如 TMUX1574、TMUX1575、TMUX72xx、TMUX73xx 和 TMUX4157N）将保护下游元件。此特性允许在电源极引脚之前对控制引脚施加电压，从而保护器件免受潜在的损坏。开关在 SEL 逻辑引脚上保持高阻抗状态，从而防止电源在电源排序期间流经 VDD。例如，自动防故障逻辑特性允许在电源 V_DD = 0V 时将 TMUX1574 的选择引脚斜升至 5.5V。此外，该特性使多路复用器可以在 V_DD 低于选择引脚上的电压时运行。
  • 保护多路复用器和下游 IC 免受损坏。
  • 消除对电源排序解决方案的需求。
  • 减少 BOM 数目和成本。简化系统设计。
  • 提高系统可靠性。

    有关更多详细信息，请参阅 自动防故障逻辑是什么？。

  图 4-13 自动防故障逻辑