【獨家焦點】一文學會高效比較CMOS開關和固態(tài)繼電器性能

作者：ADI產品應用工程師Stephen Nugent

(資料圖)

源極和漏極之間的關斷電容CDS(OFF)可用來衡量關斷開關后，源極信號耦合到漏極的能力。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，在固態(tài)繼電器數據手冊中通常稱為輸出電容C_OUT。CMOS開關通常不包含此規(guī)格參數，但關斷隔離度是表征相同現象的另一種方法，關斷隔離度定義為，開關關斷狀態(tài)下，耦合到漏極的源極的信號量。ADI將在本文討論如何從關斷隔離度推導出C_OUT，以及如何通過它來更有效地比較固態(tài)繼電器和CMOS開關的性能。這一點很重要，因為CMOS開關適合許多使用固態(tài)繼電器的應用，例如切換直流信號和高速交流信號。

如何從關斷隔離度導出C_DS(OFF)

圖1顯示ADG5412的關斷隔離度與頻率的典型性能圖。該圖顯示，當源極上的信號頻率上升時，關斷隔離度降低。

圖1.ADG5412關斷隔離度與頻率的關系（±15V雙電源）

這意味著，隨著信號頻率增加，源極上有更多信號會出現在關斷開關的漏極。如果您觀察開關的等效電路在關斷狀態(tài)下的表現，如圖2中的測試電路所示，會發(fā)現這種狀況不足為奇。當開關處于斷開狀態(tài)時，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能夠通過，關斷隔離圖就是為了確定這些特征。

圖2.關斷隔離度測量測試電路

從圖2所示的測試電路中獲取V_S和V_OUT，然后將它們代入以下公式中，以計算關斷隔離度：

將從關斷隔離圖中得到的結果應用到開路開關的等效電路中，可計算得出CMOS開關的C_DS(OFF)。首先，如果考慮關斷開關通道和負載，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

所示電路的轉換函數可以通過以下公式計算得出：

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負載阻抗R_L匹配。假設在理想情況下，C_DS(OFF)短路，那么在阻抗相等時，V_S為V_IN的2倍。這意味著，當根據V_S計算轉換函數時，整個轉換函數會翻倍。

所以，整個系統(tǒng)的轉換函數為：

然后，可以將這個轉換函數代入關斷隔離度公式，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、輸入信號的頻率f，以及關斷隔離規(guī)格值(dB)，就可以計算出C_DS(OFF)。這些值可以在ADI產品系列中的開關或多路復用器產品的數據手冊中找到。以下示例將展示其執(zhí)行步驟。

C_DS(OFF)計算示例

本例使用受SPI控制的4路SPST開關ADGS1612。ADGS1612的關斷隔離規(guī)格為?65dB，可以在數據手冊中的表1中找到。根據關斷隔離規(guī)格的測試條件部分，R_L為50?，信號頻率f為100kHz。將這些值代入C_DS(OFF)公式，可以計算得出電容值。

注意，在開關與多路復用器的關斷隔離測量電路中，在開關通道的源極引腳之前，可能包含一個額外的50?端接電阻，如圖4所示。采用以這種方式測量得出的關斷隔離規(guī)格，仍然可以使用C_DS(OFF)公式進行計算。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），需要在數據手冊給出的關斷隔離規(guī)格的基礎上加上6dB。這是為了進行補償，因為源極的50?端接電阻會使電壓減半，相當于?6dB。

圖4.源極上具有50 ?端接電阻的關斷隔離度測試電路

CMOS開關與固態(tài)繼電器的關系

表1顯示從ADI產品系列中選擇的開關產品的C_DS(OFF)值。ADG54xx和ADG52xx系列可以處理擺幅高達44V的信號電壓，ADG14xx和ADG12xx系列可以傳輸擺幅高達33V的信號電壓。這種可比較信號的范圍為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)和開關導通電阻來計算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)乘積顯示在開關開啟時，對信號的衰減影響非常小，以及開關在關斷時，阻截高速信號的作用有多強。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，這一點相當有優(yōu)勢。

表1.在ADI產品系列中選擇SPST × 4開關的CDS(OFF)

與固態(tài)繼電器相比，CMOS開關具有多項優(yōu)勢。具體包括：

?更易于驅動開關邏輯

ADI大部分CMOS開關的典型數字輸入電流為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開關易于直接被微控制器上的GPIO控制。

?更快的開關速度

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

?單個封裝內集成更多開關

例如，ADGS1414D采用5mm × 4mm封裝，具有8個開關通道、1.5?導通電阻和5pF C_DS(OFF)。也就是說，每2.5mm²封裝面積內一個開關。

結論

開關在關斷狀態(tài)下阻截信號的能力至關重要。在固態(tài)繼電器中，C_OFF規(guī)格用于衡量開關兩端的電容，它允許輸入信號耦合到關斷開關的輸出。在CMOS開關中，不會直接測量此電容；但是，可以通過關斷隔離度規(guī)格來推算此電容。通過推導開路開關的轉換函數，可以使用關斷隔離度值(dB)、輸入信號的頻率和負載電阻來確定C_DS(OFF)。在比較CMOS開關和固態(tài)繼電器的C_OUT規(guī)格時，C_DS(OFF)是一個重要值。此外，C_DS(OFF)還可用于計算R_ON、C_DS(OFF)乘積，這是一個等第值，用于顯示開關的整體關斷隔離和信號丟失性能。這樣針對應用選擇開關時，就可以更直觀對CMOS開關和固態(tài)繼電器進行比較選擇。相比固態(tài)繼電器，CMOS開關也有諸多優(yōu)勢，例如，更易于驅動開關邏輯、更快的開關速度，以及能夠在封裝中集成更多開關。

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關于作者

Stephen Nugent是ADI公司自動化測試設備團隊的應用工程師。2014年畢業(yè)于英國貝爾法斯特女王大學，獲電氣電子工程碩士學位。Stephen于2014年加入ADI公司，負責為模擬開關和多路復用器產品系列提供技術支持。

關鍵詞： 固態(tài)繼電器 數據手冊 端接電阻 產品系列 測試電路