模拟开关阵列/矩阵模拟开关的基本原理和应用

只看该作者 · 2023-10-19 12:14

本帖最后由 Litthins 于 2023-10-25 16:59 编辑

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信号的通断、切换和路由是方案开发中经常出现的需求，常见的解决方案是使用模拟开关芯片。本文从模拟开关基础切入，介绍模拟开关家族中让信号“想去哪就去哪”的分支，模拟开关阵列芯片Analog Switch Array(也称矩阵模拟开关Matrix Switch或交叉点开关Crosspoint Switch)的原理和典型应用。

一、信号通断，模拟开关基本原理
简单的模拟开关可由一个NMOS和一个PMOS构成，内部结构如下图左侧。图示开关提供一路信号的导通、关断功能，通断常由外部控制信号的电平高低决定。由于信号可以双向传输，两端没有输入输出的概念，因此常用S/D、A/B、X/Y等字母表示。

模拟开关的典型参数包括信号的电压范围、导通电阻和带宽。使用NMOS和PMOS组成的模拟开关可支持轨到轨满摆幅信号。导通电阻一般标注为RON，常见数值在百毫欧姆至百欧姆级；支持多档电源的模拟开关往往电源电压越高导通电阻越小。带宽指示信号衰减小于3dB的频率范围。其它重要参数包括最大电流、泄漏电流、开关时间、ESD保护电压等。

二、信号切换，多路复用器基本结构
多路复用器也称Multiplexer，将两个模拟开关的一侧相连，即形成最简单的2选1多路复用器，如下图。
这种结构也称为SPDT，即单刀双掷。

模仿上述结构，将更多模拟开关组合，可构成4选1(SPQT、单刀四掷)、8选1(SPOT、单刀八掷)等形式的多路复用器。如结合多通道组合控制，还可实现信号分组，得到适于USB信号切换、视频信号切换和I/O拓展的多路复用器。下图中，低阻宽带双路2选1开关CH442就可用于USB、视频信号切换和I/O拓展。

三、“想去哪就去哪”，模拟开关阵列芯片的原理和应用
普通多路复用器提供的传输路径相对有限：考虑上述双2选1多路复用器，S1A/S2A信号无法到达DB。为了在任意两端建立信号传输通路，需要使用矩阵结构，模拟开关阵列芯片或称矩阵模拟开关就应运而生。
矩阵结构给这类芯片提供了极大的灵活性，下图展示了双4*4矩阵模拟开关的内部结构。X和Y两矩阵完全独立，单个矩阵中，A组的任意一端可与B组的任意一端建立连接。例如，A0X可连接至B0X~B3X，同时A0Y不受限制，可以自由连接B0Y~B3Y。

矩阵模拟开关多用I2C等总线控制，并提供上电复位、低压复位等功能。图中CH449支持5V/3.3V/2.5V/1.8V控制信号，支持5V/3.3V/2.5V电源。
基于交叉路径上开关的组合，单个输入可连接至多个输出，例如，从A0X输入的信号，可同时从B0X~B3X输出。同侧端口也可相互连接，例如，将A0X连接到B0X，B0X连接到A1X，可以实现A0X与A1X的连接。因此，矩阵模拟开关用作I/O拓展时，可将任意I/O路由至本侧或对端的其他I/O。更进一步地，通过在B侧配置多档上拉、下拉电阻，可为A侧提供上下拉电阻的选取、切换和组合功能。

双矩阵结构也可支持差分信号的通断、路由和切换。500MHz带宽和低阻特性使CH449适于高速USB信号、视频信号、KVM的切换场景，下图展示了高速USB信号连接的动态重构。