一文學會高效比較CMOS開關和固態繼電器性能
發布時間：2023-1-17 16:39
發布者：eechina
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作者：ADI產品應用工程師Stephen Nugent 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。它是固態繼電器（如PhotoMOS、OptoMOS、光繼電器或MOSFET繼電器）中常見的規格參數，在固態繼電器數據手冊中通常稱為輸出電容COUT。CMOS開關通常不包含此規格參數，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COUT，以及如何通過它來更有效地比較固態繼電器和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CDS(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下的表現，如圖2中的測試電路所示，會發現這種狀況不足為奇。當開關處于斷開狀態時，源極和漏極之間存在寄生電容，即圖中的CDS(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VS和VOUT，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CDS(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.CDS(OFF)和RL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VS及其阻抗，如圖2所示。源阻抗RS為50Ω，與50Ω負載阻抗RL匹配。假設在理想情況下，CDS(OFF)短路，那么在阻抗相等時，VS為VIN的2倍。這意味著，當根據VS計算轉換函數時，整個轉換函數會翻倍。 所以，整個系統的轉換函數為：
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CDS(OFF)的值：
這意味著，如果知道RL、輸入信號的頻率f，以及關斷隔離規格值(dB)，就可以計算出CDS(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行步驟。 CDS(OFF)計算示例 本例使用受SPI控制的4路SPST開關ADGS1612。ADGS1612的關斷隔離規格為−65dB，可以在數據手冊中的表1中找到。根據關斷隔離規格的測試條件部分，RL為50Ω，信號頻率f為100kHz。將這些值代入CDS(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50Ω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格，仍然可以使用CDS(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CDS(OFF)公式中），需要在數據手冊給出的關斷隔離規格的基礎上加上6dB。這是為了進行補償，因為源極的50Ω端接電阻會使電壓減半，相當于−6dB。
圖4.源極上具有50 Ω端接電阻的關斷隔離度測試電路 CMOS開關與固態繼電器的關系 表1顯示從ADI產品系列中選擇的開關產品的CDS(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固態繼電器。表中的最后一列還顯示了如何使用CDS(OFF)和開關導通電阻來計算RON、CDS(OFF)乘積，在固態繼電器中，它被用作等第值(order of merit)。RON、CDS(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RON、COFF乘積小于5，在市面上的固態繼電器中，這一點相當有優勢。 表1.在ADI產品系列中選擇SPST × 4開關的CDS(OFF)
與固態繼電器相比，CMOS開關具有多項優勢。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、1.5Ω導通電阻和5pF CDS(OFF)。也就是說，每2.5mm2封裝面積內一個開關。 結論 開關在關斷狀態下阻截信號的能力至關重要。在固態繼電器中，COFF規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CDS(OFF)。在比較CMOS開關和固態繼電器的COUT規格時，CDS(OFF)是一個重要值。此外，CDS(OFF)還可用于計算RON、CDS(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開關和固態繼電器進行比較選擇。相比固態繼電器，CMOS開關也有諸多優勢，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。 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。 |
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