Analogtechnik Sieben Tipps zur Auswahl des passenden CMOS-Analogschalters, Teil 1

Autor / Redakteur: Usama Munir und David Canny * / Kristin Rinortner

Analogschalter bieten heute bessere Schaltcharakteristiken, viele Betriebsspannungsbereiche, Leistungsmerkmale, Sonderfunktionen. Bei der Auswahl hat der Entwickler die Qual der Wahl.

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Analogschalter: Bei der Auswahl hat der Entwickler eine Vielzahl von Leistungsmerkmalen und Sonderfunktionen zu berücksichtigen
Analogschalter: Bei der Auswahl hat der Entwickler eine Vielzahl von Leistungsmerkmalen und Sonderfunktionen zu berücksichtigen
(Bild: Maxim)

Integrierte Analogschalter bilden oft die Schnittstelle zwischen Analogsignalen und einem digitalen Controller. Angesichts der großen Anzahl und Vielfalt von Analogschaltern, die am Markt angeboten werden, muss ein Produktentwickler bei der Auswahl zahlreiche Leistungsmerkmale berücksichtigen. Aus dem Standard-CMOS-Analogschalter sind, im Laufe von über 35 Jahren, zahlreiche anwendungsspezifische Schalter-ICs hervorgegangen – das macht die Auswahl nicht einfacher.

Der vorliegende Artikel erläutert den grundlegenden Aufbau eines Standard-CMOS-Analogschalters sowie wichtige Kenngrößen dieses Bauteiltyps. Dies sind beispielsweise Einschaltwiderstand (RON), Welligkeit des Einschaltwiderstands, Leckstrom, Ladungsinjektion und Off-Isolation. Darüber hinaus geht der Artikel auf Verbesserungen ein, die bei Analogschaltern in jüngster Zeit erzielt wurden, dazu gehören: Bessere Schalteigenschaften, niedrigere Betriebsspannungen und kleinere Gehäuse.

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Weiterhin werden anwendungsspezifische Funktionen und Leistungsmerkmale erläutert – Fehlerschutz, ESD-Schutz, Kalibriermultiplexer und Remote-Sensing-Schalter. Zu guter Letzt stellen wir anwendungsspezifische Schalter für Video-, Hi-Speed-USB-, HDMI- und PCIe-Anwendungen vor.

Aufbau eines Standard-Analogschalters

Bild 1 zeigt die Struktur eines herkömmlichen Analogschalters. Ein n-Kanal-MOSFET und ein p-Kanal-MOSFET sind parallel geschaltet. So wird das Signal in beide Richtungen gleichermaßen gut durchgeleitet. Negative Signalspannungen werden hauptsächlich vom n-Kanal-MOSFET durchgeleitet, positive Spannungen hingegen vorwiegend vom p-Kanal-MOSFET.

Da der Schalter keine bevorzugte Stromflussrichtung kennt, gibt es auch keinen bevorzugten Eingang oder Ausgang – die Anschlüsse sind gleichwertig. Beide MOSFETs werden durch interne, invertierende bzw. nicht-invertierende Verstärker ein- und ausgeschaltet. Diese Verstärker verschieben den Pegel des digitalen Steuersignals so, dass beide Gates gleichzeitig voll durchgeschaltet sind.

Herkömmliche Analogschalter, wie z.B. der recht betagte CD4066, werden heute von zahlreichen Halbleiterherstellern angeboten. Es gibt neuere Analogschalter, die anschlusskompatibel mit diesen früheren Schaltern sind, aber bessere elektrische Eigenschaften bieten. Beispielsweise gibt es inzwischen CD4066 anschlusskompatible Typen (MAX4610) mit kleinerem Einschaltwiderstand und höherer Genauigkeit.

Darüber hinaus existieren heute auch Analogschalter, die sich hinsichtlich ihres inneren Aufbaus von ihrem „Urahn“ unterscheiden. Einige kapazitätsarme Analogschalter (z.B. der MAX4887) verwenden ausschließlich n-Kanal-MOSFETs im Signalpfad und erzielen durch den Wegfall des geometrisch größeren p-Kanal-MOSFETs eine wesentlich höhere Bandbreite.

Desweiteren werden Analogschalter angeboten, die für eine einzige, positive Betriebsspannung ausgelegt sind. Mithilfe einer integrierten Ladungspumpe wird eine negative Spannung erzeugt, damit können auch negative Signalspannungen verarbeitet werden. Den Audio-Analogschalter MAX14504 beispielsweise kann man mit einer einzigen Betriebsspannung zwischen 2,3 und 5,5 VCC versorgen und, dank einer internen Ladungspumpe, Signale zwischen –VCC und +VCC verzerrungsfrei schalten. Viele Analogschalter der neuesten Generation bieten nicht nur funktionale Verbesserungen, sondern sind auch in kleineren Gehäusen verfügbar.

Niedriger Einschaltwiderstand verringert die Signaldämpfung

Der Einschaltwiderstand eines Analogschalters ist von der Eingangsspannung abhängig. Bild 2 zeigt die On-Widerstände der einzelnen MOSFETs und den aus der Parallelschaltung resultierenden Gesamt-Einschaltwiderstand. Diese RON-über-VIN-Kennlinie kann als linear betrachtet werden, wenn man von den Einflüssen der Temperatur, der Betriebsspannung und der Abhängigkeit von der Eingangsspannung absieht. Im Interesse einer möglichst geringen Signaldämpfung und -verzögerung sollte der Einschaltwiderstand möglichst klein sein.

Um RON zu verkleinern, muss man jedoch die MOSFET-Strukturen vergrößern. Damit vergrößern sich allerdings sowohl die Kapazität als auch die Chip-Abmessungen. Die höhere Kapazität bewirkt jedoch eine Verringerung der Bandbreite. Von welchen weiteren Faktoren der Einschaltwiderstand noch abhängig ist, sieht man in den Gleichungen 1a und 1b.

Gleichung 1aBild: Maxim
Gleichung 1aBild: Maxim

Gleichung 1bBild: Maxim
Gleichung 1bBild: Maxim

Die wichtigsten Gründe für die Entwicklung neuer Analogschalter-ICs sind oft die Minimierung des Einschaltwiderstands und der parasitären Kapazitäten sowie die Verbesserung der Linearität im Verhältnis zur Betriebsspannung und Temperatur.

Ältere Analogschalter kamen bei einer Betriebsspannung von ±20 V auf RON-Werte von mehreren 100 Ω. Aktuelle Typen erreichen bei wesentlich kleineren Betriebsspannungen RON-Werte von 1 Ω und darunter. Die Betriebsspannung hat einen signifikanten Einfluss auf den RON (Bild 3a), ebenso das Eingangssignal (Bild 3b).

Bild 3a zeigt den RON des MAX4992 bei verschiedenen Betriebs- und Signalspannungen im Bereich von 1,8 bis 5,5 V. Dieser Wert steigt bei abnehmender Betriebsspannung an. Der MAX4992 erzielt einen sehr kleinen RON und eine sehr geringe RON-Welligkeit (1mΩ).

Bild 3b zeigt die RON-Kennlinien von neueren Analogschaltern im Vergleich zu älteren Typen, jeweils bei einer Betriebsspannung von 5 V.

Bei der Auswahl eines Analogschalters für eine Schaltung mit unipolarer Betriebsspannung hat man die Möglichkeit, sich für einen Typen zu entscheiden, der für den Betrieb mit einer unipolaren Spannung entwickelt wurde. Da keine separaten V- und Masseanschlüsse benötigt werden, kann man einen Gehäuseanschluss einsparen. Dadurch ist es z.B. möglich, einen einpoligen Umschalter (SPDT, single-pole/double-throw) in einem 6-poligen Gehäuse unterzubringen. Ein Beispiel hierfür ist der MAX4714, er ist in einem µDFN-Gehäuse verfügbar, mit einer Grundfläche von 1,6 mm2.

Viele analoge Messschaltungen arbeiten noch mit höheren bipolaren Betriebsspannungen, beispielsweise ±15 oder ±12 V. Analogschalter dafür erfordern einen zusätzlichen Anschluss (VL), der mit der Logik-Betriebsspannung des Systems verbunden wird; meist 1,8 oder 3,3 V. Der MAX14756 ist ein Beispiel für einen solchen Analogschalter.

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