Analogtechnik

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

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Tipps zum Schaltungsaufbau mit analogen Schaltern

Das Bild 3a zeigt auch die Abhängigkeit des Einschaltwiderstands von der Signalspannung. Diese Kurven liegen innerhalb des spezifizierten Betriebsspannungsbereichs, weil typische Analogschalter, die keine Ladungspumpe enthalten, nur Signalpegel innerhalb ihres Betriebsspannungsbereichs verarbeiten können.

Positive oder negative Überspannungen am Eingang können unkontrollierte Ströme durch interne Diodennetzwerke hindurch verursachen, die das Bauteil dauerhaft beschädigen können. Diese Dioden dienen normalerweise dazu, den Schalter vor kurzzeitigen elektrostatischen Entladungen (ESD) zu schützen, meist bis 2 kV oder höher.

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Durch den Einschaltwiderstand eines Analogschalters wird das zu schaltende Signal abgeschwächt. Die Stärke der Dämpfung ist proportional zur Stromstärke im Signalpfad. Ob diese Signaldämpfung relevant ist oder nicht, hängt von der jeweiligen Anwendung und deren Impedanzen ab.

Zwei weitere wichtige Parameter, die man bei der Auswahl eines Analogschalters berücksichtigen muss, sind der Kanalgleichlauf (ΔRON) und die RON-Welligkeit (RFLAT). Der Kanalgleichlauf beschreibt die Unterschiede zwischen den RON-Werten zweier Kanäle innerhalb eines ICs. Die RON-Welligkeit beschreibt die Schwankung des RON eines Kanals in Abhängigkeit von den Betriebs- und Signalspannungen. Je kleiner das Verhältnis Gleichlauf/RON oder Welligkeit/RON ist, desto höher ist die Genauigkeit des Schalters.

Typische Werte für diese Parameter sind 0,1 bzw. 5 Ω. Es gibt Schalter, die speziell auf guten Kanalgleichlauf und geringe Welligkeit optimiert wurden. Der MAX4992 bietet einen Kanalgleichlauf von 3 mΩ und eine RON-Welligkeit von 1 mΩ. Der MAX14535E zeichnet sich durch gute Spezifikationen für RON, Kanalgleichlauf und RON-Welligkeit aus. Er kann negative Signalspannungen bis hinab zu –1,5 V verarbeiten und ist geeignet für tragbare, AC-gekoppelte Audio- oder Video-Geräte.

In den meisten Anwendungen kann man übermäßige Schaltströme durch ein geeignetes Schaltungsdesign vermeiden. Hierzu ein Beispiel: Angenommen, Sie möchten die Verstärkung eines Operationsverstärkers variieren, indem Sie zwischen unterschiedlichen Gegenkopplungswiderständen umschalten. In diesem Fall wählen Sie am besten eine Konfiguration, bei welcher der Schalter in Reihe mit einem hochohmigen Eingang liegt (Bild 4a). Weil in dieser Konfiguration nur ein sehr kleiner Schaltstrom fließt, können sowohl der Wert von RON als auch dessen Temperaturkoeffizient vernachlässigt werden.

Bild 4b zeigt eine „schlechte“ Schaltung, bei dem der Schaltstrom von der Ausgangsspannung abhängig ist und beträchtliche Werte erreichen kann.

Eine wichtige Anforderung bei allen Audio-Systemen ist, dass bei Schaltvorgängen keine hörbaren Störgeräusche, beispielsweise Knackgeräusche, auftreten dürfen. Diese Transienten treten in der Regel beim Ein- und Ausschalten des Geräts auf (Einschalt- und Ausschaltzeiten tON und tOFF). Selbst wenn ein Audiogerät während des Betriebs eine gute Tonqualität bietet, macht es auf den Benutzer einen schlechten Eindruck, wenn beim Ein- oder Ausschalten ein Störgeräusch zu hören ist; man assoziiert damit „automatisch“, dass es sich um ein Produkt minderer Qualität handelt.

Audio-Schalter in überbrückender Arbeitsweise

Hörbare Störgeräusche lassen sich eliminieren, indem man die Zeiten tON und tOFF der Analogschalter verlängert. Dadurch werden die transienten Impulse, die sonst über den Lautsprecher hörbar werden, „ausgeblendet“. Bei den meisten Analogschaltern betragen die Zeiten tON und tOFF zwischen 15 ns und 1 µs; bei „knackfreien“ Schaltern können sie im Millisekundenbereich liegen.

Einige knackfreie Schalter eliminieren die Störgeräusche mithilfe von internen Shunt-Schaltern und nicht überbrückende Arbeitsweise (break-before-make). In einer Audio-Anwendung mit dem MAX4744 dienen die internen Shunt-Schalter zum Entladen des Eingangskondensators. Der Entladeimpuls gelangt dadurch nicht zum Lautsprecher. Die nicht brückende Arbeitsweise gewährleistet, dass der Schalter zuerst die bestehende Verbindung unterbricht, bevor er die nächste Verbindung herstellt. Sie setzt voraus, dass tON > tOFF ist. Einige alternative Schaltungen erfordern eine Überbrückung (make-before-break), in diesem Fall ist tOFF > tON.

Die Schaltung in Bild 4a erfordert zwingend eine Überbrückung – es muss sichergestellt sein, dass zu keinem Zeitpunkt beide Schalter offen sind, da sonst der invertierende Verstärker mit Leerlaufverstärkung in Sättigung arbeitet.

Die harmonischen Gesamtverzerrungen (THD, Total Harmonic Distortion) sind in vielen Anwendungen eine weitere kritische Größe, denn sie sind ein Maß für die Tonqualität. Ein veränderlicher Eingangssignalpegel kann den RON modulieren, wodurch sich die Einfügedämpfung des Schalters verändert. Das verstärkt die von dem Analogschalter produzierten harmonischen Gesamtverzerrungen.

Nehmen wir zum Beispiel einen Schalter mit einem Einschaltwiderstand von 100 Ω und einer RON-Welligkeit von 10 Ω. Wird dieser Schalter mit einem 600-Ω-Widerstand abgeschlossen, so produziert er eine maximale Verzerrung von 1,67%. THD ist definiert als das Verhältnis der Wurzel aus der Quadratsumme der Amplituden sämtlicher Oberwellen, dividiert durch die Amplitude der Grundwelle (Gleichung 2a).

Gleichung 2aBild: Maxim
Gleichung 2aBild: Maxim

Der maximale THD-Wert berechnet sich nach Gleichung 2b.

Gleichung 2bBild: Maxim
Gleichung 2bBild: Maxim

Bild 5 zeigt die THD-Werte verschiedener Schalter im Vergleich.

Größenverhältnis zwischen RON und Ladungsträgerinjektion

Erfordert eine Anwendung einen niedrigen RON, müssen bestimmte Anforderungen beachtet werden. Die Schaltung benötigt eine größere Chipfläche und weist eine höhere Eingangskapazität (CON/COFF) auf. Mit jedem Schaltzyklus muss diese Eingangskapazität ge- bzw. entladen werden; je größer die Kapazität ist, desto höher ist auch die damit einhergehende Verlustleistung. Die Ladezeit der Eingangskapazität ist vom Lastwiderstand (R) und der Kapazität (C) abhängig; die Zeitkonstante beträgt τ = RC.

Schalter mit größerem RON haben in der Regel kürzere tON- und tOFF-Zeiten. Manche Analogschalter sind in verschiedenen Versionen erhältlich, die zueinander anschlusskompatibel sind, sich aber hinsichtlich RON und Eingangskapazität unterscheiden. Die Typen MAX4501 und MAX4502 haben höhere RON-Werte und kurze tON / tOFF-Zeiten, die Typen MAX4514 und MAX4515 dagegen niedrigere RON-Werte, dafür aber längere Schaltzeiten.

Ein kleiner RON bringt noch einen weiteren Nachteil mit sich: Der höhere Strom beim Laden/Entladen der Gate-Kapazität verursacht eine höhere Ladungsträgerinjektion. Bei jeder Zustandsänderung des Schalters (ein–>aus oder aus–>ein) erhöht oder verringert sich die Ladung des Nutzsignals um einen kleinen Betrag (Bild 6a).

Ist der Ausgang des Schalters hochohmig, kann diese Ladungsträgerinjektion signifikante Auswirkungen auf das Ausgangssignal haben. Angenommen, die einzige Last sei eine kleine Parasitärkapazität (CL). Ändert sich beim Ein-/Ausschalten die Spannung über dieser Kapazität um ΔVOUT, lässt sich daraus die Ladungsträgerinjektion Q berechnen: Q = ΔVOUTCL.

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