Analogtechnik Tipps zur Auswahl des passenden CMOS-Analogschalters, Teil 2

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

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

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Analogschalter: Bei der Auswahl muss der Entwickler aus zahlreichen Leistungsmerkmalen und Sonderfunktionen seine Wahl treffen
Analogschalter: Bei der Auswahl muss der Entwickler aus zahlreichen Leistungsmerkmalen und Sonderfunktionen seine Wahl treffen
(Bild: Maxim Integrated)

Im ersten Teil dieses Artikels wurden die am Markt verfügbaren Analogschaltertypen erläutert. Auf diesem Gebiet gab es in jüngster Zeit signifikante Fortschritte. Integrierte Analogschalter bieten heute bessere Schaltcharakteristiken und sind sowohl mit kleineren als auch größeren Betriebsspannungen erhältlich.

Daneben gibt es zahlreiche anwendungsspezifische Typen, auf denen der Schwerpunkt des 2. Teils des Artikels liegt. Der Entwickler muss aus vielfältigen Leistungsmerkmalen und Sonderfunktionen auswählen. Dieser Artikel die Auswahl des richtigen Analogschalters erleichtern.

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Spezifische Anforderungen an Video- und Hochfrequenzschalter

Beim Schalten von Videosignalen sind RON und parasitäre Kapazitäten von Bedeutung. Herkömmliche Analogschalter mit großem RON benötigen u.U. zusätzliche Verstärkerstufen zum Ausgleich der Einfügedämpfung. Schalter mit kleinem RON haben dagegen größere parasitäre Kapazitäten, die die Bandbreite verringern und dadurch die Bildqualität beeinträchtigen. Benötigt man Schalter mit kleinem RON und möchte die Bandbreite nicht verringern, ist ein zusätzlicher Eingangspuffer erforderlich.

Die Bandbreite lässt sich erhöhen, indem im Schalter ausschließlich n-Kanal-MOSFETs verwendet werden. N-Kanal-MOSFETs besitzen kleinere Strukturen, dadurch werden die parasitären Elemente und das Gehäuse kleiner oder es können mehr Schalter pro Flächeneinheit implementiert werden. Analogschalter, die ausschließlich aus n-Kanal-FETs aufgebaut sind, haben jedoch den Nachteil, dass ihr Aussteuerungsbereich deutlich kleiner ist als der Betriebsspannungsbereich; ein Rail-to-rail-Betrieb ist nicht möglich.

Überschreitet das anliegende Video-Signal den Aussteuerungsbereich, wird die Ausgangsspannung gedämpft und dadurch das Videosignal verzerrt. Bei der Auswahl eines n-Kanal-Schalters sollte man also darauf achten, dass der Aussteuerungsbereich größer ist als die maximale Amplitude des zu schaltenden Signals.

In Anwendungen, bei denen mehrere Videosignalquellen geschalten werden, z.B. Videoüberwachungssysteme, sind die Sperrdämpfung (Off-Isolation) und das Übersprechen wichtige Kriterien. Die Off-Isolation ist definiert als das Verhältnis der Ausgangssignalamplitude zur Eingangssignalamplitude bei offenem Schalter.

Bei hohen Frequenzen spricht das Eingangssignal durch die Drain-Source-Kapazität (CDS) auf den Ausgang über, wodurch sich die Off-Isolation verringert. Je höher die Lastimpedanz einer Schaltung ist, beispielsweise durch einen nachgeschalteten Verstärker, desto stärker wirkt sich dieses kapazitive Übersprechen aus.

Für Video- und andere Anwendungen mit Frequenzen über 10 MHz empfiehlt sich eine T-Schalter-Topologie. Diese Anordnung bietet eine höhere Off-Isolation als ein einzelner Schalter. Wegen der parasitären Kapazitäten der beiden in Serie liegenden Schalter (Bild 9a) steigt das kapazitive Übersprechen eines offenen T-Schalters mit zunehmender Frequenz an. Die parasitären Kapazitäten bewirken bei Mehrkanalschaltern außerdem ein Übersprechen zwischen den Kanälen.

Bild 9a zeigt die beiden Schaltzustände. Im geschlossenen Zustand des T-Schalters sind die Schalter S1 und S2 geschlossen, S3 ist offen. Im offenen Zustand sind die Schalter S1 und S2 offen, und S3 ist geschlossen. Das Eingangssignal spricht dann zwar noch kapazitiv auf den Verbindungspunkt zwischen S1 und S3 über, wird aber durch S2 nach Masse kurzgeschlossen. Die Off-Isolationswerte bei 10 MHz eines T-Schalters und eines gewöhnlichen Analogschalters unterscheiden sich gewaltig: –80 dB bzw. –36 dB (Bild 9b).

Standard-Video-Schalter, auch als „passive“ Video-Schalter bekannt, benötigen u. U. eine zusätzliche externe Verstärkerschaltung [1]. Sogenannte „aktive“ Video-Schalter enthalten außer dem eigentlichen Schalter noch einen Pufferverstärker. Diese integrierten Verstärker reduzieren Signalstörungen, die hauptsächlich über externe Leiterbahnen aufgenommen werden. Integrierte Multiplexer-Verstärker für Hochfrequenzanwendungen zeichnen sich durch eine besonders hohe Off-Isolation aus.

ESD-geschützte Schalter

Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD, Electrostatic Discharge) ist in den meisten Analogschalter-Anwendungen ein wichtiger Aspekt. Standard-Analogschalter sind meist bis ±2 kV ESD-geschützt. Man kann zusätzlich externe ESD-Schutzbauteile vorsehen, das kostet jedoch wertvolle Leiterplattenfläche und vergrößert die Ein- und Ausgangskapazitäten. Einige neuere Schalter schützen vor elektrostatischen Entladungen bis ±15 kV.

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