Analogschalter: Angesichts der großen Anzahl und Vielfalt von Analogschaltern, die am Markt angeboten werden, muss der Produktentwickler bei der Auswahl zahlreiche Leistungsmerkmale berücksichtigen.

Tipps zur Auswahl des passenden CMOS-Analogschalters – Teil 1

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.

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: Ein typischer Analogschalter ist im Wesentlichen eine Parallelschaltung aus einem n-Kanal- und einem p-Kanal-MOSFET
Bild 1: Ein typischer Analogschalter ist im Wesentlichen eine Parallelschaltung aus einem n-Kanal- und einem p-Kanal-MOSFET

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

 Bild 2: RON über VIN. Der Gesamt-Einschaltwiderstand des Schalters ergibt sich aus der Parallelschaltung der On-Widerstände der n- und p-Kanal-MOSFETs
Bild 2: RON über VIN. Der Gesamt-Einschaltwiderstand des Schalters ergibt sich aus der Parallelschaltung der On-Widerstände der n- und p-Kanal-MOSFETs

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.

 Bild 3a: Je höher die Betriebsspannung, desto kleiner der RON. Die Abbildung zeigt den RON des MAX4992 (unipolare Betriebsspannung) über dem Signal-Pegel (VCOM).
Bild 3a: Je höher die Betriebsspannung, desto kleiner der RON. Die Abbildung zeigt den RON des MAX4992 (unipolare Betriebsspannung) über dem Signal-Pegel (VCOM).

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.

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: RON-Kennlinien jüngerer Analogschalter im Vergleich zu dem älteren MAX383. Die Abhängigkeit vom Signalpegel wurde stark vermindert.
Bild 3b: RON-Kennlinien jüngerer Analogschalter im Vergleich zu dem älteren MAX383. Die Abhängigkeit vom Signalpegel wurde stark vermindert.

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.

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.

 Gleichung 1b
Gleichung 1b

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.

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 RONeines 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

 Bild 4: In beiden Fällen dient der Analogschalter zum Umschalten der Verstärkung. Schaltung A ist ein Beispiel für eine „gute“ Schaltung (kleiner Schaltstrom) und B ein Beispiel für eine „schlechte“ Schaltung (großer Schaltstrom).
Bild 4: In beiden Fällen dient der Analogschalter zum Umschalten der Verstärkung. Schaltung A ist ein Beispiel für eine „gute“ Schaltung (kleiner Schaltstrom) und B ein Beispiel für eine „schlechte“ Schaltung (großer Schaltstrom).

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.

 Gleichung 2a
Gleichung 2a

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).

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

 Bild 5: THD in Abhängigkeit von der Frequenz für ausgewählte Analogschalter
Bild 5: THD in Abhängigkeit von der Frequenz für ausgewählte Analogschalter

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

 Gleichung 2b
Gleichung 2b

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.

 Bild 6a: Die vom Steuersignal verursachte Ladungsinjektion verursacht einen Spannungsfehler am Ausgang
Bild 6a: Die vom Steuersignal verursachte Ladungsinjektion verursacht einen Spannungsfehler am Ausgang

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.

Schaltungsbeispiel Track-and-hold-Verstärker

 Bild 6b: Die Track-und-hold-Stufe in einem A/D-Wandler erfordert eine sorgfältige Auslegung der Analogschalter
Bild 6b: Die Track-und-hold-Stufe in einem A/D-Wandler erfordert eine sorgfältige Auslegung der Analogschalter

Ein Schaltungsbeispiel hierfür ist ein Track-and-hold-Verstärker. Das erfasste Eingangssignal soll für die Analog/Digital-Wandlung konstant gehalten werden (Bild 6b). Wenn der Schalter S1 schließt, wird der kleine Pufferkondensator (C) mit der Eingangsspannung (VS) verbunden. Dieser Kondensator hat eine Kapazität von wenigen Picofarad und behält beim Öffnen von S1 seine momentane Spannung bei.

Zu Beginn eines Umsetzungszyklus wird die Haltespannung (VH) mit dem hochohmigen Eingang des Pufferverstärkers verbunden. Der

 Gleichung 3
Gleichung 3

Pufferverstärker sorgt dafür, dass am (relativ niederohmigen) Eingang des nachgeschalteten A/D-Wandlers, für den gesamten Umsetzungszyklus, eine konstante Spannung VH anliegt.

Kurze Abtastzeiten erfordern sowohl eine kleine Track-und-hold-Kapazität (C) als auch einen Schalter (S1) mit niedrigem RON. Infolge der Ladungsträgerinjektion verändert sich die Spannung VH und verringert somit die Genauigkeit der A/D-Umsetzung.

Leckströme (Leakage) und deren Einfluss auf den Spannungsfehler

 Bild 7: Ersatzschaltung eines Analogschalters im geschlossenen Zustand
Bild 7: Ersatzschaltung eines Analogschalters im geschlossenen Zustand

Auch Leckströme beeinflussen den Ausgang eines Analogschalters. Die Bilder 7 und 8 zeigen vereinfachte Kleinsignalmodelle eines Analogschalters im On- bzw. Off-Zustand. In beiden Fällen verursachen interne parasitäre Dioden Leckströme, die über RL zum Ausgangsspannungsfehlern führen. Der Leckstrom ist temperaturabhängig und verdoppelt sich etwa alle 10°C. Einige Analogschalter enthalten ESD-Schutzdioden, die zusätzliche Leckströme hervorrufen.

Die Ausgangsspannung im On-Zustand berechnet sich nach Gleichung 3. Sie ist eine Funktion des Leckstroms, des RON, der RON-Welligkeit, des Lastwiderstands und des Quellwiderstands. Wobei der Leckstrom (Ilkg) in den Bildern 7 und 8 IS oder ID ist, je nachdem ob die Drain- oder Source-Seite eines bidirektionalen Analogschalters als Ausgang konfiguriert ist.

Die Ausgangsspannung im Off-Zustand ist in erster Linie eine Funktion des Leckstroms und berechnet sich nach der Gleichung VOUT = Ilkg × RL.

 Bild 8: Ersatzschaltung eines Analogschalters im offenen Zustand
Bild 8: Ersatzschaltung eines Analogschalters im offenen Zustand

Viele IC-Datenblätter enthalten Angaben zu den On/off-Leckströmen unter Worst-Case-Bedingungen: Nähert sich die Signalspannung den Betriebs-spannungsgrenzen, injizieren die parasitären Dioden höhere Leckströme in das Substrat und verursachen einen Stromfluss in Nachbarkanäle.

Der Schwerpunkt des zweiten Teils dieses Artikels liegt auf anwendungsspezifischen Analogschaltern.

Die Autoren: Usama Munir arbeitet als Applikationsingenieur bei Maxim Integrated in Dublin/Irland. David Canny ist als Inside Applications Manager für die EMEA-Region bei Maxim Integrated in Dublin/Irland tätig.

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