如何有效比較CMOS開關和固態繼電器的性能

作者:ADI 產品應用工程師Stephen Nugent o


摘要

源極和漏極之間的關斷電容CDS(OFF)可用來衡量關斷開關後,源極訊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,在固態繼電器資料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,但關斷隔離度是顯示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訊號量。本文將討論如何從關斷隔離度推導出COUT,以及如何透過其更有效比較固態繼電器和CMOS開關的性能,這是重要的特點,因為CMOS開關適合許多使用固態繼電器的應用,例如切換直流訊號和高速交流訊號。

如何從關斷隔離度匯出 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,當源極上的訊號頻率上升時,關斷隔離度隨之降低。

Figure 1. ADG5412 off isolation vs. frequency, ±15 V dual supply.
圖1.ADG5412關斷隔離度與頻率的關係(±15 V雙電源)。

表示隨著訊號頻率增加,源極上有更多訊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。當開關處於斷開狀態時,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訊號能夠通過,關斷隔離圖就是為了確定這些特徵。

Figure 2. Off-isolation measurement test circuit.
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,然後將其代入以下公式中,以計算關斷隔離度:

Equation 1

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。

Figure 3. C<sub>DS(OFF)</sub> and R<sub>L</sub> high-pass filter.
圖3.CDS(OFF)和RL高通濾波器。

所示電路的轉換函數可以透過以下公式計算得出:

Equation 2

接下來,考慮源電壓VS及其阻抗,如圖2所示。源阻抗RS為50 Ω,與50 Ω負載阻抗RL匹配。假設在理想情況下,CDS(OFF)短路,那麼在阻抗相等時,VS為VIN的2倍。表示當根據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:

Equation 3

然後,可以將這個轉換函數代入關斷隔離度公式,得出:

Equation 4

然後,重新變換該公式,求解CDS(OFF)的值:

Equation 5

這表示如果知道RL、輸入訊號的頻率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工器產品的資料手冊中找到。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−65 dB,可以在資料手冊中的表1中找到。根據關斷隔離規格的測試條件部分,RL為50 Ω,訊號頻率f為100 kHz。將這些值代入CDS(OFF)公式,可以計算得出電容值。

Equation 6

注意,在開關與多工器的關斷隔離測量電路中,在開關通道的源極接腳之前,可能包含一個額外的50 Ω端接電阻,如圖4所示。採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,如果源極接腳使用50 Ω端接電阻(隨後用於CDS(OFF)公式中),需要在資料手冊提供的關斷隔離規格的基礎上加上6 dB。這是為了進行補償,因為源極的50 Ω端接電阻會使電壓減半,相當於−6 dB。

Figure 4. Off-isolation test circuit with a 50 Ω termination on the source.
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係

表1顯示從ADI產品系列中選擇的開關產品的CDS(OFF)值。 ADG54xxADG52xx 系列可以處理擺幅高達44 V的訊號電壓, ADG14xxADG12xx 系列則可傳輸擺幅高達33 V的訊號電壓。可比較訊號的範圍為30 V至40 V固態繼電器。表中的最後一列並顯示了如何使用CDS(OFF)和開關導通電阻來計算RON、CDS(OFF)乘積,在固態繼電器中,其被用於等第值(order of merit)。RON、CDS(OFF)乘積顯示在開關開啟時,對訊號的衰減影響非常小,以及開關在關斷時,阻截高速訊號的作用有多強。該表顯示 ADG1412 的RON、COFF乘積小於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)
  最大電源電壓 關斷隔離 CDS(關斷) 導通電阻 R × C
ADG5412 ±22 V, +40 V −78 dB @ 100 kHz 4 pF 9.8 Ω 39.2
ADG5212 ±22 V, +40 V −80 dB @ 1 MHz 0.32 pF 160 Ω 51.2
ADG1412 ±16.5 V, +16.5 V −80 dB @ 100 kHz 3.2 pF 1.5 Ω 4.8
ADG1212 ±16.5 V, +16.5 V −80 dB @ 1 MHz 0.32 pF 120 Ω 38.4

相較於固態繼電器,CMOS開關具有多項優勢。具體包括:

  • 更易於驅動開關邏輯

ADI大部分CMOS開關的典型數位輸入電流為1 nA,而固態繼電器中二極體的推薦正向電流為5 mA。表示CMOS開關易於直接被微控制器上的GPIO控制。

  • 更快的切換速度

ADG1412的典型開啟時間為100 ns,固態繼電器的開啟時間為幾百毫秒。

  • 單一封裝內整合更多開關

例如, ADGS1414D 採用5 mm × 4 mm封裝,具有8個切換通道、1.5 Ω導通電阻和5 pF CDS(OFF)。也就是說,每2.5 mm2封裝面積內一個開關。

結論

開關在關斷狀態下阻截訊號的能力非常重要。在固態繼電器中,COFF規格用於衡量開關兩端的電容,其允許輸入訊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,可以透過關斷隔離度規格來推算此電容。透過推導開路開關的轉換函數,可以使用關斷隔離度值(dB)、輸入訊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)還可用於計算RON、CDS(OFF)乘積,這是一個等第值,用於顯示開關的整體關斷隔離和訊號丟失性能。這樣針對應用選擇開關時,就可以更直覺地對CMOS開關和固態繼電器進行比較選擇。相較於固態繼電器,CMOS開關也有諸多優勢,例如,更易於驅動切換邏輯、更快的切換速度,以及能夠在封裝中整合更多開關。