一文学会高效比较CMOS开关和固态继电器性能

作者：ADI产品应用工程师Stephen Nugent

源极和漏极之间的关断电容CDS(OFF)可用来衡量关断开关后，源极信号耦合到漏极的能力。它是固态继电器（如PhotoMOS^®、OptoMOS^®、光继电器或MOSFET继电器）中常见的规格参数，在固态继电器数据手册中通常称为输出电容C_OUT。CMOS开关通常不包含此规格参数，但关断隔离度是表征相同现象的另一种方法，关断隔离度定义为，开关关断状态下，耦合到漏极的源极的信号量。ADI将在本文讨论如何从关断隔离度推导出C_OUT，以及如何通过它来更有效地比较固态继电器和CMOS开关的性能。这一点很重要，因为CMOS开关适合许多使用固态继电器的应用，例如切换直流信号和高速交流信号。

如何从关断隔离度导出C_DS(OFF)

图1显示ADG5412的关断隔离度与频率的典型性能图。该图显示，当源极上的信号频率上升时，关断隔离度降低。

图1.ADG5412关断隔离度与频率的关系（±15V双电源）

这意味着，随着信号频率增加，源极上有更多信号会出现在关断开关的漏极。如果您观察开关的等效电路在关断状态下的表现，如图2中的测试电路所示，会发现这种状况不足为奇。当开关处于断开状态时，源极和漏极之间存在寄生电容，即图中的C_DS(OFF)。这种寄生电容使高频信号能够通过，关断隔离图就是为了确定这些特征。

图2.关断隔离度测量测试电路

从图2所示的测试电路中获取V_S和V_OUT，然后将它们代入以下公式中，以计算关断隔离度：



将从关断隔离图中得到的结果应用到开路开关的等效电路中，可计算得出CMOS开关的C_DS(OFF)。首先，如果考虑关断开关通道和负载，可以将电路视为高通滤波器，如图3所示。

图3.C_DS(OFF)和R_L高通滤波器

所示电路的转换函数可以通过以下公式计算得出：



接下来，考虑源电压V_S及其阻抗，如图2所示。源阻抗R_S为50Ω，与50Ω负载阻抗R_L匹配。假设在理想情况下，C_DS(OFF)短路，那么在阻抗相等时，V_S为V_IN的2倍。这意味着，当根据V_S计算转换函数时，整个转换函数会翻倍。

所以，整个系统的转换函数为：



然后，可以将这个转换函数代入关断隔离度公式，得出：



然后，重新变换该公式，求解C_DS(OFF)的值：



这意味着，如果知道R_L、输入信号的频率f，以及关断隔离规格值(dB)，就可以计算出C_DS(OFF)。这些值可以在ADI产品系列中的开关或多路复用器产品的数据手册中找到。以下示例将展示其执行步骤。

C_DS(OFF)计算示例

本例使用受SPI控制的4路SPST开关ADGS1612。ADGS1612的关断隔离规格为−65dB，可以在数据手册中的表1中找到。根据关断隔离规格的测试条件部分，R_L为50Ω，信号频率f为100kHz。将这些值代入C_DS(OFF)公式，可以计算得出电容值。



注意，在开关与多路复用器的关断隔离测量电路中，在开关通道的源极引脚之前，可能包含一个额外的50Ω端接电阻，如图4所示。采用以这种方式测量得出的关断隔离规格，仍然可以使用C_DS(OFF)公式进行计算。但是，如果源极引脚使用50Ω端接电阻（随后用于C_DS(OFF)公式中），需要在数据手册给出的关断隔离规格的基础上加上6dB。这是为了进行补偿，因为源极的50Ω端接电阻会使电压减半，相当于−6dB。

图4.源极上具有50 Ω端接电阻的关断隔离度测试电路

CMOS开关与固态继电器的关系

表1显示从ADI产品系列中选择的开关产品的C_DS(OFF)值。ADG54xx和ADG52xx系列可以处理摆幅高达44V的信号电压，ADG14xx和ADG12xx系列可以传输摆幅高达33V的信号电压。这种可比较信号的范围为30V至40V固态继电器。表中的最后一列还显示了如何使用C_DS(OFF)和开关导通电阻来计算R_ON、C_DS(OFF)乘积，在固态继电器中，它被用作等第值(order of merit)。R_ON、C_DS(OFF)乘积显示在开关开启时，对信号的衰减影响非常小，以及开关在关断时，阻截高速信号的作用有多强。该表显示ADG1412的R_ON、C_OFF乘积小于5，在市面上的固态继电器中，这一点相当有优势。

表1.在ADI产品系列中选择SPST × 4开关的CDS(OFF)

与固态继电器相比，CMOS开关具有多项优势。具体包括：

• 更易于驱动开关逻辑

ADI大部分CMOS开关的典型数字输入电流为1nA，而固态继电器中二极管的推荐正向电流为5mA。这意味着，CMOS开关易于直接被微控制器上的GPIO控制。

• 更快的开关速度

ADG1412的典型开启时间为100ns，固态继电器的开启时间为几百毫秒。

• 单个封装内集成更多开关

例如，ADGS1414D采用5mm × 4mm封装，具有8个开关通道、1.5Ω导通电阻和5pF C_DS(OFF)。也就是说，每2.5mm²封装面积内一个开关。

结论

开关在关断状态下阻截信号的能力至关重要。在固态继电器中，C_OFF规格用于衡量开关两端的电容，它允许输入信号耦合到关断开关的输出。在CMOS开关中，不会直接测量此电容；但是，可以通过关断隔离度规格来推算此电容。通过推导开路开关的转换函数，可以使用关断隔离度值(dB)、输入信号的频率和负载电阻来确定C_DS(OFF)。在比较CMOS开关和固态继电器的C_OUT规格时，C_DS(OFF)是一个重要值。此外，C_DS(OFF)还可用于计算R_ON、C_DS(OFF)乘积，这是一个等第值，用于显示开关的整体关断隔离和信号丢失性能。这样针对应用选择开关时，就可以更直观对CMOS开关和固态继电器进行比较选择。相比固态继电器，CMOS开关也有诸多优势，例如，更易于驱动开关逻辑、更快的开关速度，以及能够在封装中集成更多开关。

关于ADI公司

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关于作者

Stephen Nugent是ADI公司自动化测试设备团队的应用工程师。2014年毕业于英国贝尔法斯特女王大学，获电气电子工程硕士学位。Stephen于2014年加入ADI公司，负责为模拟开关和多路复用器产品系列提供技术支持。