模拟开关测试方法探讨

魏 军（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

模拟开关测试方法探讨

魏 军
（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

摘 要：集成多路模拟开关（以下简称模拟开关）在电子电路中起接通信号或断开信号的作用，主要用于模拟信号与数字控制的接口。近几年，集成模拟开关的性能有了很大的提高，可工作在非常低的电源电压，具有较低的导通电阻、微型封装尺寸和极佳的开关特性，是自动数据采集、程控增益放大等重要技术领域的常用器件，其实际使用性能的优劣对系统的可靠性有着重要影响。以4路SPST集成开关AD7510为例，重点讨论了模拟开关参数指标以及其功能和关键参数的一般测试方法。

关键词：模拟开关；集成电路；测试方法

1　引言

开关，就是在电子电路中起接通信号或断开信号作用的器件，分机电式（如各种类型的继电器）和电子式（晶体管开关、集成电路开关等）。而模拟开关属于电子开关的一种，它是一种三稳态电路，可以根据选通端的电平，决定输入端和输出端的状态。当选通端处于选通状态时，输出端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输入端电平如何，输出端都呈高阻状态。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而在视频音频系统、自动控制系统、数据采集及采样保持系统中得到了广泛应用。

2　模拟开关的结构及工作原理

目前市场上的模拟开关多以CMOS电路为主，通常由传输门电路及MOSFET构成。如图1所示，该开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成。

其工作原理如下：假定选通端A输入为1：当输入端S同为1时，则N1端为0，N2端为1，这时VT1截止，VT2导通，输出端D输出为1，此时D=S；当输入端A为0时，则N1端为1，N2端为0，这时VT1导通，VT2截止，输出端D为0，此时D=S。也即当选通端A为1时，相当于输入端和输出端接通。

图1 模拟开关组成结构

假定选通端A输入为0，此时无论输入端S是0还是1 ，N1、N2端均为0，VT1和VT2均为截止状态，电路输出呈高阻状态。

从上面的分析可以看出，只有当选通端A为高电平时，模拟开关才会被接通，输出D等于输入S；当选通端A为低电平时，模拟开关关闭，输出D高阻。

3　模拟开关的特性参数

近几年，集成模拟开关芯片有了很大发展，产品种类繁多，性能差异很大，对各种场合的应用要求也各不相同。为了准确地判断开关的性能，必须先了解模拟开关的特性参数。

集成模拟开关的特性参数包括工作电压范围、通道数量、导通电阻及其一致性和平坦度、开关速度、泄漏电流、电容和电荷注入、信号带宽、关断隔离度等。

工作电压对导通电阻的影响较大，导通电阻RON会随输入电压的增大而减小。

通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有影响，且通道数越多，泄漏电流越大。

导通电阻随输入信号的变化而变化，会导致插入损耗的变化，产生总谐波失真。

开关速度与切换控制输入的响应时间有关，对需要传输的高速信号影响较大。

泄漏电流与开关断开或接通时的源极和漏极泄漏有关，泄漏越低，损耗越少。

电荷注入是对开关期间从数字输入到模拟输出的毛刺脉冲的量度，越低越好。

信号带宽输出信号衰减3 dB的频率，受开关内部寄生电容影响。

关断隔离度是开关断开时对无用信号耦合的量度，越高越好。

在这些特性参数中，一般开关选用需衡量的最关键特性有3个：导通电阻、泄漏电流和开关速度。下面以AD7510为例来探讨对模拟开关关键参数的测量。

4　关键参数的测量

ADI公司生产的AD7510是一款具有防闩锁功能的4路SPST模拟开关，工作条件为±15 V，导通电阻100 Ω左右，泄漏电流在200 nA以内，开关切换速度最大1 μs。

图2 器件外形图

图3 功能框图

对于这款电路的测试我们采用TR6800集成电路测试系统。其PVC Board可提供最大32 V电压、1 A电流，可做DPS使用；OVC Board具有8路独立的电压电流量测单元，16位转换器，电压施加与量测的最小分辨率是61 μV，电流施加与量测的最小分辨率为46 nA，精度为所选档位的±0.2%；TMU Board提供4路独立的时间或频率量测单元，时间测试档位最小分辨率是1.25 ns；另外，其Matrix Board提供128路继电器，导通阻抗小于1 Ω。

4.1功能测试

如前文所述，选通端A置高电平，开关导通且D=S，据此我们设计功能测试如图4所示。

Vi接4路开关控制信号，输入频率为1 MHz、幅度为5 V、占空比为50%的方波信号；S端输入5 V高电平；D作为输出端，如果量测到1 MHz、5 V左右、50%的方波信号，即为功能正常。

图4 功能测试原理

4.2导通电阻测量

要测量导通电阻必须了解它的产生及影响因素。理论上MOSFET也具有双向特性，可以传递双极性信号。但单个的P-MOS或N-MOS的导通电阻RON会随着输入电压VIN的变化而逐渐减小或增大。为了消除这一现象增加的额外误差，开关电路通常设计为P-MOS和N-MOS并联而成，形成CMOS （Complementary-MOS，互补MOS），如图5所示。

图5 CMOS开关结构及导通电阻

对于这种由两个对偶的N-MOS和P-MOS并联而成的开关电路，其等效电路如图6所示。

图6 CMOS开关等效电路

RS为信号源内阻，CI为开关的输入电容，RON是开关的导通电阻，ROFF是开关断开时的电阻，CIO是跨接在开关输入与输出端上的电容，CO是输出电容，RL和CL为负载的电阻和电容。

当开关闭合时，给一定的电流IDS使其流经RON，并量测出S、D端的电压，即可由计算式RON=（VD-VS）/IDS求得RON值。以AD7510为例，电源±15 V由测试机PVC通道供给，开关端口接测试机OVC通道并给S端施加电压VS=10 V，控制端A施加5 V高电平使开关导通，在被测端D端拉一个1 mA的电流IDS，此时可测得D端电压VD，实测值大约为9.95 V。则

RON的平坦度，是指在限定的VIN范围内RON的最大起伏值，可由式∆RON=RONMAX-RONMIN计算得出。而RON的一致性表示各通道RON的差异，由式RONdif=RONx-RONy计算得出。

4.3泄漏电流测量

在电子式开关中，因芯片内部半导体器件的缺陷，会有微小的电流自输入端流出，经信号源内阻产生干扰。而泄露电流又分为开关断开时的漏电流IDOFF（漏极）和ISOFF（源极），以及闭合时的漏电流IDON和ISON。关断漏电流如图7所示，IDOFF=（VDVA）/RiP、ISOFF=（VA-VS）/RiN。关断时，VA=0 V，可令VD=10 V，VS=-10 V或VD=-10 V，VD=10 V分别测出IDOFF和ISOFF。在集成多路模拟开关中，当一个开关导通时，其他几个开关是断开的，未导通开关的漏电流将通过导通的开关流经信号源，如图8所示。此时测得的IDON或ISON将数倍于IDOFF（ISOFF）。以AD7510为例，常温状态下，令VD=VS=10 V或VD=VS=-10 V，VA=0 V时测得关断漏电流实测值约为3 nA，而当VA=5 V时可测得闭合漏电流，实测值在10 nA左右。

图7 关断漏电流

图8 导通漏电流

4.4开启时间和关断时间测量

前文已经提到，开关速度与开关切换控制输入的响应时间有关，实指从控制信号到达最终值的50%时，到开关输出到达最终稳定值的90%之间的时延。

图9 开启/关断时间测量

测试时如图9所示，给控制端A施加3 V、1 MHz的时钟信号，S端保持输入3 V的高电平。输出端D 接TR6800的时间/频率测量单元TMU1的channel B，输入时钟信号同时接入TMU1的channel A，并设定输入和输出的比较电平（1.5 V、2.7 V），选用时间测试档位800 MHz（最小分辨率1.25 ns），在上升沿可测得开启时间tON，在下降沿可测得关断时间tOFF。以AD7510为例，其tON、tOFF实测值大约300 ns，图10反映了tON、tOFF随温度的变化情况。

图10 tON、tOFF随温度的变化曲线

5　结束语

本文详述了CMOS模拟开关的结构和工作原理，并结合SPST集成开关芯片AD7510对模拟开关电路的功能和关键参数的测试方法进行一番探讨。至于特殊应用场合下对模拟开关其他特性的要求，需要专业的测试设备进行分析测试，这里不作讨论。

参考文献：

[1] 康华光．电子技术基础：模拟部分[M]．北京：高等教育出版社，1999.

[2] 谢自美. 电子线路设计•实验•测试[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2000.

[3] 吴忠. 低电压高性能系统中的模拟开关[J].

[4] Usama Munir, David Canny. 美信（Maxim）CMOS模拟开关设计精华集锦[M].

Discussion on Test Method of Integrated Analog Switch

WEI Jun
(China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China)

Abstract:Integrated multiplexer switch circuit (analog switch for short) acts on signal or disconnect signal in an electronic circuit, mainly for analog signals and digital control interface. In recent years, analog switch performance has been greatly improved; they can operate at very low power supply voltage, have a low onresistance, miniature package size and excellent switching characteristics. They are common devices that used in data automatic collection, programmable amplifi er and other signifi cant technical areas. Their actual performance will have an important impact on the accuracy and reliability of the system. The chapter takes AD7510, a sort of four channels SPST (single-pole single-throw) analog switch as an example to discuss the circuit specifi cations and the test methods.

Keywords:analog switch; integrated circuit; test methods

中图分类号：TN407

文献标识码:A

文章编号：1681-1070（2015）10-0008-04

收稿日期：2015-6-4

作者简介：

魏 军（1981—），男，河南信阳人，2006年毕业于武汉理工大学电子信息工程专业，目前工作于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事集成电路测试工作。