选择和使用模拟与数字应用中的开关IC

已创建：December 21, 2021
已更新：July 1, 2024

许多电子设备接受用户通过手动开关的输入，但这并不总是在每个系统中触发逻辑条件的最佳方式。如果我们有一个嵌入式系统，它与某些网络API接口，而且没有机械开关怎么办？如果电路板被埋在更大的系统中，永远无法手动访问怎么办？

开关集成电路（IC）是基于逻辑条件或不一定涉及某些机械组件的用户输入激活外围设备的绝佳选择。开关IC是通过电方式激活的，有时候是通过MCU或模拟信号电平。当你需要在系统中实现这种类型的切换时，这里有一些你可以遵循的选择和使用开关IC的指南。

重要的开关IC规格

开关IC是一个简单的集成电路，是机械开关的电气类似物。这些组件提供了一种基于用户输入、逻辑条件或甚至传感器水平的便捷切换机制。切换是通过低速数字接口或直流电压激活组件上的使能引脚来触发的（例如，通过GPIO提供）。开关IC可以提供与典型机械开关（SPST、SPDT等）相同的电气功能，使它们易于在电子系统中实现。

当你为你的系统选择开关IC时，注意这些规格：

极数、通道和通道。 开关IC通常是SPST、SPDT或DPDT类型。多个开关（即通道）可以出现在同一个封装中。
模拟与数字开关。 有两种类型的开关可用，它们并不总是可以互换的。这两种类型的开关将在下文中讨论。
带宽和电阻/阻抗。 这在高频时才变得重要，其中可能需要阻抗匹配以确保开关处没有信号反射。芯片和切换电路结构也将限制开关的带宽。对于高频，应选择电阻，以便查看开关的输入阻抗与线路阻抗匹配。注意，对于这些应用有专用RF开关可用。
数据速率（对于数字开关）。 数字开关有一定的上升时间，决定了开关的带宽。这将限制在设备开启时可以提供的数据速率。对于需要在不同高速数字接口之间切换的应用，如在背板中，注意这个规格。
单电源系统与双电源系统。 如果你的布局中有单一供电电压，那么如果可能的话，你应该使用单电源开关，因为它使布局更加方便。注意，一些模拟开关需要连接一个负电源引脚，这将限制组件的负极性输出。

在处理高速数字数据时，使用专门的交叉点开关来切换数据。这些组件使用高速逻辑构建，并旨在支持特定的协议、调制类型（例如，NRZ）或信号标准。

模拟开关IC

开关IC分为数字和模拟两种类型。这两种类型的开关都有其优势，但由于IC中输出启用的方式不同，它们在芯片级别的功能也有所不同。在某些情况下，您可以在数字信号中使用模拟IC，但反之则不成立。

当模拟开关IC通电时，它可以传导数字或模拟信号。本质上，它们就像一个继电器，输入控制触发信号驱动模拟开关进入高导电状态。模拟开关也是双向的，正如人们期望的那样，以便开关能够在输出上复制模拟信号。然而，输出可能会饱和，无论是负载太小还是输入电压级别超过供应电压时都是如此。对于数字信号，同样的理念适用，尽管对于数字信号，我们只需要确保在总线上使用开关时不会扰乱扇出。

一个模拟SPDT开关的例子是ON Semiconductor的NLAS4157。该设备的导通状态电阻低至约0.8欧姆，使其成为直流或低频模拟应用的绝佳选择。它还支持每个输出的较高连续电流，高达300 mA。每个输出也具有很高的隔离性，对于50欧姆负载，串扰额定值为-57 dB（典型值），1 MHz时。总谐波失真额定值为0.012%，对于0.5 Vp-p，-3 dB带宽额定值为8 MHz，使得该组件成为音频应用的绝佳选择。

数字开关IC

数字开关不能用于模拟信号。当与数字信号一起使用时，数字开关IC试图复制输入信号的逻辑电平。显然，使用与驱动器和开关IC的逻辑家族相同的AND门实现SPST开关是最简单的。在使用单个驱动器与多个开关时，扇出也是一个重要的考虑点，尽管有带有多个输出和独立使能触发器的总线开关IC可用。

一个2位数字总线开关IC的例子是Texas Instruments的SN74CBTD3306。这种双FET开关IC包括2个独立的输出使能引脚和2个独立的输入，允许将开关接线为两个SPST开关或翻转触发器式配置。这个组件的一个有用应用是在电平转换5 V信号（TTL）降至3.3 V，这得益于VCC引脚上的内部二极管。尽管它不是为高速数据传输设计的，但它确实提供了约5 ns的使能和禁用时间的快速切换，仅有250 ps的传播延迟。

当您需要在新系统中放置一个开关时，市场上有许多选项，但您可能会使用其他组件来生成和接受信号。在带有开关IC的系统中常见的一些其他组件包括：

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