讨论总线开关的架构和特性，以及它们的许多用途

来源：analog 发布时间：2023-12-18

摘要： 总线开关-通常称为数字开关-是设计用于连接高速数字总线的产品。其特点是亚纳秒的传播延迟和快速开关-并且不引入额外的噪声或直流功耗-它们非常适合电压转换，热插拔，热插拔，总线或电容隔离以及许多其他应用。此外，它们的设计使它们在许多应用程序中都很有用。使它们适用于许多不同应用的关键特性包括低导通电阻、低电容和低传播延迟。本讨论将考虑总线开关的体系结构和特性，并解释它们的许多用途。

总线开关-通常称为数字开关-是设计用于连接高速数字总线的产品。其特点是亚纳秒的传播延迟和快速开关-并且不引入额外的噪声或直流功耗-它们非常适合电压转换，热插拔，热插拔，总线或电容隔离以及许多其他应用。此外，它们的设计使它们在许多应用程序中都很有用。使它们适用于许多不同应用的关键特性包括低导通电阻、低电容和低传播延迟。本讨论将考虑总线开关的体系结构和特性，并解释它们的许多用途。

什么是总线开关?

母线开关的基本元件是n沟道场效应管，其状态由CMOS逻辑控制。作为一个双边开关，源端(a)或漏端(B)都可以作为信号输入(图1)。当关闭时，栅极保持在零电压，源端和漏端之间有一个开路。

当开关使能(BE在0)时，其门被驱动到V(CC)。如果V(GS)(或V(GD))， V(CC) - V(IN)，大于晶体管阈值电压(通常约1v)，沟道将切换到低阻导通状态(几欧姆)。然而，当V(GS)接近阈值电压时，器件接近其饱和区域并变得高阻;图2显示了导通电阻与输入电压随V(CC) (ADG3257)的函数关系的典型图。饱和时，输出电压将限制在V(CC) - V(TH)之间。

图3是输入和供电电压在5v范围内的典型母线开关的输出电压与输入电压的关系图。当V(GS)小于约1v时，开关通道开始饱和，电压钳位为V(CC) - V(TH)。因此，在这个例子中，对于V(CC) = 5v，输出跟随输入直到大约4v。在此输入电压之外，V(OUT)保持在V(CC) - V(TH)。这种钳位倾向是母线开关的一个非常有用的特征;它的优点和用途将在后面更详细地讨论。

图3。ADG3257母线开关的V(OUT) vs. V(IN)， V(CC)在5v范围内。

影响总线开关器件应用的关键特性是:导通电阻、与通道相关的电容和传播延迟。这种器件的导通电阻通常很低，通常只有几欧姆。在导通状态下，需要保持尽可能低的电容通常小于10pf。电容和导通电阻参数都影响通过开关通道的传播延迟。

实际上，由低阻抗电压源驱动的母线开关在on状态下的所有传播延迟都来自开关的R(on)和负载电容的RC延迟，通常在亚纳秒范围内，远远小于驱动信号的上升/下降时间。在系统中，数字开关的传播延迟是由开关驱动侧的电路阻抗及其与驱动侧负载的相互作用决定的。

我们在哪里使用公共汽车开关?

总线开关通过隔离不需要驱动总线或由总线驱动但稍后可能需要连接的功能来提高速度和降低噪音。此外，总线开关可用于PC坞站，PC卡或电源管理应用，以断开电流路径并防止电路泄漏。从本质上讲，ADG324x/ADG325x系列的总线开关消耗非常低的静态功率总线开关成员，当不切换时，通常消耗1 nA(最大1 μA) -使它们非常适合用于低功耗应用，如笔记本电脑。总线隔离也使这些设备适合热插拔和热插拔，当插入额外的卡或模块时，它们可以帮助防止不希望的行为。总线开关在需要连接在两个不同电源电压下运行的系统的应用中也很有用。下面将更详细地描述每一个应用程序。

使用数字总线开关进行总线隔离

总线结构的一个共同要求是总线的低电容长度。这样的系统需要总线桥接设备，以便在不超过规格的情况下增加可用负载的数量。理想情况下，应断开当前未使用的总线上的任何负载，以减少总体电容损耗并避免超过总线电容规格。母线开关专门为此目的而设计:隔离此时不需要驱动或被驱动但稍后可能需要连接的功能，从而最大限度地减少在任何给定时刻连接的总容性负载。

如果在总线上的每个负载和总线本身之间放置了总线开关，那么当开关被禁用时，负载将与总线隔离。由于总线开关在启用时可以在任何一个方向上传递大量电流，而不会增加通过它的信号的显著传播延迟，因此它是总线隔离问题的可行解决方案。图4显示了一般情况，图5显示了使用四路2:1多路复用总线开关的内存存储驱动器问题的具体解决方案。

多路复用

对于具有大量公共总线信号的系统，设计人员面临的问题包括地址和数据总线信号同时切换所造成的系统噪声，以及总线电容损耗造成的系统大延迟。

图5a显示了一个存储库数组，其中每个地址和数据信号都是由单个加载的总和加载的。现在，如果使用如图5b所示的总线开关(本例中为ADG3257四路2:1多路复用器/解路复用器)，则内存地址和数据位上的输出负载减半。这种隔离可以将所选银行的数据流速度提高近一倍，因为电容降低了一半，并且交换机引入的传播延迟可以忽略不计。公共汽车噪音也显著降低。

图5。减少内存存储时间。a)当所有存储器都永久连接到总线时，地址和数据线负荷很大。b)当使用ADG3257在不同的存储库对之间切换时，访问时间和噪声都降低了。

电压转换

当两个工作在不同电源电压下的设备连接时，来自高压设备的数字信号需要安全地连接到低压设备。为了不超过在较低电压水平下工作的设备规定的最大额定值，必须降低来自较高电压设备的输出电压。这可以通过与所讨论的信号串联插入总线开关来实现(图6)。

图6。使用ADG3257在3.3 v控制器和5v数据转换器之间进行切换和电平转换。

如上所述，如果V(GS)电压降低到小于1v，开关通道开始饱和，输出电压钳位为V(CC) - V(TH)。也就是说，输出跟随输入直到该电压附近，对于更高的输入电压，V(OUT)保持在V(CC) - V(TH)。图7显示了与图3相同的开关的输出-输入图，但重点放在3.3 V区域的V(CC)上。这种行为使得总线开关设备适合于调用电平转换的应用程序的接口。

图7。ADG3257母线开关的V(OUT) vs. V(IN)， V(CC)在3v范围内。

在图6的示例中，用户可能希望在应用程序中应用3.3 v DSP或微控制器作为控制设备，其中合理的性能要求ADC或DAC或其他设备从例如5v电源中运行。除非微控制器具有能够容忍5v设备输出电平的输入，否则电路将无法正常通信。如图3和7所示的母线开关连接在设备之间，作为电压转换器，双向通信是可能的，而不会损坏下电源设备。二极管与5v电源串联连接，母线开关的钳位电压的组合提供了相当接近所需的5v至3.3 v(从左到右)的下降，而不会妨碍3.3 v通信(从右到左)。

同样，该设备可用于3.3 v和2.5 v系统之间的电平转换。2.5 V输出的LVTTL V(OH)电平为2v，而2.5 V器件所需的LVTTL V(IH)电平为1.7 V，因此在较低电源电压下工作的5v母线开关可以轻松满足这些要求。

由于母线开关是一个简单的场效应管，信号路径是双向的;即，输入和输出是可互换的。然而，信息不可能总是双向交流;这取决于供应。表1显示了5 V↔3.3 V和3.3 V↔2.5 V之间的转换可用于不同电源运行的设备之间的双向通信，但其他两个选项(2.5 V→1.8 V, 3.3 V→1.8 V)不能同时用于两个方向。更多详细信息请参见ADG3247数据表。

表1。总线开关设备及其电平转换能力。

部分没有。	函数	翻译水平
		5↔3.3	3.3↔2.5	2.5→1.8	3.3→1.8 (1)
ADG3245	8位总线开关	没有	是的	是的	是的
ADG3246	10位总线开关	没有	是的	是的	是的
ADG3247	16- (2x8)位总线开关	没有	是的	是的	是的
ADG3257	Quad 2-1(4位，1 / 2)	是的(2)	是的	没有	没有

(1)SEL引脚连接到逻辑低。有关SEL引脚的更多信息，请参见ADG3245/6/7数据表。
(2)需要外置二极管。

如前所述,阈值电压、V (TH),大约是1 V, 2.5 - V供应,最大的输出总线开关将1.5 V, 1.7 - V VIH不足以满足输入要求2.5 - V的装置(图8)。同样,当翻译3.3 V和1.8 V之间的最大输出总线开关将1.5 V,所以不足够高的电压水平高3.3 - V设备识别它的逻辑。因此，在这些情况下，只能依靠信号路径进行单向通信。

多少“比特”?

在总线交换机的术语中，比特是指与设备相关联的通道数。例如，一个16位器件(ADG3247)有16个独立的通道。总线开关可以提供各种比特宽度。目前的产品有8位、10位、16位和四元2-1(4位、2端口)器件(分别为ADG3245、ADG3246、ADG3247、ADG3257)，还有更多的产品即将推出。

总线开关可以用来切换信号吗?

总线开关通道是一个简单的n沟道场效应晶体管(FET);标准开关设计包括一个并行的P通道，以便使轨对轨切换成为可能。母线开关的设计提供了更低的导通电阻，更小的通断通道电容，从而提高了频率性能，与同类产品相比。与标准开关相比，较小的相关电容通过将电荷注入(图9)减少到显著较低的值，从而有利于器件性能。

因此，总线开关不必局限于总线开关应用或仅用于开关数字信号。在V(CC) - V(TH)的限制范围内，它们也可以在开关信号中找到许多用途(在许多情况下，这不是一个重要问题)。

总线交换机在热插拔应用程序中如何有用?

热插拔是在系统通电的情况下增加和/或移除插件电路。需要热插拔能力的应用程序的例子是笔记本电脑的扩展站和电信交换机的线路卡。在热插拔事件期间，背板上的连接器是“带电”的;附加卡必须能够应付这种情况。如果可以在插入之前隔离总线，则可以更好地控制热插拔事件。隔离可以使用数字开关来实现，理想情况下，该开关位于连接器和设备之间的附加卡上(图10)。但是，重要的是，附加卡的接地引脚必须在任何其他信号或电源引脚之前连接到背板的接地引脚，并且当卡被拆除时，它必须是最后断开的。

热插拔呢?

关键系统，如ADSL(异步数字用户线)、制造控制、服务器和航空公司预订，一定不能关闭。如果需要向系统添加新的硬件，例如插入式调制解调器，则必须在系统启动并运行时进行。这种在强制连续操作期间添加硬件的过程称为热插拔。为了确保流程的顺利执行，可以在连接器和内部总线之间连接一个数字开关(图11)。在热插拔事件期间，关闭开关以提供特定电路位置的隔离。