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Grundlagen Tipps zur Auswahl des passenden CMOS-Analogschalters, Teil 2

| Autor: Kristin Rinortner

Analogschalter bieten heute bessere Schaltcharakteristiken, viele Betriebsspannungsbereiche, Leistungsmerkmale und Sonderfunktionen. Bei der Auswahl hat der Entwickler die Qual der Wahl, besonders, wenn es um anwendungsspezifische Typen geht, die heute unser Thema sind.

Analogschalter: Bei der Auswahl muss der Entwickler aus zahlreichen Leistungsmerkmalen und Sonderfunktionen seine Wahl treffen (Bild: Maxim Integrated)
Analogschalter: Bei der Auswahl muss der Entwickler aus zahlreichen Leistungsmerkmalen und Sonderfunktionen seine Wahl treffen (Bild: Maxim Integrated)
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Im ersten Teil dieses Artikels wurden die am Markt verfügbaren Analogschaltertypen erläutert. Auf diesem Gebiet gab es in jüngster Zeit signifikante Fortschritte. Integrierte Analogschalter bieten heute bessere Schaltcharakteristiken und sind sowohl mit kleineren als auch größeren Betriebsspannungen erhältlich.

Daneben gibt es zahlreiche anwendungsspezifische Typen, auf denen der Schwerpunkt des 2. Teils liegt. Der Entwickler muss aus vielfältigen Leistungsmerkmalen und Sonderfunktionen auswählen. Dieser Beitrag soll die Auswahl des richtigen Analogschalters erleichtern.

Spezifische Anforderungen an Video- und Hochfrequenzschalter

Beim Schalten von Videosignalen sind RON und parasitäre Kapazitäten von Bedeutung. Herkömmliche Analogschalter mit großem RON benötigen u.U. zusätzliche Verstärkerstufen zum Ausgleich der Einfügedämpfung. Schalter mit kleinem RON haben dagegen größere parasitäre Kapazitäten, die die Bandbreite verringern und dadurch die Bildqualität beeinträchtigen. Benötigt man Schalter mit kleinem RON und möchte die Bandbreite nicht verringern, ist ein zusätzlicher Eingangspuffer erforderlich.

Die Bandbreite lässt sich erhöhen, indem im Schalter ausschließlich n-Kanal-MOSFETs verwendet werden. N-Kanal-MOSFETs besitzen kleinere Strukturen, dadurch werden die parasitären Elemente und das Gehäuse kleiner oder es können mehr Schalter pro Flächeneinheit implementiert werden. Analogschalter, die ausschließlich aus n-Kanal-FETs aufgebaut sind, haben jedoch den Nachteil, dass ihr Aussteuerungsbereich deutlich kleiner ist als der Betriebsspannungsbereich; ein Rail-to-rail-Betrieb ist nicht möglich.

Überschreitet das anliegende Video-Signal den Aussteuerungsbereich, wird die Ausgangsspannung gedämpft und dadurch das Videosignal verzerrt. Bei der Auswahl eines n-Kanal-Schalters sollte man also darauf achten, dass der Aussteuerungsbereich größer ist als die maximale Amplitude des zu schaltenden Signals.

In Anwendungen, bei denen mehrere Videosignalquellen geschalten werden, z.B. Videoüberwachungssysteme, sind die Sperrdämpfung (Off-Isolation) und das Übersprechen wichtige Kriterien. Die Off-Isolation ist definiert als das Verhältnis der Ausgangssignalamplitude zur Eingangssignalamplitude bei offenem Schalter.

Bei hohen Frequenzen spricht das Eingangssignal durch die Drain-Source-Kapazität (CDS) auf den Ausgang über, wodurch sich die Off-Isolation verringert. Je höher die Lastimpedanz einer Schaltung ist, beispielsweise durch einen nachgeschalteten Verstärker, desto stärker wirkt sich dieses kapazitive Übersprechen aus.

 Bild 9a: Eine T-Schalter-Konfiguration für Hochfrequenzanwendungen Bild 9a: Eine T-Schalter-Konfiguration für Hochfrequenzanwendungen

Für Video- und andere Anwendungen mit Frequenzen über 10 MHz empfiehlt sich eine T-Schalter-Topologie. Diese Anordnung bietet eine höhere Off-Isolation als ein einzelner Schalter. Wegen der parasitären Kapazitäten der beiden in Serie liegenden Schalter (Bild 9a) steigt das kapazitive Übersprechen eines offenen T-Schalters mit zunehmender Frequenz an. Die parasitären Kapazitäten bewirken bei Mehrkanalschaltern außerdem ein Übersprechen zwischen den Kanälen.

Bild 9a zeigt die beiden Schaltzustände. Im geschlossenen Zustand des T-Schalters sind die Schalter S1 und S2 geschlossen, S3 ist offen. Im offenen Zustand sind die Schalter S1 und S2 offen, und S3 ist geschlossen. Das Eingangssignal spricht dann zwar noch kapazitiv auf den Verbindungspunkt zwischen S1 und S3 über, wird aber durch S2 nach Masse kurzgeschlossen. Die Off-Isolationswerte bei 10 MHz eines T-Schalters und eines gewöhnlichen Analogschalters unterscheiden sich gewaltig: –80 dB bzw. –36 dB (Bild 9b).

Standard-Video-Schalter, auch als „passive“ Video-Schalter bekannt, benötigen u. U. eine zusätzliche externe Verstärkerschaltung [1]. Sogenannte „aktive“ Video-Schalter enthalten außer dem eigentlichen Schalter noch einen Pufferverstärker. Diese integrierten Verstärker reduzieren Signalstörungen, die hauptsächlich über externe Leiterbahnen aufgenommen werden. Integrierte Multiplexer-Verstärker für Hochfrequenzanwendungen zeichnen sich durch eine besonders hohe Off-Isolation aus.

ESD-geschützte Schalter

Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD, Electrostatic Discharge) ist in den meisten Analogschalter-Anwendungen ein wichtiger Aspekt. Standard-Analogschalter sind meist bis ±2 kV ESD-geschützt. Man kann zusätzlich externe ESD-Schutzbauteile vorsehen, das kostet jedoch wertvolle Leiterplattenfläche und vergrößert die Ein- und Ausgangskapazitäten. Einige neuere Schalter schützen vor elektrostatischen Entladungen bis ±15 kV.

Fehlergeschützte Schalter mit Überspannungsschutz

Der Eingangsspannungsbereich eines Standard-Analogschalters wird durch die Betriebsspannungen begrenzt. Überschreitet die Eingangsspannung die positive Betriebsspannung oder unterschreitet die negative Betriebsspannung, kann das IC in den Latch-up-Zustand geraten oder dauerhaft beschädigt werden.

Meist stellt diese Einschränkung kein großes Problem dar, doch in bestimmten Anwendungen kann es vorkommen, dass ein Eingangssignal anliegt, während die Betriebsspannung des Analogschalters abgeschaltet ist. Auch Störimpulse auf der Betriebsspannung können ein Latch-up oder dauerhafte Schäden verursachen. Fehlergeschützte Schalter und Multiplexer garantieren einen wirksamen Überspannungsschutz meist bis ±36 V und einen Power-down-Schutz bis ±40 V.

Rail-to-rail-Fähigkeit und RON unterscheiden sich nicht von gewöhnlichen Analogschaltern. Im Fehlerfall geht der Eingangsanschluss in einen hochohmigen Zustand über (unabhängig vom Schaltzustand oder dem Lastwiderstand), sodass die Signalquelle nur mit wenigen Nanoampere Leckstrom belastet wird.

 Bild 10: Ein fehlergeschützter Analogschalter enthält zusätzliche Funktionsblöcke Bild 10: Ein fehlergeschützter Analogschalter enthält zusätzliche Funktionsblöcke

Bild 10 zeigt die interne Struktur eines fehlergeschützten Analogschalters. Überschreitet das Nutzsignal an NO (NC) eine der Versorgungsspannungen, werden die Schalter P1 und N1 geöffnet. Zusätzlich wird der COM-Ausgang über einen der zwei integrierten „Booster“-FETs (P2 oder N2) auf die obere bzw. untere Betriebsspannung geklemmt.

Dadurch bleibt die Ausgangsspannung an COM immer innerhalb des Betriebsspannungsbereichs. Der maximale COM-Ausgangsstrom wird, je nach Last, auf nur einige Milliampere begrenzt. Bei diesem fehlergeschützten Schalter wird das Signal in beide Richtungen gleichermaßen gut durchgeleitet, der Fehlerschutz ist nur eingangsseitig wirksam [3].

Bei einigen „Dual-Rail“-Analogschaltern (d.h., Schaltern, die zwei Betriebsspannungen benötigen) muss die positive Betriebsspannung vor der negativen Betriebsspannung angelegt werden (Sequencing), um Latch-up oder eine Beschädigung des Bauteils zu vermeiden. Es sind aber auch Schalter verfügbar, die keine solche Betriebsspannungs-Sequenzierung erfordern; ein Beispiel dafür ist der Multiplexer MAX14752. Er ist anschlusskompatibel mit dem Industriestandard DG408/DG409.

Remote-Sensing-Messchalter beeinflussen die Systemgenauigkeit

Messschaltungen zum Überwachen von Betriebsspannungen können die zu überwachende Spannung auf unterschiedliche Weise abgreifen. Man unterscheidet zwischen 2-, 3- und 4-Draht-Abgriff. Diese Methoden unterscheiden sich hinsichtlich Genauigkeit und Komplexität.

 Bild 11: Die 2-Draht-Methode wird angewandt, wenn die Genauigkeit von untergeordneter Bedeutung ist Bild 11: Die 2-Draht-Methode wird angewandt, wenn die Genauigkeit von untergeordneter Bedeutung ist

Wenn die Genauigkeit von untergeordneter Bedeutung ist, wird in der Regel die in Bild 11 gezeigte 2-Draht-Methode angewandt. Hierbei wird die Lastspannung am quellenseitigen Ende der Lastzuleitungen gemessen. Die tatsächliche Spannung an der Last kann jedoch erheblich kleiner sein als die Quellenspannung.

Der Grund dafür ist der Widerstand der Lastzuleitungen, der bei hohen Strömen einen entsprechend großen Spannungsabfall verursacht. Je länger die Lastzuleitungen, je größer der Laststrom und je größer der Widerstand der Lastzuleitungen ist, desto größer ist der Messfehler. Die (hier nicht dargestellte) 3-Draht-Methode liefert eine etwas höhere Genauigkeit, doch die besten Ergebnisse erzielt man mit der 4-Draht-Methode.

 Bild 12: Schema eines 4-Draht-Remote-Sensing-Systems Bild 12: Schema eines 4-Draht-Remote-Sensing-Systems

Bei der 4-Draht-Methode (Bild 12) werden für die Zuführung des Laststroms und für die Spannungsmessung separate Leitungen verwendet, wobei die Messleitungen direkt an der Last angeschlossen werden („remote sensing“ oder „Kelvin sensing“). Einige Analogschalter-ICs, die für solche Remote-Sensing-Anwendungen vorgesehen sind, vereinen verschiedene Schaltertypen im gleichen Gehäuse. So ist die Produktfamilie MAX4554 für Remote-Sensing-Anwendungen in automatischen Testsystemen (ATE, Automated Test Equipment) vorgesehen.

Jedes dieser ICs enthält niederohmige Hochstromschalter zum Schalten des Laststroms sowie weitere Schalter mit höherem RON zum Schalten der Messspannung oder von Guard-Signalen. Die RON-Werte betragen 6 Ω für den Hochstromschalter und 60 Ω für den Messspannungsschalter (jeweils bei ±15 V Betriebsspannung).

 Bild 13: In dieser Anwendung dient der MAX4555 zum Umschalten zwischen einer Quelle und zwei durch Remote-Sensing überwachten Lasten Bild 13: In dieser Anwendung dient der MAX4555 zum Umschalten zwischen einer Quelle und zwei durch Remote-Sensing überwachten Lasten

Remote-Sensing-Messschalter eignen sich für Anwendungen in hochgenauen Messsystemen wie z.B. Nanovoltmeter oder Femtoamperemeter. Darüber hinaus vereinfachen sie in vielen Fällen das Design – beispielsweise wenn es darum geht, zwischen einer Quelle und zwei Lasten in einem 4-Draht-System umzuschalten (Bild 13).

Multiplexer und Matrixschalter für Mehrkanal-Anwendungen

Ein Multiplexer (Mux) ist eine spezielle Bauform eines Analogschalters und dient dazu, zwei oder mehr Eingänge selektiv mit einem einzigen Ausgang zu verbinden. Ein Mux kann – im einfachsten Fall – ein einpoliger Umschalter (SPDT, Single-Pole Double-Throw) sein, aber auch eine Kombination mit zahlreichen Kanälen (Bild 14). Die Kanalwahl erfolgt über Digitaleingänge. Ein 8-Kanal-Mux beispielsweise verfügt über drei Digitaleingänge. Die digitale Steuerung eines solchen mehrkanaligen Multiplexers ähnelt einem Binärdecoder.

 Bild 14: Konfiguration für Niederspannungsmultiplexer (oben) und Mittelspannungsmultiplexer (unten) Bild 14: Konfiguration für Niederspannungsmultiplexer (oben) und Mittelspannungsmultiplexer (unten)

Ein Demultiplexer ist im Grunde ein Multiplexer, bei dem die Ein- und Ausgänge miteinander vertauscht sind. Das Bauteil dient dazu, einen einzigen Eingang selektiv mit zwei oder mehr Ausgängen zu verbinden, die ebenfalls über eine Binäradresse gewählt werden. Viele Multiplexer können auch als Demultiplexer betrieben werden.

Matrixschalter werden zum Signalrouting in Audio/Video-Geräten, Video-on-demand-Systemen sowie Sicherheits- und Überwachungssystemen verwendet. Ein Matrixschalter hat in der Regel eine MxN-Topologie mit M Eingängen und N Ausgängen. Jede beliebige Kombination von Eingängen kann mit jeder beliebigen Kombination von Ausgängen (oder umgekehrt) verbunden werden. Solche Matrixschalter lassen sich zu großen Matrizen zusammensetzen [4].

Kalibriermultiplexer zur Kompensation von Offset- und Verstärkungsfehlern von ADCs

Kalibriermultiplexer (cal-muxes) werden in Präzisions-A/D-Wandlern und anderen selbstüberwachenden Systemen eingesetzt. Sie vereinen verschiedene Funktionsblöcke in einem Gehäuse: Analogschalter zur Ableitung genauer Spannungsverhältnisse aus einer Eingangsreferenzspannung; hochgenaue Widerstandsspannungsteiler; und einen Multiplexer zum Durchschalten der unterschiedlichen Eingänge.

Bei A/D-Wandlern dienen Kalibriermultiplexer zur Kompensation der Offset- und Verstärkungsfehler. Selbstüberwachende A/D-Wandler messen auf einen entsprechenden Befehl hin die Verstärkung und den Offset, unter Verwendung interner Präzisionsreferenzspannung und Präzisionsspannungsteiler. Die Systemsoftware leitet aus diesen Messdaten Kalibrierfaktoren ab, anhand derer sie die ADC-Ausgangsdaten korrigiert. Nach erfolgter Kalibrierung dient der Cal-Mux bis zur nächsten periodischen Rekalibrierung als ein herkömmlicher Multiplexer [5].

USB-Schalter ermöglichen die Kommunikation zwischen Geräten

Der Universal Serial Bus (USB) ist eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle, mit der unterschiedliche Geräte über eine standardisierte Schnittstelle miteinander kommunizieren können. Über die USB-Schnittstelle kann außerdem ein USB-Host ein Slave-Gerät mit Strom versorgen.

Es können mehrere USB-Geräte an einen Computer angeschlossen werden, wobei Analogschalter das Routing der USB-Signale übernehmen [6]. In den meisten neueren USB-Anwendungen wird das mobile Gerät auch über die USB-Schnittstelle geladen [7]. Zum Schalten von Hochgeschwindigkeits- und SuperSpeed-Signalen gemäß der Spezifikation USB 2.0 und USB 3.0 werden breitbandige, kapazitätsarme Analogschalter benötigt.

HDMI-Schalter ermöglichen das Routen von Digital-Audio/Videosignalen

HDMI (High-Definition Multimedia Interface) ist eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für die Übertragung nicht-komprimierter, digitaler Audio-/Videosignale. Über diese Schnittstelle können beispielsweise hochauflösende Fernsehgeräte (HDTVs), DVD-Player und andere HDMI-kompatible Geräte mit PCs, Notebooks oder Tablet-PCs verbunden werden.

Die HDMI-Schnittstelle besteht aus vier LVDS-Leitungspaaren (Low Voltage Differential Signaling, differenzielles Signal mit niedriger Spannung) für die Videokanäle Rot, Grün und Blau (RGB) plus einer Taktsignalleitung. Ideal für HDMI-Anwendungen ist ein Schalter mit vier differenziellen 1:2- oder 2:1-Kanälen und mit n-Kanal-Architektur (wegen der geringen Kapazität und des kleinen RON) [8].

Display-Port- und PCIe-Schalter verbessern die Leistung von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) ist eine serielle Schnittstelle, welche die Leistungsfähigkeit von AGP-Anwendungen (Accelerated Graphics Port) steigert. PCIe-Schalter dienen dazu, unterschiedliche Quellen von einzelnen oder mehreren Bussen zu verbinden. Typische Anwendungen von PCI-Express-Schaltern sind Display-Port-Grafik-, PC- und Laptop-Erweiterungskarten-Schnittstellen sowie Server und COM (Computer on Modules).

Einige PCIe-Schalter sind dafür vorgesehen, Daten zwischen zwei alternativen Zielen umzuschalten. Die Schalter MAX4928A und MAX4928B, beispielsweise, unterstützen Signal-Routing zwischen einem GMCH (Graphics Memory Controller Hub) und einer Display-Port- oder PCIe-Schnittstelle [9].

Hochspannungsschalter für industrielle und medizinische Anwendungen

Hochspannungs-(HV) Analogschalter sind eine ideale Lösung für zahlreiche industrielle und medizinische Anwendungen. Ultraschallgeräte beispielsweise enthalten Ultraschallsender, meist mehrere piezoelektrische Quarzschwinger, die durch Hochspannungsimpulse (±100 V) angeregt werden. Diese Schalter befinden sich meist neben den Wandler oder auch im System.

Sie leiten diese Impulse zwischen den Wandlern und den Transceivern und haben typischerweise eine geringe Kapazität und einen über den gesamten Eingangsspannungsbereich flach verlaufenden äquivalenten RON. HV-Schalter wie der MAX14805 zeichnen sich in der Regel durch geringe Ladungsträgerinjektionen aus; dadurch werden Störsignale und die damit einhergehenden Artefakte im Ultraschallbild vermieden. Viele HV-Schalter können über eine SMBus- oder SPI-Schnittstelle programmiert werden [10, 11]. //

Literatur

[1] Maxim Application Note 3823, “Switching Video Using Analog Switches”

[2] Maxim Application Note 764, “Interfacing Switches und Relays to the Real World in Real Time”

[3] Maxim Application Note 2854, “Low-Voltage Fault Protection”

[4] Maxim Application Note 795, “Designing Large Video-Crosspoint Systems Just Got Easier”[5] Maxim Application Note 261, “Calibration-Multiplexers Ease System Calibration”

[6] Maxim Application Note 4372,” Implementing an Eight-to-One USB Switch for KVM Applications”

[7] Maxim Application Note 3607, “Charging Batteries from USB”

[8] Maxim Application Note 4056, “Using the MAX4929E for HDMI/DVI Low-Frequency Switching”

[9] Maxim Application Note 4191, “New Switch Facilitates DisplayPort/PCIe Switching”

[10] Maxim Application Note 5131, “Maxim Addresses High-Voltage Needs in Industrial Ultrasound Applications”

[11] Maxim Application Note 4696, “Overview of Ultrasound Imaging Systems und the Electrical Components Required for Main Subfunctions”

Die Autoren: Usama Munir arbeitet als Applikationsingenieur bei Maxim Integrated in Dublin, Irland. David Canny ist als Inside Applications Manager für die EMEA-Region bei Maxim Integrated in Dublin, Irland, tätig.

 

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.