Statisches Verhalten von elektronischen Schaltern Analogschalter in der Praxis - Teil 1

Analogschalter gibt es in zahlreichen Ausführungen. Wir geben in einer dreiteiligen Artikelserie einen Überblick zum Aufbau und zu Leistungsmerkmalen. Ergänzt wird die Reihe durch einen Abriss zu speziellen Schaltern und Schaltungstechniken sowie Schutzmaßnahmen.

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Die ersten integrierten Analogschalter kamen im Laufe der siebziger Jahre auf den Markt. Die prinzipielle Funktionsweise dieser Bausteine hat sich seit dieser Zeit praktisch nicht geändert. Sowohl die Leistungsfähigkeit der Bauteile als auch die Anforderungen wurden hingegen den jeweiligen, teils neuen Anwendungen, angepasst.

Aus diesem Grund gibt es heute eine Vielzahl von Analogschaltern in unterschiedlichen Ausführungen. In der folgenden Artikelserie werden der grundsätzliche Aufbau, statisches und dynamisches Verhalten, spezielle Schalter und Schaltungstechniken gegen Fehlfunktionen und Zerstörung beschrieben. Der Schaltungstechniker erhält einen Überblick über das Verhalten der analogen Schalter und Hilfestellung bei deren Auswahl und der entsprechenden Schutzmaßnahmen.

Prinzipielle Funktionsweise von Analogschaltern

Ein idealer Analogschalter sollte sich wie ein perfekter mechanischer Schalter verhalten. Er schaltet ein analoges Signal bidirektional durch ohne es dabei zu verfälschen, bzw. er unterbricht den Stromkreis mit unendlich hoher Impedanz. Diesen Schalter gibt es leider nicht, dennoch kann man mit MOSFETs diesem Ideal relativ nahe kommen. Man sollte allerdings verstehen, wie diese Bausteine aufgebaut sind und wie sie sich verhalten. Ohne dieses Verständnis könnte man später hilflos vor „rätselhaften“ Symptomen stehen.

MOSFETs haben gegenüber bipolaren Transistoren den wesentlichen Vorteil, dass sie Signale in beide Richtungen mit ohmischem Verhalten und auch bei kleinen Signalpegeln bis auf die untere Versorgungsspannung durchleiten können. Sie schalten sowohl negative als auch positive Spannungen durch und verhalten sich im Prinzip wie ein spannungsgesteuerter Widerstand.

In der Regel baut man Analogschalter aus einem Paar parallel geschalteter, komplementärer N- und P-Kanal MOSFETs auf (Transmission Gate). Der P-FET schaltet hauptsächlich die positiven Signale durch, während der N-FET für die negativen Signalspannungen zuständig ist. In der Summe erhält man einen Schalter, dessen resultierender Einschaltwiderstand (Ron) sich über den gesamten Signalbereich nur wenig ändert (Bild 1). Dieser Schalter kann Signale bis an die Grenzen der Versorgungsspannung verarbeiten und sie in beide Richtungen durchleiten.

Komponenten eines Analogschalters

Ein Analogschalter besteht jedoch noch aus weit mehr Komponenten (Bild 2). So ist eine Verstärkerschaltung und ein Pegelwandler integriert, um das meist niedrigere digitale Steuersignal umzusetzen, damit man die Gates der MOSFETs ansteuern kann. Danach folgt eine Treiberstufe (Q5, Q6) für die Gates der eigentlichen Signalpfad-MOSFETS (Q9, Q10). Zum Ansteuern des P-FET Gates muss zusätzlich ein Inverter zwischengeschalten werden (Q7, Q8).

Die Stromaufnahme eines Analogschalters wird zum größten Teil durch diese vorgeschalteten Stufen hervorgerufen und nicht durch die MOSFETs im Signalpfad. Die Leistungsaufnahme berechnet sich gemäß Gleichung 1, wobei VL für die Logik-Versorgung steht.

(Gl. 1)

Sind Logik- und Versorgungsspannung gleich groß, kann ein Analogschalter ohne Pegelwandler gewählt und die Stromaufnahme verringert werden.

Es gibt spezialisierte Analogschalter, die vom klassischen Aufbau zweier paralleler MOSFETs abweichen. Darauf wird im Kapitel „spezielle Schalter“ noch ausführlich eingegangen.

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