Analogschalter in der Praxis - Teil 1

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Elektrische Eigenschaften von Analogschaltern

Ähnlich wie bei mechanischen Schaltern ist auch bei Analogschaltern – allerdings in wesentlich höherem Maß – mit parasitären Elementen wie Widerständen und Kapazitäten zu rechnen. Die von den Leitungsgeometrien abhängigen Induktivitäten können auf dem Chip selbst in der Regel vernachlässigt werden.

Prozessbedingt kommen bei CMOS-Halbleitern jedoch noch weitere parasitäre Bauelemente hinzu. Hierzu gehören parasitäre Dioden und Transistoren zwischen den Grenzschichten. Bei der Kombination von P- und N-Kanal MOSFETs entstehen Verschachtelungen von Transistoren, die dann unter bestimmten Bedingungen als Thyristoren wirken.

Mit einer Reihe von Maßnahmen lassen sich einzelne störende Einflüsse niedrig halten und für den jeweiligen Anwendungszweck optimierte Schaltungen erzielen. Daher werden in den Datenblättern zahlreiche Parameter angegeben, mit deren Hilfe ein Bauteil ausgewählt werden kann. Die Abmessung und Anordnung von Metallleiter- und Polysiliziumbahnen, die Ausführung der Implantationsebene (dotierte Siliziumgebiete) und die Ausbildung der sogenannten Wannen, in denen sich die MOSFETs befinden, bestimmen letzendlich die maximal zulässige Versorgungsspannung, den Schalterwiderstand, die Leckströme, die Ladungsträger-Injektion, den Frequenzgang im Durchlass- und Sperrbereich sowie weitere frequenz- und zeitabhängige Faktoren.

Die Eigenschaften von Analogschaltern betrachtet man üblicherweise getrennt für statische (DC-) und dynamische Vorgänge (AC-Charakteristik). Zunächst wird das statische und in einem weiteren Kapitel das dynamische Verhalten beschrieben.

Statisches Verhalten von Analogschaltern

Die niedrigste und höchste Signalamplitude, die geschaltet werden soll, bestimmt den erforderlichen Aussteuerungsbereich. Der zulässige am Schalter auftretende Spannungsabfall bestimmt die Durchlassdämpfung und die maximal geduldete Offsetspannung gibt die Höhe der Leckströme vor. Mit diesen Parametern werden die wichtigsten statischen Eigenschaften festgelegt.

• Aussteuerungsbereich

Analogschalter können nur Signale verarbeiten, die innerhalb ihres Versorgungsspannungsbereichs liegen. Für bipolare Signale werden also bipolare Spannungsversorungen benötigt. Die beiden Versorgungsspannungen müssen dabei im Betrag nicht gleich groß sein, man kann einen Schalter z.B. anstatt mit ±15 auch mit 20 und –10 V oder mit 30 und 0 V betreiben.

Betrachtet man das Verhalten eines Analogschalters rein statisch (DC-Charakteristik), werden Fehler hauptsächlich durch dessen Durchlassdämpfung (Ron) und Leckströme (Leakage Current) hervorgerufen. Im geöffnet Zustand spielen fast ausschließlich Leckströme eine Rolle. Das Datenblatt eines Analogschalters weist diese Leckströme für beide Schalterzustände aus (On-/Off-Leakage), ebenso wie dessen Ron. In den Bildern 3 und 4 sind vereinfachte Ersatzschaltbilder des Analogschalters aus Bild 2 dargestellt, jeweils im ein- und ausgeschalteten Zustand (On-State/Off-State).

• Durchlassdämpfung (Ron)

Die Höhe der Versorgungsspannung beeinflusst den Ron des Schalters. Je niedriger die Versorgungsspannung ist, desto größer wird dessen Widerstand. Zudem ist der Einschaltwiderstand auch abhängig von der anliegenden Signalspannung (Ron-Modulation). Bei Kleinsignal-Spannungen (etwa bis 100 mV) kann die Ron-Modulation meist vernachlässigt werden. So berechnet sich die Durchlassdämpfung aus Gleichung 2.

(Gl. 2)

LTrans – Transition Loss, Übertragungsverluste

Der Ron ist proportional zur Temperatur, somit ist die Durchlassdämpfung auch eine Funktion der Temperatur.

Großsignal-Spannungen verzerren das Signal zusätzlich durch Modulation des Ron. Der dadurch hervorgerufene Fehler verhält sich gemäß Beziehung 3.

(Gl. 3)

D – Distorsion Error, Verzerrungsfehler

Arbeitet die Schaltung also im Spannungsmodus und man möchte den Fehler reduzieren, muss man ΔRon verkleinern und/oder RL vergrößern.

• Leckstrom (Leakage)

Die Ladungsträger im Substrat verursachen kleine parasitäre Ströme. Diese Stöme bewirken an internen und externen Impedanzen Spannungsabfälle, die als unerwünschte Offset-Spannungen auftreten. Das analoge Signal selbst moduliert weitere Leckströme auf. Sie entstehen hauptsächlich an parasitären Dioden (PN-Übergänge) im Halbleiter, wie sie in Bild 5 schematisch aufgezeigt sind, und an ESD-Schutzdioden.

Je höher die Sperrspannung einer Diode ist, desto größer wird deren Leckstrom. In diesem Fall ist die Sperrspannung proportional zur Signalspannung – damit wird mit einer Signalpegel-Änderung auch der Leckstrom moduliert. Es gibt allerdings Schaltungstricks, wie z.B. den „Body Snatcher“ (siehe Q11/Q12 in Bild 2), der diese Modulation weitestgehend kompensieren kann. Hier wird bei durchgeschaltetem Schalter das Signal auch an die Body-Diode des N-FETs angelegt. Dadurch bleibt die Spannung dort konstant und moduliert somit auch keinen zusätzlichen Leckstrom an dieser Stelle auf.

Im Datenblatt eines jeden ICs finden sich „Min“- und „Max“-Werte, die der Hersteller garantiert. Zur Spezifikation der Leckströme wird daher unter den ungünstigsten Bedingungen gemessen. Das ist der Fall bei Signalspannungen nahe der Versorgungsspannung, da dort die Leckströme am größten sind. Im Umkehrschluss kann man davon ausgehen, dass Leckströme bei Signalpegeln nahe 0 V wesentlich kleiner sind als auf dem Datenblatt angegeben. Der Leckstrom ist zudem stark temperaturabhängig und verdoppelt sich etwa alle 10°C (ohne ohmische Leckströme z.B. über die Gehäuseoberfläche).

Daher testen Hersteller i.d.R. bei den höchsten Temperaturen, für die der Baustein ausgelegt ist. Die Werte für die „typischen“ Datenblatt-Angaben bei 25°C werden daraus berechnet. Bei Raumtemperatur wären diese Ströme zu niedrig, um sie reproduzierbar zu messen.

Bei geöffnetem Schalter beträgt die Fehlerspannung Uout= ILeakage . Rload. Ist der Schalter geschlossen, gilt für die Spannung am Ausgang Gleichung 4.

(Gl. 4)

Für Signale, die in hochohmige Eingänge geschalten werden, z.B. Operationsverstärker oder A/D-Wandler, werden also Analogschalter bzw. Multiplexer mit niedrigen Leckströmen benötigt, um diese Offset-Fehler niedrig zu halten (wie beispielsweise der MAX328).

Sind in einem IC mehrere Analogschalter untergebracht oder handelt es sich um einen Multiplexer, werden durch interne (Clamping-) Dioden auch zusätzliche Leckströme in benachbarte Kanäle eingebracht. Dies ist bei der Anwendung zu berücksichtigen.

Teil 2 beschreibt das dynamische Verhalten von Analogschaltern.

*Torsten Gerboth ist Applikationsingenieur bei Maxim in Planegg.

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