Schutzmaßnahmen und spezielle Schalter Analogschalter in der Praxis – Teil 3

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.

Anbieter zum Thema

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Maxim Integrated Products GmbH

In Teil 1 und Teil 2 wurden der Aufbau sowie statische und dynamische Leistungsparameter erläutert. Der letzte Part dieser Serie behandelt Schutzmaßnahmen und applikationsspezifische Analogschalter.

Ziel sämtlicher Schutzmaßnahmen ist es, den Analogschalter innerhalb seiner maximalen Grenzwerte zu halten. Diese können überschritten werden, wenn nicht alle Spannungen selbst gesteuert werden, z.B. an Schnittstellen nach außen – dem analogen Frontend (AFE).

Überstrom-Schutz bei Analogschaltern

Analogschalter kann man gegen Überströme schützen, indem im Signalpfad ein Vorwiderstand (Rlimit) eingefügt wird. Er soll den Strom in den Analogschalter begrenzen, damit auch im ungünstigsten Fall dessen maximale Grenzwerte eingehalten werden. In diesem Fall leiten die internen Schutzdioden den Strom zu Vdd oder Vss ab.

Dieser Widerstand vergrößert allerdings die effektive Impedanz der Signalquelle. So erhöht sich die Fehlerspannung aufgrund des Eingangsleckstroms des Schalters. Außerdem wird durch die höhere Impedanz die Bandbreite reduziert, das Rauschen erhöht und es entstehen Spannungsteiler-Verluste. Letzteres ist bei Lasten mit hoher Impedanz, wie z.B. Operationsverstärkern, meist unproblematisch.

Weiteren Schutz bieten externe Schottky-Dioden, die zwischen Rlimit und den Versorgungsrails eingebaut werden. So fließen Überströme nicht über die internen Schutzdioden ab und beeinflussen die Schaltereigenschaften weniger. Je höher der Durchlassstrom der externen Schottky-Dioden werden kann, desto geringer lässt sich der Vorwiderstand auslegen. Diese Dioden vergrößern jedoch Leckströme und Kapazitäten und verfälschen das Signal. Deshalb sollte man Dioden mit möglichst niedrigem Leckstrom wählen.

Man kann auch Widerstände in die Versorgungsleitungen einfügen. So begrenzt man bei Latchup den Strom und filtert mit dem notwendigen Entkoppelkondensator gleichzeitig die Versorgungsspannung.

Latchup-Schutz bei Analogschaltern

Unter Latchup verseht man einen Zustand, bei dem parasitäre Halbleiterelemente „elektrisch einrasten“. Dabei fließt ein Querstrom und die normale Funktion des Bausteins gerät außer Kontrolle.

Halbleiterstrukturen der CMOS-Prozesse bilden einen parasitären Silicon-Controlled Rectifier (SCR) aus, eine Variante des Thyristors, der ab einer Schwelle zündet. Der gezündete Thyristor schließt dabei die Betriebsspannungen kurz und kann so den Baustein zerstören.

Ein Latchup kann ausgelöst werden, wenn parasitären Dioden (siehe Teil 1, Bild 5) zu leiten beginnen. Dies tritt in mehreren Fällen auf:

• Das Signal übersteigt die Versorgungsrails.
• Die Versorgungsspannung übersteigt die maximalen Grenzwerte.
• Kein Power-Sequencing, dadurch ist Vdd = Vss = 0 V (→ Punkt 1)

Das Substrat wird dabei mit Ladungsträgern überschwemmt, die den SCR zünden. Ohne Schutzbeschaltung würde der Strom nur durch die Impedanz der Quelle und den resistiven Anteil dieser leitenden Struktur begrenzt (Gleichung 8):

(Gl. 8)

Dieser Effekt wird häufig bei Analogschaltern missachtet, wenn beispielsweise ein Generator schon eingeschaltet ist, aber die Versorgungsspannung des Schalters noch nicht anliegt.

Da Analogschalter und Multiplexer häufig im Eingangsbereich von Datenerfassungssytemen eingesetzt werden, können sie leicht Überspannungen ausgesetzt sein. Überschreitet die Signalspannung jedoch die Versorgungsschienen, besteht die Gefahr eines Latchups. Daher sollte im AFE (Analog-Front-End) gegebenenfalls ein MUX (Multiplexer) mit einer Klemmschaltung für Über- und Unterspannung und 72 V Versorgungsspannung gewählt werden, wie dies zum Beispiel beim MAX14752 der Fall ist.

Um einen Latchup zu vermeiden, kann man eine Diode in Durchlassrichtung zwischen den Versorgungsspannungen und Versorgungspins einfügen (Bild 6). Hierbei reduziert sich der Signalspannungsbereich um die Vorwärtsspannung dieser Diode.

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