用于速度、安全性和效率的总线开关：它们是什么以及您应该了解的内容
eva murphy 和 catherine redmond
总线开关（通常称为数字交换机）是设计用于连接高速数字总线的产品。它们具有亚纳秒级传播延迟和快速开关，并且不引入额外的噪声或直流功耗，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，它们的设计使其在许多模拟应用中都很有用。使其适用于如此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架构和特性，并解释它们的许多用途。
什么是总线开关？
总线开关的基本元件是n沟道fet，其状态由cmos逻辑控制。作为双边开关，源端 （a） 或漏极 （b） 均可作为信号输入（图 1）。禁用时，栅极保持在零伏，电源和漏极之间有一个开路。
图1.总线交换机通道。
当开关使能时（be at 0），其栅极被驱动至 v抄送.如果 v一般事务人员（或 v广东）—即 v抄送–在在，大于晶体管阈值电压（通常约为1 v）的通道将在低电阻条件下切换（几欧姆）。然而，作为 v一般事务人员接近阈值电压时，器件接近其饱和区域并变得高电阻;图2显示了导通电阻与输入电压与v函数关系的典型曲线抄送 (adg3257）。饱和时，输出电压将限制为 v抄送–在千.
图2.adg3257总线开关的导通电阻与输入电压的关系（v一个或 vb).
图3是输入和电源电压在5 v范围内的典型总线开关的输出电压与输入电压的关系图。当 v一般事务人员小于约1 v，开关通道开始饱和，电压钳位至v抄送–在千.所以，在这个例子中，对于 v抄送= 5 v，输出跟随输入高达约4 v。 超过此输入电压，v外在 v 举行抄送–在千.事实证明，这种箝位趋势是总线开关的一个非常有用的特性;它的优点和用途将在后面更详细地讨论。
图3.v外与 v在用于带v的adg3257总线开关抄送在 5v 范围内。
影响总线开关器件应用的主要特性包括：导通电阻、与通道相关的电容和传播延迟。此类器件的导通电阻通常非常低，通常为几欧姆。电容需要保持在尽可能低的水平，在导通条件下通常小于10 pf。电容和导通电阻参数都会影响通过开关通道的传播延迟。
实际上，总线开关在导通条件下的所有传播延迟都来自r的rc延迟。上开关和负载电容——通常处于亚纳秒区域，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。
我们将在哪里使用总线开关？
总线开关用于通过隔离不需要驱动总线或由总线驱动但以后可能需要连接的功能来提高速度和降低噪声。此外，总线开关还可用于 pc 扩展坞、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，总线开关的静态功耗非常低——adg324x/adg325x系列的总线开关成员在不开关时通常消耗1 na（最大值为1 μa），非常适合笔记本电脑等低功耗应用。 总线隔离也使这些器件适用于热插拔和热插拔 ，它们可以帮助防止在插入其他卡或模块时出现意外行为。总线开关在需要连接在两个不同电源电压下工作的系统的应用也很有用。下面将更详细地描述这些应用程序中的每一个。
使用数字总线开关进行总线隔离
总线架构的一个常见要求是总线的低电容负载。此类系统需要总线桥接设备，允许在不超过规格的情况下增加可用负载的数量。理想情况下，总线上当前未使用的任何负载都应断开，以减少整体容性负载并避免超过总线电容规格。总线开关专为此目的而设计：隔离此时不需要驱动或驱动但可能需要稍后连接的功能，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一个总线开关，则当开关被禁用时，负载与总线隔离。由于总线开关在启用时可以在任一方向上传递大量电流，而不会为通过它的信号增加明显的传播延迟，因此它是解决总线隔离问题的可行解决方案。图4显示了一般情况，图5显示了使用四通道2：1多路复用器总线交换机的内存组驱动问题的具体解决方案。
图4.总线开关可以将负载 b 与总线的其余部分隔离。
多路复用
具有大量公共总线信号的系统设计人员面临的问题包括：由于地址和数据总线信号同时切换而导致的系统噪声，以及总线容性负载引起的系统大延迟。
图5a显示了一个存储器组阵列，其中每个地址和数据信号由各个负载的总和加载。现在，如果使用总线开关（本例中为adg3257四通道2：1多路复用器/解复用器），如图5b所示，则存储器地址和数据位的输出负载减半。这种隔离可以使所选组数据的流动速度几乎翻倍，因为电容负载减半，开关引入的传播延迟可以忽略不计。公交车噪音也显著降低。
图5.减少内存库负载。a） 当所有存储器组永久连接到总线时，地址和数据线负载过重。 b） 当adg3257用于在不同存储器组对之间切换时，访问时间和噪声都会降低。
电压电平转换
当两个在不同电源电压下工作的器件之间接口时，来自高压器件的数字信号需要安全地连接到低压器件。为了不超过为在较低电压电平下工作的器件指定的最大额定值，必须降低来自较高电压器件的电压输出。这可以通过插入与相关信号串联的总线开关轻松实现（图 6）。
图6.使用adg3257在3.3 v控制器和5 v数据转换器之间切换和电平转换。
如上所述，如果 v一般事务人员电压降至 1 v 以下，开关通道开始饱和，输出电压箝位至 v抄送–在千.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外在 v 举行抄送–在千.图7显示了与图3相同开关的输出-输入图，但集中在v上抄送在 3.3v 区域。此行为使总线开关设备适用于需要电平转换的接口应用程序。
图7.v外与 v在用于带v的adg3257总线开关抄送在 3v 范围内。
在图6的示例中，用户可能希望在合理的模拟性能要求adc或dac或其他器件采用3 v电源供电的应用中应用3.5 v dsp或微控制器作为控制器件。除非微控制器具有可以承受 5v 器件输出电平的输入，否则电路将无法正常通信。通过图3和图7的总线开关连接在器件之间，作为电压转换器，可以进行双向通信，而不会损坏低电源器件。与 5v 电源串联的二极管与总线开关的箝位电压相结合，可提供相当接近所需 5v 至 3.3v（从左到右）的压降，而不会妨碍 3.3v 通信（从右到左）。
同样，该器件可用于在 3.3v 和 2.5v 系统之间进行电平转换。a lvttl v哦2.5v 输出的电平为 2 v，而 lvttl v他们2.5v 器件所需的电平为 1.7 v，因此在较低电源电压下工作的 5v 总线开关可以轻松满足这些要求。
由于总线开关是简单的fet，因此信号路径是双向的;即，输入和输出是可互换的。但是，信息不能总是双向传达;它取决于供应。表1显示，5 v 3.3 v和3.3 v 2.5 v之间的转换可用于在不同电源供电的器件之间进行双向通信，但其他两个选项（2.5 v→1.8 v、3.3 v→1.8 v↔↔）不能用于两个方向。有关更多详细信息，请参见adg3247数据手册。
表 1.总线开关设备及其电平转换功能。
部件号 功能 水平翻译
↔5 3.3 3.3↔2.5 2.5→1.8 3.3→1.81
adg3245
8 位总线交换机 不 是的 是的
是的
adg3246 10 位总线交换机 不
是的
是的
是的
adg3247 16 （2x8） 位总线交换机 不
是的
是的
是的
adg3257 四通道 2-1（4 位，1 of 2） 是的2
是的
不
不
1sel 引脚连接到逻辑低电平。有关sel引脚的更多信息，请参见adg3245/6/7数据手册。
2需要外部二极管。
如前所述，阈值电压，v千，约为 1 v，因此使用 2.5v 电源时，总线开关的最大输出为 1.5 v，不足以满足 1.7v 器件的 2.5v vih 输入要求（图 8）。同样，在3.3 v和1.8 v之间转换时，总线开关的最大输出将为1.5 v，因此电压电平也不足以让3.3 v器件将其识别为逻辑高电平。因此，在这些情况下，信号路径只能用于单向通信。
图8.不同电源电压下的逻辑电平比较。
多少“位”？
在总线交换机的术语中，位是指与设备关联的通道数。例如，一个16位器件（adg3247）有16个独立的通道。总线开关可提供多种位宽。目前的产品包括8位、10位、16位和四通道2-1（4位、2端口）器件（分别为adg3245、adg3246、adg3247、adg3257），更多产品即将推出。
总线开关可以用来切换模拟信号吗？
总线开关通道是一个简单的n沟道场效应晶体管（fet）;标准模拟开关设计包括一个并联的p通道，以实现轨到轨模拟开关。与模拟开关相比，总线开关的设计具有更低的导通电阻、更小的开通和关通道电容，从而改善了频率性能。较小的相关电容通过将电荷注入（图9）降低到明显低于标准模拟开关的值，从而有利于器件性能。
图9.典型总线开关的电荷注入（adg3257）。
因此，总线开关不必局限于总线开关应用或仅用于切换数字信号。在v的限制范围内，它们还可以在切换模拟信号中找到许多用途抄送–在千（在许多情况下，这不是一个重要的问题）。
总线交换机在热插拔应用中有何用处？
热插拔是在通电的系统中添加和/或删除插入式电路。需要能够热插拔的应用示例包括笔记本电脑的扩展坞和电信交换机的线卡。在热插拔事件期间，背板上的连接器是“带电”的;附加卡必须能够应对这种情况。如果总线可以在插入之前隔离，则可以更好地控制热插拔事件。可以使用数字开关实现隔离，数字开关理想地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，并且在卸下卡时必须是最后一个断开连接的接地引脚。
图 10.与adg3246总线开关进行热插拔。
那么热插拔呢？
不得关闭adsl（异步数字用户线）、制造控制、服务器和航空公司预订等关键系统。如果需要将新硬件（如插入式调制解调器）添加到系统中，则必须在系统启动并运行时完成。在强制连续操作期间添加硬件的过程称为热插拔。为了确保过程的顺利执行，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，开关关闭以提供特定电路位置的隔离。
图 11.在热插拔应用中使用adg3247。
直通式引脚排列架构的优势
adi公司许多此类数字开关的一个有用特性是逻辑“直通”引脚排列，其中每个输入及其相应的输出位于芯片的相对两侧，没有交叉或模式中断（图12）。这使得输入和输出信号的路由在印刷电路板布局中更容易处理。此外，传播延迟可以更容易地与直通引脚排列相匹配。
图 12.流通销布置。
结论
总线开关设备用途广泛;它们可用于当今高性能系统中的许多不同的应用。在本简短的介绍中，我们展示了总线开关在总线隔离、电压转换、模拟信号切换和热插入应用等领域的应用。我们还明确表示，它们适用于许多其他应用。我们介绍了总线开关的关键规格，讨论了它们的操作，并试图回答一些关于它们的常见问题。
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总线开关（通常称为数字交换机）是设计用于连接高速数字总线的产品。它们具有亚纳秒级传播延迟和快速开关，并且不引入额外的噪声或直流功耗，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，它们的设计使其在许多模拟应用中都很有用。使其适用于如此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架构和特性，并解释它们的许多用途。
什么是总线开关？
总线开关的基本元件是n沟道fet，其状态由cmos逻辑控制。作为双边开关，源端 （a） 或漏极 （b） 均可作为信号输入（图 1）。禁用时，栅极保持在零伏，电源和漏极之间有一个开路。
图1.总线交换机通道。
当开关使能时（be at 0），其栅极被驱动至 v抄送.如果 v一般事务人员（或 v广东）—即 v抄送–在在，大于晶体管阈值电压（通常约为1 v）的通道将在低电阻条件下切换（几欧姆）。然而，作为 v一般事务人员接近阈值电压时，器件接近其饱和区域并变得高电阻;图2显示了导通电阻与输入电压与v函数关系的典型曲线抄送 (adg3257）。饱和时，输出电压将限制为 v抄送–在千.
图2.adg3257总线开关的导通电阻与输入电压的关系（v一个或 vb).
图3是输入和电源电压在5 v范围内的典型总线开关的输出电压与输入电压的关系图。当 v一般事务人员小于约1 v，开关通道开始饱和，电压钳位至v抄送–在千.所以，在这个例子中，对于 v抄送= 5 v，输出跟随输入高达约4 v。 超过此输入电压，v外在 v 举行抄送–在千.事实证明，这种箝位趋势是总线开关的一个非常有用的特性;它的优点和用途将在后面更详细地讨论。
图3.v外与 v在用于带v的adg3257总线开关抄送在 5v 范围内。
影响总线开关器件应用的主要特性包括：导通电阻、与通道相关的电容和传播延迟。此类器件的导通电阻通常非常低，通常为几欧姆。电容需要保持在尽可能低的水平，在导通条件下通常小于10 pf。电容和导通电阻参数都会影响通过开关通道的传播延迟。
实际上，总线开关在导通条件下的所有传播延迟都来自r的rc延迟。上开关和负载电容——通常处于亚纳秒区域，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。
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总线开关用于通过隔离不需要驱动总线或由总线驱动但以后可能需要连接的功能来提高速度和降低噪声。此外，总线开关还可用于 pc 扩展坞、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，总线开关的静态功耗非常低——adg324x/adg325x系列的总线开关成员在不开关时通常消耗1 na（最大值为1 μa），非常适合笔记本电脑等低功耗应用。 总线隔离也使这些器件适用于热插拔和热插拔 ，它们可以帮助防止在插入其他卡或模块时出现意外行为。总线开关在需要连接在两个不同电源电压下工作的系统的应用也很有用。下面将更详细地描述这些应用程序中的每一个。
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如果在总线上的每个负载和总线本身之间放置了一个总线开关，则当开关被禁用时，负载与总线隔离。由于总线开关在启用时可以在任一方向上传递大量电流，而不会为通过它的信号增加明显的传播延迟，因此它是解决总线隔离问题的可行解决方案。图4显示了一般情况，图5显示了使用四通道2：1多路复用器总线交换机的内存组驱动问题的具体解决方案。
图4.总线开关可以将负载 b 与总线的其余部分隔离。
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具有大量公共总线信号的系统设计人员面临的问题包括：由于地址和数据总线信号同时切换而导致的系统噪声，以及总线容性负载引起的系统大延迟。
图5a显示了一个存储器组阵列，其中每个地址和数据信号由各个负载的总和加载。现在，如果使用总线开关（本例中为adg3257四通道2：1多路复用器/解复用器），如图5b所示，则存储器地址和数据位的输出负载减半。这种隔离可以使所选组数据的流动速度几乎翻倍，因为电容负载减半，开关引入的传播延迟可以忽略不计。公交车噪音也显著降低。
图5.减少内存库负载。a） 当所有存储器组永久连接到总线时，地址和数据线负载过重。 b） 当adg3257用于在不同存储器组对之间切换时，访问时间和噪声都会降低。
电压电平转换
当两个在不同电源电压下工作的器件之间接口时，来自高压器件的数字信号需要安全地连接到低压器件。为了不超过为在较低电压电平下工作的器件指定的最大额定值，必须降低来自较高电压器件的电压输出。这可以通过插入与相关信号串联的总线开关轻松实现（图 6）。
图6.使用adg3257在3.3 v控制器和5 v数据转换器之间切换和电平转换。
如上所述，如果 v一般事务人员电压降至 1 v 以下，开关通道开始饱和，输出电压箝位至 v抄送–在千.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外在 v 举行抄送–在千.图7显示了与图3相同开关的输出-输入图，但集中在v上抄送在 3.3v 区域。此行为使总线开关设备适用于需要电平转换的接口应用程序。
图7.v外与 v在用于带v的adg3257总线开关抄送在 3v 范围内。
在图6的示例中，用户可能希望在合理的模拟性能要求adc或dac或其他器件采用3 v电源供电的应用中应用3.5 v dsp或微控制器作为控制器件。除非微控制器具有可以承受 5v 器件输出电平的输入，否则电路将无法正常通信。通过图3和图7的总线开关连接在器件之间，作为电压转换器，可以进行双向通信，而不会损坏低电源器件。与 5v 电源串联的二极管与总线开关的箝位电压相结合，可提供相当接近所需 5v 至 3.3v（从左到右）的压降，而不会妨碍 3.3v 通信（从右到左）。
同样，该器件可用于在 3.3v 和 2.5v 系统之间进行电平转换。a lvttl v哦2.5v 输出的电平为 2 v，而 lvttl v他们2.5v 器件所需的电平为 1.7 v，因此在较低电源电压下工作的 5v 总线开关可以轻松满足这些要求。
由于总线开关是简单的fet，因此信号路径是双向的;即，输入和输出是可互换的。但是，信息不能总是双向传达;它取决于供应。表1显示，5 v 3.3 v和3.3 v 2.5 v之间的转换可用于在不同电源供电的器件之间进行双向通信，但其他两个选项（2.5 v→1.8 v、3.3 v→1.8 v↔↔）不能用于两个方向。有关更多详细信息，请参见adg3247数据手册。
表 1.总线开关设备及其电平转换功能。
部件号 功能 水平翻译
↔5 3.3 3.3↔2.5 2.5→1.8 3.3→1.81
adg3245
8 位总线交换机 不 是的 是的
是的
adg3246 10 位总线交换机 不
是的
是的
是的
adg3247 16 （2x8） 位总线交换机 不
是的
是的
是的
adg3257 四通道 2-1（4 位，1 of 2） 是的2
是的
不
不
1sel 引脚连接到逻辑低电平。有关sel引脚的更多信息，请参见adg3245/6/7数据手册。
2需要外部二极管。
如前所述，阈值电压，v千，约为 1 v，因此使用 2.5v 电源时，总线开关的最大输出为 1.5 v，不足以满足 1.7v 器件的 2.5v vih 输入要求（图 8）。同样，在3.3 v和1.8 v之间转换时，总线开关的最大输出将为1.5 v，因此电压电平也不足以让3.3 v器件将其识别为逻辑高电平。因此，在这些情况下，信号路径只能用于单向通信。
图8.不同电源电压下的逻辑电平比较。
多少“位”？
在总线交换机的术语中，位是指与设备关联的通道数。例如，一个16位器件（adg3247）有16个独立的通道。总线开关可提供多种位宽。目前的产品包括8位、10位、16位和四通道2-1（4位、2端口）器件（分别为adg3245、adg3246、adg3247、adg3257），更多产品即将推出。
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总线开关通道是一个简单的n沟道场效应晶体管（fet）;标准模拟开关设计包括一个并联的p通道，以实现轨到轨模拟开关。与模拟开关相比，总线开关的设计具有更低的导通电阻、更小的开通和关通道电容，从而改善了频率性能。较小的相关电容通过将电荷注入（图9）降低到明显低于标准模拟开关的值，从而有利于器件性能。
图9.典型总线开关的电荷注入（adg3257）。
因此，总线开关不必局限于总线开关应用或仅用于切换数字信号。在v的限制范围内，它们还可以在切换模拟信号中找到许多用途抄送–在千（在许多情况下，这不是一个重要的问题）。
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热插拔是在通电的系统中添加和/或删除插入式电路。需要能够热插拔的应用示例包括笔记本电脑的扩展坞和电信交换机的线卡。在热插拔事件期间，背板上的连接器是“带电”的;附加卡必须能够应对这种情况。如果总线可以在插入之前隔离，则可以更好地控制热插拔事件。可以使用数字开关实现隔离，数字开关理想地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，并且在卸下卡时必须是最后一个断开连接的接地引脚。
图 10.与adg3246总线开关进行热插拔。
那么热插拔呢？
不得关闭adsl（异步数字用户线）、制造控制、服务器和航空公司预订等关键系统。如果需要将新硬件（如插入式调制解调器）添加到系统中，则必须在系统启动并运行时完成。在强制连续操作期间添加硬件的过程称为热插拔。为了确保过程的顺利执行，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，开关关闭以提供特定电路位置的隔离。
图 11.在热插拔应用中使用adg3247。
直通式引脚排列架构的优势
adi公司许多此类数字开关的一个有用特性是逻辑“直通”引脚排列，其中每个输入及其相应的输出位于芯片的相对两侧，没有交叉或模式中断（图12）。这使得输入和输出信号的路由在印刷电路板布局中更容易处理。此外，传播延迟可以更容易地与直通引脚排列相匹配。
图 12.流通销布置。
结论
总线开关设备用途广泛;它们可用于当今高性能系统中的许多不同的应用。在本简短的介绍中，我们展示了总线开关在总线隔离、电压转换、模拟信号切换和热插入应用等领域的应用。我们还明确表示，它们适用于许多其他应用。我们介绍了总线开关的关键规格，讨论了它们的操作，并试图回答一些关于它们的常见问题。
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