一文学会高效比较CMOS开关和固态继电器性能

源极和漏极之间的关断电容cds(off)可用来衡量关断开关后，源极信号耦合到漏极的能力。它是固态继电器（如photomos®、optomos®、光继电器或mosfet继电器）中常见的规格参数，在固态继电器数据手册中通常称为输出电容cout。cmos开关通常不包含此规格参数，但关断隔离度是表征相同现象的另一种方法，关断隔离度定义为，开关关断状态下，耦合到漏极的源极的信号量。adi将在本文讨论如何从关断隔离度推导出cout，以及如何通过它来更有效地比较固态继电器和cmos开关的性能。这一点很重要，因为cmos开关适合许多使用固态继电器的应用，例如切换直流信号和高速交流信号。
如何从关断隔离度导出cds(off)
图1显示adg5412的关断隔离度与频率的典型性能图。该图显示，当源极上的信号频率上升时，关断隔离度降低。
图1.adg5412关断隔离度与频率的关系（±15v双电源）
这意味着，随着信号频率增加，源极上有更多信号会出现在关断开关的漏极。如果您观察开关的等效电路在关断状态下的表现，如图2中的测试电路所示，会发现这种状况不足为奇。当开关处于断开状态时，源极和漏极之间存在寄生电容，即图中的cds(off)。这种寄生电容使高频信号能够通过，关断隔离图就是为了确定这些特征。
图2.关断隔离度测量测试电路
从图2所示的测试电路中获取vs和vout，然后将它们代入以下公式中，以计算关断隔离度：
将从关断隔离图中得到的结果应用到开路开关的等效电路中，可计算得出cmos开关的cds(off)。首先，如果考虑关断开关通道和负载，可以将电路视为高通滤波器，如图3所示。
图3.cds(off)和rl高通滤波器
所示电路的转换函数可以通过以下公式计算得出：
接下来，考虑源电压vs及其阻抗，如图2所示。源阻抗rs为50ω，与50ω负载阻抗rl匹配。假设在理想情况下，cds(off)短路，那么在阻抗相等时，vs为vin的2倍。这意味着，当根据vs计算转换函数时，整个转换函数会翻倍。
所以，整个系统的转换函数为：
然后，可以将这个转换函数代入关断隔离度公式，得出：
然后，重新变换该公式，求解cds(off)的值：
这意味着，如果知道rl、输入信号的频率f，以及关断隔离规格值(db)，就可以计算出cds(off)。这些值可以在adi产品系列中的开关或多路复用器产品的数据手册中找到。以下示例将展示其执行步骤。
cds(off)计算示例
本例使用受spi控制的4路spst开关adgs1612。adgs1612的关断隔离规格为−65db，可以在数据手册中的表1中找到。根据关断隔离规格的测试条件部分，rl为50Ω，信号频率f为100khz。将这些值代入cds(off)公式，可以计算得出电容值。
注意，在开关与多路复用器的关断隔离测量电路中，在开关通道的源极引脚之前，可能包含一个额外的50Ω端接电阻，如图4所示。采用以这种方式测量得出的关断隔离规格，仍然可以使用cds(off)公式进行计算。但是，如果源极引脚使用50ω端接电阻（随后用于cds(off)公式中），需要在数据手册给出的关断隔离规格的基础上加上6db。这是为了进行补偿，因为源极的50Ω端接电阻会使电压减半，相当于−6db。
图4.源极上具有50 Ω端接电阻的关断隔离度测试电路
cmos开关与固态继电器的关系
表1显示从adi产品系列中选择的开关产品的cds(off)值。adg54xx和adg52xx系列可以处理摆幅高达44v的信号电压，adg14xx和adg12xx系列可以传输摆幅高达33v的信号电压。这种可比较信号的范围为30v至40v固态继电器。表中的最后一列还显示了如何使用cds(off)和开关导通电阻来计算ron、cds(off)乘积，在固态继电器中，它被用作等第值(order of merit)。ron、cds(off)乘积显示在开关开启时，对信号的衰减影响非常小，以及开关在关断时，阻截高速信号的作用有多强。该表显示adg1412的ron、coff乘积小于5，在市面上的固态继电器中，这一点相当有优势。
表1.在adi产品系列中选择spst × 4开关的cds(off)
最大电源电压关断隔离 cds（关断）导通电阻 r × c
adg5412 ±22v、+40v -78db (100khz) 4pf 9.8Ω 39.2
adg5212 ±22v、+40v –80db (1mhz) 0.32pf 160Ω 51.2
adg1412 ±16.5v、+16.5v –80db (100khz) 3.2pf 1.5Ω 4.8
adg1212 ±16.5v、+16.5v –80db (1mhz) 0.32pf 120Ω 38.4
与固态继电器相比，cmos开关具有多项优势。具体包括：
►更易于驱动开关逻辑
adi大部分cmos开关的典型数字输入电流为1na，而固态继电器中二极管的推荐正向电流为5ma。这意味着，cmos开关易于直接被微控制器上的gpio控制。
►更快的开关速度
adg1412的典型开启时间为100ns，固态继电器的开启时间为几百毫秒。
►单个封装内集成更多开关
例如，adgs1414d采用5mm × 4mm封装，具有8个开关通道、1.5Ω导通电阻和5pf cds(off)。也就是说，每2.5mm2封装面积内一个开关。
结论
开关在关断状态下阻截信号的能力至关重要。在固态继电器中，coff规格用于衡量开关两端的电容，它允许输入信号耦合到关断开关的输出。在cmos开关中，不会直接测量此电容；但是，可以通过关断隔离度规格来推算此电容。通过推导开路开关的转换函数，可以使用关断隔离度值(db)、输入信号的频率和负载电阻来确定cds(off)。在比较cmos开关和固态继电器的cout规格时，cds(off)是一个重要值。此外，cds(off)还可用于计算ron、cds(off)乘积，这是一个等第值，用于显示开关的整体关断隔离和信号丢失性能。这样针对应用选择开关时，就可以更直观对cmos开关和固态继电器进行比较选择。相比固态继电器，cmos开关也有诸多优势，例如，更易于驱动开关逻辑、更快的开关速度，以及能够在封装中集成更多开关。