如何有效地比较CMOS开关和固态继电器的性能

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。本文将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（±15 V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威廉希尔官方网站 在关断状态下的表现，如图2中的测试威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。

我们从图2所示的测试威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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，我们可以将威廉希尔官方网站 视为高通滤波器，如图3所示。

接下来，考虑源电压VS及其阻抗，如图2所示。源阻抗RS为50 Ω，与50 Ω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：

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公司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−65 dB，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50 Ω，信号频率f为100 kHz。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威廉希尔官方网站 中，在开关通道的源极引脚之前，可能包含一个额外的50 Ω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50 Ω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6 dB。这是为了进行补偿，因为源极的50 Ω端接电阻会使电压减半，相当于−6 dB。

图4.源极上具有50 Ω端接电阻的关断隔离度测试威廉希尔官方网站 。

CMOS开关与固态继电器的关系

表1显示从ADI公司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44 V的信号电压， ADG14xx 和 ADG12xx 系列可以传输摆幅高达33 V的信号电压。这种可比较信号的范围为30 V至40 V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。

 

	最大电源电压	关断隔离	CDS（关断）	导通电阻	R × C
ADG5412	±22 V, +40 V	−78 dB @ 100 kHz	4 pF	9.8 Ω	39.2
ADG5212	±22 V, +40 V	−80 dB @ 1 MHz	0.32 pF	160 Ω	51.2
ADG1412	±16.5 V, +16.5 V	−80 dB @ 100 kHz	3.2 pF	1.5 Ω	4.8
ADG1212	±16.5 V, +16.5 V	−80 dB @ 1 MHz	0.32 pF	120 Ω	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公司大部分CMOS开关的典型数字输入电流为1 nA，而固态继电器中二极管的推荐正向电流为5 mA。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100 ns，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5 mm × 4 mm封装，具有8个开关通道、1.5 Ω导通电阻和5 pF CDS(OFF)。也就是说，每2.5 mm2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。

审核编辑：郭婷