Eva Murphy 和 Catherine Redmond

總線開(kāi)關(guān)（通常稱為數(shù)字交換機(jī)）是設(shè)計(jì)用于連接高速數(shù)字總線的產(chǎn)品。它們具有亞納秒級(jí)傳播延遲和快速開(kāi)關(guān)，并且不引入額外的噪聲或直流功耗，非常適合電壓轉(zhuǎn)換、熱插拔、熱插拔、總線或電容隔離以及許多其他應(yīng)用。此外，它們的設(shè)計(jì)使其在許多模擬應(yīng)用中都很有用。使其適用于如此多不同應(yīng)用的關(guān)鍵特性包括低導(dǎo)通電阻、低電容和低傳播延遲。本討論將考慮總線開(kāi)關(guān)的架構(gòu)和特性，并解釋它們的許多用途。

什么是總線開(kāi)關(guān)？

總線開(kāi)關(guān)的基本元件是N溝道FET，其狀態(tài)由CMOS邏輯控制。作為雙邊開(kāi)關(guān)，源端 （A） 或漏極 （B） 均可作為信號(hào)輸入（圖 1）。禁用時(shí)，柵極保持在零伏，電源和漏極之間有一個(gè)開(kāi)路。

圖1.總線交換機(jī)通道。

當(dāng)開(kāi)關(guān)使能時(shí)（BE at 0），其柵極被驅(qū)動(dòng)至 V抄送.如果 V一般事務(wù)人員（或 V廣東）—即 V抄送–在在，大于晶體管閾值電壓（通常約為1 V）的通道將在低電阻條件下切換（幾歐姆）。然而，作為 V一般事務(wù)人員接近閾值電壓時(shí)，器件接近其飽和區(qū)域并變得高電阻;圖2顯示了導(dǎo)通電阻與輸入電壓與V函數(shù)關(guān)系的典型曲線抄送 (ADG3257）。飽和時(shí)，輸出電壓將限制為 V抄送–在千.

圖2.ADG3257總線開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻與輸入電壓的關(guān)系（V一個(gè)或 VB).

圖3是輸入和電源電壓在5 V范圍內(nèi)的典型總線開(kāi)關(guān)的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系圖。當(dāng) V一般事務(wù)人員小于約1 V，開(kāi)關(guān)通道開(kāi)始飽和，電壓鉗位至V抄送–在千.所以，在這個(gè)例子中，對(duì)于 V抄送= 5 V，輸出跟隨輸入高達(dá)約4 V。 超過(guò)此輸入電壓，V外在 V 舉行抄送–在千.事實(shí)證明，這種箝位趨勢(shì)是總線開(kāi)關(guān)的一個(gè)非常有用的特性;它的優(yōu)點(diǎn)和用途將在后面更詳細(xì)地討論。

圖3.V外與 V在用于帶V的ADG3257總線開(kāi)關(guān)抄送在 5V 范圍內(nèi)。

影響總線開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用的主要特性包括：導(dǎo)通電阻、與通道相關(guān)的電容和傳播延遲。此類器件的導(dǎo)通電阻通常非常低，通常為幾歐姆。電容需要保持在盡可能低的水平，在導(dǎo)通條件下通常小于10 pF。電容和導(dǎo)通電阻參數(shù)都會(huì)影響通過(guò)開(kāi)關(guān)通道的傳播延遲。

實(shí)際上，總線開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通條件下的所有傳播延遲都來(lái)自R的RC延遲。上開(kāi)關(guān)和負(fù)載電容——通常處于亞納秒?yún)^(qū)域，遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升/下降時(shí)間。在系統(tǒng)中，數(shù)字開(kāi)關(guān)的傳播延遲由開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)側(cè)的電路阻抗及其與驅(qū)動(dòng)側(cè)負(fù)載的相互作用決定。

我們將在哪里使用總線開(kāi)關(guān)？

總線開(kāi)關(guān)用于通過(guò)隔離不需要驅(qū)動(dòng)總線或由總線驅(qū)動(dòng)但以后可能需要連接的功能來(lái)提高速度和降低噪聲。此外，總線開(kāi)關(guān)還可用于 PC 擴(kuò)展塢、PC 卡或電源管理應(yīng)用，以斷開(kāi)電流路徑并防止電路泄漏。從本質(zhì)上講，總線開(kāi)關(guān)的靜態(tài)功耗非常低——ADG324x/ADG325x系列的總線開(kāi)關(guān)成員在不開(kāi)關(guān)時(shí)通常消耗1 nA（最大值為1 μA），非常適合筆記本電腦等低功耗應(yīng)用。 總線隔離也使這些器件適用于熱插拔和熱插拔 ，它們可以幫助防止在插入其他卡或模塊時(shí)出現(xiàn)意外行為。總線開(kāi)關(guān)在需要連接在兩個(gè)不同電源電壓下工作的系統(tǒng)的應(yīng)用也很有用。下面將更詳細(xì)地描述這些應(yīng)用程序中的每一個(gè)。

使用數(shù)字總線開(kāi)關(guān)進(jìn)行總線隔離

總線架構(gòu)的一個(gè)常見(jiàn)要求是總線的低電容負(fù)載。此類系統(tǒng)需要總線橋接設(shè)備，允許在不超過(guò)規(guī)格的情況下增加可用負(fù)載的數(shù)量。理想情況下，總線上當(dāng)前未使用的任何負(fù)載都應(yīng)斷開(kāi)，以減少整體容性負(fù)載并避免超過(guò)總線電容規(guī)格?？偩€開(kāi)關(guān)專為此目的而設(shè)計(jì)：隔離此時(shí)不需要驅(qū)動(dòng)或驅(qū)動(dòng)但可能需要稍后連接的功能，從而最大限度地減少在任何給定時(shí)刻連接的總?cè)菪载?fù)載。

如果在總線上的每個(gè)負(fù)載和總線本身之間放置了一個(gè)總線開(kāi)關(guān)，則當(dāng)開(kāi)關(guān)被禁用時(shí)，負(fù)載與總線隔離。由于總線開(kāi)關(guān)在啟用時(shí)可以在任一方向上傳遞大量電流，而不會(huì)為通過(guò)它的信號(hào)增加明顯的傳播延遲，因此它是解決總線隔離問(wèn)題的可行解決方案。圖4顯示了一般情況，圖5顯示了使用四通道2：1多路復(fù)用器總線交換機(jī)的內(nèi)存組驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的具體解決方案。

圖4.總線開(kāi)關(guān)可以將負(fù)載 B 與總線的其余部分隔離。

多路復(fù)用

具有大量公共總線信號(hào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的問(wèn)題包括：由于地址和數(shù)據(jù)總線信號(hào)同時(shí)切換而導(dǎo)致的系統(tǒng)噪聲，以及總線容性負(fù)載引起的系統(tǒng)大延遲。

圖5a顯示了一個(gè)存儲(chǔ)器組陣列，其中每個(gè)地址和數(shù)據(jù)信號(hào)由各個(gè)負(fù)載的總和加載。現(xiàn)在，如果使用總線開(kāi)關(guān)（本例中為ADG3257四通道2：1多路復(fù)用器/解復(fù)用器），如圖5b所示，則存儲(chǔ)器地址和數(shù)據(jù)位的輸出負(fù)載減半。這種隔離可以使所選組數(shù)據(jù)的流動(dòng)速度幾乎翻倍，因?yàn)殡娙葚?fù)載減半，開(kāi)關(guān)引入的傳播延遲可以忽略不計(jì)。公交車噪音也顯著降低。

圖5.減少內(nèi)存庫(kù)負(fù)載。a） 當(dāng)所有存儲(chǔ)器組永久連接到總線時(shí)，地址和數(shù)據(jù)線負(fù)載過(guò)重。 b） 當(dāng)ADG3257用于在不同存儲(chǔ)器組對(duì)之間切換時(shí)，訪問(wèn)時(shí)間和噪聲都會(huì)降低。

電壓電平轉(zhuǎn)換

當(dāng)兩個(gè)在不同電源電壓下工作的器件之間接口時(shí)，來(lái)自高壓器件的數(shù)字信號(hào)需要安全地連接到低壓器件。為了不超過(guò)為在較低電壓電平下工作的器件指定的最大額定值，必須降低來(lái)自較高電壓器件的電壓輸出。這可以通過(guò)插入與相關(guān)信號(hào)串聯(lián)的總線開(kāi)關(guān)輕松實(shí)現(xiàn)（圖 6）。

圖6.使用ADG3257在3.3 V控制器和5 V數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間切換和電平轉(zhuǎn)換。

如上所述，如果 V一般事務(wù)人員電壓降至 1 V 以下，開(kāi)關(guān)通道開(kāi)始飽和，輸出電壓箝位至 V抄送–在千.也就是說(shuō)，輸出跟隨輸入直到該電壓附近，對(duì)于更高的輸入電壓，V外在 V 舉行抄送–在千.圖7顯示了與圖3相同開(kāi)關(guān)的輸出-輸入圖，但集中在V上抄送在 3.3V 區(qū)域。此行為使總線開(kāi)關(guān)設(shè)備適用于需要電平轉(zhuǎn)換的接口應(yīng)用程序。

圖7.V外與 V在用于帶V的ADG3257總線開(kāi)關(guān)抄送在 3V 范圍內(nèi)。

在圖6的示例中，用戶可能希望在合理的模擬性能要求ADC或DAC或其他器件采用3 V電源供電的應(yīng)用中應(yīng)用3.5 V DSP或微控制器作為控制器件。除非微控制器具有可以承受 5V 器件輸出電平的輸入，否則電路將無(wú)法正常通信。通過(guò)圖3和圖7的總線開(kāi)關(guān)連接在器件之間，作為電壓轉(zhuǎn)換器，可以進(jìn)行雙向通信，而不會(huì)損壞低電源器件。與 5V 電源串聯(lián)的二極管與總線開(kāi)關(guān)的箝位電壓相結(jié)合，可提供相當(dāng)接近所需 5V 至 3.3V（從左到右）的壓降，而不會(huì)妨礙 3.3V 通信（從右到左）。

同樣，該器件可用于在 3.3V 和 2.5V 系統(tǒng)之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。A LVTTL V哦2.5V 輸出的電平為 2 V，而 LVTTL V他們2.5V 器件所需的電平為 1.7 V，因此在較低電源電壓下工作的 5V 總線開(kāi)關(guān)可以輕松滿足這些要求。

由于總線開(kāi)關(guān)是簡(jiǎn)單的FET，因此信號(hào)路徑是雙向的;即，輸入和輸出是可互換的。但是，信息不能總是雙向傳達(dá);它取決于供應(yīng)。表1顯示，5 V 3.3 V和3.3 V 2.5 V之間的轉(zhuǎn)換可用于在不同電源供電的器件之間進(jìn)行雙向通信，但其他兩個(gè)選項(xiàng)（2.5 V→1.8 V、3.3 V→1.8 V??）不能用于兩個(gè)方向。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)ADG3247數(shù)據(jù)手冊(cè)。

表 1.總線開(kāi)關(guān)設(shè)備及其電平轉(zhuǎn)換功能。

1SEL 引腳連接到邏輯低電平。有關(guān)SEL引腳的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)ADG3245/6/7數(shù)據(jù)手冊(cè)。
2需要外部二極管。

如前所述，閾值電壓，V千，約為 1 V，因此使用 2.5V 電源時(shí)，總線開(kāi)關(guān)的最大輸出為 1.5 V，不足以滿足 1.7V 器件的 2.5V VIH 輸入要求（圖 8）。同樣，在3.3 V和1.8 V之間轉(zhuǎn)換時(shí)，總線開(kāi)關(guān)的最大輸出將為1.5 V，因此電壓電平也不足以讓3.3 V器件將其識(shí)別為邏輯高電平。因此，在這些情況下，信號(hào)路徑只能用于單向通信。

圖8.不同電源電壓下的邏輯電平比較。

多少“位”？

在總線交換機(jī)的術(shù)語(yǔ)中，位是指與設(shè)備關(guān)聯(lián)的通道數(shù)。例如，一個(gè)16位器件（ADG3247）有16個(gè)獨(dú)立的通道?？偩€開(kāi)關(guān)可提供多種位寬。目前的產(chǎn)品包括8位、10位、16位和四通道2-1（4位、2端口）器件（分別為ADG3245、ADG3246、ADG3247、ADG3257），更多產(chǎn)品即將推出。

總線開(kāi)關(guān)可以用來(lái)切換模擬信號(hào)嗎？

總線開(kāi)關(guān)通道是一個(gè)簡(jiǎn)單的N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）;標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)包括一個(gè)并聯(lián)的P通道，以實(shí)現(xiàn)軌到軌模擬開(kāi)關(guān)。與模擬開(kāi)關(guān)相比，總線開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)具有更低的導(dǎo)通電阻、更小的開(kāi)通和關(guān)通道電容，從而改善了頻率性能。較小的相關(guān)電容通過(guò)將電荷注入（圖9）降低到明顯低于標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)的值，從而有利于器件性能。

圖9.典型總線開(kāi)關(guān)的電荷注入（ADG3257）。

因此，總線開(kāi)關(guān)不必局限于總線開(kāi)關(guān)應(yīng)用或僅用于切換數(shù)字信號(hào)。在V的限制范圍內(nèi)，它們還可以在切換模擬信號(hào)中找到許多用途抄送–在千（在許多情況下，這不是一個(gè)重要的問(wèn)題）。

總線交換機(jī)在熱插拔應(yīng)用中有何用處？

熱插拔是在通電的系統(tǒng)中添加和/或刪除插入式電路。需要能夠熱插拔的應(yīng)用示例包括筆記本電腦的擴(kuò)展塢和電信交換機(jī)的線卡。在熱插拔事件期間，背板上的連接器是“帶電”的;附加卡必須能夠應(yīng)對(duì)這種情況。如果總線可以在插入之前隔離，則可以更好地控制熱插拔事件?？梢允褂脭?shù)字開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)隔離，數(shù)字開(kāi)關(guān)理想地位于連接器和設(shè)備之間的附加卡上（圖 10）。但是，重要的是，附加卡的接地引腳必須在任何其他信號(hào)或電源引腳之前連接到背板的接地引腳，并且在卸下卡時(shí)必須是最后一個(gè)斷開(kāi)連接的接地引腳。

圖 10.與ADG3246總線開(kāi)關(guān)進(jìn)行熱插拔。

那么熱插拔呢？

不得關(guān)閉ADSL（異步數(shù)字用戶線）、制造控制、服務(wù)器和航空公司預(yù)訂等關(guān)鍵系統(tǒng)。如果需要將新硬件（如插入式調(diào)制解調(diào)器）添加到系統(tǒng)中，則必須在系統(tǒng)啟動(dòng)并運(yùn)行時(shí)完成。在強(qiáng)制連續(xù)操作期間添加硬件的過(guò)程稱為熱插拔。為了確保過(guò)程的順利執(zhí)行，可以在連接器和內(nèi)部總線之間連接一個(gè)數(shù)字開(kāi)關(guān)（圖 11）。在熱插拔事件期間，開(kāi)關(guān)關(guān)閉以提供特定電路位置的隔離。

圖 11.在熱插拔應(yīng)用中使用ADG3247。

直通式引腳排列架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

ADI公司許多此類數(shù)字開(kāi)關(guān)的一個(gè)有用特性是邏輯“直通”引腳排列，其中每個(gè)輸入及其相應(yīng)的輸出位于芯片的相對(duì)兩側(cè)，沒(méi)有交叉或模式中斷（圖12）。這使得輸入和輸出信號(hào)的路由在印刷電路板布局中更容易處理。此外，傳播延遲可以更容易地與直通引腳排列相匹配。

圖 12.流通銷布置。

結(jié)論

總線開(kāi)關(guān)設(shè)備用途廣泛;它們可用于當(dāng)今高性能系統(tǒng)中的許多不同的應(yīng)用。在本簡(jiǎn)短的介紹中，我們展示了總線開(kāi)關(guān)在總線隔離、電壓轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)切換和熱插入應(yīng)用等領(lǐng)域的應(yīng)用。我們還明確表示，它們適用于許多其他應(yīng)用。我們介紹了總線開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵規(guī)格，討論了它們的操作，并試圖回答一些關(guān)于它們的常見(jiàn)問(wèn)題。

審核編輯：郭婷