Fachthema Der richtige CMOS-Analogschalter

Der richtige CMOS-Analogschalter

Die Schnittstelle zwischen einem digitalen Mikrocontroller und analogen Signalen wird oft durch integrierte Analogschalter gebildet. Dieser Artikel behandelt die theoretischen Grundlagen von Analogschaltern und beschreibt einige herkömmliche Anwendungen für Standardschalter. Darüber hinaus werden die besonderen Merkmale von Kalibriermultiplexern sowie fehlergeschützten und Force-Sense-Schaltern erläutert.

Die Weiterentwicklung der integrierten Analogschalter führte in den letzten Jahren zu einer besseren Schaltcharakteristik, niedrigeren Versorgungsspannungen und kleineren Gehäusen. Bei der gegenwärtig verfügbaren breiten Palette von Leistungsmerkmalen und speziellen Funktionen hat der gut informierte Entwurfsingenieur große Chancen, den richtigen Baustein für eine bestimmte Anwendung zu finden.

Der Einsatz von CMOS-Analogschaltern wird zwar aufgrund ihrer einfachen Anwendung oft als selbstverständlich betrachtet, jedoch sollte auch nicht ihre Fähigkeit zur Lösung bestimmter technischer Probleme übersehen werden. Herkömmliche Analogschalter wie der frühere CD4066 oder MAX4066 werden jetzt von vielen Herstellern angeboten.

Bild: Die interne Struktur eines typischen Analogschalters ist mit parallelen N- und P-Kanal-MOSFETs aufgebaut.

Wird ein N-Kanal-MOSFET mit einem P-Kanal-MOSFET parallelgeschaltet, können Signale in beiden Richtungen gleich gut passieren. Da der Schalter keine bevorzugte Stromflussrichtung hat, hat er auch keinen bestimmten Eingang oder Ausgang. Die beiden MOSFETs werden durch interne invertierende und nichtinvertierende Verstärker ein- und ausgeschaltet. Diese Verstärker verschieben das digitale Eingangssignal abhängig davon, ob das Signal CMOS- oder TTL- kompatibel und ob die analoge Versorgungsspannung uni- oder bipolar ist.

Betrachtet man die Einschaltwiderstände des P-Kanals und des N-Kanals als Parallelschaltung bei allen auftretenden Eingangsspannungen V_IN, so ergibt sich die resultierende Kennlinie des Durchlasswiderstandes. Werden die Einflüsse von Temperatur, Versorgungsspannung und die Änderung von R_ON (Durchlasswiderstand) über die analoge Eingangsspannung vernachlässigt, lässt sich diese Kennlinie von R_ON über V_IN als linear annehmen. Zu beachten ist, dass diese Einflüsse Nachteile darstellen, und dass deren Minimierung oftmals der Hauptzweck von Neuentwicklungen ist.

Die ersten Analogschalter arbeiteten an Versorgungen von ±20 V und hatten einen Durchlasswiderstand von mehreren hundert Ohm. Die neuesten Produkte erreichen Durchlasswiderstände von maximal 2,5 Ohm bei einer weit geringeren Versorgungsspannung. Letztere hat einen beträchtlichen Einfluss auf R_ON.

In vielen leistungsfähigen Analogsystemen wird noch mit höheren bipolaren Versorgungsspannungen, wie ±15V oder ± 12V, gearbeitet. Der Betrieb an diesen Spannungen macht einen weiteren Versorgungsanschluss notwendig. Dieser wird mit der Logikversorgung des Systems, normalerweise 5V oder 3,3V, verbunden. Werden die Logiksignale am Eingang auf die tatsächlichen Logikpegel bezogen, dann erhöht dies den Spielraum für das Rauschen und vermeidet einen übermäßigen Leistungsverbrauch.