Эффект инжекции заряда при переключении аналогового ключа

 В электронике активно применяются аналоговые ключи для коммутации сигналов, а также защиты входов и выходов измерительных схем. В своей основе современные аналоговые ключи имеют архитектуру, состоящую из пары n— и p—канального транзистора (рис. 1).

Рис. 1. Внутренняя структура аналогового ключа

Такая архитектура оптимальна для обеспечения низкого собственного сопротивления ключа в открытом состоянии при напряжениях вблизи уровней шин питания, поскольку сопротивление открытого канала R_on n—канального транзистора повышается при приближении напряжения на входе (V_source) к напряжению Vdd и наоборот — для p—канального транзистора.

При этом из-за различия технологии изготовления n— и p—канального транзистора для балансировки сопротивления открытого канала каждого транзистора требуется полупроводниковая структура p—MOS большей (примерно в 3 раза) площади.

Транзисторы обладают паразитной емкостью, которая перезаряжается при отпирании и запирании ключей. При переключении транзисторов на выход проходит импульс инжекции заряда (charge injection), способный повлиять на измерительные характеристики. Понизить влияние такого импульса можно при установке небольшой емкости C_L на выходе.

Рис. 2. Настройка выходного каскада ключа при помощи CL для уменьшения эффекта инжекции заряда

Моделирование эффекта в LTSPICE на примере ADG1208

Данный эффект включен в функционал SPICE-моделей аналоговых ключей производства Analog Devices. Рассмотрим этот эффект на примере ADG1208.

Рис. 3. Схема включения ADG1208 для моделирования эффекта инжекции заряда

На рис. 3 представлена схема включения ADG1208 для моделирования эффекта инжекции заряда. При этом на входы S1 и S2 подается напряжение 0 В, управляющий сигнал подается на A0.

Рис. 4. Всплеск напряжения на выходе (Vout) схемы после примерно 80 нс от старта управляющего сигнала V_ctl

В результате (рис. 4) переключения состояния ADG1208 виден всплеск напряжения на выходе ключа примерно после 80 нс. Всплеск имеет величину 64 мВ в пике.

Для уменьшения пикового значения всплеска напряжения на выходе ключа рекомендуется установить небольшую емкость. Например, для емкости C_out = 1 нФ расчетное пиковое значение всплеска получается 520 мкВ.