汽車、軍事和航空電子應(yīng)用中的惡劣工作環(huán)境對集成電路的技術(shù)要求極端苛刻，電路必須能夠承受高電壓和電流、極端溫度和濕度、振動、輻射以及各種其他應(yīng)力。為了提供安全、娛樂、遠程信息處理、控制和人機界面等應(yīng)用領(lǐng)域所需的特性和功能，系統(tǒng)工程師迅速采用高性能電子器件。隨著精密電子器件的使用日益增加，系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，而且更易受到電子干擾，其中包括過壓、閂鎖狀況和靜電放電 (ESD)事件。這些應(yīng)用中采用的電子電路需要具有高可靠性和對系統(tǒng)故障的高耐受性，因此設(shè)計人員在選擇器件時必須考慮到環(huán)境因素和器件自身限制。

此外，每個集成電路都有制造商規(guī)定的一些jue對zui大額定值；設(shè)計時必須留意這些額定值，才能確保性能可靠且達到公布的技術(shù)規(guī)格。一旦超過這些jue對zui大額定值，則無法保證工作參數(shù)；甚至可能導(dǎo)致內(nèi)置ESD、過壓或閂鎖保護失效，從而導(dǎo)致器件（并有可能更進一步）損壞或出現(xiàn)故障。

本文描述了工程師在將模擬開關(guān)和多路復(fù)用器設(shè)計到惡劣環(huán)境下所用模塊中時面臨的挑戰(zhàn)，并提供了一些一般解決方案建議，以供電路設(shè)計人員用來保護容易損壞的器件。另外，文中介紹了一些新款集成開關(guān)和多路復(fù)用器，這些器件在過壓保護、防閂鎖特性和故障保護上均有所改善，能夠處理常見應(yīng)力狀況。

標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)架構(gòu)

要完全弄清楚模擬開關(guān)上故障狀況造成的影響，首先必須查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作極限。

標(biāo)準(zhǔn)CMOS開關(guān)（圖1）采用N和P溝道MOSFET作為開關(guān)元件、數(shù)字控制邏輯和驅(qū)動器電路。N和P溝道MOSFET以并聯(lián)方式相連，允許進行雙向操作，并將模擬輸入電壓范圍可以擴展到供電軌，同時在整個信號范圍內(nèi)使導(dǎo)通電阻保持相當(dāng)恒定。

圖1. 標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)電路

信號源、漏極和邏輯控制端對正負(fù)源電壓都設(shè)計有箝位二極管以提供ESD保護，如圖1所示。在正常工作模式下，這些二極管反向偏置，因此除非信號超過電源電壓，否則不會通過電流。這些二極管的尺寸因工藝而異，不過一般都采用小型設(shè)計，以盡量減少正常工作時的漏電流。

模擬開關(guān)的控制方式如下：當(dāng)柵極-源極電壓為正值時，N溝道器件導(dǎo)通，而當(dāng)該電壓為負(fù)值時則關(guān)斷；P溝道器件由互補信號進行切換，因此與N溝道器件同時接通。開關(guān)的接通與斷開是通過在兩個柵極上分別施加正負(fù)源電壓來實現(xiàn)的。

當(dāng)柵極上的電壓固定時，兩個晶體管的有效驅(qū)動電壓隨著通過開關(guān)的模擬信號極性和幅度變化而呈比例變化。圖2中的虛線表示，當(dāng)輸入信號接近電源電壓時，總有一個器件的溝道開始飽和，從而造成該器件的導(dǎo)通電阻急劇增加。不過，并聯(lián)器件在供電軌電壓附近相互補償，因此zui終得到的是完全的軌到軌開關(guān)，并且導(dǎo)通電阻在信號范圍內(nèi)保持相對恒定。

圖2. 標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)RON圖

jue對zui大額定值

設(shè)計時應(yīng)當(dāng)注意器件數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的開關(guān)功率要求，這樣才能保證性能、操作和壽命均達到zui佳。不幸的是，實際操作過程中存在電源故障、惡劣環(huán)境中的電壓瞬變和系統(tǒng)或用戶故障，因而不可能始終達到數(shù)據(jù)手冊的要求。

只要模擬開關(guān)的輸入電壓超過電源電壓，即使電源已關(guān)閉，內(nèi)置ESD保護二極管變成正向偏置，允許流過大電流，這樣即會超過那些額定值。正向偏置時，這些二極管導(dǎo)通電流并不只局限于幾十毫安，一旦不對這個正向電流加以限制，就可能會造成器件損壞。更為嚴(yán)重的是，故障導(dǎo)致的損壞并不限于開關(guān)，也可能影響到下游電路。