【導(dǎo)讀】耗盡型MOSFET開(kāi)關(guān)，一度不那么受歡迎，且常被視為典型的增強(qiáng)型FET的同屬，卻在最近幾年中越來(lái)越受歡迎。安森美半導(dǎo)體投入該技術(shù)，開(kāi)發(fā)出越來(lái)越多的耗盡型模擬開(kāi)關(guān)系列。這些開(kāi)關(guān)越來(lái)越多地用于很好地解決工程問(wèn)題。此博客將使讀者更好地了解這些實(shí)用的器件的能力，并介紹方案示例。
簡(jiǎn)介
增強(qiáng)型FET用于當(dāng)今絕大多數(shù)電子產(chǎn)品中，工作模式基于簡(jiǎn)單的概念。考慮到增強(qiáng)型NFET采用共源極結(jié)構(gòu)(圖1，左)-當(dāng)門(mén)極與源在相同的電勢(shì)，漏源極之間的溝道電阻很高，我們認(rèn)為晶體管是‘關(guān)斷’的。這些FET需要一個(gè)正的門(mén)極到源電壓，以導(dǎo)通溝道，并在漏源極之間傳導(dǎo)。當(dāng)沒(méi)有完全飽和時(shí)，這些FET的溝道電阻會(huì)有很大的變化。這可能導(dǎo)致模擬信號(hào)的問(wèn)題，需要在整個(gè)信號(hào)幅度范圍的低失真。此外，當(dāng)采用增強(qiáng)型FET的模擬開(kāi)關(guān)失去電源時(shí)，其狀態(tài)是不確定的；它不會(huì)很好地傳導(dǎo)，很可能也不會(huì)很好地隔離信號(hào)。
圖1：增強(qiáng)型對(duì)比耗盡型MOSFET
耗盡型FET與增強(qiáng)型FET互為補(bǔ)足：對(duì)于采用相同結(jié)構(gòu)的耗盡型NFET(圖1，右)，溝道電阻較低，并且溝道被認(rèn)為是“導(dǎo)通”的。因此，在默認(rèn)的無(wú)電源狀態(tài)下，耗盡FET是傳導(dǎo)的，且由于它們的設(shè)計(jì)，其溝道電阻是線性的，這使得它們?cè)谡麄€(gè)信號(hào)幅度范圍具有極低的失真。
基于耗盡型FET的模擬開(kāi)關(guān)通常有控制電路，以便在器件上電時(shí)啟用或禁用開(kāi)關(guān)路徑。該控制電路使用電荷泵產(chǎn)生隔離開(kāi)關(guān)路徑所需的電壓。因此，禁用(隔離)開(kāi)關(guān)路徑會(huì)耗電。對(duì)于信號(hào)隔離時(shí)間相對(duì)較短的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這通常不是問(wèn)題。否則，選擇一個(gè)電荷泵耗電低的器件是很重要的。
雖然許多硅供應(yīng)商吹噓他們的耗盡型方案為默認(rèn)的“導(dǎo)通”，但其器件的電阻并不是完全線性的，導(dǎo)致信號(hào)失真或電阻率不一致。安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了專(zhuān)有的耗盡型FET，配合專(zhuān)利的設(shè)計(jì)技術(shù)，以在無(wú)電源時(shí)失真較低。
解決降噪耳機(jī)電池電量耗盡的問(wèn)題
當(dāng)降噪耳機(jī)首次被廣泛使用時(shí)，使用它們的好處顯而易見(jiàn)。人們終于可以忍受那些漫長(zhǎng)而嘈雜的飛機(jī)旅行了；在背景噪音的嗡嗡聲中，聽(tīng)著那首最受歡迎的古典音樂(lè)，從普通的體驗(yàn)變成了沉浸式的體驗(yàn)。但是，這些耳機(jī)需要電池才能消除噪音，當(dāng)電池耗盡時(shí)，耳機(jī)就沒(méi)用了。有些設(shè)計(jì)試圖克服這一點(diǎn)，通常是通過(guò)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)，但這些方案總是需要用戶(hù)親自動(dòng)手。
考慮FSA553：當(dāng)供電時(shí)，這負(fù)擺幅、雙通道SPST耗盡型模擬開(kāi)關(guān)與降噪的DSP并聯(lián)，支持設(shè)計(jì)人員通過(guò)耳機(jī)中降噪的DSP傳送立體聲音頻，同時(shí)電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓降到對(duì)DSP太低時(shí)，對(duì)DSP和FSA553的電壓供應(yīng)就會(huì)禁用。在這種狀態(tài)下，音頻信號(hào)繞過(guò)DSP并通過(guò)FSA553路由到耳機(jī)，從而創(chuàng)建改進(jìn)的用戶(hù)體驗(yàn)，其中音頻聆聽(tīng)體驗(yàn)在電池放電時(shí)自動(dòng)繼續(xù)。FSA553的0.4歐姆(典型值)低信道電阻和-104 dBV (非A加權(quán))超低總諧波失真加噪聲(THD+N)的提供低損耗和實(shí)際無(wú)失真的立體音頻旁路。
采用USB Type C移動(dòng)設(shè)備附件可省電
考慮通過(guò)USB Type C將移動(dòng)設(shè)備連接到受電附件的應(yīng)用。一旦附件通過(guò)VCONN連接并通電，附件中仍有電流流過(guò)接地的Ra電阻（圖2）。對(duì)于5V的VCONN和1千歐姆的Ra，提供5mA DC電流，這無(wú)需從移動(dòng)設(shè)備獲取。然而，對(duì)于使用微控制器或類(lèi)似器件的附件，附件器件上的單通道SPST耗盡型模擬開(kāi)關(guān)如FSA515與Ra電阻器串聯(lián)可提供能力以在完成USB Type C檢測(cè)之后隔離Ra電阻器接地路徑。
圖2：Type-C附件在檢測(cè)后有電流流過(guò)Ra電阻
通過(guò)在附件控制器上使用GPIO和一些固件編碼以在成功檢測(cè)后對(duì)FSA515的VDD引腳供電(圖3)，在連接時(shí)，所增加的電流消耗可從5mA減小到僅約30uA，節(jié)省了近25mW的功率。此外，F(xiàn)SA515的超小占位減少了所增加的方案面積到2，包括分立器件。
圖3：Type-C附件在檢測(cè)后隔離Ra電阻
機(jī)會(huì)
耗盡型模擬開(kāi)關(guān)具有多種用途，并特別適用于在沒(méi)有電源的情況下傳導(dǎo)高保真信號(hào)。這使得它們常用作旁路開(kāi)關(guān)，可在需要時(shí)用作在電源下隔離的低功率默認(rèn)路徑，或者作為在講究省電應(yīng)用中降低損耗的設(shè)計(jì)靈活的方案。隨著設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向更低的損耗和增加的復(fù)雜性，耗盡型模擬開(kāi)關(guān)成為在低功率產(chǎn)品中路由高保真模擬信號(hào)的越來(lái)越有用的工具。
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