Eva Murphy 和 Catherine Redmond

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

什么是總線開關？

總線開關的基本元件是N溝道FET，其狀態由CMOS邏輯控制。作為雙邊開關，源端 （A） 或漏極 （B） 均可作為信號輸入（圖 1）。禁用時，柵極保持在零伏，電源和漏極之間有一個開路。

圖1.總線交換機通道。

當開關使能時（BE at 0），其柵極被驅動至 V抄送.如果 V一般事務人員（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一般事務人員接近閾值電壓時，器件接近其飽和區域并變得高電阻;圖2顯示了導通電阻與輸入電壓與V函數關系的典型曲線抄送 (ADG3257）。飽和時，輸出電壓將限制為 V抄送–在千.

圖2.ADG3257總線開關的導通電阻與輸入電壓的關系（V一個或 VB).

圖3是輸入和電源電壓在5 V范圍內的典型總線開關的輸出電壓與輸入電壓的關系圖。當 V一般事務人員小于約1 V，開關通道開始飽和，電壓鉗位至V抄送–在千.所以，在這個例子中，對于 V抄送= 5 V，輸出跟隨輸入高達約4 V。 超過此輸入電壓，V外在 V 舉行抄送–在千.事實證明，這種箝位趨勢是總線開關的一個非常有用的特性;它的優點和用途將在后面更詳細地討論。

圖3.V外與 V在用于帶V的ADG3257總線開關抄送在 5V 范圍內。

影響總線開關器件應用的主要特性包括：導通電阻、與通道相關的電容和傳播延遲。此類器件的導通電阻通常非常低，通常為幾歐姆。電容需要保持在盡可能低的水平，在導通條件下通常小于10 pF。電容和導通電阻參數都會影響通過開關通道的傳播延遲。

實際上，總線開關在導通條件下的所有傳播延遲都來自R的RC延遲。上開關和負載電容——通常處于亞納秒區域，遠小于驅動信號的上升/下降時間。在系統中，數字開關的傳播延遲由開關驅動側的電路阻抗及其與驅動側負載的相互作用決定。

我們將在哪里使用總線開關？

總線開關用于通過隔離不需要驅動總線或由總線驅動但以后可能需要連接的功能來提高速度和降低噪聲。此外，總線開關還可用于 PC 擴展塢、PC 卡或電源管理應用，以斷開電流路徑并防止電路泄漏。從本質上講，總線開關的靜態功耗非常低——ADG324x/ADG325x系列的總線開關成員在不開關時通常消耗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出現意外行為。總線開關在需要連接在兩個不同電源電壓下工作的系統的應用也很有用。下面將更詳細地描述這些應用程序中的每一個。

使用數字總線開關進行總線隔離

總線架構的一個常見要求是總線的低電容負載。此類系統需要總線橋接設備，允許在不超過規格的情況下增加可用負載的數量。理想情況下，總線上當前未使用的任何負載都應斷開，以減少整體容性負載并避免超過總線電容規格。總線開關專為此目的而設計：隔離此時不需要驅動或驅動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刻連接的總容性負載。

如果在總線上的每個負載和總線本身之間放置了一個總線開關，則當開關被禁用時，負載與總線隔離。由于總線開關在啟用時可以在任一方向上傳遞大量電流，而不會為通過它的信號增加明顯的傳播延遲，因此它是解決總線隔離問題的可行解決方案。圖4顯示了一般情況，圖5顯示了使用四通道2：1多路復用器總線交換機的內存組驅動問題的具體解決方案。

圖4.總線開關可以將負載 B 與總線的其余部分隔離。

多路復用

具有大量公共總線信號的系統設計人員面臨的問題包括：由于地址和數據總線信號同時切換而導致的系統噪聲，以及總線容性負載引起的系統大延遲。

圖5a顯示了一個存儲器組陣列，其中每個地址和數據信號由各個負載的總和加載。現在，如果使用總線開關（本例中為ADG3257四通道2：1多路復用器/解復用器），如圖5b所示，則存儲器地址和數據位的輸出負載減半。這種隔離可以使所選組數據的流動速度幾乎翻倍，因為電容負載減半，開關引入的傳播延遲可以忽略不計。公交車噪音也顯著降低。

圖5.減少內存庫負載。a） 當所有存儲器組永久連接到總線時，地址和數據線負載過重。 b） 當ADG3257用于在不同存儲器組對之間切換時，訪問時間和噪聲都會降低。

電壓電平轉換

當兩個在不同電源電壓下工作的器件之間接口時，來自高壓器件的數字信號需要安全地連接到低壓器件。為了不超過為在較低電壓電平下工作的器件指定的最大額定值，必須降低來自較高電壓器件的電壓輸出。這可以通過插入與相關信號串聯的總線開關輕松實現（圖 6）。

圖6.使用ADG3257在3.3 V控制器和5 V數據轉換器之間切換和電平轉換。

如上所述，如果 V一般事務人員電壓降至 1 V 以下，開關通道開始飽和，輸出電壓箝位至 V抄送–在千.也就是說，輸出跟隨輸入直到該電壓附近，對于更高的輸入電壓，V外在 V 舉行抄送–在千.圖7顯示了與圖3相同開關的輸出-輸入圖，但集中在V上抄送在 3.3V 區域。此行為使總線開關設備適用于需要電平轉換的接口應用程序。

圖7.V外與 V在用于帶V的ADG3257總線開關抄送在 3V 范圍內。

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電源供電的應用中應用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，否則電路將無法正常通信。通過圖3和圖7的總線開關連接在器件之間，作為電壓轉換器，可以進行雙向通信，而不會損壞低電源器件。與 5V 電源串聯的二極管與總線開關的箝位電壓相結合，可提供相當接近所需 5V 至 3.3V（從左到右）的壓降，而不會妨礙 3.3V 通信（從右到左）。

同樣，該器件可用于在 3.3V 和 2.5V 系統之間進行電平轉換。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 總線開關可以輕松滿足這些要求。

由于總線開關是簡單的FET，因此信號路徑是雙向的;即，輸入和輸出是可互換的。但是，信息不能總是雙向傳達;它取決于供應。表1顯示，5 V 3.3 V和3.3 V 2.5 V之間的轉換可用于在不同電源供電的器件之間進行雙向通信，但其他兩個選項（2.5 V→1.8 V、3.3 V→1.8 V??）不能用于兩個方向。有關更多詳細信息，請參見ADG3247數據手冊。

表 1.總線開關設備及其電平轉換功能。

1SEL 引腳連接到邏輯低電平。有關SEL引腳的更多信息，請參見ADG3245/6/7數據手冊。
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，總線開關的最大輸出為 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之間轉換時，總線開關的最大輸出將為1.5 V，因此電壓電平也不足以讓3.3 V器件將其識別為邏輯高電平。因此，在這些情況下，信號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”？

在總線交換機的術語中，位是指與設備關聯的通道數。例如，一個16位器件（ADG3247）有16個獨立的通道。總線開關可提供多種位寬。目前的產品包括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），更多產品即將推出。

總線開關可以用來切換模擬信號嗎？

總線開關通道是一個簡單的N溝道場效應晶體管（FET）;標準模擬開關設計包括一個并聯的P通道，以實現軌到軌模擬開關。與模擬開關相比，總線開關的設計具有更低的導通電阻、更小的開通和關通道電容，從而改善了頻率性能。較小的相關電容通過將電荷注入（圖9）降低到明顯低于標準模擬開關的值，從而有利于器件性能。

圖9.典型總線開關的電荷注入（ADG3257）。

因此，總線開關不必局限于總線開關應用或僅用于切換數字信號。在V的限制范圍內，它們還可以在切換模擬信號中找到許多用途抄送–在千（在許多情況下，這不是一個重要的問題）。

總線交換機在熱插拔應用中有何用處？

熱插拔是在通電的系統中添加和/或刪除插入式電路。需要能夠熱插拔的應用示例包括筆記本電腦的擴展塢和電信交換機的線卡。在熱插拔事件期間，背板上的連接器是“帶電”的;附加卡必須能夠應對這種情況。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。可以使用數字開關實現隔離，數字開關理想地位于連接器和設備之間的附加卡上（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或電源引腳之前連接到背板的接地引腳，并且在卸下卡時必須是最后一個斷開連接的接地引腳。

圖 10.與ADG3246總線開關進行熱插拔。

那么熱插拔呢？

不得關閉ADSL（異步數字用戶線）、制造控制、服務器和航空公司預訂等關鍵系統。如果需要將新硬件（如插入式調制解調器）添加到系統中，則必須在系統啟動并運行時完成。在強制連續操作期間添加硬件的過程稱為熱插拔。為了確保過程的順利執行，可以在連接器和內部總線之間連接一個數字開關（圖 11）。在熱插拔事件期間，開關關閉以提供特定電路位置的隔離。

圖 11.在熱插拔應用中使用ADG3247。

直通式引腳排列架構的優勢

ADI公司許多此類數字開關的一個有用特性是邏輯“直通”引腳排列，其中每個輸入及其相應的輸出位于芯片的相對兩側，沒有交叉或模式中斷（圖12）。這使得輸入和輸出信號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。

結論

總線開關設備用途廣泛;它們可用于當今高性能系統中的許多不同的應用。在本簡短的介紹中，我們展示了總線開關在總線隔離、電壓轉換、模擬信號切換和熱插入應用等領域的應用。我們還明確表示，它們適用于許多其他應用。我們介紹了總線開關的關鍵規格，討論了它們的操作，并試圖回答一些關于它們的常見問題。

審核編輯：郭婷