Cómo comparar efectivamente el rendimiento de los interruptores CMOS con los relés de estado sólido

Resumen

Off capacitancia entre la fuente y el drenaje, C_{DS (APAGADO)}, es una medida de la capacidad de un interruptor de apagado para bloquear una señal en la fuente desde el acoplamiento al drenaje. Es una especificación común que se ve en los relés de estado sólido (también conocidos como PhotoMOS).^®OptoMOS^®fotorrelés o relés MOSFET), y a menudo se le conoce como capacitancia de salida, C_AFUERA, en hojas de datos de relés de estado sólido. Los interruptores CMOS no suelen incluir esta especificación, pero la especificación de aislamiento es un método diferente para caracterizar el mismo fenómeno, es decir, la cantidad de señal que se presenta a la fuente de un interruptor de apagado que se acopla al drenaje. Este artículo discutirá cómo derivar C_AFUERA del aislamiento y cómo se puede usar esto para comparar el rendimiento de los relés de estado sólido y los interruptores CMOS de manera más efectiva. Esto es importante ya que los interruptores CMOS se adaptan a muchas aplicaciones en las que se utilizan relés de estado sólido, como la conmutación de señales de CC y CA de alta velocidad.

Cómo derivar CDS (APAGADO) de Apagado Aislamiento

La Figura 1 muestra el gráfico de rendimiento típico de aislamiento frente a frecuencia del ADG5412. Este gráfico muestra que a medida que aumenta la frecuencia de la señal en la fuente, disminuye el aislamiento de apagado.

Esto significa que una mayor parte de la señal presente en la fuente aparecerá en el drenaje de un interruptor de apagado a medida que aumente la frecuencia de la señal. Esto no es sorprendente cuando investiga el circuito equivalente para un interruptor en la condición de apagado, como se muestra en el circuito de prueba en la Figura 2. Cuando un interruptor está abierto, hay una capacitancia parásita entre la fuente y el drenaje, que se muestra como C_{DS (APAGADO)} en la figura. Esta capacitancia parásita permite el paso de señales de alta frecuencia, y caracterizar esto es el propósito de la gráfica fuera de aislamiento.

El aislamiento desactivado se calcula tomando V_S y V_AFUERA del circuito de prueba de la Figura 2 e insertarlos en la siguiente ecuación:

Usando los resultados de la gráfica de aislamiento combinado con el circuito equivalente de un interruptor abierto, C_{DS (APAGADO)} se puede calcular en un interruptor CMOS. Primero, si consideramos el canal del interruptor de apagado y la carga, podemos equiparar el circuito a un filtro de paso alto, como se muestra en la Figura 3.

La función de transferencia del circuito que se muestra se puede derivar de la siguiente manera:

Lo siguiente es considerar el voltaje de la fuente, V_Sy su impedancia de la Figura 2. La impedancia de la fuente, R_Ses 50 Ω y esto coincide con la impedancia de carga, R_L, de 50 Ω. Si asumimos el caso ideal donde C_{DS (APAGADO)} es un cortocircuito, entonces V_S es doble v_EN, ya que las impedancias son iguales. Esto significa que cuando la función de transferencia se calcula en relación con V_Sla función de transferencia global se duplica.

Por lo tanto, la función de transferencia de todo el sistema es:

Esta función de transferencia se puede sustituir en la ecuación fuera de aislamiento para dar:

Esta ecuación se puede reorganizar para hacer C_{DS (APAGADO)} el tema:

Esto significa que si conocemos R_Lla frecuencia de la señal de entrada, f, y el valor de especificación sin aislamiento en dB, la C_{DS (APAGADO)} se puede calcular Estos valores se pueden encontrar en la hoja de datos de los productos conmutadores o multiplexores de la cartera de Analog Devices. El siguiente ejemplo describirá cómo se puede hacer.

Ejemplo de cálculo CDS (APAGADO)

En este ejemplo se utilizará el interruptor SPST cuádruple controlado por SPI, el ADGS1612. La especificación fuera de aislamiento del ADGS1612 es −65 dB, y esto se puede leer en la Tabla 1 de la hoja de datos. De la sección de condiciones de prueba de la especificación fuera de aislamiento, R_L se da como 50 Ω y la frecuencia de la señal, f, se establece como 100 kHz. Al poner estos valores en la C_{DS (APAGADO)} ecuación, se puede calcular el valor de la capacitancia.

Tenga en cuenta que el circuito de medición para aislamiento de apagado para interruptores y multiplexores puede contener una terminación adicional de 50 Ω antes del pin de fuente del canal del interruptor, como se muestra en la Figura 4. El C_{DS (APAGADO)} La ecuación aún se puede usar con especificaciones fuera de aislamiento que se midieron de esta manera. Sin embargo, se deben agregar 6 dB a la especificación sin aislamiento de la hoja de datos cuando se usó una terminación de 50 Ω en el pin de origen antes de usarla en el C_{DS (APAGADO)} ecuación. Esto es para compensar el hecho de que la terminación de 50 Ω en la fuente reduce el voltaje a la mitad, lo que equivale a −6 dB.

Conmutadores CMOS frente a relés de estado sólido

La tabla 1 muestra la C_{DS (APAGADO)} valores para una selección de productos de interruptores en la cartera de Analog Devices. Las familias ADG54xx y ADG52xx pueden manejar voltajes de señal con una oscilación de hasta 44 V, mientras que las familias ADG14xx y ADG12xx pueden pasar voltajes de señal con una oscilación de hasta 33 V. Esta señal comparable varía a relés de estado sólido de 30 V y 40 V. La última columna de la tabla también muestra cómo el C_{DS (APAGADO)} se puede usar junto con el interruptor de resistencia para calcular el R_ENC_{DS (APAGADO)} producto, que se utiliza como orden de mérito en relés de estado sólido. El r_ENC_{DS (APAGADO)} El producto indica qué tan poco atenuará un interruptor una señal cuando está encendido y, combinado con qué tan bien un interruptor puede bloquear las señales de alta velocidad cuando está apagado. La tabla muestra que el ADG1412 tiene una R_ENC_APAGADO producto de menos de 5, que es extremadamente competitivo para los relés de estado sólido en el mercado.

También hay muchas ventajas de los interruptores CMOS en comparación con los relés de estado sólido. Éstos incluyen:

• Lógica de interruptor más fácil de manejar

La corriente de entrada digital típica para la mayoría de los interruptores CMOS de Analog Devices es de 1 nA, mientras que la corriente directa recomendada para el diodo en los relés de estado sólido es de 5 mA. Esto significa que los conmutadores CMOS pueden controlarse fácilmente directamente mediante los GPIO en los microcontroladores.

El ADG1412 tiene un tiempo de encendido típico de 100 ns en comparación con los relés de estado sólido, que tienen tiempos de encendido en la región de cientos de milisegundos.

• Más interruptores por paquete

Por ejemplo, el ADGS1414D tiene ocho canales de conmutación con 1,5 Ω en resistencia y 5 pF C_{DS (APAGADO)} en un paquete de 5 mm × 4 mm. Eso es un interruptor por 2,5 mm.² del área del paquete.

Conclusión

La capacidad de un interruptor para bloquear señales cuando está apagado es clave. En relés de estado sólido, el C_APAGADO La especificación es una medida de la capacitancia a través del interruptor, que permite el acoplamiento de señales desde la entrada a la salida del interruptor cerrado. En los interruptores CMOS, este condensador no se mide directamente; sin embargo, el efecto de este condensador se mide a través de la especificación de aislamiento. El valor de aislamiento en dB, la frecuencia de la señal de entrada y la resistencia de carga se pueden utilizar para determinar la C_{DS (APAGADO)} derivando la función de transferencia de un interruptor abierto. La C_{DS (APAGADO)} es importante en la comparación de los interruptores CMOS con el C_AFUERA Especificación de relés de estado sólido. Además, C._{DS (APAGADO)} también se puede utilizar para calcular el R_ENC_{DS (APAGADO)} producto, que es un orden de mérito que se utiliza para mostrar el aislamiento general apagado y el rendimiento perdido de la señal de un interruptor. Esto permite la competencia directa entre los interruptores CMOS y los relés de estado sólido al seleccionar un interruptor para una aplicación. Los interruptores CMOS también tienen muchos beneficios sobre los relés de estado sólido, a saber, una lógica de interruptor más fácil de manejar, velocidades de conmutación más rápidas y la capacidad de tener más interruptores en un paquete.