摘要
源極和漏極之間的關斷電容CDS(OFF)可用來衡量關斷開關後，源極訊號耦合到漏極的能力。它是固態繼電器（如PhotoMOS®、OptoMOS®、光繼電器或MOSFET繼電器）中常見的規格參數，在固態繼電器資料手冊中通常稱為輸出電容COUT。CMOS開關通常不包含此規格參數，但關斷隔離度是顯示相同現象的另一種方法，關斷隔離度定義為，開關關斷狀態下，耦合到漏極的源極的訊號量。本文將討論如何從關斷隔離度推導出COUT，以及如何透過其更有效比較固態繼電器和CMOS開關的性能，這是重要的特點，因為CMOS開關適合許多使用固態繼電器的應用，例如切換直流訊號和高速交流訊號。
如何從關斷隔離度匯出 CDS(OFF)
圖1顯示 ADG5412的關斷隔離度與頻率的典型性能圖。該圖顯示，當源極上的訊號頻率上升時，關斷隔離度隨之降低。
圖1.ADG5412關斷隔離度與頻率的關係（±15 V雙電源）。
表示隨著訊號頻率增加，源極上有更多訊號會出現在關斷開關的漏極。如果您觀察開關的等效電路在關斷狀態下的表現，如圖2中的測試電路所示，會發現這種狀況不足為奇。當開關處於斷開狀態時，源極和漏極之間存在寄生電容，即圖中的CDS(OFF)。這種寄生電容使高頻訊號能夠通過，關斷隔離圖就是為了確定這些特徵。
圖2.關斷隔離度測量測試電路。
從圖2所示的測試電路中獲取VS和VOUT，然後將其代入以下公式中，以計算關斷隔離度：
將從關斷隔離圖中得到的結果應用到開路開關的等效電路中，可計算得出CMOS開關的CDS(OFF)。首先，如果考慮關斷開關通道和負載，可以將電路視為高通濾波器，如圖3所示。
圖3.CDS(OFF)和RL高通濾波器。
所示電路的轉換函數可以透過以下公式計算得出：
接下來，考慮源電壓VS及其阻抗，如圖2所示。源阻抗RS為50 Ω，與50 Ω負載阻抗RL匹配。假設在理想情況下，CDS(OFF)短路，那麼在阻抗相等時，VS為VIN的2倍。表示當根據VS計算轉換函數時，整個轉換函數會翻倍。
所以，整個系統的轉換函數為：
然後，可以將這個轉換函數代入關斷隔離度公式，得出：
然後，重新變換該公式，求解CDS(OFF)的值：
這表示如果知道RL、輸入訊號的頻率f，以及關斷隔離規格值(dB)，就可以計算出CDS(OFF)。這些值可以在ADI產品系列中的開關或多工器產品的資料手冊中找到。以下示例將展示其執行步驟。
CDS(OFF)計算示例
本例使用受SPI控制的4路SPST開關 ADGS1612。ADGS1612的關斷隔離規格為−65 dB，可以在資料手冊中的表1中找到。根據關斷隔離規格的測試條件部分，RL為50 Ω，訊號頻率f為100 kHz。將這些值代入CDS(OFF)公式，可以計算得出電容值。
注意，在開關與多工器的關斷隔離測量電路中，在開關通道的源極接腳之前，可能包含一個額外的50 Ω端接電阻，如圖4所示。採用以這種方式測量得出的關斷隔離規格，仍然可以使用CDS(OFF)公式進行計算。但是，如果源極接腳使用50 Ω端接電阻（隨後用於CDS(OFF)公式中），需要在資料手冊提供的關斷隔離規格的基礎上加上6 dB。這是為了進行補償，因為源極的50 Ω端接電阻會使電壓減半，相當於−6 dB。
圖4.源極上具有50 Ω端接電阻的關斷隔離度測試電路。
CMOS開關與固態繼電器的關係
表1顯示從ADI產品系列中選擇的開關產品的CDS(OFF)值。 ADG54xx 和 ADG52xx 系列可以處理擺幅高達44 V的訊號電壓， ADG14xx 和 ADG12xx 系列則可傳輸擺幅高達33 V的訊號電壓。可比較訊號的範圍為30 V至40 V固態繼電器。表中的最後一列並顯示了如何使用CDS(OFF)和開關導通電阻來計算RON、CDS(OFF)乘積，在固態繼電器中，其被用於等第值(order of merit)。RON、CDS(OFF)乘積顯示在開關開啟時，對訊號的衰減影響非常小，以及開關在關斷時，阻截高速訊號的作用有多強。該表顯示 ADG1412 的RON、COFF乘積小於5，在市面上的固態繼電器中，這一點相當有優勢。
表1.在ADI產品系列中選擇SPST × 4開關的 CDS(OFF)
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最大電源電壓 |
關斷隔離 |
CDS（關斷） |
導通電阻 |
R × C |
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ADG5412 |
±22 V, +40 V |
−78 dB @ 100 kHz |
4 pF |
9.8 Ω |
39.2 |
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ADG5212 |
±22 V, +40 V |
−80 dB @ 1 MHz |
0.32 pF |
160 Ω |
51.2 |
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ADG1412 |
±16.5 V, +16.5 V |
−80 dB @ 100 kHz |
3.2 pF |
1.5 Ω |
4.8 |
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ADG1212 |
±16.5 V, +16.5 V |
−80 dB @ 1 MHz |
0.32 pF |
120 Ω |
38.4 |
相較於固態繼電器，CMOS開關具有多項優勢。具體包括：
• 更易於驅動開關邏輯
ADI大部分CMOS開關的典型數位輸入電流為1 nA，而固態繼電器中二極體的推薦正向電流為5 mA。表示CMOS開關易於直接被微控制器上的GPIO控制。
• 更快的切換速度
ADG1412的典型開啟時間為100 ns，固態繼電器的開啟時間為幾百毫秒。
• 單一封裝內整合更多開關
例如， ADGS1414D 採用5 mm × 4 mm封裝，具有8個切換通道、1.5 Ω導通電阻和5 pF CDS(OFF)。也就是說，每2.5 mm2封裝面積內一個開關。
結論
開關在關斷狀態下阻截訊號的能力非常重要。在固態繼電器中，COFF規格用於衡量開關兩端的電容，其允許輸入訊號耦合到關斷開關的輸出。在CMOS開關中，不會直接測量此電容；但是，可以透過關斷隔離度規格來推算此電容。透過推導開路開關的轉換函數，可以使用關斷隔離度值(dB)、輸入訊號的頻率和負載電阻來確定CDS(OFF)。在比較CMOS開關和固態繼電器的COUT規格時，CDS(OFF)是一個重要值。此外，CDS(OFF)還可用於計算RON、CDS(OFF)乘積，這是一個等第值，用於顯示開關的整體關斷隔離和訊號丟失性能。這樣針對應用選擇開關時，就可以更直覺地對CMOS開關和固態繼電器進行比較選擇。相較於固態繼電器，CMOS開關也有諸多優勢，例如，更易於驅動切換邏輯、更快的切換速度，以及能夠在封裝中整合更多開關。
