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[FAQ] 如何估算模拟开关/多路复用器中的传播延迟和通道间延迟?

Other Parts Discussed in Thread: TS5A2066

TI 的模拟开关和多路复用器通常会增加很小的传播延迟,而在多通道器件中,这种延迟会扩展为通道间延迟。在某些情况下,数据表中不包含这些参数,不过,根据数据表规格和负载条件进行一些简单的计算后,可以很容易地得出这些参数的近似值。

               为了说明该过程,我们将使用闭合开关的简化无源等效电路。当开关闭合时,该模型(如下所示)将多路复用器显示为一个简单的 RC 电路。

开关只是一个低通滤波器,其中 RON 是开关的导通电阻(见数据表),CON 是导通电容(见数据表)。TI 将传播延迟定义为从输入为终值的 50% 到输出达到终值的 50% 时的时间。

如果开关无负载,则传播延迟大约为 1 个 RC 时间常数,其中 R = RON,C = CON。对于大多数开关而言,该值非常小,这表明开关本身通常不会增加很多延迟。大多数应用中都存在负载,但在许多应用中,这种通用负载可视为 RC 负载接地。

乍一看,无负载开关的简单 RC 计算,RON * CON,近似值不再准确。因此,为了估算传播延迟,电路的组装必须再次实现本质上具有 1 个 RC 负载。为此,首先将电容并联。现在将新的“负载”定义为仅并联的电容器。

馈入该负载的等效电阻为戴维南等效电阻 – 在本例中就是 R_th。这将提供一个新的 RC 时间常数 RTH * (CL + CON),它将用于估算开关/多路复用器输出的传播延迟。该方法可用于列出传播延迟的器件,但器件所在系统的负载条件也不同。

例如,在 RC 负载为 RL = 1MΩ、CL = 20pF 时,可以估算 TS5A2066 在 3V 电源下的传播延迟。在 3V 电压下,典型导通电阻为 12Ω,但可高达 20Ω。而导通电容为 14pF。

请注意,无需将导通电容加倍 – 某些数据表中有两个值的原因是电容是从不同端口测量的,但它指定了相同的寄生电容。  现在可以找到上限和典型工作点。负载电容器将为 20pF + 14pF,RTH 将为约 12 欧姆(典型值)| 20 欧姆(最大值),因为 RON 远小于 RL。这会产生大约 408ps(典型值)和 680ps(上限近似值)的传播延迟。

               如果一个器件具有多个通道,则通道之间会出现一定的延迟 - 其额定值通常小于传播延迟。不过,用于估算传播延迟的相同步骤也可用于计算延迟。延迟是通道间传播延迟变化的结果。要计算延迟,请首先按上述方法计算一个通道的传播延迟。接下来,在数据表中查找通道间的导通电阻不匹配度 ∆RON,使 RON 值加上/减去该不匹配度值,然后使用新值重新计算传播延迟。传播延迟之间的差值将是通道间的延迟。 

我们将继续使用 TS5A2066 为例 – 其通道不匹配度 ∆RON 通常为 0.5Ω,最大值为 3.5Ω。下面是 TS5A2066 的数据表摘录,其中显示了通道不匹配度。

因此,这会将 RTH 更改为 12.5Ω(典型值)和 16.5Ω(最大值 – 假设其他通道处于最大导通电阻)。新的传播延迟为 425ps(典型值)和 561ps(上限近似值)。这会导致 17ps(典型值)和 119ps(上限近似值)的差值。

如果系统不遵循典型的“RC”负载,使用无源元件模拟负载和信号链来进行 SPICE 仿真可帮助解决更复杂负载条件下的传播延迟问题。