AN-874: ADG12XXシリーズ・デバイスの±5V電源での動作と性能への影響 (Rev. 0) PDF

AN-874
アプリケーション・ノート
ADG12XX シリーズ・デバイスの±5 V 電源での
動作と性能への影響
著者: Theresa Corrigan
はじめに
工業用デザインでは、高速なサンプリング、性能の向上、低消
費電力、小型フットプリントをサポートするために、アナロ
グ・スイッチとマルチプレクサが必要とされています。これら
の要求を満たすため、広範囲な低容量、低リーク、低チャー
ジ・インジェクションのアナログ・スイッチとマルチプレクサ
が必要とされています。
ADG12xx ファミリーのデバイスは、±5 V の電源で動作するこ
ともできます。このアプリケーション・ノートでは、ADG12xx
の主要仕様を使って、これらのデバイスが低電源電圧で動作す
る方法を説明します。アプリケーションで使用可能な電源電圧
は±5 V のみである場合でも、これらのデバイスが提供する高性
能な容量とチャージ・インジェクションを利用できる利点も示
します。
アナログ・デバイセズの iCMOS®製造プロセス技術は、高性能
スイッチとマルチプレクサの広範囲なソリューションの導入を
可能にしました。ADG12xx ファミリーのデバイスは、ハイエン
ド・データ・アクイジション向けに非常に小型なパッケージで
業界最小の容量、チャージ・インジェクション、リークを提供
します。これらのデバイスは、±15 V の両電源と+12 V の単電源
での動作仕様になっています。
ADG12xx デバイスの全リストを表 1 に示します。±15 V/+12 V
電源での各デバイスの完全な仕様は、アナログ・デバイセズの
データシートに記載されているので、このアプリケーション・
ノートと組み合わせてご覧ください。
表 1.ADG12xx シリーズの主要仕様
Part
No.
Function
On Capacitance
(pF)
QINJ (pC)
RON (Ω)
On Leakage
(pA)
ADG1201
ADG1202
ADG1221
ADG1222
ADG1223
ADG1211
ADG1212
ADG1213
ADG1219
ADG1236
ADG1233
ADG1234
ADG1204
ADG1208
1 × SPST
1 × SPST
2 × SPST
2 × SPST
2 × SPST
4 × SPST
4 × SPST
4 × SPST
1 × SPDT
2 × SPDT
3 × SPDT
4 × SPDT
4:1 mux
8:1 mux
2.6
2.6
2.6
2.6
2.6
2.6
2.6
2.6
3.5
3.5
3.5
3.5
5.5
6
−0.3
−0.3
−0.3
−0.3
−0.3
−0.3
−0.3
−0.3
−0.3
−1
+0.5
+0.5
−0.7
+0.4
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
ADG1206
ADG1209
16:1 mux
Differential 4:1 mux
11
3.5
+0.5
+0.4
120
120
80
20
ADG1207
Differential 8:1 mux
7
+0.5
120
80
Package
6-Lead SOT-23
6-Lead SOT-23
10-Lead MSOP
10-Lead MSOP
10-Lead MSOP
16-Lead TSSOP; 16-Lead, 3 mm × 3 mm LFCSP
16-Lead TSSOP; 16-Lead, 3 mm × 3 mm LFCSP
16-Lead TSSOP; 16-Lead, 3 mm × 3 mm LFCSP
8-Lead SOT-23
16-Lead TSSOP; 12-Lead, 3 mm × 3 mm LFCSP
16-Lead TSSOP; 16-Lead, 4 mm × 4 mm LFCSP
20-Lead TSSOP; 20-Lead, 4 mm × 4 mm LFCSP
14-Lead TSSOP; 12-Lead, 3 mm × 3 mm LFCSP
16-Lead TSSOP; 16-Lead, SOIC; and 16-Lead,
4 mm × 4 mm LFCSP
28-Lead TSSOP; 32-Lead, 5 mm × 5 mm LFCSP
16-Lead TSSOP; 16-Lead, SOIC; and 16-Lead,
4 mm × 4 mm LFCSP
28-Lead TSSOP; 32-Lead, 5 mm × 5 mm LFCSP
Rev. 0
本
社/〒105-6891 東京都港区海岸 1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル
電話 03(5402)8200
大阪営業所/〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原 3-5-36 新大阪 MT ビル 2 号
電話 06(6350)6868
AN-874
目次
はじめに ............................................................................................. 1
トリガー・レベル ......................................................................... 5
±5 V 性能 ............................................................................................ 3
オン抵抗 ......................................................................................... 5
容量................................................................................................. 3
リーク電流 ..................................................................................... 6
AC パラメータ .............................................................................. 3
タイミング ..................................................................................... 6
チャージ・インジェクション ..................................................... 4
結論................................................................................................. 6
Rev. 0
- 2/6 -
AN-874
±5 V性能
ADG12xx ファミリーのスイッチとマルチプレクサは、±16.5 V
の最大動作電圧向けにアナログ・デバイセズの 33 V の iCMOS
製造プロセス技術を採用してデザインされています。このため、
性能パラメータはこれらの高電源電圧用に最適化されています。
18
SOURCE/DRAIN ON
16
CAPACITANCE (pF)
低電源電圧から影響を受ける、スイッチとマルチプレクサの主
要な性能パラメータは、オン抵抗とタイミングです。±5 V での
低いオン抵抗が重要な性能条件てある場合には、ADG6xx と
ADG14xx のアナログ・デバイセズ・ファミリーの使用をご検討
ください。このアプリケーション・ノートの以下の部分では、
ADG12xx シリーズの±5 V 動作で期待される性能レベルについ
て説明します。
20
14
DRAIN OFF
12
VDD = +5V
VSS = –5V
TA = 25°C
10
8
6
SOURCE OFF
2
容量
0
–5
iCMOS 製造プロセス技術は、単位面積あたりの寄生容量を大幅
に削減します。ADG12xx ファミリーのデザインは容量性能を最
適化しているため、チップ面積が最小に維持されています。容
量はスイッチ面積に大きく依存するため、寄生容量が非常に小
さくなっています。デバイスのレイアウトでも寄生容量を小さ
くする努力が行われています。
06418-001
4
–4
–3
–2
–1
0
1
2
3
4
5
VBIAS (V)
図 1. ±5 V 両電源での ADG1206 の容量
AC パラメータ
容量は、すべてのデザインで考慮される重要なパラメータです。
このため、次のパラメータがデータ・シートで規定されていま
す。
CS (Off)
ソースのオフ容量は、スイッチがオフすなわちディスエーブル
されているときに、ソース入力と GND との間で測定されます。
CD (Off)
ドレインのオフ容量は、スイッチがオフすなわちディスエーブ
ルされているときに、ドレイン出力と GND との間で測定され
ます。
これらのデバイスは、寄生容量が非常に小さいため、優れた帯
域幅、オフ時アイソレーション、クロストーク性能を持ってい
ます。容量したがって全周波数での AC 性能は、低電源電圧の
影響を受けません。図 2 ~ 図 4 に、±5 V 電源での ADG1204 デ
バイスの周波数性能を示します。すべての測定値は、50 Ω、5
pF の出力負荷で取得したものです。
オフ時アイソレーション
オフ時アイソレーションは、オフ状態のスイッチを経由して混
入する不要な信号を表します。図 2 に、±5 V 電源を使用したと
きの、1 MHz での ADG1204 のオフ時アイソレーションが−85
dB (typ)であることを示します。
CD、CS (On)
スイッチのオン容量は、入力または出力と GND との間で測定
されます。オン容量は、オンしているスイッチのソース容量、
ドレイン容量、スイッチ容量を表します。
0
–10
–20
OFF ISOLATION (dB)
CIN
デジタル入力容量は、デジタル入力と GND との間で測定され
る容量です。
容量は主に製造プロセスとチップ面積に依存するため、動作電
圧は性能レベルに大きな影響を与えません。デバイスを±5 V 電
源で動作させた場合も、±15 V での非常に小さい容量が維持さ
れます。 図 1 に、±5 V 電源で動作させたときの 16:1 マルチプ
レクサ ADG1206 の容量性能を示します。
VDD = +5V
VSS = –5V
TA = +25°C
–30
–40
–50
–60
–70
–80
06418-002
–90
–100
ドレイン・オン容量とドレイン・オフ容量は、それに接続され
るスイッチ・チャンネル数の関数です。したがって、8:1 マルチ
プレクサのドレイン容量は、一般に 16:1 マルチプレクサの 1/2
です。
–110
10k
100k
1M
10M
FREQUENCY (Hz)
100M
1G
図 2.ADG1204 のオフ時アイソレーションの周波数特性
クロストーク
クロストークは、寄生容量に起因してあるチャンネルから別の
チャンネルへ混入する不要な信号を表します。図 3 に、±5 V 電
源を使用したときの、ADG1204 の 1 MHz での隣接チャンネル・
クロストークが−80 dB (typ)であることを示します。
Rev. 0
- 3/6 -
AN-874
1.5
0
VDD = +5V
VSS = –5V
TA = +25°C
–10
–20
1.0
CHARGE INJECTION (pC)
–30
S1 TO S2
–50
–60
–70
S2 TO S4
–80
–90
0
–0.5
–1.0
06418-003
–100
–110
–120
10k
100k
1M
10M
FREQUENCY (Hz)
100M
–1.5
–5
1G
–3
–2
–1
0
–10.0
VDD = +5V
VSS = –5V
TA = 25°C
–15.0
–17.5
3
4
5
0.20
–20.0
VDD = +5V
VSS = –5V
MUX (SOURCE TO DRAIN)
TA = 25°C
0.19
–22.5
1M
10M
100M
1G
図 4.ADG1204 のオン応答の周波数特性
チャージ・インジェクション
0.17
0.16
0.15
0.14
0.13
0.12
チャージ・インジェクションは、スイッチング時にデジタル入
力からアナログ出力へ伝達されるグリッチ・インパルスの大き
さを表します。これは、アナログ・スイッチを構成する NMOS
と PMOS のトランジスタに付随する浮遊容量により発生します。
スイッチ・アプリケーションでは、チャージ・インジェクショ
ンによりゲイン誤差と DC オフセット誤差が発生するため、全
体のシステム精度に影響を与えます。
ADG12xx デバイスは、iCMOS 製造プロセスによる小さい寄生容
量および NMOS トランジスタと PMOS トランジスタとの優れた
マッチングにより、優れたチャージ・インジェクション性能を
持っています。 ADG1211、ADG1212、ADG1213、ADG1236、
ADG1233、ADG1234、ADG1204 のチャージ・インジェクショ
ン性能は、±5 V 電源を使用したフル信号で±1 pC (typ)です。代
表的な性能カーブについては、図 5 を参照してください。
- 4/6 -
06418-006
100k
CHARGE INJECTION (pC)
06418-004
0.18
FREQUENCY (Hz)
Rev. 0
2
マルチプレクサ ADG1208、ADG1209、ADG1206、ADG1207 で
採用したデザイン技術は、全信号範囲でチャージ・インジェク
ション性能を実質的に平坦にすることができます。これは、マ
ルチプレクサのドレインに補償スイッチを使用することにより
実現されています。図 6 に、±5 V 電源でマルチプレクサ(ソース
-ドレイン間) として使用したときの ADG1208 、ADG1209 、
ADG1206、ADG1207 の性能を示します。チャージ・インジェ
クションは 0.15 pC (typ)であり、入力信号に対して尐し変動し
ます。ディマルチプレクサ(ドレイン-ソース間)のチャージ・イ
ンジェクション性能(typ)を、図 5 に示します。このため、これ
らのマルチプレクサは、小さいチャージ・インジェクションを必
要とするアプリケーション(たとえば、サンプル・アンド・ホー
ルド・システム)向けに最適です。
帯域幅は、出力が−3 dB 減衰する周波数です。 ±5 V 電源使用時
の ADG1204 の−3 dB ポイントは 600 MHz です。挿入損失は、オ
ン抵抗が大きくなるため低電源電圧では悪化します。図 4 に、
ADG1204 のスイッチ・オン時の周波数応答を示します。
–25.0
10k
1
図 5.チャージ・インジェクション対ソース電圧
帯域幅
–12.5
–4
VS (V)
図 3.ADG1204 のクロストークの周波数特性
ON RESPONSE (dB)
0.5
06418-005
CROSSTALK (dB)
–40
VDD = +5V
VSS = –5V
TA = 25°C
0.11
0.10
–5
–4
–3
–2
–1
0
1
2
3
4
5
VS (V)
図 6.ソース-ドレイン間チャージ・インジェクション対ソース電圧
AN-874
450
トリガー・レベル
ADG12xx デバイス内蔵の入力バッファの電源は GND と VDD か
ら供給されます。ADG12xx デバイスは、VIH =最小 2 V で VIL =
最大 0.8 V の 3 V ロジック互換入力を持っています。これらのレ
ベルは、データ・シートで±15 V および+12 V として保証されて
います。両電源動作(図 7 参照)と単電源動作(図 8 参照)で、電源
変動によりトリガー・ポイントが尐し変動します。
TA = 25°C
VDD = +5.5V
VSS = –5.5V
ON RESISTANCE (Ω)
400
2.0
DUAL SUPPLY
350
VDD = +12V
VSS = 0V
300
250
200
VDD = +15V
VSS = –15V
1.8
1.4
15.0
12.5
10.0
7.5
5.0
2.5
0
–2.5
–5.0
SOURCE OR DRAIN VOLTAGE (V)
DECREASING
図 9.さまざまな電源電圧での、VD (VS)の関数としてのオン抵抗
1.2
±5 V 電源使用時の ADG12xx のオン抵抗性能を図 10 に示しま
す。このプロットは、5 V 電源でのオン抵抗性能とこれらの電
源 が 10% 変 化 し た と き の 性 能 を 示 し て い ま す 。 す べ て の
ADG12xx デバイスのデザインでは、同じ基本スイッチ・セルが
使用されているため、これらのオン抵抗プロットはすべての構
成に適用できます。
06418-007
1.0
0.8
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
VSUPPLY , |VDD| = |VSS|
図 7.両電源での電圧の関数としてのトリガー・レベル
600
TA = 25°C
2.0
SINGLE SUPPLY
VDD = +4.5V
VSS = –4.5V
500
ON RESISTANCE (Ω)
1.8
1.6
INCREASING
VTRIG
–7.5
–10.0
INCREASING
–12.5
100
–15.0
VTRIG
1.6
06418-009
150
1.4
DECREASING
VDD = +5V
VSS = –5V
400
VDD = +5.5V
VSS = –5.5V
300
200
1.2
06418-010
100
1.0
06418-008
0
0.8
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
–6
–2
0
2
SOURCE OR DRAIN VOLTAGE (V)
4
6
16
図 10.VD (VS)の関数としてのオン抵抗
VSUPPLY = VDD, VSS = 0V
図 9 と図 10 に示すように、スイッチとマルチプレクサのオン抵
抗性能は電源と入力信号の関数です。オン抵抗性能は温度によ
り変化します。 ±5 V 電源を使用したときの、温度に対するオン
抵抗の変化を ADG1211、ADG1212、ADG1213 について図 11 に
示します。温度が高くなると、オン抵抗が大きくなることが示
されています。
図 8.単電源での電圧の関数としてのトリガー・レベル
オン抵抗
スイッチのオン抵抗(RON)は、入力と出力との間の抵抗を表しま
す。スイッチを通過する信号は、電圧 IR だけ減衰します。ここ
で、R は RON を、I は電流を、それぞれ表します。
ADG12xx デバイスは低容量性能を持つように最適化されている
ため、チップ面積は最小になっています。ただし、RON の小さ
いスイッチをデザインすることは、オン抵抗を小さくするため
にチップ面積を大きくすることを意味します。このため、スイ
ッチとマルチプレクサでは、容量性能とオン抵抗性能との間で
トレードオフが必要になります。
電源電圧は、スイッチのオン抵抗性能に大きな影響を与えます。
スイッチとマルチプレクサで最小のオン抵抗性能を得るために
は、最大許容動作電圧で動作させる必要があります。ADG12xx
デバイスでは、この値は±16.5 V になります。デバイスを高い電
源電圧で動作させると、入力信号の変動に対する入力抵抗の変
動も小さくなります。動作電圧のオン抵抗性能に対する依存性
を、図 9 に示します。
Rev. 0
–4
- 5/6 -
AN-874
700
VDD = +5V
VSS = –5V
タイミング
+125°C
次のタイミング・パラメータは、最も一般的にスイッチとマル
チプレクサのデバイス・データ・シートで規定されています。
tON (EN)
デジタル入力の 50%/90%ポイントとスイッチ・オン状態との間
の遅延時間。
600
+85°C
RON (Ω)
500
400
+25°C
tOFF (EN)
デジタル入力の 50%/90%ポイントとスイッチ・オフ状態との間
の遅延時間。
1
tTRANSITION
あるアドレス状態から別のアドレス状態へ切り替わるときのデ
ジタル入力の 50%/90%ポイントとスイッチ・オン状態との間の
遅延時間。
300
–40°C
200
0
–5
06418-011
100
–4
–3
–2
–1
0
2
3
4
5
SOURCE OR DRAIN VOLTAGE (V)
TBBM
Break-Before-Make タイミング—あるアドレス状態から別のアド
レス状態へ切り替わるときの両スイッチの 80%ポイント間で測
定したオフ時間。
図 11.さまざまな温度での、VD (VS)の関数としてのオン抵抗
リーク電流
タイミング性能は温度と電源電圧の関数です。タイミングは、
温度が高いほど低速になり、電源電圧が低いほど低速になりま
す。図 13 に、温度と電源電圧に対するタイミング性能をクワッ
ド SPST スイッチ ADG1211、ADG1212、ADG1213 について示し
ます。±5 V と 25℃での tON 時間は 225 ns (typ)で、tOFF 時間は 110
ns (typ)です。
iCMOS 製造プロセス技術および ADG12xx スイッチとマルチプ
レクサのデザインは、非常に小さいリーク性能を提供します。
リークは約 20 pA です。
IS (Off)
スイッチ・オフ時のソース・リーク電流。
ID (Off)
スイッチ・オフ時のドレイン・リーク電流。
350
ID、IS (On)
スイッチ・オン時のチャンネル・リーク電流。
300
図 12 に、±5 V 電源使用時の ADG1206 16:1 マルチプレクサのリ
ーク性能を示します。オン時のリークとドレイン・オフ時のリ
ークは、ドレインに接続されているチャンネル数の関数です。
このため、この値はチャンネル数の倍数になります。
5V DS tON
TIME (ns)
250
200
150
5V DS tOFF
100
0
–40
06418-013
50
–20
0
20
40
60
80
100
120
TEMPERATURE (°C)
図 13. tON/tOFF 時間の温度特性、5 V 両電源
結論
ADG12xx ファミリーのデバイスは、ハイエンド・データ・アク
イジション向けに非常に小型なパッケージで業界最小の容量、
チャージ・インジェクション、リークを提供します。低い電源
電圧でも、優れた容量、チャージ・インジェクション、リーク
性能が維持されています。±5V 電源で ADG12xx デバイスを使
用する際の欠点は、オン抵抗とタイミング性能が大幅に小さく
なることです。
図 12.温度の関数としてのリーク電流、両電源
Rev. 0
- 6/6 -
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