大电流负载引起模拟开关异常现象的机理分析

熊派派，曾未来，徐青

（中国电子科技集团公司 第二十四研究所, 重庆 400060）

引言

随着信息化技术的发展，单片集成电路模拟开关器件在信息采集、过程控制等集成系统中起着越来越重要的作用。在大多数的应用场景中，模拟开关的负载电流均较小，故常规的模拟开关产品在设计时一般考虑的负载电流极限值较小，如ADI、TI、INTERSI等公司的常规模拟开关器件负载电流极限为30 mA，而本文所述的某款高压模拟开关设计的负载电流不超过10 mA。对于集成电路器件来说，当其使用时的负载电流超过极设计极限值时，往往会引起器件出现异常现象，甚至有导致器件烧毁、失效等可能。

本文针对某款高压模拟开关在使用过程中因大电流负载引起器件异常的现象，进行了异常点的定位，机理分析，并提出了模拟开关器件如何通过设计避免大电流负载引起该异常现象的发生。

1 异常现象

发生异常现象的产品为某款高压模拟开关，该产品在模拟输出端口D的负载为20 mA恒流源的情况下，模拟输入端口S监测到的电流仅为14 mA，而在模拟输入端口S的负载为20 mA恒流源的情况下，模拟输出端口D监测到的电流同为20 mA。

在对该产品的多只电流进行试验后，发现本次异常现象为该产品的固有现象。为了确认本次现象发生的机理，对其进行外观目检、EMMI试验等分析，确定了引起本次异常现象的电路位置、原因及机理，提出了有效解决该异常现象的可行措施。

2 异常点定位

2.1 外观目检

采用低倍（10倍）光学显微镜对样品进行外观目检，未发现明显异常。

2.2 负载电流影响评估

传统模拟开关类产品在设计与应用时通常认为其负载电流较小，本款高压模拟开关在电参数测试条件中规定的负载电流均不超过10 mA，为了全面准确评估负载电流大小对本款产品的影响，本次选取了3只测试合格电路作为样品进行试验。

在S端作为输入的条件下，将D端电流负载从5 mA开始逐渐增大，同步监测输入端电流及正电源Vcc电流变化情况。试验结果显示，当负载电流小于11 mA时，输入端监测到的电流与负载电流大小相同，正电源Vcc电流几乎为零，且不随负载电流增大而增大；当负载电流大于11 mA后，随着负载电流的增大，正电源Vcc电流同步增大，且输入端电流与正电源Vcc电流之和同负载电流相等。3只电路试验现象一致，均在负载电流超过11mA后再正电源Vcc端口监测到电流增大。

在D端作为输入端，将S端负载电流从5 mA开始逐渐增大到20 mA的过程中，同步监测输入端电流及正电源Vcc电流。试验结果显示，输入端监测到的电流与负载电流大小相同，正电源Vcc电流几乎为零，且不随负载电流增大而增大。3只电路试验现象一致。

2.3 EMMI试验

因本次异常现象为本款高压模拟开关产品的固有现象，为了准确定位当负载电流大于11 mA后，正电源Vcc电流增大的电流路径，采用EMMI试验对产品内部电流分布情况进行了准确定位。EMMI试验对比发现，在模拟输入端S作为输入，模拟输出端D的电流负载为20 mA的情况下，产品内部主开关单元的NMOS器件处存在电流；而在模拟输出端D作为输入，模拟输入端S的电流负载为20 mA的情况下，该处无电流，试验结果如图1所示。

图1 EMMI试验结果（D端接负载电流源）

3 机理分析

3.1 产品工作原理

发生异常现象的产品为某款高压模拟开关，其电原理图如图2所示，采用输入单元、电平转换单元、译码单元、开关单元组成。输入单元将TTL/cMOS控制信号A0～A2转换为0～5 V信号，电平转换单元将信号转换为幅值为VSS～Vcc的内部控制信号，再通过译码单元译码后控制开关的导通和关断,在单通道情况下，开关的模拟输入S和模拟输出D可以互换。

图2 高压模拟开关的电原理图

3.2 产品开关结构

由图1可以发现本次异常现象发生的位置是在主开关结构的NMOS器件处，本款高压模拟开关的主开关线路结构如图3所示。为了提高开关的导通电阻平坦度，对开关的NMOS器件采用了衬底跟随技术。该结构在开关导通时，将使NMOS器件的P阱衬底电位跟随模拟输入端S的电位变化，降低阈值波动，使导通电阻变化更加平稳[1]。

图3 主开关线路结构图

3.3 S输入，D输出的机理分析

如图4所示为本款高压模拟开关开启条件下，主开关S接输入、D接恒流源负载时的NMOS器件剖面图。当S接输入VIN的条件下，在流过负载电流时，图4所示主开关NMOS器件结构中，开关因沟道内阻会产生压降，使得电压VIN＞VOUT，同时因“衬底跟随结构”使得电压V（P阱）=VIN，此时图4中NMOS器件寄生的NPN三极管因发射极电压为VOUT，小于基极电压V（P阱），即发射结正偏；集电极电压为Vcc，大于基极电压，即集电结反偏，此时寄生NPN三极管处于放大状态，从而使得有除了沟道之外的其他电流通路开启，引起S端的电流小于D端电流。

图4 主开关S接输入时NMOS剖面图

本款高压模拟开关的导通电阻典型值为45 Ω，寄生NPN三极管发射结的开启电压约为0.5 V。因此当负载电流达到11 mA时，从VIN到VOUT的压降约为45 Ω×11 mA≈0.5 V，此时寄生PNP三极管的发射PN开启，三极管处于放大状态，产生从N衬底（正电源Vcc）到VOUT的电流。

3.4 D输入、S输出的机理分析

如图5所示为本款高压模拟开关开启条件下，主开关D接输入、S接恒流源负载时NMOS器件剖面图。图5所示主开关NMOS器件结构中，在流过负载电流时，开关因沟道内阻会产生压降，使得电压VOUT＞VIN，由于寄生NPN的基极（P阱）电压跟随VIN浮动，而不是跟随VOUT浮动，所以图5 中NMOS器件的寄生NPN三极管处于发射结反偏的截止状态，电流仅从VOUT经过沟道流向VIN，Vcc无电流通过寄生NPN三极管流出。即电路在D输入、S输出时输入电流正常。

图5 主开关D接输入时NMOS剖面图

4 结论与改进措施

本款高压模拟开关为了提高其导通电阻的平坦度，在设计时对主开关NOMS器件采用衬底跟随技术，从而导致在器件使用过程当中寄生NPN三极管导通，产生了其他电流通路，导致输入端电流与输出端电流大小不一致的现象发生。因此，针对在使用过程需要大负载电流的产品，在产品设计过程中可以考虑通过采用介质隔离工艺来实现衬底跟随技术降低开关的导通电阻平坦度，介质隔离工艺可以有效避免NMOS器件内部的寄生NPN三极管，从而避免在大电流负载下的其他电流通路产生[2]。