选择开关带宽

选择用于测试和测量应用程序的开关时，了解开关的带宽额定值含义非常重要。大多数开关根据特定频率的插入损耗进行评级，但如何应用这些值可能并不总是很明显。

如输入信号为纯正弦波，可直接使用带宽/插入损耗评级。例如，带宽额定值为10 MHz的开关表示该开关在10 MHz时的插入损耗为-3 dB。如输入信号为10 MHz，1 V峰峰值正弦波，输出信号为10 MHz，0.7 V峰峰值正弦波。

如输入信号不是纯正弦波且具有多个频率分量（如方波），应用额定值可能稍微麻烦一些。例如，方波的基频可能低于额定带宽，但某些谐波高于额定带宽。这些谐波将衰减到更高的程度。

第一部分介绍谐波的衰减方式，以及如何在方波中应用带宽额定值。第二部分讨论系统上升时间和开关选择的概念。

理想方波就是多频率成分信号的经典范例。（见图1）假设一个基频为1 Hz、2 V峰峰值的方波。组成方波的频率分量是无穷的。它由加权谐波的和组成。
公式(1)显示了该和。

对于方波，仅使用奇数谐波项（例如，sin t、sin 3t、sin 5t等），其中频率以弧度/秒为单位。

图1.

通过公式(1)，我们可以绘制几个谐波的和。图2显示了不同谐波正弦波的近似值：基频或1次谐波，1次、3次和5次谐波的和，1次至13次谐波的和。

图2.

达到第5次或第7次谐波后，边沿的斜率变化不大。对于频率成分已知的方波等信号，开关带宽应基于衰减或失真最小的最高谐波。如开关的选择基于理想1 Hz方波的7次谐波，可使用-3 dB点（7 Hz）的开关。

根据经验，为方波选择等于7倍基频的开关。

对于频率成分未知的其他信号，可使用上升时间逼近带宽。上升时间与-3 dB点的关系近似如下：
 

t_r是信号从幅值的10%到90%所需的时间。见图3。

图3

对于图3所示的信号，上升时间约为0.22秒。


为了说明这种近似，可考虑图4所示的信号。

图4

从信号幅值的10%到90%的上升时间为0.039 s。  -3 dB点可近似为8.97 Hz。图3是图1中理想方波1、3、5和7次谐波的和。

通过开关的信号被修改。修改或滤波的程度取决于信号和开关的综合响应。使用信号幅值的10%～90%的上升时间，系统响应可用下列公式表示：

(3)

Tsys、Tsig和Tsw分别为系统、信号和开关的上升时间。

为了最小化开关对信号的影响，开关带宽应大大高于信号带宽（即具有较短的上升时间）。

假设信号上升时间为Tsig = 9 ns。
找到信号上升时间仅增加2%的开关带宽。

上升时间增加2%，系统上升时间为：


使用公式(3)计算开关上升时间


通过公式(2)，-3 dB点可近似为：


选择-3 dB带宽为193 MHz的开关，信号上升时间仅增加2%。

更广义地说，系统带宽可通过输入信号带宽(p)的允许降低来表示：


通过公式(2)和(3)可计算带宽：


将方程(4)中的B_sys替换为方程(5)，开关带宽变为：


图4是这种关系的图形化表示。

图5

本范例仅考虑了由开关带宽引起的衰减。此处不包含阻抗不匹配的影响。

在本范例中，输入信号的-3 dB带宽为：

在图5的图中，为了将输入信号带宽减少2%，我们需要选择带宽为输入信号带宽5倍的开关：194 MHz。

为应用程序选择开关时，应考虑带宽额定值，通常该额定值对应于-3 dB衰减点。了解必须通过衰减最小的开关的最高频率非常重要。

对于简单的正弦波输入信号，开关带宽评级直接适用。对于方波输入信号，必须考虑信号的其他成分。对于给定的基频，选择-3 dB频率为基频7倍的开关。对于其他输入信号，请使用本文档中介绍的上升时间逼近。

如果需要小于-3 dB的衰减，请选择具有更高带宽评级的开关。