アナログ回路設計の前にアナログスイッチの基本を学ぶ

例えば、LED、電源供給、オーディオ信号のON/OFF切替やアナログ信号の切替など、回路にスイッチを挿入したいとき主にアナログスイッチが使われます。アナログスイッチは電気信号や電源ラインに直列に接続され、ON/OFFを切替えることができます。機械的な接点をもつスイッチもありますが、ここでは半導体の回路で構成されるアナログスイッチについて説明します。

対応する電源電圧は数V程度から100V以上などさまざまな製品があります。またマイナス側電源には、GNDだけではなくマイナス電圧に対応したタイプもあります。
アナログスイッチの内部は図1のように基本的に半導体スイッチであるnch MOSFETとpch MOSFETで構成されています。MOSFETのゲートに電圧を印加することでMOSFETのON/OFFを制御します。

図1　アナログスイッチのシンボルと内部構成

プラス側電源をVDD、マイナス側電源をGNDとする場合、入力信号の電圧範囲は基本的にGND ～VDDに制限されます。例えば、図2のようにVDD=5Vとすると、INに0～5Vの電圧を入力することができます。INが0V付近の場合、nch MOSFETのVGSが閾値電圧以上となりONします（pchはOFF）。INが5V付近の場合、pch MOSFETのVGSが閾値以上となりONします（nchはOFF）。INが2.5V付近の場合、nchもpchもどちらも閾値以上となり、両方がONの状態になります。

図2　入力電圧による経路

アナログスイッチOFFの状態ではハイインピーダンスになりますが、ONの状態ではスイッチを構成するnch/pch MOSFETは抵抗素子とみなすことができ、nch/pch MOSFETのON抵抗になります。電流がほとんど流れないアプリケーションの場合はON抵抗をあまり気にする必要はありませんが、電流をある程度流すようなアプリケーションの場合はこの抵抗での電力損失に注意が必要です。またAC信号を扱う場合や後段で信号を増幅するような場合など、このON抵抗は信号に影響を与える可能性がありますので注意が必要です。
「動作について」の項で説明した通り、入力電圧によって図3のようにnchおよびpchのON/OFF状態が変化し、それに伴ってON抵抗も変化するため、この点についても考慮する必要があります。

図3　入力電圧によるON抵抗の変化