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デプレッションモード・アナログスイッチ: 電力がない場合の高性能コネクティビティ

著者:  Shawn Barden  - 07-04-2019 

デプレッション(空乏)モードMOSFETスイッチは、古典的なエンハンスメントモードFETとの類似点があまり知られておらず、しばしば見落とされてきましたが、近年、人気が高まり、使用されています。オン・セミコンダクターはこの技術に投資しており、その結果としてデプレッションモード・アナログスイッチのファミリーが増加しています。これらのスイッチは、エンジニアリングの問題を上手く解決するためにますます使用されています。このブログでは、これらの有用なデバイスの機能の理解を深めていただくとともに、これらのソリューションの例を説明します。

概略説明

エンハンスメントモードFETは、今日の大多数の電子機器で使用されており、単純な概念で動作します。コモンソース構成のエンハンスメントモードNFET(図1左)を考えてみましょう。ゲートがソースと同じ電位にある場合、ドレインとソースの間のチャネル抵抗は非常に高く、トランジスタは「オフ」であると考えます。これらのFETは、チャネルを「オン」にし、ドレインとソースとの間を導通させるために、正のゲート・ソース間電圧を必要とします。これらのFETのチャネル抵抗は、完全に飽和していないときには、かなり変化する可能性があります。これは、全信号振幅範囲にわたって低歪みを必要とするアナログ信号の問題を引き起こす可能性があります。さらに、エンハンスメントモードFETで作られたアナログスイッチが供給電力を失ったとき、その状態は不確定であり、あまり良好に導電しないか、逆に信号をうまく絶縁しない可能性があります。

図1:エンハンスメントモードとデプレッションモードのMOSFET動作比較

デプレッションモードFETは、エンハンスメントモードFETと相補的な機能を持ちます。同じ構成のデプレッションモードNFET(図1右)の場合、チャネル抵抗は低く、チャネルは「オン」であると見なされます。したがって、デフォルトの無電力状態では、デプレッションFETは導通するように設計されており、その設計のために、それらのチャネル抵抗は線形であり、それにより、それらの信号振幅範囲にわたって極めて低い歪みを与えます。

デプレッションモードFETに基づくアナログスイッチは通常、デバイスに電力が供給されたときにスイッチ経路をイネーブルまたはディスエーブルする制御回路を有します。この制御回路はチャージポンプを使用して、スイッチ経路を絶縁するのに必要な電圧を生成します。その結果、スイッチ経路をディスエーブル(分離)すると、電力を消費する可能性があります。これは一般に、信号が比較的短時間の間絶縁されるアプリケーションでは問題になりません。これが不可能なアプリケーションでは、チャージポンプの電力消費が低いデバイスを選択することが重要です。

多くの半導体企業は、デプレッションのソリューションをデフォルトの「オン」としていますが、デバイスの抵抗は完全に線形ではなく、信号歪みや一貫性のない抵抗率につながります。オン・セミコンダクターは、電力が印加されていないときに低歪み性能を実現する特許取得済みの設計テクニックと協調して、独自のデプレッションモードFETを開発しました。

ノイズキャンセルヘッドフォンのデッドバッテリ問題の解決

ノイズキャンセリングヘッドホンが最初に広く利用可能になったとき、それらの使用の利点は明らかになりました。長くて騒々しい飛行機の乗り心地は、ようやく耐えられるようになりました。通常の体験から没入型の体験に変換されたバックグラウンドノイズの騒音中で、クラシック音楽のお気に入りのものを聴けるようになりました。しかし、1つ難点がありました。これらのヘッドホンは、ノイズキャンセルのマジックを行うためにバッテリーを必要とし、バッテリーが切れると、ヘッドホンは役に立たなくなりました。一部の設計では、通常は機械的なバイパススイッチを使用して、これを克服しようと試みましたが、その解決策では、常にユーザが作業を行う必要がありました。

オン・セミコンダクターのFSA553について考えてみましょう。電源が入っているとき、ノイズキャンセリングDSPと並列のこの負振幅のデュアルチャネルSPSTデプリションモードアナログスイッチを使用すると、バッテリーが充電されている間、ヘッドホン内のノイズキャンセリングDSPを通してステレオオーディオを転送できます。バッテリー電圧がDSPに対して低下しすぎると、DSPおよびFSA553への電圧供給がディスエーブルされます。この状態では、オーディオ信号はDSPをバイパスし、FSA553を経由してヘッドホンに転送されるため、バッテリーの放電が発生してもオーディオのリスニング体験が自動的に継続されるという、ユーザ体験が改善します。FSA553の0.4オーム(ティピカル値)の低いチャネル抵抗と、−104dBV(非A特性)の超低THD+Nにより、低損失で実質的に歪みのないステレオオーディオのバイパス経路を提供します。

 USB Type-Cモバイルデバイスのアクセサリにおける省電力

USB Type-Cケーブルを介して、モバイルデバイスを電源付きアクセサリに接続するアプリケーションを考えてみましょう。アクセサリが接続され、VCONNを介して給電されても、Ra抵抗を通ってアクセサリ側のグラウンドに電流が流れる可能性があります(図2)。5VのVCONNと1キロオームのRaの場合、モバイルデバイスから不必要に引き出される5mAのDC電流を与えます。ただし、マイクロコントローラなどのデバイスを使用するアクセサリの場合、アクセサリデバイス上のFSA515(オン・セミコンダクター)などの単一チャネルSPSTデプレッションモード・アナログスイッチと、Ra抵抗を直列に接続することで、USB Type-Cの 検出が完了した後に、Ra抵抗の経路を接地から絶縁することができます。

図2:検出後にRa抵抗電流を有するType-Cアクセサリ

検出に成功した後に、アクセサリコントローラ上のGPIOを使用し、FSA515のVDDピンに電力を供給するためのファームウェアコーディングを行うことにより(図3)、接続時の追加さ消費電流を5mAからわずか約30uAに低減でき、ほぼ25mWの電力を低減します。さらに、FSA515の超小型フットプリントにより、ディスクリート部品を含め、追加されるソリューション面積を削減します。

3:検出後にRa抵抗が絶縁されたType-Cアクセサリ

無数の機会

デプレッションモード・アナログ・スイッチは、さまざまな用途があり、特にデバイスの電源がない場合に忠実度の高い信号の伝送に有用です。これにより、バイパススイッチとして、また必要に応じて電力の下で絶縁できる低電力デフォルト経路として、または電力に敏感なアプリケーションで消費電力を低減するための柔軟な設計手段として、極めて幅広い用途で利用できます。設計が低消費電力化および高度化に向かって進むにつれて、デプレッションモード・アナログスイッチは、低電力製品において高忠実度アナログ信号をルーティングするためのますます有用なツールになっています。

こちらからデプリーションモードのオーディオスイッチの詳細をご参照ください。

 

Tags:IoT, Consumer, Portable and Wireless
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