CMOS模拟开关及其应用P47页.doc

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1、CMOS模拟开关及其应用CMOS模拟开关及其应用无线电86.12彭定武CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路具有微功耗、使用电源电压范围宽和抗干扰能力强等特点。其发展日新月异，应用范围十分广泛。本文介绍的CMOS模拟开关集成电路，在音频和视频范围可以使增益控制数字化，和微处理器配合使用可以简化自动控制电路的设计。下面就MOS场效应管及CMOS模拟开关作一介绍。MOS场效应管的工作原理金属氧化物半导体场效应三极管是通过光刻或扩散的方法，在P型基片（衬底）上制作两个N型区，在N型区上通过铝层引出两个电极，即源极（S）和漏极（D）。漏源两个扩散区之间的硅表面上生成一层绝缘的氧化膜（二氧

2、化硅），在氧化膜上也制作一个铝电极，即为栅极（G），两个扩散区和P型衬底分别构成PN结。如果把源极和衬底相连接，并在栅源极间加正电压UGS,就会在衬底表面形成一个导电的反型层，它把漏源两个N扩散区连接起来，成为可以导电的沟道，见图1（a）。若在漏源之间也加正电压UDS，则源极与漏极之间将有漏电流ID流通，且ID随UDS的增加而增大。我们把开始有漏电流产生时的电压叫做开启电压UT，把在P型衬底上形成的导电反型层的场效应管叫做N沟道增强型MOS场效应管。其符号见图1（b）。MOS场效应管的漏极特性曲线及漏极电流ID随栅极电压UGS变化的特性曲线如图2所示。由以上分析，我们可以把MOS管

3、的漏极D和源极S当作一个受栅极电压UGS控制的开关使用，即当UGS＞UT时，漏极D与源极S之间导通，相当于一个开关接通，导通电阻约几百欧姆。当U＜UT时漏极D与源极s之间不导通，没有电流流过，则如同开关断开一样。同样，也可在N型基片上制作两个P型区，以形成P沟道增强型MOS管，见图3。典型的P沟道增强型MOS管的特性曲线如图4所示。比较图2和图4我们可以看出，P沟道和N沟道5CMOS模拟开关及其应用MOS管的特性曲线是相反的。在了解了MOS管的基本工作原理和特性曲线以后，下面谈谈CMOS开关。简单的CMOS开关如果将P沟道MOS管Q1和N沟道MOS管Q2的衬底，漏极和源极连接在一起

4、，将它们的栅极分别接到反相器JC1的输出端和输入端，JC1的输入端再由开关S1控制接正电压或接地，见图5。当开关S1接地时，Q2的栅极是低电位，使UGS2＜UT2，因它是N沟道MOS管，由前面分析可知，Q2应截止。同时开关所接低电位经反向器JC1反相变为高电位，使得UGS1＞UT1，因它是P沟道MOS管，此时Q1也截止。其结果是AB两端处于断开状态，即相当于一个开关断开。当开接S1接到正电源时，Q2的栅极为高电位，因UGS2>UT2，故Q2导通。同样，高电位经JC1反相变为低电位，使得UGS1＜UT1，故Q1也导通。其结果是A、B两端是导通状态，即相当于一个开关接通。图5电路是建立

5、在P沟道和N沟道MOS场效应管两者对称的情况，但在实际中并非完全如此。如果它们之间的参数有差异，那么从A点到B点的信号通道与从B点到A点的信号通道就有可能不完全相同，若差别较大，则可能引起信号失真。图6是一种改进了的CMOS开关电路。与图5相比，在开关的输入端又加了两个反向器JC2和JC3，因反相再反相其方向不变，故所加反相器只起隔离控制电压和CMOS开关的作用。除此而外。在Q1和Q2上又并联了两只分别与它们相同的MOS场效应管Q4、Q5，还加接了一只N沟道MOS管Q3。Q1和Q2并联上Q4和Q5以后，因并联的原因，跨过A、B两端的电压降将小于简单开关电路的情况，电压降减小。意味着

6、导通电阻的减小。当开关S1接地时，Q1、Q4P沟道MOS场效应管因栅极高电位而截止，Q25CMOS模拟开关及其应用、Q5N沟道MOS场效应管因栅极为低电位也处于截止状态，其结果使AB两端呈断开状态。Q3是N沟道MOS管，此时因栅极接高电位，使栅极和源极（接地）的PN给正偏置而导通，且导通电阻比较小，如果有来自控制部分的外来干扰信号，就会被Q3旁路。因而提高了A、B两端处于断开状态时的稳定度。当开关S1接电源高电位对，分析同图5故不多述。近年来已将CMOS开关设计成中规模集成电路（MSI），可以解决很多电路中的开关问题。下面举几个例子加以说明。CMOS模拟开关集成电路及应用图7所示是

7、一个具有四个单刀单掷开关的CMOS集成电路，型号为4016。其中每一个开关都是由图6所示的电路组成的。图中的引出脚①、②相当于图6中的A、B两点，引出脚③相当于图6中的开关S1。在实际使用中并没有开关S1，而是加上一个幅度相当于电源（＋U）的正脉冲。当未加正脉冲时，相当于S1接地（低电位）。开关处于断开状态。当正脉冲到来时，相当于S1接正电压（高电位），开关处于导通状态。我们称图中的引出脚1和2；3和4；8和9；10和11组成四个CMOS模拟开关。它们之间的串音很小，