CMOS模拟开关及其应用

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（二氧化硅）

2、，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管的漏极D和源极

3、S当作一个受栅极电压UGS控制的开关使用，即当UGSUT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UUT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 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，将它们的栅极分别接到反相器JC1的输出端和输入

4、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UGS2UT2，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UGS1UT1，因它是P沟道MOS管，此时Q1也截止。其结果是A B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电路是建立在P沟道和N沟道MOS场效应管两者对

5、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。意味着导通电阻的减小。 当开关S1接地时，Q

6、1、Q4 P沟道MOS场效应管因栅极高电位而截止，Q2 、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

7、一个开关都是由图6所示的电路组成的。图中的引出脚、相当于图6中的A、B两点，引出脚相当于图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，其隔离系数约为50db。 图8是一个由4016组成的增益控制数字化电路。其中的IC是一个线性放大器，在它的输出与输入之间接上4016CMOS开关，用来控制反馈电阻R1、R2、R3及R4是否接入电路。由

8、于控制输入端是低电位时，CMOS开关处于断开状态，故线性放大器的反馈电阻未能接上。只在控制端为高电位时，因CMOS开关导通而接通反馈电阻网络。如果在控制输入端输入不同的低电位和高电位信号，就可使反馈电阻因不同组合而得到改变。在控制输入端为4输入端的情况下，共有16级增益变化，见表一。 采用数字增益控制给我们带来很多好处。我们知道，音频范围内的电源交流声是比较难以解决的问题，采用屏蔽电缆也不易彻底解决。如果使用数字信号控制增益，导线中只传输数字信号，上述问题就很容易得到解决。 图 9所示为另一种 CMOS集成电路，其型号为4051。它是一种单刀8档开关，引出脚3是开关的刀，它接到哪一档由加到控制

9、脚9、10和11的电压来决定。表二列出了输出脚与控制脚的关系。如果控制脚都为低态（A=B=C=）0，输出脚是13。若A、B接地，C按正电压（A=B=0 C=1），输出脚则是14。引出脚6是禁止脚，如果它是高电位，则全部输入脚和输出脚均呈断开状态。引出脚7是模拟数字，它是专为开关用在模拟或数字两种情况而设计的。在模拟情况时，信号有正负方向，在数字情况时，则只有高态“ 1”和低态“0”。如果4051用于数字电路，则引出脚7接地，若用于模拟电路时，引出脚7与系统最低电平连接，这个最低电平即是模拟电压摆动的下限（往往是负值）。 图10所示是使用4051CMOS开关选择放大器的输入信号。在控制脚9、10

10、和11输入数字信号，根据表2所指输出脚，即可选择不同的输入通道。 由于CMOS模拟开关在导通情况下，信号可以沿不同方向流动，而且使用在模拟情况下，我们可以把4051CMOS开关倒过来使用，见图11。这时，放大器的输出接到引脚3输入信号，这样就变成一个分配放大器。如果加在控制脚上的数字信号以一定的速率重复交替变化，则分配放大器的输出端也相应地以一定的速率重复交替变化，实现扫描输出。 4051CMOS开关集成电路可以在 2MHZ的速率下扫描输出。用它作分配放大器，可用一个放大器推动八个输出负载，每个输出端都不会有明显的信号损失。使用CMOS开关应注意以下几点 （1） CMOS开关与其他CMOS集成

11、电路一样，由于MOS场效应管衬底上的氧化层特别薄，故容易被一定强度的静电荷所击穿。因此在使用时要采取一定的防静电措施，决不能在通电的情况下接插集成电路，否则电路将被损坏。 （2）通过开关的电流，在使用不同电源电压时有所不同。在正常情况下，工作电压为3伏到15伏，电流不超过25毫安（图5电路）或15毫安（图6电路），不可强行使开关通过更大的电流，否则会影响电路性能以致烧毁开关电路。 （3）不要把控制引出脚悬空。记住CMOS电路设计必须遵循的规则，所有的输入端一定要和相关的地方连接好。由于控制引出脚在集成电路的内部是与反相器相连的，如果将控制引出脚悬空，使CMOS开关处于不稳定状态，反相器很可能将MOS场效应管偏置到线性工作区。这也有可能使电流剧增