CMOS模拟开关及其应用

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。

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），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U\(_{GS}\)，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I\(_{D}\)流通，且ID随U\(_{DS}\)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I\(_{D}\)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S当作一个受栅极电压U\(_{GS}\)控制的开关使用，即当UGS＞U\(_{T}\)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UGS＜U\(_{T}\)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。

如果将P沟道MOS管Q\(_{1}\)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的输出端和输入端，JC1的输入端再由开关S\(_{1}\)控制接正电压或接地，见图5。当开关S1接地时，Q\(_{2}\)的栅极是低电位，使UGS2＜U\(_{T2}\)，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U\(_{GS1}\)＞UT1，因它是P沟道MOS管，此时Q\(_{1}\)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S\(_{1}\)接到正电源时，Q2的栅极为高电位，因U\(_{GS2}\)＞UT2，故Q\(_{2}\)导通。同样，高电位经JC1反向变为低电位，使得UGS1＜U\(_{T1}\)，故Q1也导通。其结果是A、B两端呈导通状态，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Q\(_{1}\)和Q2上又并联了两只分别与它们相同的MOS场效应管Q\(_{4}\)、Q5，还加接了一只N沟道MOS管Q\(_{3}\)。Q1和Q\(_{2}\)并联上Q4和Q\(_{5}\)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S\(_{1}\)接地时，Q1、Q\(_{4}\)P沟道MOS场效应管因栅极高电位而截止，Q2、Q\(_{5}\)N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A、B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结正偏置而导通，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Q\(_{3}\)旁路。因而提高了A、B两端处于断开状态时的稳定度。当开头S1接电源高电位时，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。

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，引出脚相当于图6中的开关S\(_{1}\)。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S\(_{1}\)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R\(_{1}\)、R2、R\(_{3}\)及R4是否接入电路。由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脚⑨、⑩和的电压来决定。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。若A、B接地，C接正电压（A=B=0，C=1），输出脚则是。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和输入数字信号，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。

（1）CMOS开关与其他CMOS集成电路一样，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而烧坏集成电路或其他有关电路。

（4）必须限制输入电压，使输入电压的变化范围不超过电源电压的最大值或低于地。由于CMOS集成电路能够安全工作的电压可到15伏，一般来说不会出现什么问题。在必要的时候可以先减小输入信号，通过开关后再增大信号。

CMOS模拟开关集成电路的种类很多，用途十分广泛，只要掌握了基本原理、性能，必将给我们的工作带来极大的方便。（彭定武）