MOS开关与传输门特性分析

1、MOS开关与传输门特性分析开关与传输门特性分析 单开关电路单开关电路输入信号输入信号输出信号输出信号MOS管的四种基本类型管的四种基本类型GSDN 沟道耗尽型沟道耗尽型GSDN沟道增强型沟道增强型MOS（MentalOxideSemiconductor） 金属金属 氧化物氧化物 半导体半导体场效应管场效应管GSDP 沟道增强型沟道增强型GSDP 沟道耗尽型沟道耗尽型在数字电路中，多采用增强型。在数字电路中，多采用增强型。GSDN沟道增强型沟道增强型源极源极栅极栅极漏极漏极MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理vGS=0时时PNNGSDvGSvDSiD=0D、S间间相当于两相当于两个背靠背个

2、背靠背的的PN结结不论不论D、S间有无电压，均无法导通，不能间有无电压，均无法导通，不能导电。导电。PNNGSDVDSVGSvGS0时时vGS足够大时足够大时（vGSVGS(th)），），形成电场形成电场GB,把把衬底中的电子吸引衬底中的电子吸引到上表面，除复合到上表面，除复合外，剩余的电子在外，剩余的电子在上表面形成了上表面形成了N型型层（反型层）为层（反型层）为D、S间的导通提供了间的导通提供了通道。通道。VGS(th)称为阈值电压称为阈值电压(开启电压）开启电压）源极与源极与衬底接衬底接在一起在一起N沟道沟道可以通过改变可以通过改变vGS的大小来控制的大小来控制iD的大小。的大小。MOS

3、管的输入、输出特性管的输入、输出特性 对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零栅极电流为零。输出特性曲线输出特性曲线（漏极特性曲线）（漏极特性曲线）夹断区（截止区）用途：用途：做无触点的、断开状态的做无触点的、断开状态的电子开关电子开关。条件：条件：整个沟道都夹断，整个沟道都夹断，源极和漏极之间没有导通源极和漏极之间没有导通沟道。沟道。 )(thGSGSvv0Di特点：特点：可变电阻区特点特点: :(1)(1)当当vGS 为定值为定值时时,iD 是是 vDS 的线性函数，的线性函数，具有类似与线性电

4、阻的具有类似与线性电阻的性质，且其阻值受性质，且其阻值受 vGS 控制。控制。 （2）管压降管压降vDS 很小。很小。用途：用途：做做压控线性电阻压控线性电阻和无触点的、闭合状态的和无触点的、闭合状态的电子开关电子开关。条件：条件：源端与漏端沟源端与漏端沟道都不夹断道都不夹断 恒流区：恒流区：(又称饱和区或放大区）又称饱和区或放大区）特点特点:(1)受控性受控性： 输入电压输入电压vGS控制输出电流控制输出电流2)(1thGSGSDSDVvIi(2)恒流性：恒流性：输出电流输出电流iD 基本上不受输出电压基本上不受输出电压vDS的影响。的影响。条件条件:(1)源端沟道未夹断源端沟道未夹断 (2

5、)漏端沟道予夹断漏端沟道予夹断 用途用途:可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。IDSIDSMOS管开关等效电路管开关等效电路 当当vI=vGSVGS(th)且且vI继续升高时，继续升高时，MOS管工作在可变管工作在可变电阻区。电阻区。MOS管导通内阻管导通内阻RON很小，很小，D-S间相当于闭合间相当于闭合的开关的开关,vO0。传输门输出特性传输门输出特性 传输门（传输门（TG）的应用非常广泛，不仅可以）的应用非常广泛，不仅可以作为基本单元电路构成各种逻辑电路，用于信作为基本单元电路构成各种逻辑电路，用于信号传输，而且在取样号传输，而且在取样保持电路、斩波电路、保持电路、斩波电路、模数和数模

6、转换电路中传输模拟信号，因而又模数和数模转换电路中传输模拟信号，因而又称为模拟开关。称为模拟开关。 CMOS传输门由一个传输门由一个P沟道和一个沟道和一个N沟道沟道增强型的增强型的MOSFET并联而成，如下图所示。并联而成，如下图所示。电路结构电路结构逻辑符号逻辑符号 C和和C是一对互补的控制信号是一对互补的控制信号,设控制信号的设控制信号的高低电平分别为高低电平分别为VDD和和0V,那么当那么当C=0时时,只要输入只要输入信号的变化范围不超出信号的变化范围不超出0VDD,则则Vi=0VVDDVGS1=0V -VDD，T1始终截止始终截止；VGS2=VDD 0V， T2始终截止始终截止。 T1

7、和和T2同时截止，输入与输出之间呈高阻同时截止，输入与输出之间呈高阻(109 )，传输门截止。，传输门截止。 当当C端接端接+5V，C端接端接0时，时，Vi在在0+3V的范围内，的范围内，T1导通。导通。Vi在在0+3V的范围内，的范围内，T2导通。由此可知，当导通。由此可知，当Vi在在0+5V之间变化之间变化时时T1和和T2至少一个是导通。至少一个是导通。VO=Vi，信号可，信号可以传输过来。以传输过来。 由于由于T1、T2管的结构形式是对称的，即漏管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互换使用，因而极和源极可互换使用，因而CMOS传输门属于传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用。

8、双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用。 利用利用CMOS传输门和传输门和CMOS反相器可以组反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如数据选择器、寄合成各种复杂的逻辑电路，如数据选择器、寄存器、计数器等等。存器、计数器等等。 举例利用举例利用CMOS传输门和传输门和CMOS反相器构反相器构成异或门。成异或门。AB TG1TG2 Y0 00 0通通断断00 01 1通通断断11 10 0断断通通11 11 1断断通通0双向模拟开关双向模拟开关 传输门的另一个重要用途是作模拟开关，传输门的另一个重要用途是作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。这一点用来传输连续变化的模拟电压信号。这一点是无法用一般的逻辑门实现的。模拟开关的是无法用一般的逻辑门实现的。模拟开关的基本电路是由基本电路是由CMOS传输门和一个传输门和一个CMOS反反向器组成的，如下图所示。和向器组成的，如下图所示。和CMOS传输门传输门一样，它也是双向器件。一样，它也是双向器件。 假定接在输出端的电阻为假定接在输出端的电阻为RL,双向模双向模拟开关的导通内阻为拟开关的导通内阻为