MOS开关设计

　　开关在集成电路设计中有很多作用。在模拟电路中，开关被用来实现诸如电阻的开关仿真[1]等有用的功能，开关同样也用于多路选择、调制和其他许多应用。在数字电路中，开关被用做传输门，并加入了在标准逻辑电路没有的尺寸的灵活性。本节的目的是研究与CMOS集成电路兼容的开关特性。我们从电压控制开关的特性开始。图4.1-1 所示为该器件模型。电压vc控制开关的状态——开或关。
　　电压控制开关是一个三端网络，其中A、B端组成开关， C端是控制电压vc作用端。开关重要的特性是它的导通电阻 row和关断电阻rorr。理想情况下， roN为零而rom，为无穷大，实际上并非如此。此外，这些值与端口条件有关， 绝不会是常数。通常，开关会有一些电压偏移，图4.1-1中用V模拟。V表示当开关为导通状态、电流等于零时，端点A和B之间存在的小幅值电压。IorF表示开关为断开状态的漏电流。电流.、lA、lB表示开关端点与地之间的漏电流(或其他电源电压)。图4.1-1中偏移源和漏电流的极性是不确定的，图中的方向是任意标注的。在模拟采样数据电路应用中，寄生电容是一个需认真考虑的问题。电容(CA和Cb是开关端A、B与地之间的寄生电容。电容CAB是开关端A、B之间的寄生电容。电容(CAc和C,C是存在于电压控制端C和开关端A、B之间的寄生电容。电容CAc和C的影响称为电荷馈通——由此控制电压的一部分会出现在开关A、B端。

　　MOS技术的一个优点是可提供一个性能良好的开关。图4.1-2显示了一个 MOS 晶体管被用做开关的情况。它的性能可以由图4.1-1显示的 MOS晶体管大信号模型构成的开关确定。可以看到， MOS晶体管的漏极或源极做端点A 或B取决于端点电压(即， 对n沟道管， 如果A 端电位高于B，那么A端是漏极， B端是源极) 。导通电阻由r、r的组合与始终存在的沟道电阻串联、rD、r组成。通常ror0和rs的影响很小，所以主要考虑沟道电阻。沟道电阻的表达式可这样求得： 在开关导通状态，开关两端的电压很小，且vs很大。因此，MOS器件可以假设工作在非饱和区，式(3.11)重写如下以表示这个状态：

　　式(4.1?2)中的Q是晶体管的静态工作点。图4.1-3说明了 n沟道管漏极电流随漏、源电压变化的曲线，其中管子的宽长比W/L=5/1,vas等间隔增加。此图说明了 MOS管工作的一些重要原理。注意， 图中的曲线并不是关于V=0对称的。这是因为晶体管端(漏、源)开关起着V过零的转换作用。例如，当V为正时， B点是漏极， A 点为源极， 且V固定为2.5V,VCs由给定的v固定。当V为负时， B点为源极， A 点为漏极， 且V和VBS连续减少， 而VCS增加，从而导致电流增加。v=5v3.5/V=4Vv3.025vc=3V2.5vc=2vν20vc=1V171.50.50.0-0.510250.025V(V)图4.1-3 n沟道管用做开关的I-V特性　

　图4.1-4显示了当VD5=0.1V,W/L=1,2,45 和10时 roN随VOS变化的图.从图中可以看出W/L越大, row越低。 当Vcs减到VT(Vr=0.7V)时,roN为无穷大，因为开关断开。25kiyc20kw>115krom<17导通电阻CM=210kW/L=5ML=105k023145.Vcs(V)图4.1-4 n沟道管导通电阻　　当V小于或等于V时， 开关断开，理想情况下 roFF为无穷大。当然，它不可能为无穷大。

　　但因为它非常大，截止状态的性能由漏极-体和源极-体的漏电流决定，就像亚阈值电压区从漏到源的漏电流一样。从源和漏到体的漏电流主要是 pn结漏电流，在图4.1-1 中用lA和l模拟。