第 15 章 MOSFET 应用：

在本章中，我们将探索 MSOFET 器件的某些应用，而不是作为线性放大器级。

15.1 MOSFET 作为模拟开关

基于增强模式 MOSFET 的模拟开关使用晶体管通道作为低电阻在开启时传递模拟信号，并在关闭时作为高阻抗。信号可以沿任一方向流过 MOSFET 开关。在此应用中，MOSFET 的漏极和源极交换位置取决于每个电极与栅极电压相比的电压以及电流流动方向。对于从源极到漏极（或连接到源极的背栅或体端子）没有集成二极管的简单 MOSFET，对于 NMOS，源极是更负的一侧或 PMOS 更正的一侧。所有这些开关都受到它们的栅源电压、栅漏电压和源漏电压以及源漏电流的限制，它们在导通时可以传递哪些信号，在关断时可以阻断哪些信号；

15.1.1 单型 MOSFET 开关

该模拟开关使用四端简单的、一般增强型的 P 型或 N 型 MOSFET。在 N 型开关的情况下，体或背栅端子连接到最负电源（在单电源系统中通常为 GND），栅极用作开关控制。只要栅极电压超过源极电压至少一个阈值电压，MOSFET 就会导通。相对于源极的栅极电压越高，开关的电阻就越低。NMOS 开关通过所有小于 ( V gate - V tn ) 的电压。当开关导通时，它通常工作在线性（或三极管）工作区域，因为源极和漏极电压通常几乎相等。

图 15.1.1 MOSFET 横截面

在 PMOS 的情况下，体栅极或背栅极连接到最正电压，栅极被带到较低的电位以打开开关。PMOS 开关通过所有高于 ( V gate +| V tp |) 的电压。在 PMOS 的情况下，阈值电压 ( V tp ) 通常为负。

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图 15.1.2 MOS I ds vs V ds曲线

PMOS 开关的电阻大约是同等尺寸 NMOS 器件的三倍，因为电子的迁移率大约是硅中空穴迁移率的三倍。

图 15.1.4 NMOS 和 PMOS 导通特性

15.1.2 互补 (CMOS) 型 MOSFET 开关、传输门

这种“互补”或 CMOS 类型的开关使用一个 PMOS 和一个 NMOS FET 来抵消单一类型开关的开启限制。FET 的漏极和源极并联，PMOS 的主体连接到高电位 ( V DD )，NMOS 的主体连接到低电位 (GND)。打开开关，PMOS 的栅极被驱动到低电位，NMOS 的栅极被驱动到高电位。对于 ( V DD - V tn ) 和 (GND+ V tp ) 之间的电压，两个 FET 都传导信号，对于低于 (GND+ V tp ) 的电压，NMOS 单独传导，对于高于 ( VDD - V tn ) PMOS 单独导通。

图 15.1.5 开关电阻与施加的电压。NMOS、PMOS、CMOS

该开关的唯一限制是两个 FET 的栅源、栅漏和源漏电压限制。此外，PMOS 通常是 NMOS 宽度的三倍，因此开关导通电阻将在信号电压上平衡。

数字逻辑或数据总线中使用的三态电路有时在其输出端包含一个 CMOS MOSFET 开关，以在开启时提供低欧姆、全范围输出，在关闭时提供高欧姆、中电平信号。

15.2 斩波稳定（自动调零）精密运算放大器

为了获得最低的偏移和漂移性能，斩波稳定（或自动归零）放大器可能是最好的解决方案。最好的双极放大器提供 25 µV 的失调电压和 0.1 µV/ºC 的漂移。使用斩波稳定技术可以获得小于 5 µV 的失调电压，并且实际上没有可测量的失调漂移，尽管会有一些损失。

15.2.1 基本斩波放大器

基本斩波放大器电路如下图 15.2.1 所示。这是我们刚刚在 15.1 节中讨论的 CMOS 模拟开关可以很好地使用的常见示例。当开关处于“Z”（自动归零）位置时，电容器 C 2和 C 3分别充电到放大器输入和输出偏移电压。当开关处于“S”（采样）位置时，V IN通过由 R 1、R 2、C 2、放大器、C 3和 R 3组成的路径连接到V OUT。用于斩波的频率通常在几百赫兹到几赫兹之间，并且需要注意的是，因为这是一个采样系统，输入频率必须远小于斩波频率的二分之一，以防止由于混叠引起的错误。R 1 -C 1组合用作抗混叠滤波器。还假设在达到稳态条件后，在开关周期中只有极少量的电荷转移。必须选择输出“保持”电容器 C 4和负载 R L，以便在自动归零周期期间有最小的V OUT下降。

图 15.2.1：经典斩波放大器

15.2.2 自动调零斩波稳定运算放大器

图 15.2.1 的基本斩波放大器只能通过低于斩波频率二分之一的频率，因为需要进行输入滤波以防止混叠。与此相反，图 15.2.2 中所示的斩波稳定架构最常用于斩波运算放大器实现。

图 15.2.2：自动调零（斩波稳定）运算放大器

在该电路中，A 1为主放大器，A 2为调零放大器。两个放大器都被认为是相同的，并且都有一个额外的 Null 输入端子。在采样模式下（切换到“S”位置），调零放大器 A 2监视 A 1的输入偏移电压，并通过在 A 1的 Null 引脚上施加合适的校正电压将其输出驱动为零。但是请注意，A 2也有一个输入偏移电压，因此它必须在尝试将 A 1的偏移归零之前纠正自己的错误。这是在自动归零模式（切换到“Z”位置）中通过暂时断开 A 2与 A 1 来实现的，将其输入短接在一起，并将其输出耦合到其自己的 Null 引脚。在自动归零模式期间，A 1的校正电压暂时由C 1 保持。类似地，C 2在采样模式期间保持A 2的校正电压。在集成 IC 斩波稳定运算放大器中，放大器和存储电容器 C 1和 C 2都在单个芯片上。

请注意，在此架构中，输入信号始终通过 A 1连接到输出。因此，A 1的带宽决定了整个信号带宽，并且输入信号不限于像传统斩波放大器架构那样小于斩波频率的二分之一。然而，开关动作确实会在斩波频率处产生小的瞬变，这会与输入信号频率混合并产生互调失真。

15.2.3 斩波稳定运算放大器的噪声考虑

考虑斩波放大器对低频 1/f 噪声的影响很有趣。如果斩波频率远高于输入噪声的 1/f 转角频率，斩波稳定放大器会在逐个采样的基础上连续消除 1/f 噪声。因此，理论上，斩波运算放大器没有 1/f 噪声。然而，斩波动作会产生宽带开关噪声，这通常比精密双极运算放大器的噪声要差得多，需要滤除。

为了利用斩波运算放大器没有 1/f 噪声的优势，需要进行大量滤波，否则斩波器的总噪声总是比好的双极运算放大器差。因此应该使用斩波稳定放大器，因为它们的失调电压和失调温度漂移低，不一定是因为它们没有 1/f 噪声。

15.3 开关电容电路

开关电容器是离散时间信号处理系统中使用的电子电路元件。它的工作原理是在开关打开和关闭时将电荷传入和传出电容器。这是第 15.1 节中讨论的 CMOS 模拟开关几乎完全被使用的另一个例子。通常，非重叠信号用于控制开关，通常称为先开后合开关，以便在开关转换期间所有开关都打开很短的时间。使用这些元件实现的离散时间滤波器称为“开关电容滤波器”。与必须由电阻器、电容器以及有时精确已知其值的电感器构成的连续时间模拟滤波器不同，开关电容器滤波器仅取决于电容与开关频率之间的比率。