學子專區—ADALM2000實驗：CMOS類比開關
前言：
作者：ADI顧問研究員Antoniu Miclaus 和系統應用工程師 Doug Mercer
目標
本練習的目的是探討將互補型MOS晶體管用於類比電壓開關。
概念
理想的類比開關不存在導通電阻，具有無窮大的關斷阻抗和零延時，可以處理大訊號和共模電壓。實際使用MOS電晶體建構的類比開關並不符合這些要求，但是如果我們瞭解類比開關的侷限性，多數也是可以克服的。導通電阻是其中一項侷限因素，本實驗活動將嘗試表徵此開關規格。
材料
• ADALM2000 主動學習模組
• 無焊麵包板
• 跳接線
• 一個CD4007 CMOS電晶體陣列
• 兩個NPN電晶體（2N3904或等效元件）
• 一個4.7 kΩ電阻
圖1.CD4007 CMOS電晶體陣列接腳排列。
NMOS說明
建構圖2所示的測試電路。藍色框表示與ADALM2000上的連接器相連。NMOS和PMOS元件M1及M2均包含在CD4007封裝陣列中。所有未使用的接腳可浮空。要測量MOS電晶體的導通電阻(RON)，我們首先需要讓已知電流流經電阻，然後測量電阻兩端的電壓。兩個NPN元件Q1和Q2以及電阻R1將構成電流源，輸出電流約為1 mA。此電流的確切大小並不重要，因為源極/漏極上的電壓在正負電源範圍內變動，我們主要關注MOS元件的RON變化。
在第一個測試中，只有NMOS元件M1導通，PMOS元件M2關斷。
圖2.NMOS RON測試電路。
硬體設定
將圖2所示電路連接到麵包板。
圖3.NMOS RON測試電路麵包板連接。
程式步驟
將波形產生器1配置為產生具有9 V峰對峰值幅度和500 mV失調的100 Hz三角波。這將使NMOS開關電晶體具有+5 V至-4 V的電壓擺幅。考慮到NPN電流源Q2，電壓擺幅範圍不能到-5 V。確保先打開外部用戶電源（Vp和Vn），然後運行波形產生器。在XY模式下配置示波器介面，X軸上為通道1，Y軸上為通道2（開關上的電壓）。使用數學函數計算電阻(C2 / 1 mA)。注意：可透過測量R1兩端的電壓及其實際電阻來獲取更精準的電流源估算值。
配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。使用Scopy的XY波形示例如圖4所示。
圖4.NMOS RON XY跡線。 XY trace.
PMOS說明
現在，將M1和M2的閘極均連接到負電源Vn，將電路修改為如圖5所示。在第二個測試中，只有PMOS元件M2導通，NMOS元件M1關斷。
圖5.PMOS RON測試電路。
硬體設定
將圖5所示電路連接到麵包板。
圖6.PMOS RON測試電路麵包板連接。
程式步驟
重複前面部分中的電壓掃描，並且僅繪製PMOS電晶體的導通電阻變化圖。
配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。使用Scopy的XY波形示例如圖7所示。
圖7.PMOS RON XY跡線。
CMOS說明
現在，將M1的閘極連接到正電源Vp，將M2的閘極連接到負電源Vn，將電路修改為如圖8所示。在最後一個測試中，NMOS元件M1和PMOS元件M2均導通。
圖8.CMOS RON測試電路。
硬體設定
將圖8所示電路連接到麵包板。
圖9.CMOS RON測試電路麵包板連接。
程式步驟
重複前面部分中的電壓掃描，並繪製NMOS和PMOS電晶體組合的導通電阻變化圖。
配置示波器以擷取所測量的兩個訊號的多個週期。使用Scopy的XY波形示例如圖10所示。
圖10.CMOS RON XY跡線。
問題：
• 對於圖2中的電路，NMOS元件關斷時的電壓為多少？
• 對於圖2中的電路，當NMOS電晶體關斷時，漏源電壓會怎樣？
• 對於圖5中的電路，PMOS元件關斷時的電壓為多少？
• 對於圖5中的電路，當PMOS電晶體關斷時，源漏電壓會怎樣？
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