学子专区—ADALM2000实验:CMOS模拟开关

目标

本练习的目的是探讨将互补型MOS晶体管用作模拟电压开关。

概念

理想的模拟开关不存在导通电阻,具有无穷大的关断阻抗和零延时,可以处理大信号和共模电压。实际使用MOS晶体管构建的模拟开关并不符合这些要求,但是如果我们了解模拟开关的局限性,多数也是可以克服的。导通电阻是其中一项局限因素,本实验活动将尝试表征此开关规格。

材料

  • ADALM2000 主动学习模块
  • 无焊面包板
  • 跳线
  • 一个CD4007 CMOS晶体管阵列
  • 两个NPN晶体管(2N3904或等效器件)
  • 一个4.7 kΩ电阻
图1.CD4007 CMOS晶体管阵列引脚排列。

NMOS说明

构建图2所示的测试电路。蓝色框表示与ADALM2000上的连接器相连。NMOS和PMOS器件M1及M2均包含在CD4007封装阵列中。所有未使用的引脚可浮空。要测量MOS晶体管的导通电阻(RON),我们首先需要让已知电流流经电阻,然后测量电阻两端的电压。两个NPN器件Q1和Q2以及电阻R1将构成电流源,输出电流约为1 mA。此电流的确切大小并不重要,因为源极/漏极上的电压在正负电源范围内变动,我们主要关注MOS器件的RON变化。

在第一个测试中,只有NMOS器件M1导通,PMOS器件M2关断。

图2.NMOS RON测试电路。

硬件设置

将图2所示电路连接到面包板。

图3.NMOS RON测试电路面包板连接。

程序步骤

将波形发生器1配置为生成具有9 V峰峰值幅度和500 mV失调的100 Hz三角波。这将使NMOS开关晶体管具有+5 V至-4 V的电压摆幅。考虑到NPN电流源Q2,电压摆幅范围不能到-5 V。确保先打开外部用户电源(Vp和Vn),然后运行波形发生器。在XY模式下配置示波器界面,X轴上为通道1,Y轴上为通道2(开关上的电压)。使用数学函数计算电阻(C2 / 1 mA)。注意:可通过测量R1两端的电压及其实际电阻来获取更精确的电流源估算值。

配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。使用Scopy的XY波形示例如图4所示。

图4.NMOS RON XY迹线。 XY trace.

PMOS说明

现在,将M1和M2的栅极均连接到负电源Vn,将电路修改为如图5所示。在第二个测试中,只有PMOS器件M2导通,NMOS器件M1关断。

图5.PMOS RON测试电路。

硬件设置

将图5所示电路连接到面包板。

图6.PMOS RON测试电路面包板连接。

程序步骤

重复前面部分中的电压扫描,并且仅绘制PMOS晶体管的导通电阻变化图。

配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。使用Scopy的XY波形示例如图7所示。

图7.PMOS RON XY迹线。

CMOS说明

现在,将M1的栅极连接到正电源Vp,将M2的栅极连接到负电源Vn,将电路修改为如图8所示。在最后一个测试中,NMOS器件M1和PMOS器件M2均导通。

图8.CMOS RON测试电路。

硬件设置

将图8所示电路连接到面包板。

图9.CMOS RON测试电路面包板连接。

程序步骤

重复前面部分中的电压扫描,并绘制NMOS和PMOS晶体管组合的导通电阻变化图。

配置示波器以捕获所测量的两个信号的多个周期。使用Scopy的XY波形示例如图10所示。

图10.CMOS RON XY迹线。

问题:

  • 对于图2中的电路,NMOS器件关断时的电压为多少?
  • 对于图2中的电路,当NMOS晶体管关断时,漏源电压会怎样?
  • 对于图5中的电路,PMOS器件关断时的电压为多少?
  • 对于图5中的电路,当PMOS晶体管关断时,源漏电压会怎样?

您可以在 学子专区 博客上找到问题答案。

作者

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师,从事ADI教学项目工作,同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作,最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献,AD783就是其中一款。自2009年起,他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员,最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人,从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。