【導(dǎo)讀】理想的模擬開(kāi)關(guān)不存在導(dǎo)通電阻，具有無(wú)窮大的關(guān)斷阻抗和零延時(shí)，可以處理大信號(hào)和共模電壓。實(shí)際使用MOS晶體管構(gòu)建的模擬開(kāi)關(guān)并不符合這些要求，但是如果我們了解模擬開(kāi)關(guān)的局限性，多數(shù)也是可以克服的。導(dǎo)通電阻是其中一項(xiàng)局限因素，本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)將嘗試表征此開(kāi)關(guān)規(guī)格。
本練習(xí)的目的是探討將互補(bǔ)型MOS晶體管用作模擬電壓開(kāi)關(guān)。
概念
理想的模擬開(kāi)關(guān)不存在導(dǎo)通電阻，具有無(wú)窮大的關(guān)斷阻抗和零延時(shí)，可以處理大信號(hào)和共模電壓。實(shí)際使用MOS晶體管構(gòu)建的模擬開(kāi)關(guān)并不符合這些要求，但是如果我們了解模擬開(kāi)關(guān)的局限性，多數(shù)也是可以克服的。導(dǎo)通電阻是其中一項(xiàng)局限因素，本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)將嘗試表征此開(kāi)關(guān)規(guī)格。
材料
● ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
● 無(wú)焊面包板
● 跳線
● 一個(gè)CD4007 CMOS晶體管陣列
● 兩個(gè)NPN晶體管（2N3904或等效器件）
● 一個(gè)4.7 k?電阻
圖1.CD4007 CMOS晶體管陣列引腳排列。
NMOS說(shuō)明
構(gòu)建圖2所示的測(cè)試電路。藍(lán)色框表示與ADALM2000上的連接器相連。NMOS和PMOS器件M1及M2均包含在CD4007封裝陣列中。所有未使用的引腳可浮空。要測(cè)量MOS晶體管的導(dǎo)通電阻(RON)，我們首先需要讓已知電流流經(jīng)電阻，然后測(cè)量電阻兩端的電壓。兩個(gè)NPN器件Q1和Q2以及電阻R1將構(gòu)成電流源，輸出電流約為1 mA。此電流的確切大小并不重要，因?yàn)樵礃O/漏極上的電壓在正負(fù)電源范圍內(nèi)變動(dòng)，我們主要關(guān)注MOS器件的RON變化。
在第一個(gè)測(cè)試中，只有NMOS器件M1導(dǎo)通，PMOS器件M2關(guān)斷。
圖2.NMOS RON測(cè)試電路。
硬件設(shè)置
將圖2所示電路連接到面包板。
圖3.NMOS RON測(cè)試電路面包板連接。
程序步驟
將波形發(fā)生器1配置為生成具有9 V峰峰值幅度和500 mV失調(diào)的100 Hz三角波。這將使NMOS開(kāi)關(guān)晶體管具有+5 V至-4 V的電壓擺幅。考慮到NPN電流源Q2，電壓擺幅范圍不能到-5 V。確保先打開(kāi)外部用戶(hù)電源（Vp和Vn），然后運(yùn)行波形發(fā)生器。在XY模式下配置示波器界面，X軸上為通道1，Y軸上為通道2（開(kāi)關(guān)上的電壓）。使用數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算電阻(C2 / 1 mA)。注意：可通過(guò)測(cè)量R1兩端的電壓及其實(shí)際電阻來(lái)獲取更精確的電流源估算值。
配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。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(shuō)明
現(xiàn)在，將M1和M2的柵極均連接到負(fù)電源Vn，將電路修改為如圖5所示。在第二個(gè)測(cè)試中，只有PMOS器件M2導(dǎo)通，NMOS器件M1關(guān)斷。
圖5.PMOS RON測(cè)試電路。
硬件設(shè)置
將圖5所示電路連接到面包板。
圖6.PMOS RON測(cè)試電路面包板連接。
程序步驟
重復(fù)前面部分中的電壓掃描，并且僅繪制PMOS晶體管的導(dǎo)通電阻變化圖。
配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。使用Scopy的XY波形示例如圖7所示。
圖7.PMOS RON XY跡線。
CMOS說(shuō)明
現(xiàn)在，將M1的柵極連接到正電源Vp，將M2的柵極連接到負(fù)電源Vn，將電路修改為如圖8所示。在最后一個(gè)測(cè)試中，NMOS器件M1和PMOS器件M2均導(dǎo)通。
圖8.CMOS RON測(cè)試電路。
硬件設(shè)置
將圖8所示電路連接到面包板。
圖9.CMOS RON測(cè)試電路面包板連接。
程序步驟
重復(fù)前面部分中的電壓掃描，并繪制NMOS和PMOS晶體管組合的導(dǎo)通電阻變化圖。
配置示波器以捕獲所測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的多個(gè)周期。使用Scopy的XY波形示例如圖10所示。
圖10.CMOS RON XY跡線。
問(wèn)題：
● 對(duì)于圖2中的電路，NMOS器件關(guān)斷時(shí)的電壓為多少？
● 對(duì)于圖2中的電路，當(dāng)NMOS晶體管關(guān)斷時(shí)，漏源電壓會(huì)怎樣？
● 對(duì)于圖5中的電路，PMOS器件關(guān)斷時(shí)的電壓為多少？
● 對(duì)于圖5中的電路，當(dāng)PMOS晶體管關(guān)斷時(shí)，源漏電壓會(huì)怎樣？
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