開(kāi)關(guān)在集成電路設(shè)計(jì)中有很多作用。在模擬電路中，開(kāi)關(guān)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如電阻的開(kāi)關(guān)仿真[1]等有用的功能，開(kāi)關(guān)同樣也用于多路選擇、調(diào)制和其他許多應(yīng)用。在數(shù)字電路中，開(kāi)關(guān)被用做傳輸門(mén)，并加入了在標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路沒(méi)有的尺寸的靈活性。本節(jié)的目的是研究與CMOS集成電路兼容的開(kāi)關(guān)特性。我們從電壓控制開(kāi)關(guān)的特性開(kāi)始。圖4.1-1 所示為該器件模型。電壓vc控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)——開(kāi)或關(guān)。
　　電壓控制開(kāi)關(guān)是一個(gè)三端網(wǎng)絡(luò)，其中A、B端組成開(kāi)關(guān)， C端是控制電壓vc作用端。開(kāi)關(guān)重要的特性是它的導(dǎo)通電阻 row和關(guān)斷電阻rorr。理想情況下， roN為零而rom，為無(wú)窮大，實(shí)際上并非如此。此外，這些值與端口條件有關(guān)， 絕不會(huì)是常數(shù)。通常，開(kāi)關(guān)會(huì)有一些電壓偏移，圖4.1-1中用V模擬。V表示當(dāng)開(kāi)關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài)、電流等于零時(shí)，端點(diǎn)A和B之間存在的小幅值電壓。IorF表示開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài)的漏電流。電流.、lA、lB表示開(kāi)關(guān)端點(diǎn)與地之間的漏電流(或其他電源電壓)。圖4.1-1中偏移源和漏電流的極性是不確定的，圖中的方向是任意標(biāo)注的。在模擬采樣數(shù)據(jù)電路應(yīng)用中，寄生電容是一個(gè)需認(rèn)真考慮的問(wèn)題。電容(CA和Cb是開(kāi)關(guān)端A、B與地之間的寄生電容。電容CAB是開(kāi)關(guān)端A、B之間的寄生電容。電容(CAc和C,C是存在于電壓控制端C和開(kāi)關(guān)端A、B之間的寄生電容。電容CAc和C的影響稱為電荷饋通——由此控制電壓的一部分會(huì)出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)A、B端。

　　MOS技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可提供一個(gè)性能良好的開(kāi)關(guān)。圖4.1-2顯示了一個(gè) MOS 晶體管被用做開(kāi)關(guān)的情況。它的性能可以由圖4.1-1顯示的 MOS晶體管大信號(hào)模型構(gòu)成的開(kāi)關(guān)確定?？梢钥吹?， MOS晶體管的漏極或源極做端點(diǎn)A 或B取決于端點(diǎn)電壓(即， 對(duì)n溝道管， 如果A 端電位高于B，那么A端是漏極， B端是源極) 。導(dǎo)通電阻由r、r的組合與始終存在的溝道電阻串聯(lián)、rD、r組成。通常ror0和rs的影響很小，所以主要考慮溝道電阻。溝道電阻的表達(dá)式可這樣求得： 在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，開(kāi)關(guān)兩端的電壓很小，且vs很大。因此，MOS器件可以假設(shè)工作在非飽和區(qū)，式(3.11)重寫(xiě)如下以表示這個(gè)狀態(tài)：

　　式(4.1?2)中的Q是晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖4.1-3說(shuō)明了 n溝道管漏極電流隨漏、源電壓變化的曲線，其中管子的寬長(zhǎng)比W/L=5/1,vas等間隔增加。此圖說(shuō)明了 MOS管工作的一些重要原理。注意， 圖中的曲線并不是關(guān)于V=0對(duì)稱的。這是因?yàn)榫w管端(漏、源)開(kāi)關(guān)起著V過(guò)零的轉(zhuǎn)換作用。例如，當(dāng)V為正時(shí)， B點(diǎn)是漏極， A 點(diǎn)為源極， 且V固定為2.5V,VCs由給定的v固定。當(dāng)V為負(fù)時(shí)， B點(diǎn)為源極， A 點(diǎn)為漏極， 且V和VBS連續(xù)減少， 而VCS增加，從而導(dǎo)致電流增加。v=5v3.5/V=4Vv3.025vc=3V2.5vc=2vν20vc=1V171.50.50.0-0.510250.025V(V)圖4.1-3 n溝道管用做開(kāi)關(guān)的I-V特性　

　圖4.1-4顯示了當(dāng)VD5=0.1V,W/L=1,2,45 和10時(shí) roN隨VOS變化的圖.從圖中可以看出W/L越大, row越低。 當(dāng)Vcs減到VT(Vr=0.7V)時(shí),roN為無(wú)窮大，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)斷開(kāi)。25kiyc20kw>115krom<17導(dǎo)通電阻CM=210kW/L=5ML=105k023145.Vcs(V)圖4.1-4 n溝道管導(dǎo)通電阻　　當(dāng)V小于或等于V時(shí)， 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，理想情況下 roFF為無(wú)窮大。當(dāng)然，它不可能為無(wú)窮大。

　　但因?yàn)樗浅４?，截止?fàn)顟B(tài)的性能由漏極-體和源極-體的漏電流決定，就像亞閾值電壓區(qū)從漏到源的漏電流一樣。從源和漏到體的漏電流主要是 pn結(jié)漏電流，在圖4.1-1 中用lA和l模擬。