模擬開關與多路轉換器知識詳解

問：什么是“電荷注入”?

答：模擬開關和多路轉換器中出現的電荷注入是指

圖7 電源斷電狀態

與構成模擬開關的NMOS和PMOS管相伴的雜散電容引起的一種電荷變化。模擬開關的結構模型以及與其相伴的雜散電容如圖8和9所示。模擬開關基本上由一個

NMOS管和一個PMOS管并聯而成。對于雙極性輸入信號，這種結構產生一個“浴盆”形電阻，其等效電路圖示出了由電荷注入效應引起的主要寄生電容C GDN (NMOS管柵漏電容)和G GDP (PMOS管柵漏電容)。伴隨PMOS管產生的柵漏電容大約是NMOS管產生的柵漏電容的2倍，因為這兩種管子具有相同的導通電阻，PMOS管的面積大約是NMOS管的2倍。因此對于從市場上得到的典型模擬開關來說，伴隨PMOS管產生的雜散電容大約是NMOS管的2倍。

圖8 由寄生電容表現出的CMOS模擬開關電路結構

圖9 由電荷注入效應引起的主要寄生電容表現出的等效電路

當開關導通時，正電壓加到NMOS管的柵極，而負電壓加到PMOS管的柵極。因為寄生電容C
GDN 和C GDP 失配，所以注入到漏極的正電荷和負電荷的數量不相等，這樣就造成模擬開關輸出端的電荷遷移，呈現出負向電壓的尖脈沖。因為模擬開關現在處于導通狀態，所以負電荷通過模擬開關的導通電阻(100Ω)很快地放電掉。在第5μs處的仿真的曲線可以說明這一點(見圖10和11)。當開關斷開時，負電壓加到NMOS管的柵極，而正電壓加到PMOS管的柵極。

從而使充電電荷加到模擬開關的輸出端。因為模擬開關現在處于斷開狀態，所以對這種注
入正電荷的放電路經是一種高阻狀態(100MΩ)。這樣使開關在下次導通之前負載電容一直

存貯這個電荷。這種仿真曲線清楚地說明，CL上帶的電壓(由于電荷注入)在第25μs再次
導通之前一直保持170mV。在這一點又將等量的負電荷注入到輸出端，從而使CL上的電壓
降到0V。在第35μs此模擬開關再次導通，上述過程以這種周期方式連續進行。

圖10 用于圖11仿真輸出曲線的時序圖

圖11 100kHz模擬開關電荷注入效應仿真輸出曲線