PMOS做信号开关与NMOS做电平转换

Zjianeng

1 PMOS与NMOS

硬件工程师在设计原理图时，偶尔会遇到一些情况，需要一个开关来隔断信号，或者需要一个电平转换电路来匹配不同的IO电平。可以用专用的芯片来解决问题，但往往价格高，且不一定容易得到。其实，有更加简单有效的方法是用MOS管搭电路。本文就告诉你怎么做。如下是两个MOS管的图例，先好好认识下他们的长相。

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你可能会觉得本文的标题很奇怪，难道只能用PMOS做信号开关？只有NMOS才能做电平转换？下文会详细解释这些疑问。

先把结论放前面

• PMOS适合做信号开关，信号必须是从S极输入。这个信号可以是小信号，也可以是电源。
• NMOS适合做电平转换，必须是从低电压转到高电压，逻辑不变。PMOS不能！
• 利用PMOS和NMOS的G极和S极，可以做逻辑转换，电平转换。
• 二极管也能做电平转换，但是有缺陷。
  

2 PMOS做信号开关

下图是一个典型的PMOS信号开关应用，注意必须是从S极向D极传送信号，并且D极没有上拉电阻，有一个大的下拉电阻。

逻辑如下：

• EN=1.8V时
  • A=0V，管子截止，B=0V；
  • A=1.8V，管子截止，B=0V（实际不是0，见解释1）.
    & N0 T! _7 r4 T" }1 U# }3 L如上A不能正常传送到B，相当于开关断开。
    
• EN=0时
  • A=1.8V，管子导通，B=1.8V；
  • A=0V，管子截止，B=0V；
    ( z% M: b5 D; X* d0 }" o6 y如上A能正确传送到B，相当于开关导通。
    
  
  

*解释1： *
9 T9 m# Q" c1 k6 }' q1 kEN=1.8V，A=1.8V，管子截止，B点电压并不是0，而是R199，寄生二极管，R200的分压！我们仿真的结果是0.689V，仿真过程如下：
开始仿真之前，解释一下R200为何是100M，通常B点会连接一个IC的IO输入，对于输入，如果软件没有配置上下拉电阻（百K级别），输入电阻将是无穷大，假设就是100Mohm。
6 \- B7 O! D& R- B/ L, C下图是仿真电路，D2相当于寄生二极管。

仿真结果如此，但为什么是这个结果？
二极管有反向截止特性，为什么没有阻隔电压？
有没有办法使VB=0V？
; ~7 y2 ~: K' h. t% f& Z. A这要从二极管的反向特性着手来理解这些疑问，下图是一个二极管的IV曲线：
  @- Z4 b" L& L% u* {' `
6 X1 ~& w- A  o1 z2 a) e5 z由图可知，二极管反向偏压后，从0到-200mV，其反向电流随反向电压VF的（绝对值）增大而增加，近似计算其阻抗为8Mohm左右。从-200mV开始，VF（绝对值）增加，其反向电流一直维持在-7nA左右。反向偏压一直增加，这个值基本不变。一直到规格书上标称的VF最大值75V后二极管击穿。VF=-0.2V~-75V之间，其电阻从28Mohm到10.7Gohm逐渐增加
若要想二极管起到良好的阻隔电压的作用，就要尽量使二极管占有越大的压降。比如上图仿真电路两种，当VB=0V时，二极管两端压差最大，此时二极管起到了最好的阻隔电压效果。换句话说，要尽量使二极管工作在上图所示的“理想截止区域”。
在理想截止区域，反向电流7nA是关键线索，如果B点的对地电阻过大，导致总电流小于7nA，二极管的电压阻隔作用就会比较差。
B点对地阻抗到底是多少，VB才会等于0V呢，显然B点对地阻抗为0时，才能实现。现实情况不可能，下面是几组数据：
R2=200K，VB=1.38mV，I=6.89nA
, ?1 U* f3 R5 `R2=1M，VB=6.89mV，I=6.89nA
R2=10M，VB=68.9mV，I=6.89nA
. t, ]6 b- Z& c8 i" oR2=50M，VB=345mV，I=6.89nA
9 h0 b2 }2 y% kR2=100M，VB=689mV，I=6.89nA
1 [. r% v, t+ i8 A( PR2=200M，VB=1.38V，I=6.89nA
R2=300M，VB=1.72V，I=5.72nA
* Y# |, C2 A9 I, W0 A9 ^* J  |接下来，重点来了：通常，B点对地阻抗是百K级别，VB的电压都会很小，可以简单计算为Rx7nA，这时二极管的电压阻隔作用最明显！

既然PMOS能做开关，那么能用NMOS做信号开关吗？答案是否定的！如下图 ：
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接法一：EN=0V，NMOS才有可能截止，寄生二极管的存在，导致A高B也高，无法截止。
4 v; `, i: [7 ^! e7 q  t4 {* L

接法二：
EN=0V，NMOS截止（假设B点对地阻抗为100K）；
EN=1.8V，管子导通，A拉高到1.8V，B也被拉高，瞬间Vgs=0V，管子又被截止。因此NMOS不能用作信号开关，仿真结果如下：

7 a  j9 v2 U% q& S% [9 n3 N' [0 Z凡事都有例外：如果EN电压明显高于A点最高电压，例如EN=5V，A=1.8V。这时，即使B=A=1.8V，Vgs=5-1.8=3.2V，管子仍然是导通的。因此当EN高电压明显高于（至少大Vgsth）传输信号的最高电压时，NMOS也能做开关使用！但一般不用这种方法。


延伸讨论：
; A2 ~0 x6 o4 I5 T( y; EPMOS做信号开关，当管子截止时，S极上如果有仍然有信号输入，D极上的信号是怎样？如下是仿真结果：
" [2 |: W6 o* Y1 v

在PMOS的S极输入高电平瞬间，D极也有高电平，但会很快下降。这是PMOS管D和S极之间的电容导致的，这个电容通常为pf级别，我做了一个模拟，如下图。效果与PMOS截止时的波形类似。
8 z% W( w, x. p+ v) K4 @

其实用NMOS做的信号开关，也有同样的上述问题，不再赘述。

3 NMOS做电平转换

下图是NMOS做电平转换的典型电路，要点是信号从低往高转低，从S极到D极。
, q, Z; u* J6 W  h6 F; ~+ v' {) S逻辑如下：
A=1.8V，NMOS截止，B=3.3V；
" N5 ]  G8 u2 d/ o- Z. D. ?A=0V，NMOS导通，B=0V；

如果是高电平往低电平转换，低频信号用电阻分压即可！
; m& j! g) q' Y6 A% [对上图电路做了一下仿真，100KHz信号能顺利传输！

9 J0 ?* f& S6 T& L  |! @6 t" `, j
同样用DS极传送信号，PMOS不能用来做电平转换！
NMOS的其他用法：
# b5 s* ?3 j  B9 i- @  u; F接法一：用NMOS，必须高电平转低电平，且高电平明显高于低电平。同样实现电平转换且逻辑不变，100KHz没问题。

在NMOS的S极上接电阻的方式属于“低端”接法，很少用。常用的是“高端”接法，即在D极上串电阻，下面接法：
接法二：用NMOS，不限转换电平方向，可高电平转低电平，也可以低电平转高电平。缺点是逻辑变化了，且高频特性差

PMOS也有上述类似的接法。
/ S4 q+ i, d/ s. y0 t" N延伸问题：
# K5 N# p0 ]- R" A4 _二极管也能做电平转换？
2 m- W% A6 `$ Q/ H4 z- |答案：能，只能从高转低，且缺点是低电平最低0.7V，且会有严重的过冲和下冲，因为结电容。

总结：

• PMOS适合做信号开关，信号必须是从S极输入。
• NMOS也能做信号开关，信号从D极输入，前提是G极的使能电压要明显大于D极信号的最高电压。
• NMOS适合做电平转换，必须是从低电压转到高电压，逻辑不变。PMOS不能！
• 利用PMOS和NMOS的G极和S极，可以做逻辑转换，电平转换。
• 二极管也能做电平转换，但是有缺陷。
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你可爱的老爷

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breezelee

模拟开关需要用两个晶体管或mos管平行起来做，你这个样子的电路只能控制电源开关这类低频信号，频率稍微高一点就会出问题