1. CMOS模拟开关的基本构造与工作原理#

CMOS模拟开关广泛应用于各种电子系统的输入输出端口，常用于数据采集系统的多通道选择，或者在电源启动和关闭时禁用输出。CMOS开关的基本结构是由两个极性相反的MOSFET（NMOS和PMOS）组成，配置为传输门（Transmission Gate）。当NMOS的栅极电压为高，PMOS的栅极电压为低时，开关闭合，允许信号通过。

在开关闭合时，CMOS开关的电阻（称为导通电阻，RON）会随着输入电压的变化而变化。对于正向输入电压，PMOS导通电阻降低，成为主要的电流路径；对于负向输入电压，NMOS导通电阻降低，成为主要的电流路径。虽然这种设计允许通过正负电压，但它也导致开关的总电阻随输入信号变化，从而可能产生失真。

2. 导通电阻变化引起的失真#

CMOS开关的导通电阻（RON）并不是恒定的，而是输入电压的函数。例如，导通电阻可以近似表示为输入电压的线性函数：
[ R_{ON}(V_{IN}) = R_0 + \Delta R \times V_{IN} ]
其中，( R_0 ) 是输入电压为零时的电阻，(\Delta R) 表示电阻随输入电压变化的程度。
当信号通过开关时，导通电阻会与负载电阻形成电压分压器，这会导致输出电压发生变化，进而引起信号失真。

失真主要表现为频率上的谐波分量。例如，信号中的原始基频以及由导通电阻变化引起的二次、三次甚至更高次的谐波都会出现在输出信号中。

3. 减少失真的方法#

减少由于导通电阻变化引起的失真可以采取几种方法：

• 减小电阻变化量：如果可以减少导通电阻随输入电压的变化（即使(\Delta R)值很小），可以减少谐波失真。
• 增大负载电阻（(R_L)）：通过选择一个比开关导通电阻变化更大的负载电阻，可以减小导通电阻对信号的影响。这种方法常用于数据采集系统，其中输入阻抗通常很大。
• 使用反馈回路：一种常见的做法是将开关置于放大器的反馈回路中，这样即使导通电阻发生变化，也可以通过放大器进行补偿，从而降低失真。

4. 反馈回路中开关的应用#

在一些高保真音频应用中，使用开关时可以将其包含在放大器的反馈回路中，如图所示的电路拓扑。这样，开关的导通电阻变化带来的失真可以被放大器补偿，从而实现更低的总谐波失真（THD+N）。在此电路中，两个开关的使用可以确保即使开关断开，放大器的反馈回路仍然闭合，避免了输出饱和或瞬态电压的产生。

5. 实验验证#

通过实际测试，可以验证在不同负载电阻下，开关的导通电阻对输出信号的影响。对于高阻抗负载，失真很小，通常由仪器的噪声底限决定。但在低阻抗负载下，导通电阻的变化会导致显著的失真。

例如，在600Ω负载下，测得的总谐波失真（THD+N）比100kΩ负载下增加了一个数量级，达到0.005%。通过将开关置于反馈回路中，可以有效消除这种失真。

6. 结论#

在高性能模拟系统中，通过将CMOS模拟开关集成到放大器的反馈回路中，可以显著减少由开关导通电阻变化引起的失真。这种方法不仅能改善系统性能，还能降低对极低导通电阻开关的需求，从而有可能降低系统成本。