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CMOS 模拟开关：导通电阻非线性引起的失真与补偿策略
1. CMOS 模拟开关的构造与传输门原理
CMOS 模拟开关（也称传输门，Transmission Gate）由一对并联的 NMOS 和 PMOS 组成。
- 工作机制：NMOS 和 PMOS 的栅极由互补信号驱动。当 NMOS 栅极为 且 PMOS 栅极为 时，开关处于导通状态。
- 互补特性：NMOS 擅长传输低电平，PMOS 擅长传输高电平。两者并联弥补了单一 MOSFET 在源极电压接近栅极电压时导通电阻剧增的缺陷，从而实现了全摆幅（Rail-to-Rail）的信号传输。
2. 导通电阻（）的非线性与失真机理
尽管并联结构改善了导通性能，但总电阻 仍不是恒定的，而是输入电压 的函数。
2.1 随电压变化的曲线
在信号摆动过程中，NMOS 和 PMOS 的过驱动电压（）不断变化，导致各自的电导发生波动。复合后的 通常在输入电压处于中间电平时达到峰值。
2.2 失真模型
当开关连接到负载 时，形成一个随信号变化的压降分压器。输出电压 为：
由于 包含 的非线性项，输出信号中会产生二阶和三阶谐波分量，在高精密音频或 16 位以上 ADC 采样系统中，这种失真将变得不可接受。
3. 减少失真的三种工程路径
3.1 提高负载阻抗
这是最简单的方法。如果 （例如使用高输入阻抗的运算放大器作为后级），那么 的波动对分压比的影响将微乎其微。
- 缺点：不适用于需要驱动低阻抗负载（如 音频线）的场景。
3.2 选用低 扁平化（Flatness）开关
现代半导体工艺（如三栅极技术）可以显著降低 的峰值及其波动（即 ）。
- 技术指标：在选型时应关注数据手册中的 ** Flatness** 参数。
3.3 反馈回路补偿（精密方案）
这是消除失真最优雅的硬件手段。将模拟开关置于运算放大器的闭环反馈路径内。
4. 深度解析：反馈回路中的开关拓扑
为了在不影响带宽的前提下消除失真，可以采用如下电路：
- 原理：运放具有极高的开环增益。当开关置于反馈环路内时，运放会自动调整其输出端电压，以补偿开关导通电阻 上的压降，从而确保反馈点（及输出端）的信号与输入完全一致。
- 双开关冗余设计：如图所示，通常使用两个开关：
- 一个位于反馈路径，用于精确补偿。
- 一个位于运放输出端，用于彻底隔离。 这种配置确保了即使在开关切换瞬间，运放也不会进入开环饱和状态，避免了瞬态噪声（Pop noise）。
5. 实验验证与性能数据对比
实验对比了基于普通模拟开关在不同负载下的 THD+N 表现：
| 负载电阻 | 总谐波失真 (THD+N) | 失真来源分析 |
|---|---|---|
| 接近测试仪器底噪 | ||
| (直接驱动) | 波动导致的明显谐波 | |
| (反馈补偿) | **** | 补偿电路几乎抵消了所有非线性 |
6. 结论
CMOS 模拟开关的非线性电阻是精密模拟信号链中的隐形杀手。通过理解其 的电压依赖性，硬件工程师可以有针对性地通过增大负载阻抗或引入运放反馈补偿来提升系统精度。这不仅解决了失真问题，还允许在设计中使用更经济的通用型开关，实现了性能与成本的平衡。
CMOS 模拟开关：导通电阻非线性引起的失真与补偿策略
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