PMOS做信号开关NMOS做电平转换
作者：AirCity 2019.10.19
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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，就是用MOS管搭电路。如下是两个MOS管的图例。
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NMOS？下文会详细解释这些疑问。
先把总结放前面
- PMOS做信号开关，信号从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。
- 信号在DS间传输，NMOS能做电平转换，而且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
下图是一个典型的信号开关应用：
当EN为高电平(1.8V，A点的电压不会超过1.8V)时：管子截止（相当于开关断开），信号A无法传递到B。这就是PMOS的关段作用！
但是我们要考虑寄生二极管的存在，接下来我们实际模拟计算一下A和B的电平。
通常B会接到一个芯片的IO输入，如果这个IO输入没有配置上下拉（百Kohm级别），B点的对地阻抗将是无穷大，假设是100M。此时：
A=0V，B=0V；
A=1.8V，B=689mV（B点电压等于R191，二极管，100M电阻的分压值，这个是仿真结果）。
虽然A为高电平时，B的电平不是0，有一点电压，但仍然很低，我们仍认为PMOS起到了开关作用！下图是仿真电路，D2相当于寄生二极管。
可能还会有疑问，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？这要从二极管的反向特性着手来理解这个问题。我们用multisim做了个仿真，下图是一个二极管的IV曲线：
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，就要尽量使二极管两端的反向压降越大。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”，此区域的电流为7nA。
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
R2=1M，VB=6.89mV，I=6.89nA
R2=10M，VB=68.9mV，I=6.89nA
R2=50M，VB=345mV，I=6.89nA
R2=100M，VB=689mV，I=6.89nA
R2=200M，VB=1.38V，I=6.89nA
R2=300M，VB=1.72V，I=5.72nA
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，这是，二极管的电压阻隔作用最明显！
上文是对PMOS截止时的状态分析，下面介绍当PMOS导通时的情况。
当EN为低电平（0V）时：
A点拉高（大于Vgsth），管子导通，B等于A。
A点拉低（0V），管子截止，由于寄生二极管的存在，B=A+0.7V；如果B点没有上拉电阻，则B=0V。
那么可以用NMOS做信号开关吗？答案是否定的！但有例外。如下图：
接法一：
EN为低，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。
接法二：
EN为低，NMOS截止（假设B点对地阻抗为100K）。可以截止；
EN为高，管子导通，A拉高，B也高。如果A和EN的高电平相等，那么管子又被截止。这种情况下NMOS不能作为信号开关使用。仿真结果如下：
有一种例外，EN电压高于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！
延伸讨论：
PMOS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：
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。
其实用NMOS做的信号开关，也有同样的上述问题，不在赘述。
3 NMOS做电平转换
下图是NMOS做电平转换的典型电路。
A=1.8V，NMOS截止，B=3.3V；
A=0V，NMOS导通，B=0V；
上图是唯一接法，精髓是二极管阻隔了高电压。要点：电压小的一方，必须是G和S极，电压大的一方在D极。所以只能是低电平到高电平转换！
如果是高电平往低电平转换，低频信号用电阻分压即可！
对上图电路做了一下仿真，频率100KHz问题不大。
同样用DS极传送信号，PMOS不能用来做电平转换！
别的接法：
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。
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。
延伸问题：
二极管也能做电平转换？
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做信号开关，信号从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。
- 信号在DS间传输，NMOS能做电平转换，而且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。