「アナデバ社(ADI社）のWeb記事『StudentZone』を初回からすべて読む」ついに2022年に突入しました。ようやく周回遅れ状態を解消。とはいえ今は８月、読んでいるのは１月号です。前回はデジタルなCMOSインバータをつかってアナログな反転アンプでした。今回はさらにCMOSインバータをつかってアナログスイッチの実験です。
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アナデバ様の2022年1月号Web記事（日本語版）へのリンクが以下に。
巻末問題への解答編（英語）もあり、そちらのリンクは以下です。
January 2022 StudentZone Quiz Solution
CMOSインバータでアナログスイッチを構成？
今回、アナログスイッチの実験のために使うデバイスとしてアナデバ様が上記の記事で指定しているのはCD4007インバータです。「アナログスイッチ」そのものデバイスを使わないのは、「出来合いの」アナログスイッチであると個別のMOSスイッチに立ち入った制御ができないためかと思われます。しかし、インバータと言えばPMOSとNMOSのトランジスタが対になってはいるもののゲートは共通です。
実験では、NMOS単独の特性、PMOS単独の特性を測った後、NとP組み合わせてCMOSアナログスイッチとして使ってます。お気づきのことと思いますがこのとき、NとPには反転した信号を印加しなければなりません。ゲート共通のインバータじゃ駄目じゃん、と思ったのですが、アナデバ様の記事中の回路図にある端子番号を見て目から鱗が落ちました。コペルニクス的転回（そこまでいうか？）
CD4007は３回路入りのデバイスです。Q1、Q2、Q3と３個あるインバータ毎にP、Nあるので合計６トランジスタが存在します。そこで
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- NMOSはQ３トランジスタのNMOSを使う、Q2のPMOSは使わない
- PMOSはQ２トランジスタのPMOSを使う、Q3のNMOSは使わない
- Q1全体使わない
ということでアナログスイッチとして構成してます。言われてみれば簡単よな。
今回はLTspiceで予習の回
今回は、例によって実機実験を行う前に、LTspiceで予習（お茶を濁す）の回です。手元にCD4007の現物が無いので、実機実験になったら異なるデバイスを使わざるを得ません。今回のシミュレーションでCD4007の様子を確かめておく、という微妙な意義もあります。
NMOS単体でのオン抵抗を測る
以下はNMOS単体（M1)のドレインーソース間の電圧降下を測ることでゲート電圧に対するM1のオン抵抗を測るための回路です。M2(PMOS)のゲートには５VをかけてあるのでOFFっている筈、無視できると。下の方にある2N3904のカレントミラー回路はMOSトランジスタにほぼほぼ1mAの電流を流すための電流源です（SPICEなので理想的定電流源使えば電流正確ですが、ここは実験時と同じ構成としました。）
X軸に１＋と書いてある入力電圧、Y軸にドレインーソース間電圧をとったグラフが以下に。
上記のグラフの電位差をほぼほぼ1mA流れているはずの電流（実際にはQ2トランジスタのコレクタ電流）で割ってやれば抵抗値が求まります。LTspiceに計算してもらったものが以下の赤色グラフです。
PMOS単体でのON抵抗を測る
今度は、MOSトランジスタのゲートに-5Vを与え、NMOSをOFFにし、M2のPMOSの特性を同様に測ります。
取得したXYグラフが以下に。まあ、ここまでアナデバ様の記事と大体同じグラムが描けてます。あたりまえか。
最後、P、Nそろい踏み、CMOSアナログスイッチ構成
最後はNMOSのゲートに５V、PMOSのゲートに-5Vを与えたCMOS構成です。回路はこんな感じ。
「遠くからみた」XYグラフが以下に、入力電圧によらず「ほぼほぼ一定の電圧降下＝ほぼほぼ一定のオン抵抗」であるように見えます。
上記のグラフを縦方向に拡大し、オン抵抗の計算値を赤色で重ねてみたものが以下です。
150Ω超えたあたりから220Ωくらいまで変化してるのね。PNの「担当領域切り替え」で一番抵抗が大きくなるのが入力電圧３V付近とな。
とりあえずアナデバ様の記事同様の結果は得られたです。しかし実機実験どうするかなあ。前回使った「アンバッファ」タイプのインバータ、ちょっと電圧的に上の範囲は無理そうだし。