基于電荷泵改進(jìn)型CMOS模擬開關(guān)電路

當(dāng)前VLSI 技術(shù)不斷向深亞微米及納米級發(fā)展，模擬開關(guān)是模擬電路中的一個(gè)十分重要的原件，由于其較低的導(dǎo)通電阻，極佳的開關(guān)特性以及微小封裝的特性，受到人們的廣泛關(guān)注。模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻的大小直接影響開關(guān)的性能，低導(dǎo)通電阻不僅可以降低信號損耗而且可以提高開關(guān)速度。要減小開關(guān)導(dǎo)通電阻，可以通過采用大寬長比的器件和提高柵源電壓的方法，可是調(diào)節(jié)器件的物理尺寸不可避免地會帶來一些不必要的寄生效應(yīng)，比如增大器件的寬度會增加器件面積進(jìn)而增加?xùn)烹娙?，脈沖控制信號會通過電容耦合到模擬開關(guān)的輸入和輸出，在每個(gè)開關(guān)周期其充放電過程中會消耗更多的電流，時(shí)間常數(shù)t=RC, 充放電時(shí)間取決于負(fù)載電阻和電容，使得開關(guān)的速度變慢，同時(shí)增大寬長比也增加了器件的成本。當(dāng)前減小導(dǎo)通電阻的普遍辦法是提高開關(guān)管的柵電壓。

1 傳統(tǒng)模擬開關(guān)原理及柵增壓原理

端分別為傳送信號的輸入、輸出端，兩個(gè)管子的柵極分別由極性相反的信號來控制。由于MOS管的源極和漏極可以互換，因此這個(gè)電路的輸入、輸出端也可以互換，它可以控制信息雙向流通，就像一個(gè)雙向開關(guān)。工作過程：當(dāng)控制信號S=1 時(shí)，PMOS 管和NMOS管均導(dǎo)通，傳輸門接通，信號暢行無阻;當(dāng)控制信號S=0 時(shí)，PMOS 管和NMOS 管均截止，傳輸門關(guān)閉，開關(guān)斷開。當(dāng)一管的導(dǎo)通電阻減小，則另一管的導(dǎo)通電阻就增加。由于兩管是并聯(lián)運(yùn)行，可近似地認(rèn)為開關(guān)的導(dǎo)通電阻近似為一常數(shù)。這是CMOS 傳輸門的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 模擬開關(guān)分析

CMOS 開關(guān)的導(dǎo)通電阻為：

展開為：

其中un 和up 表示NMOS 管和PMOS 管遷移率;Cox 表示器件的柵氧化層電容;Vg 表示NMOS 管柵電壓，Vthn|Vthp|分別表

示NMOS 管和PMOS 管的閾值電壓，如果設(shè)計(jì)時(shí)取

時(shí)，式(2)可化簡為：

導(dǎo)通電阻將不隨輸入信號改變而改變，可等效為一個(gè)恒定阻值的電阻，如式(3)，不會引起模擬信號的失真，由于導(dǎo)通電阻是由兩個(gè)電阻并聯(lián)，所以阻值較單管開關(guān)小得多，使得開關(guān)速率又得到提高。從式(3)中可以知道MOS 開關(guān)為了能提高速度和精度，需要抬高NMOS 管的柵電壓。增加?xùn)烹妷鹤钪苯拥霓k法就是提高電路的電源低壓，但是從低電壓系統(tǒng)角度來說這增加了成本，因此需要加一個(gè)電源電路，最好的辦法是芯片內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電壓來增加?xùn)烹妷骸?/p>

1.2 柵增壓原理

柵增壓原理是依靠電荷泵的工作原理：先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。本文中所用的電容式電荷泵采用電容器來貯存能量，通過電容對電荷的積累，電容A 端接時(shí)鐘信號Clk，當(dāng)A 點(diǎn)電位為0 時(shí)，B 點(diǎn)電位為Vdd;當(dāng)A點(diǎn)電位為Vdd 時(shí)，由于電容兩端的電壓不會突變，理想情況下，此時(shí)B 點(diǎn)電位被抬升為2Vdd，因?yàn)殡姾杀玫挠行ч_環(huán)輸出電阻存在，使得實(shí)際情況B 點(diǎn)電位低于2Vdd。

2 改進(jìn)型模擬開關(guān)電路設(shè)計(jì)

2.1 電路描述和分析

圖4 為本文設(shè)計(jì)的柵增壓電路，M3 和M4 組成了一對傳輸門，可以保證輸入信號在高低電壓無損失地傳輸?shù)絺鬏旈T的另一端。M1 的柵極接反相器的輸出端，漏源兩端分別接電容正極板和電源電壓，M1 的作用是當(dāng)開關(guān)連通且時(shí)鐘信號為高電平時(shí)，保證電容電壓抬升后不會迅速放電使電容正極板電位為0。M2 的柵極接時(shí)鐘信號CLK，漏源兩端分別接電容正極板和電源電壓，它的作用是當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，M2 導(dǎo)通時(shí)使電容正極板電位保持在電源電壓。下面分析該電路的工作情況：

當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，S 為低電平，M1 導(dǎo)通，保證電容正極板上的電壓最低為VDD，此時(shí)M3 和M4 都不導(dǎo)通，信號不能達(dá)到輸出端。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，S 為高電平，M1 截止，時(shí)鐘為低電平時(shí)，M2 和M5 導(dǎo)通，M1 和M6 關(guān)閉，電容充電至P-Vds;CLK為高時(shí)，由于電容兩邊電壓不會突變，電容正極板上的電壓會被抬升至原來的兩倍。

從上面分析可知，所有跟開關(guān)柵端電壓連通的電壓都是和輸入信號無關(guān)的，因此開關(guān)導(dǎo)通電阻與輸入信號無關(guān)，可以大大抑制信號有關(guān)的電壓損失，保證了信號的線性度和器件的可靠性。

2.2 性能仿真及結(jié)果分析

基于NEC0.35umCMOS 工藝的模型參數(shù)，采用Spectre 模擬軟件，對圖3 進(jìn)行模擬仿真。電源電壓為5V，輸入信號singlin為500KHZ，信號幅度5V,電荷泵時(shí)鐘為100MHZ，電容為1.8pf，仿真得到了開關(guān)導(dǎo)通電阻隨Vg 電壓的變化(圖5)、電荷泵抬升后的電壓(圖6)和輸出信號結(jié)果(圖7)，可見，導(dǎo)通電阻在大于電源電壓時(shí)急劇降低，電容正極板上的電壓可以抬升至9V，輸出電壓波形比較理圖想，損耗很小，幾乎沒有。

3 結(jié)語

本文分析了CMOS 模擬開關(guān)對傳輸信號的影響。利用電荷泵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種5V 電源電壓下的模擬開關(guān)，該器件適用于0~5V 的輸入信號，并能將0~5V 的時(shí)鐘信號抬升到0~10V，從而具有更好的線性特性和更小的導(dǎo)通電阻，大大降低信號的失真。對開關(guān)電路進(jìn)行了分析，采用Spectre 軟件，基于NEC0.35um CMOS 工藝條件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的線性度和可靠性。