基于电荷泵改进型CMOS模拟开关电路 开关, 而且, 影响

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关键字：电荷泵改进   电平抬升   模拟开关设计  
当前VLSI 技术不断向深亚微米及纳米级发展，模拟开关是模拟电路中的一个十分重要的原件，由于其较低的导通电阻，极佳的开关特性以及微小封装的特性，受到人们的广泛关注。模拟开关导通电阻的大小直接影响开关的性能，低导通电阻不仅可以降低信号损耗而且可以提高开关速度。要减小开关导通电阻，可以通过采用大宽长比的器件和提高栅源电压的方法，可是调节器件的物理尺寸不可避免地会带来一些不必要的寄生效应，比如增大器件的宽度会增加器件面积进而增加栅电容，脉冲控制信号会通过电容耦合到模拟开关的输入和输出，在每个开关周期其充放电过程中会消耗更多的电流，时间常数t=RC, 充放电时间取决于负载电阻和电容，使得开关的速度变慢，同时增大宽长比也增加了器件的成本。当前减小导通电阻的普遍办法是提高开关管的栅电压。
1 传统模拟开关原理及栅增压原理



图1 传统模拟开关



在MOS 技术中，传统的开关实现就是一个PMOS 管和一个NMOS 管并联，如图1 所示，A 和B 两端分别为传送信号的输入、输出端，两个管子的栅极分别由极性相反的信号来控制。由于MOS管的源极和漏极可以互换，因此这个电路的输入、输出端也可以互换，它可以控制信息双向流通，就像一个双向开关。工作过程：当控制信号S=1 时，PMOS 管和NMOS管均导通，传输门接通，信号畅行无阻；当控制信号S=0 时，PMOS 管和NMOS 管均截止，传输门关闭，开关断开。当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管是并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS 传输门的优点。

1.1 模拟开关分析

CMOS 开关的导通电阻为：




展开为：


其中un 和up 表示NMOS 管和PMOS 管迁移率；Cox 表示器件的栅氧化层电容；Vg 表示NMOS 管栅电压，Vthn|Vthp|分别表
示NMOS 管和PMOS 管的阈值电压，如果设计时取



时，式（2）可化简为：



导通电阻将不随输入信号改变而改变，可等效为一个恒定阻值的电阻，如式（3），不会引起模拟信号的失真，由于导通电阻是由两个电阻并联，所以阻值较单管开关小得多，使得开关速率又得到提高。从式（3）中可以知道MOS 开关为了能提高速度和精度，需要抬高NMOS 管的栅电压。增加栅电压最直接的办法就是提高电路的电源低压，但是从低电压系统角度来说这增加了成本，因此需要加一个电源电路，最好的办法是芯片内部产生一个电压来增加栅电压。

1.2 栅增压原理

栅增压原理是依靠电荷泵的工作原理：先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。本文中所用的电容式电荷泵采用电容器来贮存能量，通过电容对电荷的积累，电容A 端接时钟信号Clk，当A 点电位为0 时，B 点电位为Vdd；当A点电位为Vdd 时，由于电容两端的电压不会突变，理想情况下，此时B 点电位被抬升为2Vdd，因为电荷泵的有效开环输出电阻存在，使得实际情况B 点电位低于2Vdd。



图2 栅增压基本电路2 改进型模拟开关电路设计

2.1 电路描述和分析

图4 为本文设计的栅增压电路，M3 和M4 组成了一对传输门，可以保证输入信号在高低电压无损失地传输到传输门的另一端。M1 的栅极接反相器的输出端，漏源两端分别接电容正极板和电源电压，M1 的作用是当开关连通且时钟信号为高电平时，保证电容电压抬升后不会迅速放电使电容正极板电位为0。M2 的栅极接时钟信号CLK，漏源两端分别接电容正极板和电源电压，它的作用是当开关关闭时，M2 导通时使电容正极板电位保持在电源电压。下面分析该电路的工作情况：

当开关关闭时，S 为低电平，M1 导通，保证电容正极板上的电压最低为VDD，此时M3 和M4 都不导通，信号不能达到输出端。当开关导通时，S 为高电平，M1 截止，时钟为低电平时，M2 和M5 导通，M1 和M6 关闭，电容充电至P-Vds；CLK为高时，由于电容两边电压不会突变，电容正极板上的电压会被抬升至原来的两倍。

从上面分析可知，所有跟开关栅端电压连通的电压都是和输入信号无关的，因此开关导通电阻与输入信号无关，可以大大抑制信号有关的电压损失，保证了信号的线性度和器件的可靠性。



图3 栅增压仿真结果



图4 改进型栅增压电路


2.2 性能仿真及结果分析

基于NEC0.35umCMOS 工艺的模型参数，采用Spectre 模拟软件，对图3 进行模拟仿真。电源电压为5V，输入信号singlin为500KHZ，信号幅度5V,电荷泵时钟为100MHZ，电容为1.8pf，仿真得到了开关导通电阻随Vg 电压的变化（图5）、电荷泵抬升后的电压（图6）和输出信号结果（图7），可见，导通电阻在大于电源电压时急剧降低，电容正极板上的电压可以抬升至9V，输出电压波形比较理图想，损耗很小，几乎没有。



图5 开关导通电阻的DC 仿真结果



图6 栅电压tran 仿真结果



图7 输出电压仿真结果



3 结语

本文分析了CMOS 模拟开关对传输信号的影响。利用电荷泵技术，设计了一种5V 电源电压下的模拟开关，该器件适用于0~5V 的输入信号，并能将0~5V 的时钟信号抬升到0~10V，从而具有更好的线性特性和更小的导通电阻，大大降低信号的失真。对开关电路进行了分析，采用Spectre 软件，基于NEC0.35um CMOS 工艺条件进行仿真，验证了该结构的线性度和可靠性。