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


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