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基于电荷泵改进型CMOS模拟开关电路

基于电荷泵改进型CMOS模拟开关电路
来源:互联网 时间:2015-05-22

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,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:



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,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。