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一种基于电荷泵改进型cmos的模拟开关电路
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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。

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,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。

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。

上图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。

基于nec0.35umcmos 工艺的模型参数,采用spectre 模拟软件,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、电荷泵抬升后的电压和输出信号结果,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。

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。

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