基于电荷泵改进型CMOS模拟开关电路

1、基于电荷泵改进型cmos模拟开关电路当前vlsi 技术不断向深亚微米及纳米级进展，模拟开关是中的一个非常重要的原件，因为其较低的导通，极佳的开关特性以及极小封装的特性，受到人们的广泛关注。模拟开关导通电阻的大小挺直影响开关的性能，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，可以通过采纳大宽长比的器件和提高栅源的办法，可是调整器件的物理尺寸不行避开地会带来一些不须要的寄生效应，比如增大器件的宽度会增强器件面积进而增强栅，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，时光常数t=rc, 充放电时光取决于负载电阻和电容，使得开

2、关的速度变慢，同时增大宽长比也增强了器件的成本。当前减小导通电阻的普遍方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，1 所示，a 和b 两端分离为传送信号的输入、输出端，两个管子的栅极分离由极性相反的信号来控制。因为mos管的源极和漏极可以互换，因此这个的输入、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

3、管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增强。因为两管是并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是 传输门的优点。1.1 模拟开关分析cmos 开关的导通电阻为：绽开为：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|分离表示nmos 管和pmos 管的阈值电压，假如设计时取时，式（2）可化简为：导通电阻将不随输入信号转变而转变，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，因为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mo

4、s 开关为了能提高速度和精度，需要抬高nmos 管的栅电压。增强栅电压最挺直的方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强了成本，因此需要加一个电源电路，最好的方法是芯片内部产生一个电压来增强栅电压。1.2 栅增压原理栅增压原理是依赖电荷泵的工作原理：先储藏能量，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纳来储藏能量，通过电容对电荷的堆积，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，因为电容两端的电压不会突变，抱负状况下，此时b 点电位被抬升为2vdd，由于电荷泵的有效开环输出电阻存在，使得实际状况b

5、 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凹凸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，漏源两端分离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常，保证电容电压抬升后不会快速放电使电容正极板电位为0。m2 的栅极接时钟信号clk，漏源两端分离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状况：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

6、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，时钟为低电平常，m2 和m5 导通，m1 和m6 关闭，电容充电至p-vds；clk为高时，因为电容两边电压不会突变，电容正极板上的电压会被抬升至本来的两倍。从上面分析可知，全部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牢靠性。图3 栅增压结果图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，采纳spectre 模拟软件，对图3 举行模拟仿真。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 电压的变幻（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05v 的输入信号，并能将05v 的时钟信号抬升到01