基于電荷泵改進(jìn)型CMOS模擬開(kāi)關(guān)電路

　　當前VLSI技術(shù)不斷向深亞微米及納米級發(fā)展，模擬開(kāi)關(guān)是模擬電路中的一個(gè)十分重要的原件，由于其較低的導通電阻，極佳的開(kāi)關(guān)特性以及微小封裝的特性，受到人們的廣泛關(guān)注。模擬開(kāi)關(guān)導通電阻的大小直接影響開(kāi)關(guān)的性能，低導通電阻不僅可以降低信號損耗而且可以提高開(kāi)關(guān)速度。要減小開(kāi)關(guān)導通電阻，可以通過(guò)采用大寬長(cháng)比的器件和提高柵源電壓的方法，可是調節器件的物理尺寸不可避免地會(huì )帶來(lái)一些不必要的寄生效應，比如增大器件的寬度會(huì )增加器件面積進(jìn)而增加柵電容，脈沖控制信號會(huì )通過(guò)電容耦合到模擬開(kāi)關(guān)的輸入和輸出，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期其充放電過(guò)程中會(huì )消耗更多的電流，時(shí)間常數t=RC，充放電時(shí)間取決于負載電阻和電容，使得開(kāi)關(guān)的速度變慢，同時(shí)增大寬長(cháng)比也增加了器件的成本。當前減小導通電阻的普遍辦法是提高開(kāi)關(guān)管的柵電壓。

　　1傳統模擬開(kāi)關(guān)原理及柵增壓原理

　　圖1傳統模擬開(kāi)關(guān)

　　在MOS技術(shù)中，傳統的開(kāi)關(guān)實(shí)現就是一個(gè)PMOS管和一個(gè)NMOS管并聯(lián)，如圖1所示，A和B兩端分別為傳送信號的輸入、輸出端，兩個(gè)管子的柵極分別由極性相反的信號來(lái)控制。由于MOS管的源極和漏極可以互換，因此這個(gè)電路的輸入、輸出端也可以互換，它可以控制信息雙向流通，就像一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)。工作過(guò)程：當控制信號S=1時(shí)，PMOS管和NMOS管均導通，傳輸門(mén)接通，信號暢行無(wú)阻;當控制信號S=0時(shí)，PMOS管和NMOS管均截止，傳輸門(mén)關(guān)閉，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。當一管的導通電阻減小，則另一管的導通電阻就增加。由于兩管是并聯(lián)運行，可近似地認為開(kāi)關(guān)的導通電阻近似為一常數。這是CMOS傳輸門(mén)的優(yōu)點(diǎn)。

　　1.1模擬開(kāi)關(guān)分析

　　CMOS開(kāi)關(guān)的導通電阻為：

　　導通電阻將不隨輸入信號改變而改變，可等效為一個(gè)恒定阻值的電阻，如式(3)，不會(huì )引起模擬信號的失真，由于導通電阻是由兩個(gè)電阻并聯(lián)，所以阻值較單管開(kāi)關(guān)小得多，使得開(kāi)關(guān)速率又得到提高。從式(3)中可以知道MOS開(kāi)關(guān)為了能提高速度和精度，需要抬高NMOS管的柵電壓。增加柵電壓最直接的辦法就是提高電路的電源低壓，但是從低電壓系統角度來(lái)說(shuō)這增加了成本，因此需要加一個(gè)電源電路，最好的辦法是芯片內部產(chǎn)生一個(gè)電壓來(lái)增加柵電壓。

　　1.2柵增壓原理

　　柵增壓原理是依靠電荷泵的工作原理：先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。本文中所用的電容式電荷泵采用電容器來(lái)貯存能量，通過(guò)電容對電荷的積累，電容A端接時(shí)鐘信號Clk，當A點(diǎn)電位為0時(shí)，B點(diǎn)電位為Vdd;當A點(diǎn)電位為Vdd時(shí)，由于電容兩端的電壓不會(huì )突變，理想情況下，此時(shí)B點(diǎn)電位被抬升為2Vdd，因為電荷泵的有效開(kāi)環(huán)輸出電阻存在，使得實(shí)際情況B點(diǎn)電位低于2Vdd.

　　圖2柵增壓基本電路