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

2改進(jìn)型模擬開(kāi)關(guān)電路設計

2.1電路描述和分析

圖4為本文設計的柵增壓電路，M3和M4組成了一對傳輸門(mén)，可以保證輸入信號在高低電壓無(wú)損失地傳輸到傳輸門(mén)的另一端。M1的柵極接反相器的輸出端，漏源兩端分別接電容正極板和電源電壓，M1的作用是當開(kāi)關(guān)連通且時(shí)鐘信號為高電平時(shí)，保證電容電壓抬升后不會(huì )迅速放電使電容正極板電位為0.M2的柵極接時(shí)鐘信號CLK，漏源兩端分別接電容正極板和電源電壓，它的作用是當開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，M2導通時(shí)使電容正極板電位保持在電源電壓。下面分析該電路的工作情況：

當開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，S為低電平，M1導通，保證電容正極板上的電壓最低為VDD，此時(shí)M3和M4都不導通，信號不能達到輸出端。當開(kāi)關(guān)導通時(shí)，S為高電平，M1截止，時(shí)鐘為低電平時(shí)，M2和M5導通，M1和M6關(guān)閉，電容充電至P-Vds；CLK為高時(shí)，由于電容兩邊電壓不會(huì )突變，電容正極板上的電壓會(huì )被抬升至原來(lái)的兩倍。

從上面分析可知，所有跟開(kāi)關(guān)柵端電壓連通的電壓都是和輸入信號無(wú)關(guān)的，因此開(kāi)關(guān)導通電阻與輸入信號無(wú)關(guān)，可以大大抑制信號有關(guān)的電壓損失，保證了信號的線(xiàn)性度和器件的可靠性。

圖3柵增壓仿真結果

圖4改進(jìn)型柵增壓電路

2.2性能仿真及結果分析

基于NEC0.35umCMOS工藝的模型參數，采用Spectre模擬軟件，對圖3進(jìn)行模擬仿真。電源電壓為5V，輸入信號singlin為500KHZ，信號幅度5V，電荷泵時(shí)鐘為100MHZ，電容為1.8pf，仿真得到了開(kāi)關(guān)導通電阻隨Vg電壓的變化（圖5）、電荷泵抬升后的電壓（圖6）和輸出信號結果（圖7），可見(jiàn)，導通電阻在大于電源電壓時(shí)急劇降低，電容正極板上的電壓可以抬升至9V，輸出電壓波形比較理圖想，損耗很小，幾乎沒(méi)有。

圖5開(kāi)關(guān)導通電阻的DC仿真結果

圖6柵電壓tran仿真結果

圖7輸出電壓仿真結果

3結語(yǔ)

本文分析了CMOS模擬開(kāi)關(guān)對傳輸信號的影響。利用電荷泵技術(shù)，設計了一種5V電源電壓下的模擬開(kāi)關(guān)，該器件適用于0~5V的輸入信號，并能將0~5V的時(shí)鐘信號抬升到0~10V，從而具有更好的線(xiàn)性特性和更小的導通電阻，大大降低信號的失真。對開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行了分析，采用Spectre軟件，基于NEC0.35um CMOS工藝條件進(jìn)行仿真，驗證了該結構的線(xiàn)性度和可靠性。