专利名称：高线性度cmos模拟开关的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种高线性度CMOS模拟开关。
背景技术：
在当今混合信号集成电路设计领域中，开关电容电路正扮演着极其重要的角色。过去，电路中往往会使用电阻，但在CMOS工艺里很难精确控制电阻阻值，因此电路的精度很难提高。相比之下，实现精确的电容则较为容易，因此开关电容电路可以获得更高的精度。此外，开关电容电路利用了电荷存储原理，故具有更大的动态范围和更好的温度特性。凭借其自身的诸多优点，开关电容电路已被广泛的应用于音频调制、无线收发机的基带信号处理等系统中。就具体电路而言，主要为模/数、数/模转换器和各种滤波器。
但随着集成电路的发展，对电路精度的要求与日俱增，以往简单的开关电容电路已经不能再满足要求。其主要的瓶颈之一就是开关的非线性，即开关导通电阻的不稳定制约着整个电路的线性度。对于图1所示的开关模型，当时钟Ck为高电平(电源电压Vdd)时，可推导出开关1的导通电阻如下RON=1μnCoxWL(Vdd-Vin-VTHN)]]>其中，RON为开关导通电阻，μn为电子迁移率，Cox为单位面积的栅氧化层电容，W/V为MOS管的宽长比。由此可见，影响线性度的一个主要问题是MOS管栅-源电压(Vdd-Vin)和阈值电压VTHN的变化引起导通电阻的变化。解决此问题的一个比较有效的方法就是利用栅压自举技术，如图2所示，把采样开关19的栅电压提高到(Vdd+Vin)，从而消除了栅-源电压随输入信号Vin而变化引起的非线性(见下式)。
RON=1μnCoxWL(Vdd+Vin-Vin-VTHN)=1μnCoxWL(Vdd-VTHN)]]>这种方法已经成熟应用于高精度电路的设计中，如Andrew M.Abo and Paul R.Gray，“A 1.5-V，10-bit，14.3-MS/s CMOS Pipeline Analog-to-Digital Converter，”IEEEJ.Solid-State Circuits，vol.34，NO.5，pp.599-606，May 1999。然而它却没有考虑阈值电压随输入信号的变化，当精度要求进一步提高时，这个问题将会非常严重。因此，如何进一步提高开关的线性度，已成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种高线性度CMOS模拟开关结构，以克服现有模拟开关失真较大的不足，满足当今高精度电路对模拟开关的严格要求。
本发明提出的高线性度CMOS模拟开关，由3个分压电阻、1个运算放大器、1个复制采样开关、1个采样开关、1个升压电路经电路连接组成。由运算放大器和复制采样开关形成负反馈电路，为复制采样开关复制出与采样开关相同的阈值电压。将复制采样开关的栅电压经过升压电路后，作为采样开关的控制信号，以消除采样开关导通电阻随输入信号和阈值电压的变化，从而大大提高了采样开关的线性度。具体电路结构见图3所示。其中分压电阻20和21形成从输入信号端到地之间的分压，分压输出连接到运算放大器29的正输入端。复制采样管30的漏端连接到输入信号端，栅端连接到运算放大器29的输出端，源端连接到运算放大器(29)的负输入端。分压电阻22的一端连接到复制采样开关30的源端，另一端连接到地。电压提升电路为常规电路，由时钟Φs控制的开关23、27，反向时钟Φp控制的开关24、26、28，电容25经电路连接组成，其具体的电路结构见图4所示。图4中的Vin连接到运算放大器29的输出端，Vg连接到采样开关31的栅端。采样开关31的漏端连接到输入信号端，栅端连接到电压提升电路的输出端，源端连接到采样输出端。其中电阻21和22具有相同的阻值，且大于电阻20的阻值。其中升压电路利用两相时钟Φs和Φp控制。其中复制采样开关30应该和采样开关31具有相同的尺寸。下面将具体说明其工作原理。
由于电阻20小于电阻21和22，所以在节点33的分压电平基本等于输入信号Vin。又由于运算放大器29和NMOS管30形成负反馈，节点34和节点33的电平相等，因此节点34的电平也基本等于输入信号Vin。那么复制采样开关30的漏-源电压将非常小，管子工作在深线性区，这与采样开关31的工作状态是一致的。通过调节电阻20、21、22的阻值，可以让复制采样开关30和采样开关31的漏-源电压基本相等。由于它们的漏端都接着Vin，因此它们的源端电位相等，即拥有相同的源一体偏衬电压VSB。由下面列出的MOS管阈值电压表达式可知，开关管30和开关管31拥有基本相等的阈值电压。
VTHN=VTH0+γsub[2|Φf|+VSB-2|Φf|]]]>其中，VTHN为本征阈值电压，γsub为体效应系数，Φf为表面势，VSB为源体电势差。
由于节点33和节点34电平等于Vin，且电阻21和22相等，所以晶体管30的导通电阻等于电阻20。那么由下面的推导可以得到节点32的电平。所以利用升压电路，将节点32的电平提升一个固定的电压。
RON,M30=1μnCoxWL(V32-Vin-VTHN)=R20→V32=Vin+VTHN+1μnCoxWLR20]]>VBoost后作为采样开关31的控制信号，就可以让采样开关31的导通电阻表达式与Vin和VTHN都无关(见下式)，从而大大提高开关的线性度。
RON,M31=1μnCoxWL(Vin+VTHN+1μuCoxWLR20+VBoost-Vin-VTHN)=1μnCoxWL(1μnCoxWLR20+VBoost)]]>这里，RON，M30，RON，M31分别表示MOS管30和31的导通电阻，R20、R32分别表示电阻20、32的阻值，其余符号含义同前。
图1采样开关原理图。
图2传统栅压自举开关电路图。
图3本发明提出的具有高线性度的新型CMOS模拟开关结构图。
图4本发明中所使用的电压提升电路图。
标号说明1、3、6、9、11、13、15、16、17、18、19、30、31、36、39、42、44、46、48、49、50、51为NMOS管，12、14、45、47为PMOS管，2、4、7、10、25、37、40、43为电容，5、8、38、41为反向器，20、21、22、为电阻，29为运算放大器，23、27为时钟Φs控制的开关，24、26、28为反相时钟Φp控制的开关，33、34、35为节点。
具体实施例方式
下面结合附图进一步描述本发明。
在图3中，电阻21和22具有相同的阻值，并远大于电阻20的阻值。因此输入信号Vin经过电阻20、21分压后，在节点33产生一个近似等于Vin的信号作为运放29正端的输入。运放29和复制采样开关(采用晶体管)30组成负反馈电路，使得节点34的电平等于33点的电平，即也近似等于输入信号Vin。因此晶体管30的漏-源电压非常小，工作在深线性区，这与采样开关管31的工作状态一致。由于复制采样开关30和采样开关31具有相同的尺寸，通过调节电阻20、21、22的阻值，就可以让复制采样开关30和采样开关管31的漏-源电压基本相等。由于复制采样开关30和采样开关管31具有相同的漏电压，那么它们的源电压也相等，因此具有相同的体效应，从而有相同的阈值电压VTHN(见下式)。
VTHN=VTHO+γsub[2|Φf|+VSB-2|Φf|]]]>由于节点33和节点34的电平都等于Vin，且电阻21和22相等，可得晶体管30的导通电阻RON，M30等于电阻20的阻值。由此可以推导出节点32的电平如下。最后利用升压电路把节点32的电平提升一个固定RON,M30=1μnCoxWL(V32-Vin-VTHN)=R20→V32=Vin+VTHN+1μnCoxWLR20]]>电压VBoost后作为采样开关31栅端(节点35)的控制电压，则可由下式计算出采样开关管31的导通电阻与输入信号和阈值电压均无关，因此具有很高的线性度。
RON,M31=1μnCoxWL(Vin+VTHN+1μuCoxWLR20+Vdd-Vin-VTHN)=1μnCoxWL(1μnCoxWLR20+Vdd)]]>其中由元件23～28组成的升压电路，具体采用了图4中的结构，为常规电路，将图4中的Vin节点连接到图3中的32节点，将图4中的Vg节点连接到图3中的35节点，就可以形成一个VBoost＝Vdd的升压电路。
权利要求
1.一种高线性度CMOS模拟开关，其特征在于由分压电阻(20、21、22)、电压提升电路、运算放大器(29)、复制采样开关(30)和采样开关(31)经电路连构成，其中分压电阻(20、21)形成从输入信号端到地之间的分压，分压输出连接到运算放大器(29)的正输入端；复制采样管(30)的漏端连接到输入信号端，栅端连接到运算放大器(29)的输出端，源端连接到运算放大器(29)的负输入端，分压电阻(22)的一端连接到复制采样开关(30)的源端，另一端连接到地；电压提升电路为常规电路，由时钟Φs控制的开关(23、27)，反向时钟Φp控制的开关(24、26、28)和电容(25)经电路连接组成，其Vin连接到运算放大器(29)的输出端，Vg连接到采样开关(31)的栅端；采样开关(31)的漏端连接到输入信号端，栅端连接到电压提升电路的输出端，源端连接到采用输出端。
2.根据权利要求1所述的高线性度CMOS模拟开关，其特征在于电阻(21、22)具有相同的阻值，且大于电阻(20)的阻值。
3.根据权利要求1所述的高线性度CMOS模拟开关，其特征在于复制采样开关(30)和采样开关(31)具有相同的尺寸。
全文摘要
本发明属于集成电路技术领域，具体为一种具有高线性度的新型模拟开关。它由3个分压电阻、1个运算放大器、1个复制采样开关、1个采样开关、1个升压电路组成。由运算放大器和复制采样开关形成负反馈电路，为复制采样开关复制出与采样开关相同的阈值电压。将复制采样开关的栅电压经过升压电路后，作为采样开关的控制信号，以消除采样开关导通电阻随输入信号和阈值电压的变化，从而大大提高了采样开关的线性度。
文档编号G11C27/02GK1901371SQ200610029168
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者彭云峰, 严伟, 周锋 申请人:复旦大学