专利名称：应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种应用于采样保持电路的重要模块，具体涉及采用自举 (bootstrapped)和多充放电通路技术适用于高速度、高线性度模数转换器的模拟开关。
背景技术：
在现代混合信号集成电路中，模数转换器是不可缺少的组成部分，其转换精度和速度对整个系统的性能起着决定性作用。在采样保持电路中使用的模拟开关则决定了模数转换器的动态范围和采样率。图1给出了一个由CMOS开关和电容组成的简单采样保持电路。传统的CMOS开关由于导通电阻大和随着输入信号大小变化的缺点很难用于高线性度的模数转换器中(如图2所示的绿色曲线)。增大MOS管的尺寸可以减小这些非理想因素，但是会对时钟缓冲器提出更高的要求，相应的需要更大的功耗。此外在低电压设计中，当电源电压小于NMOS管和PMOS管阈值电压之和时，传统CMOS开关会出现导通电阻特别大的一段区域。为了解决传统CMOS开关遇到的问题，如图3所示，一种自举式开关(见参考文献 A.M.Abo and P. R. Gray, "A 1. 5-V 10-bit 14. 3-MS/s CMOS PipelineAnalog-to-Digital Converter，” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 34, pp. 599-606，May 1999.)通过时钟升压器(clock booster)，在起开关作用的MOS管的栅极和输入端产生相对恒定并且接近电源电压的压差，可以获得较小并且不随输入信号大小变化的导通电阻。在模数转换器中广泛使用的下极板采样技术需要关断时间(turn-off time)尽量短的开关，于此同时为了进一步提高采样率在电路设计中不断压缩采样的时间，因而也对开启时间(turn-on time) 提出了更高的要求。这种自举式开关就存在关断时间和开启时间较长的缺点，并且由于保证可靠性而使用的高压NMOS管(如图3中的Mll和M12)进一步限制了开关切换的速度。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供一种应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，在目前普遍采用的做法基础上，缩短开关关断和开启时间的需求，本发明在不增加设计复杂度和芯片面积的前提下，使用多充放电通路技术提高开关切换速度，并且不再需要使用高压NMOS管。本发明是采用以下技术手段实现的本发明一种应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，包括时钟升压器、栅源电压跟随器、导通开关和充放电增强电路，时钟升压器产生两倍的电源电压，对电容充电；栅源电压跟随器在导通开关闭合时将电容连接在其栅源极之间，保持在不同电压输入下相对恒定的栅源电压差；充放电增强电路增加在开关切换时的充电或放电回路， 其中前述时钟升压器包含一个反相器II、两个NMOS管Ml和M2、两个电容Cl和C2，其中反相时钟信号连接到前述电容Cl的下极板，经过反相器Il连接到前述电容C2的下极板；Ml和M2的漏极连接到电源，其栅极连接到彼此的源极，并且分别连接Cl和C2的上极板。前述栅极电压跟随器包含五个匪OS管M3、M4、M6、M8和M9、两个PMOS管M5和M7、 一个电容C3，其中M3的栅极与前述时钟升压器中M2的栅极连接，漏极连接电源，源极连接电容C3的上极板，NMOS管M4的栅极由反相时钟信号控制，源极连接到地，漏极连接电容C3 的下极板；PMOS管M7的源极和漏极分别连接电容C3的上极板和前述NMOS管M9的栅极， M9的漏极和源极分别连接电容C3的下极板和输入端；NMOS管M6的栅极由正相时钟信号控制，漏极连接PMOS管M7的栅极，源极连接电容C3的下极板；M8的栅极和M9的栅极相连， 漏极连接PMOS管M7的栅极，源极连接前述电容C3的下极板；PMOS管M5的栅极由正相时钟信号控制，源极连接电源，漏极连接PMOS管M7的栅极。导通开关包含一个NMOS管M10，其源极和漏极分别连接到输入端和输出端，栅极与前述栅极电压跟随器中NMOS管M9的栅极相连。充放电增强电路包含两个NMOS管M13和M14，其中M13的栅极由正相时钟信号控制，漏极连接电源，源极连接PMOS管M7的漏极；M14的栅极由反相时钟信号控制，漏极连接 NMOS管M9的栅极，源极连接M9的漏极。本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果本发明应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，和传统方式相同大小的MOS管相比，在实现高线性度的前提下，提高了开关切换的速度，同时缩短了关断和开启时间。实现了适用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，具有结构简单、面积小、功耗低和开关切换速度快的特点。
图1为采用传统CMOS开关的采样保持电路图；图2为NMOS管、PMOS管和CMOS开关在不同输入电压下导通电阻仿真结果示意图；图3为Abo提出的自举式开关电路图；图4为本发明提出的高速度高线性度自举式开关电路图；图5为传统方式和本发明在开关切换时导通开关(MlO)的栅源极电压的仿真结果示意图；图6为本发明自举式开关采样的频谱图。符号说明41为充放电增强电路；具体实施方法本发明实施例中的自举式采样开关如图4所示。包括时钟升压器、栅源电压跟随器、导通开关和充放电增强电路。1.时钟信号控制自举式采样开关由关断(turn-off)切换到开启(turn-on)两个NMOS管M6和M13同时打开，这样就可以在PMOS管M7打开之前对三个NMOS 管M8、M9和MlO的栅极充电。由于这部分充电电荷直接来自于电源而不是电容C3，这样就可以有更多的电荷加在作为导通开关的NMOS管MlO的栅源极之间，与此对应的是更高的栅源电压和更小的导通电阻。除此之外，更高的栅源电压也能加快两个NMOS管M8和M9的开CN 102185596 A
说明书
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启速度，并间接加快PMOS管M7的开启速度。当PMOS管M7完全开启后，由于栅源电压小于阈值电压，NMOS管M13关断，也不再影响导通开关MlO的栅极电压。通过对比图3和图4中用实线标注的充电通路，本发明通过增加一条额外通路的方式缩短开关的开启时间。2.时钟信号控制自举式采样开关由开启(turn-on)切换到关断(turn-off)NMOS管M14打开后，将导通开关MlO的栅极和源极短路，这也是将一个MOS管关断最直接的方法。NMOS管M4会将导通开关MlO的栅源极最终拉到地。由于导通开关MlO的栅源电压在被拉到地之前就已经短接在一起，因此相对于图3所示的传统的分别将其栅极和源极拉到地的方法能够更快的关断开关。而且由于不再需要传统方法中必须使用的高压 MOS管(如图3中的Mll和M12)，减小了导通开关MlO栅极上的寄生电容，进一步加快了关断速度。通过对比图3和图4中用虚线标注的放电通路，本发明通过优化原有通路缩短开关的关断时间。当输入信号较大时，用来短接导通开关MlO栅源极的NMOS管M14可能不能直接打开，但是随着NMOS管M4将NMOS管M14的源极电压降低，导通开关MlO源漏极的放电通路也将打开。即使这样，放电速度也将快于如图3所示的传统方式。增加NMOS管M4的尺寸可以有效提升这种极端情况下的关断速度，而且因此带来的寄生电容几乎不会占用电容C3 上储存的电荷。由于在NMOS管M14源漏极之间的电压总是小于电源电压，所以不需要使用高压MOS管保证电路的可靠性。根据图5和图6的仿真结果可以看出，本发明的实施例使用和传统方式相同大小的MOS管，在实现高线性度的前提下，提高了开关切换的速度，同时缩短了关断和开启时间。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，包括时钟升压器、栅源电压跟随器、导通开关和充放电增强电路，其特征在于时钟升压器产生数倍的电源电压，对电容充电；栅源电压跟随器在导通开关闭合时将电容连接在其栅源极之间，保持在不同电压输入下相对恒定的栅源电压差；充放电增强电路增加在开关切换时的充电或放电回路，其中所述时钟升压器包含一个反相器(II)、两个NMOS管(Ml)和(Μ》、两个电容(Cl)和 (C2)；反相时钟信号连接到电容(Cl)的下极板，经过反相器(Il)连接到电容(C2)的下极板；(Ml)和(IC)的漏极连接到电源，其栅极连接到彼此的源极，并且分别连接电容(Cl)和 (C2)的上极板；所述栅极电压跟随器包含五个NMOS管(M3)、(M4)、(M6)、(M8)和(M9)、两个PMOS管 (M5)和(M7)、一个电容(⑶，其中=NMOSfi (M3)的栅极与时钟升压器中NMOS管(M2)的栅极连接，漏极连接电源，源极连接电容(O)的上极板，NMOS管(M4)的栅极由反相时钟信号控制，源极连接到地，漏极连接电容(O)的下极板；PMOS管(M7)的源极和漏极分别连接电容(O)的上极板和NMOS管(M9)的栅极，NMOS管(M9)的漏极和源极分别连接电容(C3)的下极板和输入端；NMOS管(M6)的栅极由正相时钟信号控制，漏极连接(M7)的栅极，源极连接电容(O)的下极板；(M8)的栅极和(M9)的栅极相连，漏极连接(M7)的栅极，源极连接电容(C3)的下极板；(M5)的栅极由正相时钟信号控制，源极连接电源，漏极连接(M7)的栅极；所述导通开关包含一个NMOS管(MlO)，其源极和漏极分别连接到输入端和输出端，栅极与栅极电压跟随器中NMOS管(M9)的栅极相连；所述充放电增强电路包含两个NMOS管(M13)和(M14)，其中(M13)的栅极由正相时钟信号控制，漏极连接电源，源极连接PMOS管(M7)的漏极；NMOS管(M14)的栅极由反相时钟信号控制，漏极连接(M9)的栅极，源极连接(M9)的漏极。
2.根据权利要求1所述的应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，其特征在于所述的时钟升压器产生的数倍的电源电压，为电容充电；其数倍为二倍。
全文摘要
一种应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，包括时钟升压器、栅源电压跟随器、导通开关和充放电增强电路，时钟升压器产生数倍的电源电压，对电容充电；栅源电压跟随器在导通开关闭合时将电容连接在其栅源极之间，保持在不同电压输入下相对恒定的栅源电压差；充放电增强电路增加在开关切换时的充电或放电回路，缩短关断和开启时间，减小导通开关栅极的寄生电容，从而减少电容上存储电荷的损耗，并且不再需要使用高压MOS管，与此同时实现了高线性度的采样(能在65纳米CMOS工艺下超过一千兆赫兹采样率并且获得大于95分贝的无杂散动态范围)。这种结构没有引入复杂的逻辑控制电路，不会增加芯片面积，而且不需要提高时钟缓冲器的要求。
文档编号H03K17/687GK102185596SQ201110108268
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者林平分, 黄冠中 申请人:北京工业大学