自举开关的自举电压产生电路的制作方法

本发明属于高速低功耗ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)和SOC(System-on-a-Chip，系统级芯片)芯片领域，具体涉及一种自举开关的自举电压产生电路。

背景技术：

近年来，随着通信、SOC系统中A/D转换器精度和速度的不断提升，对A/D转换器的线性度、功耗的要求越来越苛刻，同时由于集成度的提高对芯片的面积也要求越来越小，因此，研究在低功耗、小面积的情况下实现高线性度的高速A/D转换器的需求更加迫切。

在高速高精度A/D转换器中，通常都会使用自举开关作为前端采样的采样开关，而自举开关作为制约整个A/D转换器性能的重要模块，其线性度和面积对于实现高性能小尺寸的转换器至关重要，在实际使用中存在以下问题：

1)常见的自举开关在深亚微米工艺下要实现理想的自举电压，需要把充电电容做的较大，造成了自举开关的版图尺寸过大以及动态功耗过高的问题，制约了A/D转换器整体的面积和功耗。

2)传统的自举开关需要在自举电压建立起来之前有一定的时间来逐渐完成电容的充电，会降低开关的自举速度，制约实时采样的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种自举开关的自举电压产生电路，以解决自举电压产生电路中充电速度较慢，尺寸较大且功耗较高的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种自举开关的自举电压产生电路，包括控制单元、第一充放电单元、第二充放电单元、电流镜和组合开关，其中所述电流镜中导通器件之间通过所述组合开关中的第一开关连接，所述电流镜输出侧的接地端通过所述第一开关接地且通过所述组合开关中的第二开关连接外置电压，所述电流镜的输入端和输出端都连接所述外置电压，且所述导通器件的连接节点通过所述第二充放电单元连接电平信号；

所述第一充放电单元的一端通过所述第二开关连接所述外置电压，通过所述第一开关接地，且用于输出自举电压；另一端通过所述第二开关接地且通过所述组合开关中的第三开关连接输入电压；所述控制单元用于控制所述组合开关中各个开关的开合，并调整所述电平信号。

在一种可选的实现方式中，所述控制单元用于在第一阶段控制所述第一开关闭合，所述第二开关和所述第三开关断开，并调整所述电平信号的电压为零，以使所述第二充放电单元上电压为所述导通器件的导通电压。

在另一种可选的实现方式中，所述控制单元用于在第二阶段控制所述第二开关闭合，所述第一开关和所述第三开关断开，并调整所述电平信号的电压等于所述外置电压，以使所述第二充放电单元通过所述电流镜中输出侧导通器件向所述第一充放电单元提供的电压，与所述外置电压一起共同对所述第一充放电单元进行充电，直至所述第一充放电单元上的电压等于所述外置电压。

在另一种可选的实现方式中，所述控制单元用于在第三阶段控制所述第三开关闭合，所述第一开关和所述第二开关断开，并调整所述电平信号的电压为零，以使所述第一充放电单元的另一端输出的自举电压等于所述输入电压加上所述外置电压。

在另一种可选的实现方式中，所述电流镜中导通器件包括第一MOS管和第二MOS管，其中所述第一MOS管的漏极分别连接所述外置电压以及所述第一MOS管的栅极，所述第一MOS管的栅极通过所述第一开关连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的源极通过所述第一开关接地，漏极连接所述外置电压，且所述第二MOS管的栅极还通过所述第二充放电单元连接所述电平信号。

在另一种可选的实现方式中，所述电路还包括第三MOS管，其中所述第一MOS管的漏极连接所述第三MOS管的源极，且所述第三MOS管的栅极和漏极都连接所述外置电压。

在另一种可选的实现方式中，所述第二充放电单元通过缓冲器连接所述电平信号。

在另一种可选的实现方式中，所述第一开关由第一脉冲控制，所述第二开关由第二脉冲控制，所述第三开关由第三脉冲控制，所述第一脉冲与所述第三脉冲为反相时序脉冲，所述第二脉冲为所述第三脉冲时序开始的使能信号，其中当第二脉冲变为低电平时第三脉冲才变为高电平。

在另一种可选的实现方式中，所述电平信号为所述第二脉冲。

在另一种可选的实现方式中，所述第一充放电单元中电容的电容值C1与所述第二充放电单元中电容的电容值C2的关系为：C1＝2C2。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用创新的电容充电方式，实现了在较短时间内即可对充电电容进行充电，提升了自举开关的自举速度和在高速采样下的开关线性度；通过采用额外的NMOS器件在短时间内对充电电容提供较大的充电电流来对电容进行充电，相比于传统的自举开关，减少了充电电容数量和大小，实现了功耗和面积的缩小；

2、本发明通过使第二充放电单元通过缓冲器连接到电平信号，可以使电平信号准确地输送给第二充放电单元；

3、本发明通过使第一充放电单元中电容的电容值C1与所述第二充放电单元中电容的电容值C2的关系为：C1＝2C2，可以进一步提高充电速率。

附图说明

图1是本发明自举开关的自举电压产生电路的一个实施例电路图；

图2是本发明中第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲的工作时序图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明自举开关的自举电压产生电路的一个实施例电路方框图。该自举开关的自举电压产生电路可以包括控制单元110、第一充放电单元120、第二充放电单元130、电流镜140和组合开关，其中电流镜140中导通器件之间通过组合开关中的第一开关S1连接，电流镜140输出侧的接地端通过第一开关S1接地且通过所述组合开关中的第二开关连接外置电压VDD，输入端和输出端都连接外置电压VDD，且导通器件的连接节点通过第二充放电单元130连接电平信号φ；第一充放电单元120的一端通过组合开关中的第二开关S2连接外置电压VDD，通过第一开关S3接地，且用于输出自举电压VOUT；另一端通过第二开关S2接地且通过组合开关中的第三开关S3连接输入电压VIN；控制单元110用于控制组合开关中各个开关的开合，并调整电平信号φ。

本实施例中，该第一充放电单元120和第二充放电单元130可以对应地为电容C1和C2，该电流镜140中导通器件可以包括第一MOS(metal oxide semiconductor金属氧化物半导体)管M1和第二MOS管M2，其中所述第一MOS管M1的漏极为电流镜140的输入端，第二MOS管M2的漏极为电流镜140的输出端，第二MOS管M2的源极为电流镜140输出侧的接地端，第一MOS管M1的栅极与第二MOS管M2的栅极的连接节点为电流镜140中导通器件的连接节点。第一MOS管M1的漏极分别连接所述外置电压VDD和所述第一MOS管M1的栅极，所述第一MOS管M1的栅极通过所述第一开关S1连接所述第二MOS管M2的栅极，所述第二MOS管M2的源极通过所述第一开关S1接地，漏极连接所述外置电压VDD，且所述第二MOS管M2的栅极还通过所述第二充放电单元130连接该电平信号φ。

另外，为了对电流镜140输入侧输入的外置电源进行控制，第一MOS管M1的漏极可以连接第三MOS管M3的源极，且第三MOS管M3的漏极和栅极都连接外置电压VDD。为了保证电平信号准确地输送给第二充放电单元130，第二充放电单元130可以通过缓冲器B1连接电平信号，其中缓冲器B1可以由两个反相器串联构成。

本发明的工作原理是：所述控制单元110可以分阶段来控制组合开关中各个开关的开合以及调整电平信号。

在第一阶段控制单元110可以控制所述第一开关S1闭合，第二开关S2和第三开关S3断开，并调整所述电平信号的电压为零，此时第一MOS管M1与第二MOS管M2组成电流镜，第二MOS管M2的源极接地，且缓冲器B1输出给第二充放电单元130的电平为低电平(诸如为零)，由此第二充放电单元130上电压为电流镜140中导通器件的导通电压，即第一MOS管M1或第二MOS管M2的栅源电压VGS1。

在第二阶段控制单元110可以控制所述第二开关S2闭合，所述第一开关S1和第三开关S3断开，并调整所述电平信号的电压为高电平(诸如等于所述外置电压VDD)，此时缓冲器B1输出给第二充放电单元130的电平为高电平，从而使第二充放电单元130上电压(即第二MOS管M2栅极的电压)为电流镜140中导通器件的导通电压加上外置电压VDD，即第一MOS管M1或第二MOS管M2的栅源电压VGS1加上外置电压VDD。另外，由于第二MOS管M2的源极通过第二开关S2连接到外置电压VDD，因此第二MOS管M2栅源电压仍然为VGS1，其仍然处于导通状态。由于第一充放电单元120通过第二开关S2连接外置电压VDD，且通过第一开关S1接地，因此外置电压VDD以及所述第二充放电单元130通过输出侧导通器件(即第二MOS管M2)向所述第一充放电单元120提供的电压(等于外置电压VDD)共同对所述第一充放电单元120进行充电，直至所述第一充放电单元120上的电压等于所述外置电压VDD。本发明通过由第二充放电单元提供的额外大电流与外置电压VDD一起共同向第一充放电单元充电，可以提高第一充放电单元的充电速度。

在第三阶段所述控制单元110可以控制所述第三开关S3闭合，所述第一开关S1和所述第二开关S2断开，并调整所述电平信号的电压为零，此时第二MOS管M2截止，第二充放电单元130不再提供对应的电压，因此所述第一充放电单元120的另一端输出的自举电压VOUT等于所述输入电压VIN加上所述外置电压VDD。

由上述实施例可见，本发明采用创新的电容充电方式，实现了在较短时间内即可对充电电容进行充电，提升了自举开关的自举速度和在高速采样下的开关线性度；通过采用额外的NMOS器件在短时间内对充电电容提供较大的充电电流来对电容进行充电，相比于传统的自举开关，减少了充电电容数量和大小，实现了功耗和面积的缩小。

控制装置110在对组合开关中各个开关进行控制以及调整电平信号时，可以采用脉冲的形式进行控制，如图2所示。其中，第一开关S1可以由第一脉冲控制，第二开关S2可以由第二脉冲控制，第三开关S3可以由第三脉冲控制，所述第一脉冲与所述第三脉冲为反相时序脉冲，所述第二脉冲为所述第三脉冲时序开始的一段使能信号，其中当第二脉冲变为低电平时第三脉冲才变为高电平，第二脉冲的占空比可以根据外置电压大小以及第一充放电单元的充放电性能决定。该电平信号可以为第二脉冲另外，第一充放电单元中电容的电容值C1与所述第二充放电单元中电容的电容值C2的关系为：C1＝2C2，由此可以进一步提高充电速率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。