一种低压低功耗线型模拟开关的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于模拟/混合信号集成电路技术领域，具体涉及一种深亚微米低压低功耗线型模拟开关。
【背景技术】
[0002]线型模拟开关广泛应用于模拟/混合信号集成电路前端，特别地应用于多通道模数转换器前端，实现通道的选择和配置。在这种情况下，线型模拟开关的性能直接影响整个模数转换器的性能。单个MOS晶体管是良好的开关器件，广泛应用于数字集成电路，但是当其用于模拟/混合信号集成电路连通和关断模拟信号时，会使模拟信号产生扭曲。以NMOS晶体管为例，单个NMOS晶体管的导通电阻可写作:
[0003]Ron = I/(UnX CoxX (W/L) X (Vg-Vin-Vth)) (I)
[0004]上式中，Un是一物理参数表示电子迀移率，Cox是一工艺参数表示单位栅氧化层电容，W和L是器件几何参数，分别表示器件的栅宽和栅长，Vth是一器件参数表示NMOS晶体管的阈值电压，Vg表不加在NMOS晶体管栅极上的电压，Vin为输入信号电压。由⑴式可见，NMOS晶体管作开关器件时，其导通电阻会随输入信号变化，因而会使通过它的信号发生扭曲。PMOS晶体管作开关器件时，也存在同样的问题。为了解决MOS晶体管导通电阻随输入信号变化的问题，现在广泛采用自举开关的方法。
[0005]图1为自举开关的原理图，其包括一 NMOS晶体管M、一米样电容Cs和若干开关组成，供电电源为直流电源Vcc。图1中，开关S1、S2、S3、S4、和S5由时钟信号CLK控制，当时钟信号CLK为低电平时，开关S1、S2和S3闭合，S4和S5断开，NMOS晶体管M的栅极被连接到地电位，NMOS晶体管M截止，断开输入信号Vin与输出信号Vout间的连接；同时供电电源Vcc对采样电容Cs充电，直至Cs两端压差达到Vcc。经过半个时钟周期后，时钟信号CLK发生翻转，从低电平跳变为高电平，图1中开关S1、S2和S3断开，S4和S5闭合，电容Cs被接到NMOS晶体管M的栅极与源极之间，由于电容的电荷保持功能，NMOS晶体管M的栅极与源极之间压差将保持在Vcc，也就是说:
[0006]Vg-Vin = Vcc(2)
[0007]由于Vcc大于NMOS晶体管的阈值电压，NMOS晶体管M将开启，连接输入信号和输出信号。把⑵式代入⑴得到NMOS晶体管M的导通电阻为:
[0008]Ron = I/(Un X Cox X (ff/L) X (Vcc-Vth))(3)
[0009]由(3)式可见，导通电阻与输入信号无关，即输入信号Vin可以无扭曲或者低扭曲地传输到输出信号Vout。
[0010]但是，本发明的发明人研宄发现，图1中所示的自举开关存在如下缺点:必须反复给采样电容Cs充电，以补充漏电造成的电荷损失。这样，将导致自举开关不能长期工作在导通状态，必须交替地工作在导通和断开状态。然而在某些应用下，特别是作为模拟/混合信号模拟前端使用时，要求模拟开关长期处于导通状态，因而这种情况下图1中所示的自举开关是不能胜任的。
【发明内容】
[0011 ] 针对现有技术中自举开关必须反复给采样电容Cs充电，以补充漏电造成的电荷损失，由此将导致自举开关不能长期工作在导通状态的技术问题，本发明提供一种新型的深亚微米低压低功耗线型模拟开关，解决了现有自举开关不能长期工作在导通状态的缺点。
[0012]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0013]一种低压低功耗线型模拟开关，包括主开关晶体管、源极跟随器电路、功率晶体管、第一偏置电路、第二偏置电路、第一控制电路、第二控制电路、直流高压产生电路和内部开关信号产生电路；其中，
[0014]所述主开关晶体管为一 NMOS管，其源极同时连接输入信号和源极跟随器电路的输入端，漏极连接输出信号，栅极同时连接源极跟随器电路的输出端和第一控制电路的输出端，且在线型模拟开关的断开态，第一控制电路将主开关晶体管的栅极拉到地电位；
[0015]所述直流高压产生电路的输入端连接外部直流供电电压Vcc，输出端将产生的直流高压作为电源分别供给第二偏置电路、第二控制电路和功率晶体管，且在线型模拟开关的导通态，第二控制电路发送一个信号开启功率晶体管，直流高压产生电路产生的直流高压被功率晶体管驱动后作为电源分别供给第一偏置电路、源极跟随器电路和第一控制电路；
[0016]所述第一偏置电路给源极跟随器电路提供偏置信号，第二偏置电路给第二控制电路提供偏置信号；
[0017]所述内部开关信号产生电路根据外部输入开关信号产生第一内部开关信号和第二内部开关信号，所述第一内部开关信号用于设置第二控制电路的工作方式，所述第二内部开关信号用于设置第一控制电路的工作方式。
[0018]本发明提供的低压低功耗线型模拟开关，其工作状态分为导通态和断开态:在导通态输入信号无扭曲或者低扭曲地传输到输出信号，在断开态，断开输入信号与输出信号间的连接；并可通过外部输入开关信号，控制线型模拟开关处于导通态还是断开态。该线型模拟开关可由半导体深亚微米CMOS (互补金属场效应晶体管)工艺制造，单一直流电源电压供电，可工作在极低的供电电压下(低至1.2V)，消耗极低的功耗。相比现有的自举开关，该线型模拟开关可长期工作在导通态，并且输入范围可达整个电源电压范围，这是现有技术不能实现的，可应用于模拟/混合信号集成电路前端，特别地可应用于多通道模数转换器前端，实现通道的选择和配置。
[0019]进一步，所述源极跟随器电路包括第一 PMOS晶体管、第二 PMOS晶体管、第一 NMOS晶体管和第三PMOS晶体管，所述第一 PMOS晶体管的栅极作为输入端同时连接输入信号和主开关晶体管的源极，漏极连接第二 PMOS晶体管的源极，源极连接第一 NMOS晶体管的源极，第一 NMOS晶体管的栅极和漏极连接在一起后作为源极跟随器电路的输出端连接主开关晶体管的栅极，第三PMOS晶体管的漏极连接第一 NMOS晶体管的栅极和漏极，源极连接功率晶体管的漏极，栅极由第一偏置电路提供一高于外部直流供电电压Vcc的偏置电压，第二 PMOS晶体管的栅极和漏极连接在一起后接地。
[0020]进一步，所述第一偏置电路包括第四PMOS晶体管和第二 NMOS晶体管，所述第四PMOS晶体管的源极连接功率晶体管的漏极，栅极和漏极连接在一起后连接第二 NMOS晶体管的栅极和漏极，第二 NMOS晶体管的源极连接外部直流供电电压Vcc。
[0021]进一步，所述内部开关信号产生电路包括第一反相器电路和第二反相器电路，所述第一反相器电路的输入端连接外部输入开关信号，输出端连接第二反相器电路的输入端，第一反相器电路的输出端产生第一内部开关信号，第二反相器电路的输出端产生第二内部开关信号。
[0022]进一步，所述第二控制电路包括第五PMOS晶体管、第六PMOS晶体管、第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管，所述第五PMOS晶体管的源极连接直流高压产生电路产生的高压直流电压信号，漏极连接功率晶体管的栅极和第六PMOS晶体管的源极，栅极由第二偏置电路提供一高于外部直流供电电压Vcc的偏置电压，第六PMOS晶体管的栅极由第二偏置电路提供一低于外部直流供电电压Vcc的偏置电压，漏极连接第三NMOS晶体管的漏极，第三NMOS晶体管的源极连接第一内部开关信号和第四NMOS晶体管的源极和漏极，栅极接外部直流供电电压Vcc，第四NMOS晶体管的栅极连接功率晶体管的栅极。
[0023]进一步，所述第二偏置电路包括第七PMOS晶体管、第五NMOS晶体管、第八PMOS晶体管、第九PMOS晶体管、第十PMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第七NMOS晶体管、第八NMOS晶体管、第九NMOS晶体管和第^^一 PMOS晶体管，所述第七PMOS晶体管的源极连接直流高压产生电路产生的高压直流电压信号，栅极和漏极连接在一起后连接第五NMOS晶体管的漏极和栅极，第五NMOS晶体管的源极连接外部直流供电电压Vcc，第八PMOS晶体管的源极和漏极连接在一起后连接第七PMOS晶体管的栅极和漏极，栅极连接外部直流供电电压Vcc，第九PMOS晶体管的源极连接直流高压产生电路产生的高压直流电压信号，栅极连接第七PMOS晶体管的栅极和漏极，漏极连接第十PMOS晶体管的源极，第十PMOS晶体管的漏极连接第六NMOS晶体管的漏极和栅极，栅极连接外部直流供电电压Vcc，第六NMOS晶体管的源极连接第七NMOS晶体管的栅极和漏极，第七NMOS晶体管的源极连接第八NMOS晶体管的栅极和漏极，第八NMOS晶体管的源极接地，第九NMOS晶体管的栅极连接第八NMOS晶体管的栅极和漏极，源极接地，漏极连接第十一 PMOS晶体管的栅极和漏极，第十一 PMOS晶体管的源极连接外部直流供电电压Vcc，第七PMOS晶体管的漏极输出第二偏置电压并供给第二控制电路中第五PMOS晶体管的栅极，第i^一 PMOS晶体管的漏极输出第三偏置电压并供给第二控制电路中第六PMOS晶体管的栅极。
[0024]进一步，所述第一控制电路包括第十NMOS晶体管、第^^一 NMOS晶体管、第十二NMOS晶体管、第十三NMOS晶体管和第十二 PMOS晶体管，所述第十NMOS晶体管的源极连接第二内部开关信号，漏极连接十一 NMOS晶体管的源极，栅极连接外部直流供电电压Vcc，第十一 NMOS晶体管的漏极连接主开关晶体管的栅极，栅极连接外部直流供电电压Vcc，第十二 PMOS晶体管的源极连接功率晶体管的漏极，漏极连接第十NMOS晶体管的漏极，栅极连接外部直流供电电压Vcc，第十三NMOS晶体管的源极连接第十二 PMOS晶体管的源极，栅极和漏极连接在一起后连接外部直流供电电压Vcc，第十二 NMOS晶体管的栅极连接第十二PMOS晶体管的源极，漏极和源极连接在一起后连接第二内部开关信号。
[0025]进一步，所述直流高压产生电路包括高压脉冲电压产生电路和脉冲转直流电路，所述高