一種低壓低功耗線型模擬開關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于模擬/混合信號(hào)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種深亞微米低壓低功耗線型模擬開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]線型模擬開關(guān)廣泛應(yīng)用于模擬/混合信號(hào)集成電路前端，特別地應(yīng)用于多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端，實(shí)現(xiàn)通道的選擇和配置。在這種情況下，線型模擬開關(guān)的性能直接影響整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能。單個(gè)MOS晶體管是良好的開關(guān)器件，廣泛應(yīng)用于數(shù)字集成電路，但是當(dāng)其用于模擬/混合信號(hào)集成電路連通和關(guān)斷模擬信號(hào)時(shí)，會(huì)使模擬信號(hào)產(chǎn)生扭曲。以NMOS晶體管為例，單個(gè)NMOS晶體管的導(dǎo)通電阻可寫作:
[0003]Ron = I/(UnX CoxX (W/L) X (Vg-Vin-Vth)) (I)
[0004]上式中，Un是一物理參數(shù)表示電子迀移率，Cox是一工藝參數(shù)表示單位柵氧化層電容，W和L是器件幾何參數(shù)，分別表示器件的柵寬和柵長(zhǎng)，Vth是一器件參數(shù)表示NMOS晶體管的閾值電壓，Vg表不加在NMOS晶體管柵極上的電壓，Vin為輸入信號(hào)電壓。由⑴式可見，NMOS晶體管作開關(guān)器件時(shí)，其導(dǎo)通電阻會(huì)隨輸入信號(hào)變化，因而會(huì)使通過它的信號(hào)發(fā)生扭曲。PMOS晶體管作開關(guān)器件時(shí)，也存在同樣的問題。為了解決MOS晶體管導(dǎo)通電阻隨輸入信號(hào)變化的問題，現(xiàn)在廣泛采用自舉開關(guān)的方法。
[0005]圖1為自舉開關(guān)的原理圖，其包括一 NMOS晶體管M、一米樣電容Cs和若干開關(guān)組成，供電電源為直流電源Vcc。圖1中，開關(guān)S1、S2、S3、S4、和S5由時(shí)鐘信號(hào)CLK控制，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK為低電平時(shí)，開關(guān)S1、S2和S3閉合，S4和S5斷開，NMOS晶體管M的柵極被連接到地電位，NMOS晶體管M截止，斷開輸入信號(hào)Vin與輸出信號(hào)Vout間的連接；同時(shí)供電電源Vcc對(duì)采樣電容Cs充電，直至Cs兩端壓差達(dá)到Vcc。經(jīng)過半個(gè)時(shí)鐘周期后，時(shí)鐘信號(hào)CLK發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從低電平跳變?yōu)楦唠娖?，圖1中開關(guān)S1、S2和S3斷開，S4和S5閉合，電容Cs被接到NMOS晶體管M的柵極與源極之間，由于電容的電荷保持功能，NMOS晶體管M的柵極與源極之間壓差將保持在Vcc，也就是說:
[0006]Vg-Vin = Vcc(2)
[0007]由于Vcc大于NMOS晶體管的閾值電壓，NMOS晶體管M將開啟，連接輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。把⑵式代入⑴得到NMOS晶體管M的導(dǎo)通電阻為:
[0008]Ron = I/(Un X Cox X (ff/L) X (Vcc-Vth))(3)
[0009]由(3)式可見，導(dǎo)通電阻與輸入信號(hào)無關(guān)，即輸入信號(hào)Vin可以無扭曲或者低扭曲地傳輸?shù)捷敵鲂盘?hào)Vout。
[0010]但是，本發(fā)明的發(fā)明人研宄發(fā)現(xiàn)，圖1中所示的自舉開關(guān)存在如下缺點(diǎn):必須反復(fù)給采樣電容Cs充電，以補(bǔ)充漏電造成的電荷損失。這樣，將導(dǎo)致自舉開關(guān)不能長(zhǎng)期工作在導(dǎo)通狀態(tài)，必須交替地工作在導(dǎo)通和斷開狀態(tài)。然而在某些應(yīng)用下，特別是作為模擬/混合信號(hào)模擬前端使用時(shí)，要求模擬開關(guān)長(zhǎng)期處于導(dǎo)通狀態(tài)，因而這種情況下圖1中所示的自舉開關(guān)是不能勝任的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中自舉開關(guān)必須反復(fù)給采樣電容Cs充電，以補(bǔ)充漏電造成的電荷損失，由此將導(dǎo)致自舉開關(guān)不能長(zhǎng)期工作在導(dǎo)通狀態(tài)的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種新型的深亞微米低壓低功耗線型模擬開關(guān)，解決了現(xiàn)有自舉開關(guān)不能長(zhǎng)期工作在導(dǎo)通狀態(tài)的缺點(diǎn)。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0013]一種低壓低功耗線型模擬開關(guān)，包括主開關(guān)晶體管、源極跟隨器電路、功率晶體管、第一偏置電路、第二偏置電路、第一控制電路、第二控制電路、直流高壓產(chǎn)生電路和內(nèi)部開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生電路；其中，
[0014]所述主開關(guān)晶體管為一 NMOS管，其源極同時(shí)連接輸入信號(hào)和源極跟隨器電路的輸入端，漏極連接輸出信號(hào)，柵極同時(shí)連接源極跟隨器電路的輸出端和第一控制電路的輸出端，且在線型模擬開關(guān)的斷開態(tài)，第一控制電路將主開關(guān)晶體管的柵極拉到地電位；
[0015]所述直流高壓產(chǎn)生電路的輸入端連接外部直流供電電壓Vcc，輸出端將產(chǎn)生的直流高壓作為電源分別供給第二偏置電路、第二控制電路和功率晶體管，且在線型模擬開關(guān)的導(dǎo)通態(tài)，第二控制電路發(fā)送一個(gè)信號(hào)開啟功率晶體管，直流高壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的直流高壓被功率晶體管驅(qū)動(dòng)后作為電源分別供給第一偏置電路、源極跟隨器電路和第一控制電路；
[0016]所述第一偏置電路給源極跟隨器電路提供偏置信號(hào)，第二偏置電路給第二控制電路提供偏置信號(hào)；
[0017]所述內(nèi)部開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生電路根據(jù)外部輸入開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生第一內(nèi)部開關(guān)信號(hào)和第二內(nèi)部開關(guān)信號(hào)，所述第一內(nèi)部開關(guān)信號(hào)用于設(shè)置第二控制電路的工作方式，所述第二內(nèi)部開關(guān)信號(hào)用于設(shè)置第一控制電路的工作方式。
[0018]本發(fā)明提供的低壓低功耗線型模擬開關(guān)，其工作狀態(tài)分為導(dǎo)通態(tài)和斷開態(tài):在導(dǎo)通態(tài)輸入信號(hào)無扭曲或者低扭曲地傳輸?shù)捷敵鲂盘?hào)，在斷開態(tài)，斷開輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的連接；并可通過外部輸入開關(guān)信號(hào)，控制線型模擬開關(guān)處于導(dǎo)通態(tài)還是斷開態(tài)。該線型模擬開關(guān)可由半導(dǎo)體深亞微米CMOS (互補(bǔ)金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管)工藝制造，單一直流電源電壓供電，可工作在極低的供電電壓下(低至1.2V)，消耗極低的功耗。相比現(xiàn)有的自舉開關(guān)，該線型模擬開關(guān)可長(zhǎng)期工作在導(dǎo)通態(tài)，并且輸入范圍可達(dá)整個(gè)電源電壓范圍，這是現(xiàn)有技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的，可應(yīng)用于模擬/混合信號(hào)集成電路前端，特別地可應(yīng)用于多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端，實(shí)現(xiàn)通道的選擇和配置。
[0019]進(jìn)一步，所述源極跟隨器電路包括第一 PMOS晶體管、第二 PMOS晶體管、第一 NMOS晶體管和第三PMOS晶體管，所述第一 PMOS晶體管的柵極作為輸入端同時(shí)連接輸入信號(hào)和主開關(guān)晶體管的源極，漏極連接第二 PMOS晶體管的源極，源極連接第一 NMOS晶體管的源極，第一 NMOS晶體管的柵極和漏極連接在一起后作為源極跟隨器電路的輸出端連接主開關(guān)晶體管的柵極，第三PMOS晶體管的漏極連接第一 NMOS晶體管的柵極和漏極，源極連接功率晶體管的漏極，柵極由第一偏置電路提供一高于外部直流供電電壓Vcc的偏置電壓，第二 PMOS晶體管的柵極和漏極連接在一起后接地。
[0020]進(jìn)一步，所述第一偏置電路包括第四PMOS晶體管和第二 NMOS晶體管，所述第四PMOS晶體管的源極連接功率晶體管的漏極，柵極和漏極連接在一起后連接第二 NMOS晶體管的柵極和漏極，第二 NMOS晶體管的源極連接外部直流供電電壓Vcc。
[0021]進(jìn)一步，所述內(nèi)部開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生電路包括第一反相器電路和第二反相器電路，所述第一反相器電路的輸入端連接外部輸入開關(guān)信號(hào)，輸出端連接第二反相器電路的輸入端，第一反相器電路的輸出端產(chǎn)生第一內(nèi)部開關(guān)信號(hào)，第二反相器電路的輸出端產(chǎn)生第二內(nèi)部開關(guān)信號(hào)。
[0022]進(jìn)一步，所述第二控制電路包括第五PMOS晶體管、第六PMOS晶體管、第三NMOS晶體管和第四NMOS晶體管，所述第五PMOS晶體管的源極連接直流高壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高壓直流電壓信號(hào)，漏極連接功率晶體管的柵極和第六PMOS晶體管的源極，柵極由第二偏置電路提供一高于外部直流供電電壓Vcc的偏置電壓，第六PMOS晶體管的柵極由第二偏置電路提供一低于外部直流供電電壓Vcc的偏置電壓，漏極連接第三NMOS晶體管的漏極，第三NMOS晶體管的源極連接第一內(nèi)部開關(guān)信號(hào)和第四NMOS晶體管的源極和漏極，柵極接外部直流供電電壓Vcc，第四NMOS晶體管的柵極連接功率晶體管的柵極。
[0023]進(jìn)一步，所述第二偏置電路包括第七PMOS晶體管、第五NMOS晶體管、第八PMOS晶體管、第九PMOS晶體管、第十PMOS晶體管、第六NMOS晶體管、第七NMOS晶體管、第八NMOS晶體管、第九NMOS晶體管和第^^一 PMOS晶體管，所述第七PMOS晶體管的源極連接直流高壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高壓直流電壓信號(hào)，柵極和漏極連接在一起后連接第五NMOS晶體管的漏極和柵極，第五NMOS晶體管的源極連接外部直流供電電壓Vcc，第八PMOS晶體管的源極和漏極連接在一起后連接第七PMOS晶體管的柵極和漏極，柵極連接外部直流供電電壓Vcc，第九PMOS晶體管的源極連接直流高壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高壓直流電壓信號(hào)，柵極連接第七PMOS晶體管的柵極和漏極，漏極連接第十PMOS晶體管的源極，第十PMOS晶體管的漏極連接第六NMOS晶體管的漏極和柵極，柵極連接外部直流供電電壓Vcc，第六NMOS晶體管的源極連接第七NMOS晶體管的柵極和漏極，第七NMOS晶體管的源極連接第八NMOS晶體管的柵極和漏極，第八NMOS晶體管的源極接地，第九NMOS晶體管的柵極連接第八NMOS晶體管的柵極和漏極，源極接地，漏極連接第十一 PMOS晶體管的柵極和漏極，第十一 PMOS晶體管的源極連接外部直流供電電壓Vcc，第七PMOS晶體管的漏極輸出第二偏置電壓并供給第二控制電路中第五PMOS晶體管的柵極，第i^一 PMOS晶體管的漏極輸出第三偏置電壓并供給第二控制電路中第六PMOS晶體管的柵極。
[0024]進(jìn)一步，所述第一控制電路包括第十NMOS晶體管、第^^一 NMOS晶體管、第十二NMOS晶體管、第十三NMOS晶體管和第十二 PMOS晶體管，所述第十NMOS晶體管的源極連接第二內(nèi)部開關(guān)信號(hào)，漏極連接十一 NMOS晶體管的源極，柵極連接外部直流供電電壓Vcc，第十一 NMOS晶體管的漏極連接主開關(guān)晶體管的柵極，柵極連接外部直流供電電壓Vcc，第十二 PMOS晶體管的源極連接功率晶體管的漏極，漏極連接第十NMOS晶體管的漏極，柵極連接外部直流供電電壓Vcc，第十三NMOS晶體管的源極連接第十二 PMOS晶體管的源極，柵極和漏極連接在一起后連接外部直流供電電壓Vcc，第十二 NMOS晶體管的柵極連接第十二PMOS晶體管的源極，漏極和源極連接在一起后連接第二內(nèi)部開關(guān)信號(hào)。
[0025]進(jìn)一步，所述直流高壓產(chǎn)生電路包括高壓脈沖電壓產(chǎn)生電路和脈沖轉(zhuǎn)直流電路，所述高