CN103036569A - 采样保持电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采样保持电路，其包括时钟产生子电路、栅压自举单元及采样保持子电路，时钟产生子电路具有分别和栅压自举单元连接的第一输出端和第二输出端，采样保持子电路包括采样开关和保持电容，栅压自举单元还分别和外部电源及采样开关连接，其中，采样保持电路还包括防泄漏子电路，其连接于栅压自举单元的自举电容和地之间，且和时钟产生子电路及外部电源连接，当采样保持子电路由保持切换至采样时，防泄漏子电路切断自举电容和地之间的连接。本发明的采样保持电路可有效防止在保持和采样的切换过程中自举电容上电荷的泄露，阻止了自举电压的下降，保证了采样开关的线性度。

Description

采样保持电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种采样保持电路。

背景技术

现今高速高精度的ADC（Analog-to-Digital Converter，模数变换器）电路中，采样保持电路是整个转换器设计的瓶颈，而采样开关又是采样电路中不可或缺的组成部分，采样开关的速度和精度在很大程度上决定了采样保持电路的整体性能。在深亚微米工艺条件下，连接输入信号的采样开关连接有栅电压自举的结构，以降低采样开关的导通电阻，并降低采样开关的非线性且扩大输入信号范围。传统的采样保持电路通过栅压自举结构内的自举电容，可以实现采样开关栅电压自举的功能，但是在自举过程中（即在保持和采样的切换过程中）却伴随着自举电容上电荷的泄漏，从而使自举电压下降，从而使得采样信号中引入了非线性失真。

因此，有必要提供一种改进的采样保持电路来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种采样保持电路，该采样保持电路可有效防止在保持和采样的切换过程中自举电容上电荷的泄露，阻止了自举电压的下降，保证了采样开关的线性度。

为实现上述目的，本发明提供一种采样保持电路，其包括时钟产生子电路、栅压自举单元及采样保持子电路，所述时钟产生子电路具有分别和所述栅压自举单元连接的第一输出端和第二输出端，且所述第一输出端和第二输出端输出互补两时钟脉冲，所述采样保持子电路包括采样开关和保持电容，所述采样开关对外部信号进行采样，所述保持电容对采样获得的信号进行保存，所述栅压自举单元还分别和外部电源及采样开关连接，所述栅压自举单元包括自举电容，所述自举电容为所述采样开关提供固定的栅源电压，所述栅压自举单元通过所述时钟产生子电路输出的时钟脉冲而控制所述采样开关对外部信号的采样，其中，所述采样保持电路还包括防泄漏子电路，所述防泄漏子电路连接于所述栅压自举单元的自举电容和地之间，且所述防泄漏子电路和时钟产生子电路及外部电源连接，当所述采样保持子电路由保持切换至采样时，所述防泄漏子电路切断所述自举电容和地之间的连接。

较佳地，所述采样开关为场效应管。

较佳地，所述栅压自举单元包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管、第八场效应管及自举电容，所述第一输出端和所述第二场效应管及所述第三场效应管的栅极连接，所述第二输出端和所述第一场效应管及所述第八场效应管的栅极连接；所述自举电容的一端分别和所述第一场效应管的漏极及所述第二场效应管的源极连接，所述自举电容的另一端和所述第四场效应管的漏极及所述第五场效应管的源极连接，所述第五场效应管的漏极通过所述防泄漏子电路及第八场效应管接地，外部电源和所述第三场效应管的源极及第四场效应管的源极连接，第六场效应管的漏极和第七场效应管的源极与所述采样开关的源极连接，所述采样开关的栅极分别和所述第五场效应管的漏极及所述第四场效应管的栅极连接。

较佳地，所述防泄漏子电路包括第九场效应管和第十场效应管，且所述第九场效应管的栅极及所述第十场效应管的源极均和外部电源连接，所述第九场效应管的源极和所述第五场效应管的漏极连接，其漏极和所述第八场效应管的源极连接，所述第二输出端和所述第十场效应管的栅极连接，所述第十场效应管的漏极和所述第八场效应管的源极连接。

较佳地，所述第八场效应管和第九场效应管的结构特征完全相同。

较佳地，所述栅压自举单元还包括第十一场效应管，所述第十一场效应管的栅极和所述第四场效应管的栅极、第五场效应管的漏极及所述第九场效应管的源极连接，其漏极和所述第三场效应管的漏极、所述第二场效应管的漏极及所述第五场效应管的栅极连接，其源极和自举电容的一端连接。

较佳地，所述第六场效应管和第七场效应管构成一传输门，且所述第一输出端和所述第六场效应管的栅极连接，第二输出端和所述第七场效应管的栅极连接。

和现有技术相比，本发明的采样保持电路由于还包括防泄漏子电路，所述防泄漏子电路连接于所述栅压自举单元的自举电容和地之间，且所述防泄漏子电路和时钟产生子电路及外部电源连接，当所述采样保持子电路由保持切换至采样时，所述防泄漏子电路切断所述自举电容和地之间的连接；从而在保持和采样的切换过程中因所述自举电容和地之间的连接被切断，导致其上的电荷不会泄漏，也即使采样开关的自举电压不会下降，因此提高了采样开关的线性度和采样速度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明。

附图说明

图1为本发明采样保持电路的结构框图。

图2为本发明采样保持电路的电路原理图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种采样保持电路，该采样保持电路可有效防止在保持和采样的切换过程中自举电容上电荷的泄露，阻止了自举电压的下降，保证了采样开关的线性度。

请参考图1，图1为本发明采样保持电路的结构框图。如图所示，本发明的采样保持电路包括时钟产生子电路、栅压自举单元、采样保持子电路及防泄漏子电路；所述时钟产生子电路具有分别和所述栅压自举单元连接的第一输出端和第二输出端，且所述第一输出端和第二输出端输出互补两时钟脉冲，所述时钟产生子电路并将产生的两时钟脉冲提供给所述栅压自举单元使用；所述栅压自举单元还和外部电源及所述采样保持子电路连接，所述栅压自举单元为所述采样保持子电路提供工作所需的电压，且在所述时钟产生子电路产生的时钟的控制下控制所述采样保持子电路的工作；所述采样保持子电路对外部信号进行采样，且将采样后的信号保存；所述防泄漏子电路连接于所述栅压自举单元的自举电容和地之间，且所述防泄漏子电路和时钟产生子电路及外部电源连接，当所述采样保持子电路由保持切换至采样时，所述防泄漏子电路切断所述自举电容和地之间的连接。

具体地，请再结合参考图2。

所述述时钟产生子电路具有第一输出端K1和第二输出端K2，且所述第一输出端K1和第二输出端K2输出互补的时钟脉冲；也即是，当所述第一输出端K1输出为高电平时，所述第二输出端K2输出低电平；且两个输出端电平的跳变也是相反的，即当所述第一输出端K1输出的电平由高电平跳变为低电平时，此时所述第二输出端K2输出的电平由低电平跳变为高电平。

所述栅压自举单元包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6、第七场效应管M7、第八场效应管M8及自举电容C；所述第一场效应管M1的栅极和所述时钟产生子电路的第二输出端K2连接，其源极接地，其漏极和所述自举电容C的一端，第二场效应管M2的源极、第六场效应管M6的源极及第七场效应管M7的漏极共同连接，并形成节点n2；所述第二场效应管M2的栅极和第一输出端K1连接，其漏极和所述第三场效应管M3的漏极及第五场效应管M5的栅极共同连接，并形成节点n1；所述第三场效应管M3的栅极和所述第一输出端K1连接，其源极和外部电源连接；所述第四场效应管M4的源极和外部电源连接，其栅极和第五场效应管M5的漏极、防泄漏子电路、及采样保持子电路共同连接，并形成节点n4，所述第四场效应管M4的漏极和所述第五场效应管M5的源极及所述自举电容C的另一端连接，并形成节点n3；所述第六场效应管M6的栅极和所述第一输出端K1连接，其源极和所述第七场效应管M7的漏极连接，其漏极分别和所述第七场效应管M7的源极及采样保持子电路连接；所述第七场效应管M7的栅极和第二输出端K2连接，且所述第六场效应管M6和第七场效应管M7共同构成一传输门；所述第八场效应管M8的栅极和第二输出端K2连接，其源极通过所述防泄漏子电路和节点n4连接，其漏极接地。

所述采样保持子电路包括采样开关MS和保持电容CS，且在本发明的优选实施方式中，所述采样开关MS为场效应管；其中，所述采样开关MS的栅极和节点n4连接，且其源极和第六场效应管M6的漏极连接，从而所述自举电容C经所述节点n4和所述传输门为所述采样开关MS提供栅源电压；其中，所述采样开关MS的源极还和外部输出端连接，从而所述采样开关MS在所述时钟产生子电路产生的时钟脉冲的控制下对外部输出端输出的外部信号VIN进行采样；所述采样开关MS的漏极和保持电容CS连接，即可通过所述采样开关MS的漏极输出采样后的信号VS;所述保持电容CS的一端接地，从而当所述采样开关MS停止对外部信号VIN的采样时，所述保持电容CS将采样获得和信号VS保存于其上。

所述防泄漏子电路包括第九场效应管M9和第十场效应管M10，且所述第九场效应管M9的栅极及第十场效应管M10的源极均和外部电源连接，所述第九场效应管M9的源极和第五场效应管M5的漏极连接，其漏极和第八场效应管M8的源极连接，第输出端K2和所述第十场效应管M10的栅极连接，所述第十场效应管M10的漏极和第八场效应管M8的源极连接；且所述第八场效应管M8和第九场效应管M9的结构特征完全相同，从而可使所述第八场效应管M8的漏源电压小于外部电源电压VDD，避免所述第八效应管M8存在耐压的问题。

在本发明的优选实施方式中，所述栅压自举单元还包括第十一场效应管M11，所述第十一场效应管M11的栅极和节点n4连接，其源极和节点n2连接，其漏极和节点n1连接；通过所述第十场效应管M11可防止所述第五场效应管M5存在耐压的问题，使本发明的采样保持电路运行更可靠。

在本发明中，通过上述说明可知，当所述第一输出端K1输出的时钟脉冲为高电平时，所述采样开关MS对外部信号VIN进行采样；当所述第一输出端K1输出的时钟脉冲由高电平跳变为低电平后，所述采样开关MS截止，停止对外部信号VIN的采样，且所述保持电容CS对采样获得的信号VS进行保存；而当所述第一输出端K1输出的时钟脉冲再跳变回高电平后，所述采样开关MS继续对外部信号VIN进行采样；从而随着所述时钟产生子电路两个输出端上时钟脉冲的跳变，所述采样保持子电路在采样和保持状态之间切换，也即所述时钟产生子电路通过所述栅压自举单元控制所述采样保持子电路的采样和保持动作。而且在本发明中，当采样保持子电路由保持切换到采样时，即第二输出端K2输出的时钟脉冲由高电平转换到低电平时，所述防泄漏子电路的第七场效应管M7即可瞬时导通，从而使所述第六场效应管M6同时截止，使所述自举电容C和地之间的通路断开，也使节点n4到地的阻抗进一步加大，消除了节点n5上寄生电容产生的负面效应，阻止了所述自举电容C上的电荷泄露，即阻止了采样开关MS栅源电压（也即自举电压）的下降，从而提高了采样开关MS的线性度和采样速度，也即保证了采样获得信号VS的线性度。

下面结合图1和图2，描述本发明采样保持电路的工作原理和工作过程。

通过图2可知，采样开关MS在采样时，其等效阻抗R_MS为

$R_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{k{(W/L)}_{\mathrm{MS}}(\mathrm{VGS}-\mathrm{VTH})}=\frac{1}{k{(W/L)}_{\mathrm{MS}}(\mathrm{VG}-\mathrm{VIN}-\mathrm{VTH})}---\left(1\right)$

其中k为和工艺相关的常数，(W/L)_MS为采样开关MS的宽长比，VTH为采样开关MS的阈值电压，且为一个相对变化较小的量，VGS为采样开关MS的栅源电压，VG为采样开关MS的栅极的电压；且在（1）式中，k、(W/L)_MS、VTH为相对固定的量，为了提高采样开关MS的线性度和采样速度，要求R_MS尽可能小，并且值恒定。由此需要VG-VIN尽可能大，并且值为恒定不变的常数。

当所述时钟产生子电路的第一输出端K1输出的时钟脉冲为低电平时，第二输出端K2输出的时钟脉冲为高电平，此时所述第一场效应管M1导通，第六场效应管M6和第七场效应管M7组成的传输门截止，使节点n2和外部信号VIN断开，节点n2的电压通过导通的第一场效应管M1连接到地；同时节点n1为高电平，而使第五场效应管M5截止；因为第二输出端K2输出的时钟脉冲为高电平所以第九场效应管M9、第八场效应管M8导通，且第十场效应管M10截止，所以节点n4为低电平；从而使采样开关MS截止，即所述采样保持子电路处于保持状态；在上述过程中，所述第十一场效应管M11截止，第四场效应管M4导通，则外部电源通过导通的第四场效应管M4和第一场效应管M1对自举电容C充电至外部电源电压VDD，即为节点n3的电压值。当所述时钟产生子电路的第一输出端K1输出的时钟脉冲为高电平时，第二输出端K2输出的时钟脉冲为低电平，所述第一场效应管M1截止，第六场效应管M6和第七场效应管M7组成的传输门导通并连接外部信号VIN，则节点n2的电压为VIN。因为第二输出端K2输出的时钟脉冲为低电平，故第八场效应管M8截止，第十场效应管M10导通，从而第九场效应管M9瞬时截止，而此时的节点n1为低电平，使第五场效应管M5导通，由于所述自举电容C的电压不能瞬时突变，所以此时节点n3和n4的电压相等，且将节点n3的电压值定义为Vn3，将节点n4的电压值定义为Vn4，即

Vn3=Vn4＝VIN+VDD                      （2）

从而采样开关MS的栅源电压VGS为

VGS＝Vn4－VIN＝VDD                    （3）

由（3）式可以得出采样开关MS的栅源电压在采样时恒为VDD，则（1）式为

$R_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{k{(W/L)}_{\mathrm{MS}}(\mathrm{VG}-\mathrm{VIN}-\mathrm{VTH})}=\frac{1}{k{(W/L)}_{\mathrm{MS}}(\mathrm{VDD}-\mathrm{VTH})}---\left(4\right)$

通过（4）式可知，本发明的采样保持电路，在采样过程中，采样开关MS的等效阻抗R_MS为恒定的值，降低了其导通电阻，且VG-VIN为恒定的外部电源电压VDD，从而保证了采样开关MS的线性度，并提高了采样速度。

另外，为了保证采样保持电路的可靠性，需要避免场效应管存在耐压问题，即场效应管的栅源电压的绝对值|VGS|，栅漏电压绝对值|VGD|，漏源电压的绝对值|VDS|小于或等于外部电源电压VDD。在本发明的采样保持电路中，当采样时，所述时钟产生子电路的第一输出端K1输出的时钟脉冲为高电平时，第二输出端K2输出的时钟脉冲为低电平，此时节点n3的电压为上述（2）式，此时第六场效应管M6和第七场效应管M7组成的传输门导通并连接外部信号VIN，第十一场效应管M11的栅极电压为节点n4的电压，为VIN+VDD，其源极电压为VIN，此时第十一场效应管M11的栅源电压为VDD，从而使所述第十一场效应管M11导通，使第五场效应管M5的栅极电压为VIN。则第五场效应管M5栅源电压的绝对值为VDD，避免了第五场效应管M5存在的耐压问题，保证了可靠性。因为节点n4的电压为VIN+VDD，此时第九场效应管M9和第八场效应管M8均为截止状态，因此节点n4的电压通过断开的第九场效应管M9和第八场效应管M8到地，由于所述第九场效应管M9和第八场效应管M8的结构特征完全相同，则第九场效应管M9和第八场效应管M8的等效阻抗相同，通过分压后，节点n5的电压为（VIN+VDD）/2，其值小于外部电源电压VDD；因此通过第九效应管M9，所述第八效应管M8的漏源电压的绝对值为（VIN+VDD）/2，小于外部电源电压VDD，避免了第八效应管M8存在耐压的问题，保证了采样保持电路的可靠性。

在上述采样保持过程中，当采样保持子电路由保持切换到采样时，节点n4的电平由低电平转换到（2）式所示的高电平，虽然这个过程是瞬间的，但是由于第九效应管M9的栅电压为VDD，在节点n4电压转换过程中，第九M9经历了一个先导通后截止的过程，在此所述自举电容C上有部分电荷会通过第九效应管M9及截止的第八效应管M8泄漏造成采样开关MS的栅源电压的下降，同时也会使部分电压转移到节点n5的寄生电容中，进而使采开关MS的栅源电压进一步下降，采样开关MS的栅源电压的下降会使采样开关MS引入较大的非线性；但当采样保持子电路由保持切换到采样时，所述防泄漏子电路的第七场效应管M7即可瞬时导通，从而使所述第六场效应管M6同时截止，使所述自举电容C和地之间的通路断开，也使节点n4到地的阻抗进一步加大，消除了寄生电容产生的负面效应，阻止了所述自举电容C上的电荷泄露，即阻止了采样开关MS栅源电压的下降，从而提高了采样开关MS的线性度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种采样保持电路，包括时钟产生子电路、栅压自举单元及采样保持子电路，所述时钟产生子电路具有分别和所述栅压自举单元连接的第一输出端和第二输出端，且所述第一输出端和第二输出端输出互补两时钟脉冲，所述采样保持子电路包括采样开关和保持电容，所述采样开关对外部信号进行采样，所述保持电容对采样获得的信号进行保存，所述栅压自举单元还分别和外部电源及采样开关连接，所述栅压自举单元包括自举电容，所述自举电容为所述采样开关提供固定的栅源电压，所述栅压自举单元通过所述时钟产生子电路输出的时钟脉冲而控制所述采样开关对外部信号的采样，其特征在于，还包括防泄漏子电路，所述防泄漏子电路连接于所述栅压自举单元的自举电容和地之间，且所述防泄漏子电路和时钟产生子电路及外部电源连接，当所述采样保持子电路由保持切换至采样时，所述防泄漏子电路切断所述自举电容和地之间的连接。

2.如权利要求1所述的采样保持电路，其特征在于，所述采样开关为场效应管。

3.如权利要求2所述的采样保持电路，其特征在于，所述栅压自举单元包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管、第八场效应管及自举电容，所述第一输出端和所述第二场效应管及所述第三场效应管的栅极连接，所述第二输出端和所述第一场效应管及所述第八场效应管的栅极连接；所述自举电容的一端分别和所述第一场效应管的漏极及所述第二场效应管的源极连接，所述自举电容的另一端和所述第四场效应管的漏极及所述第五场效应管的源极连接，所述第五场效应管的漏极通过所述防泄漏子电路及第八场效应管接地，外部电源和所述第三场效应管的源极及第四场效应管的源极连接，第六场效应管的漏极和第七场效应管的源极与所述采样开关的源极连接，所述采样开关的栅极分别和所述第五场效应管的漏极及所述第四场效应管的栅极连接。

4.如权利要求3所述的采样保持电路，其特征在于，所述防泄漏子电路包括第九场效应管和第十场效应管，且所述第九场效应管的栅极及所述第十场效应管的源极均和外部电源连接，所述第九场效应管的源极和所述第五场效应管的漏极连接，其漏极和所述第八场效应管的源极连接，所述第二输出端和所述第十场效应管的栅极连接，所述第十场效应管的漏极和所述第八场效应管的源极连接。

5.如权利要求4所述的采样保持电路，其特征在于，所述第八场效应管和所述第九场效应管的结构特征完全相同。

6.如权利要求3所述的采样保持电路，其特征在于，所述栅压自举单元还包括第十一场效应管，所述第十一场效应管的栅极和所述第四场效应管的栅极、第五场效应管的漏极及所述第九场效应管的源极连接，其漏极和所述第三场效应管的漏极、所述第二场效应管的漏极及所述第五场效应管的栅极连接，其源极和自举电容的一端连接。

7.如权利要求3所述的采样保持电路，其特征在于，所述第六场效应管和第七场效应管构成一传输门，且所述第一输出端和所述第六场效应管的栅极连接，第二输出端和所述第七场效应管的栅极连接。

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