CN103762986A - 采样保持开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采样保持开关电路，其包括时钟产生子电路、栅压自举单元、采样场效应管及保持电容，其中，采样保持开关电路还包括衬底选择子电路，衬底选择子电路分别与信号输入端、信号输出端及采样场效应管的衬底连接，衬底选择子电路根据输入模拟信号与输出模拟信号的电压值的大小选择信号输入端或信号输出端连接采样场效应管的衬底，以消除采样场效应管的体效应。本发明的采样保持开关电路减小了采样场效应管由于栅源电压随输入信号变化产生的非线性，同时消除了采样场效应管的体效应，进一步提高了采样场效应管的线性度，提高了采样保持开关电路的动态范围。

Description

采样保持开关电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种对模拟信号进行采样的采样保持开关电路。

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，采样保持开关电路是整个转换器设计的瓶颈，而采样场效应管又是采样电路中不可或缺的组成部分，采样场效应管的速度和精度在很大程度上决定了采样保持开关电路的整体性能。在深亚微米工艺条件下，连接输入信号的采样场效应管连接有栅电压自举的结构，以降低采样场效应管的导通电阻，并降低采样场效应管的非线性且扩大输入信号范围。但随着采样频率的增高，传统结构的采样场效应管的线性度不断下降，制约了采样保持开关电路的动态范围，无法满足高速度，高性能模数转换器对采样信号动态性能的要求。

因此，有必要提供一种改进的采样保持开关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开关电路，该采样保持开关电路减小了采样场效应管由于栅源电压随输入信号变化产生的非线性，同时消除了采样场效应管的体效应，进一步提高了采样场效应管的线性度，提高了采样保持开关电路的动态范围。

为实现上述目的，本发明提供一种采样保持开关电路，其包括时钟产生子电路、栅压自举单元、采样场效应管及保持电容，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的两时钟脉冲，所述栅压自举单元还分别和外部电源及采样场效应管连接，所述栅压自举单元的两输出端分别与采样场效应管的栅极及一个漏/源极连接，以为所述采样场效应管提供固定的栅源电压，信号输入端与所述采样场效应管的一个漏/源极连接，以输入外部模拟信号至所述采样场效应管，所述采样场效应管的另一个漏/源极与信号输出端连接，以输出采样后的模拟信号，所述保持电容一端与信号输出端连接，另一端接地，以保持采样后的模拟信号；其中，所述采样保持开关电路还包括衬底选择子电路，所述衬底选择子电路分别与所述信号输入端、信号输出端及采样场效应管的衬底连接，所述衬底选择子电路根据输入模拟信号与输出模拟信号的电压值的大小选择信号输入端或信号输出端连接所述采样场效应管的衬底，以消除采样场效应管的体效应。

较佳地，所述衬底选择子电路包括比较器、跟随器、反向器、第一开关及第二开关；所述比较器的反相输入端与所述信号输入端连接，其正相输入端与所述信号输出端连接，其输出端与所述跟随器及反相器的输入端连接；所述第一开关的一端与信号输入端连接，所述第二开关的一端与信号输出端连接，所述第一开关与第二开关的另一端均与所述采样场效应管的衬底连接；且所述跟随器的输出端与所述第一开关的控制端连接，所述反向器的输出端与所述第二开关的控制端连接。

较佳地，所述第一开关与第二开关均在其控制端的电压为高电平时闭合，控制端电压为低电平时断开。

较佳地，所述采样场效应管为N型场效应管。

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场效应管的一个漏/源极连接，所述采样场效应管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，所述栅压自举单元还包括防泄漏子电路，所述防泄漏子电路连接于所述自举电容和地之间，且所述防泄漏子电路和时钟产生子电路及外部电源连接，当所述采样保开关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。

与现有技术相比，本发明的采样保持开关电路由于所述衬底选择子电路分别与所述信号输入端、信号输出端及采样场效应管的衬底连接，使得通过所述衬底选择子电路选择信号输入端或信号输出端与所述采样场效应管的衬底连接，在保证所述采样场效应管的PN结反偏的同时，进而保证了所述采样场效应管的导通电阻为一个与工艺及外部电源电压相关的常量，提高了采样场效应管的线性度，提高了采样保持开关电路的采样性能。

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为本发明采样保持开关电路的电路结构图。

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开关电路，该采样保持开关电路减小了采样场效应管由于栅源电压随输入信号变化产生的非线性，同时消除了采样场效应管的体效应，进一步提高了采样场效应管的线性度，提高了采样保持开关电路的动态范围。

请参考图1，图1为本发明采样保持开关电路的电路结构图。本发明的采样保持开关电路包括时钟产生子电路、栅压自举单元、采样场效应管MS、保持电容CS及衬底选择子电路。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输出互补的两时钟脉冲，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；且所述第一输出端K1和第二输出端K2输出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。所述栅压自举单元还分别和外部电源VDD及采样场效应管MS连接，所述栅压自举单元的两输出端分别与采样场效应管MS的栅极及一个漏/源极（本发明的采样场效应管MS不分源极与漏极，即其源极与漏极可互换）连接，以为所述采样场效应管MS提供固定的栅源电压，从而使得所述采样场效应管的栅源电压不随输入信号而变化，减小了栅源电压随输入信号变化产生的非线性；信号输入端VIN与所述采样场效应管MS的一个漏/源极连接，以输入外部模拟信号Vin至所述采样场效应管MS，所述采样场效应管MS的另一个漏/源极与信号输出端VOUT连接，以输出采样后的模拟信号Vout；且所述保持电容CS的一端与信号输出端VOUT连接，另一端接地，从而所述保持电容CS可将所述采样场效应管MS采样后输出的模拟信号Vout保持，以便于后续电路对模拟信号Vout的进一步处理。所述衬底选择子电路分别与所述信号输入端VIN、信号输出端VOUT及采样场效应管MS的衬底连接，所述衬底选择子电路根据输入模拟信号Vin与输出模拟信号Vout的电压值选择信号输入端VIN或信号输出端VOUT连接所述采样场效应管MS的衬底，以削除采样场效应管MS的体效应。

具体地，请再结合参考图1。

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、自举电容C及防泄漏子电路；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VDD连接；所述第四场效应管M4的源极和外部电源VDD连接，其栅极和第五场效应管M5的漏极、防泄漏子电路、及采样场效应管MS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的源极及采样场效应管MS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。

所述采样场效应管MS的栅极和节点n4连接，且其一个源/漏极和第六场效应管M6的漏极及信号输入端VIN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场效应管MS提供栅源电压；其中，所述采样场效应管MS的另一个源/漏极信号输出端VOUT连接，从而所述采样场效应管MS在所述时钟产生子电路产生的时钟脉冲的控制下对信号输入端VIN输出的模拟信号Vin进行采样，且将采样获得的模拟信号Vout通过所述信号输出端VOUT输出；且在本发明的优选实施方式中，所述采样场效应管为N型场效应管。如前所述，在所述采样场效应管MS的另一个漏/源极与信号输出端VOUT之间连接有所述保持电容CS，从而当所述采样场效应管MS停止对模拟信号Vin的采样时，所述保持电容CS将采样获得后的模拟信号Vout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VDD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，第二输出端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。

所述衬底选择子电路包括比较器、跟随器FOL、反向器INV、第一开关S1及第二开关S2；所述比较器的反相输入端与所述信号输入端VIN连接，其正相输入端与所述信号输出端VOUT连接，其输出端与所述跟随器FOL及反相器INV的输入端连接；所述第一开关S1的一端与信号输入端VIN连接，所述第二开关S2的一端与信号输出端VOUT连接，所述第一开关S1与第二开关S2的另一端均与所述采样场效应管MS的衬底连接；且所述跟随器FOL的输出端与所述第一开关S1的控制端连接，所述反向器INV的输出端与所述第二开关S2的控制端连接，从而所述跟随器FOL输出的电压控制所述第一开关S1的闭合或断开，所述反向器INV输出的电压控制所述第二开关S2的闭合或断开。且在本发明的优选实施方式中，所述第一开S1关与第二开关S2均在其控制端的电压为高电平时闭合，控制端电压为低电平时断开；从而当所述比较器输出高电平时，所述第一开关S1闭合，所述第二开关S2断开，从而所述采样场效应管MS的衬底与所述信号输入端VIN连接；而当所述比较器输出低电平时，所述第一开关S1断开，所述第二开关S2闭合，所述采样场效应管MS的衬底与所述信号输出端VOUT连接。

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开关电路运行更可靠。

下面结合参考图1，描述本发明的工作原理：

所述采样保持开关电路处于保持状态时，第一输出端K1输出为低电平，第二输出端K2输出为高电平；此时第一场效应管M1导通，第六场效应管M6与第七场效应管M7组成的传输门截止，使节点n2与信号输入端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，第五场效应管M5截止。因为第二输出端K2输出为高电平，所以第九场效应管M9与第八场效应管M8导通，第十场效应管M10截止，从而节点n4的为低电平，使得所述采样场效应管MS截止，第十一场效应管M11截止，第四场效应管M4导通，则外部电源电压VDD通过导通的第四场效应管M4与第一场效应管M1对电容C充电至VDD－|VDS4|－VDS1，其中VDS4、VDS1为第四场效应管M4与第一场效应管M1的漏源电压。当所述采样保持开关电路采样时，所述第一输出端K1输出为高电平时，第二输出端K2输出为低电平，所述第一场效应管M1截止，第六场效应管M6与第七场效应管M7组成的传输门导通并连接信号输入端VIN，则节点n2的电压为VIN+VDS6。因为第二输出端K2输出为高电平，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n4的电压为

Vn4＝VIN+VDS6+VDD－|VDS4|－VDS1  （1）

从而采样场效应管MS的栅源电压VGS为

VGS＝Vn4－VIN＝VDS6+VDD－|VDS4|－VDS1≈VDD  （2）

因为电路中的各场效应管皆为开关管，导通时的漏源电压非常小，所以（2）式约为VDD，即采样场效应管MS的栅源电压在采样时恒为VDD，则采样场效应管MS在采样时的导通电阻R_s为

$R_S=\frac{1}{{k(W/L)}_S(\mathrm{VDD}-\mathrm{VTH})}---\left(3\right)$

式（3）中k为与工艺相关的常数，(W/L)_S为采样场效应管MS的宽长比，VTH为采样场效应管MS的阈值电压，由式（1）的可以看出R_S的阻抗为与输入信号Vin无关的值，且栅源电压为电源电压VDD，比起传统结构，大大降低了等效阻抗，提高了采样速度和采样场效应管MS的线性度，从而提高了ADC电路的采样精度。

公式（3）中，MS的阈值电压为

$\mathrm{VTH}=\mathrm{VTH}0+\mathrm{\γ}(\sqrt{|{2\mathrm{\Φ}}_F+V_{\mathrm{SB}}|}-\sqrt{\left|2{\mathrm{\Φ}}_F\right|})---\left(4\right)$

式中的VTH0是一个与工艺参数相关的常量，γ为体效应系数，Ф_F为半导体静电平衡势垒（费米能级），V_SB为采样场效应管MS源极与衬底间的电势差。且在本发明中，所述采样场效应管MS的源、漏极是可以互换的；当Vin<Vout时，与所述信号输入端VIN连接的为采样场效应管MS的源极，与所述信号输出端VOUT连接的为采样场效应管MS的漏极；当Vin>Vout时,与所述信号输入端VIN连接的为采样场效应管MS的漏极，与所述信号输出端VOUT连接的为采样场效应管MS的源极。当实际采样到得信号不断变化时，其源极是无法确定的，为了保证采样场效应管MS正常工作，需要PN结反偏，传统结构的NMOS采样场效应管的衬底接到最低电位，即接地，从而保证了即便在源漏可以互换的情况下，仍然可以保证MOS管的正常工作。但是此种电路结构，V_SB是一个变化的量，结合（3）式，看以看出，在使用栅压自举单元的情况下，传统结构的MOS采样开关MS在采样时的导通电阻仍然随输入信号的不同而变化。但是加入了衬底选择子电路后：

当输入模拟信号Vin与输出模拟信号Vout的电压关系为：Vin<Vout时，所述比较器比较的结果为高电平，即输出为高电平，此时所述跟随器FOL的输出为高电平，第一开关S1闭合，所述反相器INV输出为低电平，第二开关S2断开，所述采样场效应管MS的衬底连接到信号输入端VIN；当输入模拟信号Vin与输出模拟信号Vout的电压关系为：Vin>Vout时，比较器比较的结果为低电平，即输出为低电平，此时跟随器FOL的输出为低电平，第一开关S1断开，反相器INV输出为高电平，第二开关S2闭合，所述采样场效应管MS的衬底连接到信号输出端VOUT。因此，无论在什么情况下，所述采样场效应管MS的衬底总能连接到输入模拟信号Vin和输出模拟信号Vout两者较低的电平上，保证了PN结反偏。在本发明中，使用NMOS管作为采样场效应管MS，模拟信号Vin与Vout两者的电压值相比，较低的电压的一端作为采样场效应管MS的源极，并使之与衬底相连，使得加入了衬底选择子电路的NMOS采样场效应管的源极与衬底间的电势差VSB=0，因此（4）式在加入了衬底选择子电路后，采样场效应管MS的阈值电压值是一个与工艺参数相关的常量，从而也保证了（3）式的采样开关的导通电阻是一个与工艺参数和电源电压VDD相关的常量，故进一步提高了开关的线性度，提高了采样保持开关电路的性能。

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 (9)

1.一种采样保持开关电路，包括时钟产生子电路、栅压自举单元、采样场效应管及保持电容，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的两时钟脉冲，所述栅压自举单元还分别和外部电源及采样场效应管连接，所述栅压自举单元的两输出端分别与采样场效应管的栅极及一个漏/源极连接，以为所述采样场效应管提供固定的栅源电压，信号输入端与所述采样场效应管的一个漏/源极连接，以输入外部模拟信号至所述采样场效应管，所述采样场效应管的另一个漏/源极与信号输出端连接，以输出采样后的模拟信号，所述保持电容一端与信号输出端连接，另一端接地，以保持采样后的模拟信号；其特征在于，还包括衬底选择子电路，所述衬底选择子电路分别与所述信号输入端、信号输出端及采样场效应管的衬底连接，所述衬底选择子电路根据输入模拟信号与输出模拟信号的电压值的大小选择信号输入端或信号输出端连接所述采样场效应管的衬底，以消除采样场效应管的体效应。

2.如权利要求1所述的采样保持开关电路，其特征在于，所述衬底选择子电路包括比较器、跟随器、反向器、第一开关及第二开关；所述比较器的反相输入端与所述信号输入端连接，其正相输入端与所述信号输出端连接，其输出端与所述跟随器及反相器的输入端连接；所述第一开关的一端与信号输入端连接，所述第二开关的一端与信号输出端连接，所述第一开关与第二开关的另一端均与所述采样场效应管的衬底连接；且所述跟随器的输出端与所述第一开关的控制端连接，所述反向器的输出端与所述第二开关的控制端连接。

3.如权利要求2所述的采样保持开关电路，其特征在于，所述第一开关与第二开关均在其控制端的电压为高电平时闭合，控制端电压为低电平时断开。

4.如权利要求2所述的采样保持开关电路，其特征在于，所述采样场效应管为N型场效应管。

5.如权利要求4所述的采样保持开关电路，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场效应管的一个漏/源极连接，所述采样场效应管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。

6.如权利要求5所述的采样保持开关电路，其特征在于，所述栅压自举单元还包括防泄漏子电路，所述防泄漏子电路连接于所述自举电容和地之间，且所述防泄漏子电路和时钟产生子电路及外部电源连接，当所述采样保开关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。

7.如权利要求6所述的采样保持开关电路，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。

8.如权利要求7所述的采样保持开关电路，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。

9.如权利要求7所述的采样保持开关电路，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。