CN110830017B - 一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关 - Google Patents

Abstract

一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关，能够使得CMOS模拟开关在不需要提供负压电源、不用增加功耗、不需要芯片外加电路的情况下实现负压信号切换，其特征在于，包括组成一个开关单元的CMOS模拟开关PMOS管和CMOS模拟开关NMOS管，所述CMOS模拟开关PMOS管的漏极和所述CMOS模拟开关NMOS管的漏极均连接CMOS模拟开关输入电压端，所述CMOS模拟开关PMOS管的源极和所述CMOS模拟开关NMOS管的源极均连接CMOS模拟开关输出电压端，所述CMOS模拟开关NMOS管的栅极连接该栅极控制信号，所述栅极控制信号的低电平端和所述CMOS模拟开关NMOS管的衬底均连接负压电位生成电路的低电平端，所述负压电位生成电路具有若干模拟开关输入电压端接口和若干模拟开关输出电压端接口。

Description

一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关

技术领域

本发明涉及切换负压信号的CMOS模拟开关技术，特别是一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关，通过利用芯片内NMOS管或三极管等组成负压电位生成电路，能够使得CMOS模拟开关在不需要提供负压电源、不用增加功耗、不需要芯片外加电路的情况下实现负压信号切换，并且该负压信号切换适用有多个输入、输出端口和连接关系复杂的模拟开关。

背景技术

目前，一般CMOS模拟开关切换负压信号时，需要额外的负压电源供电，或者由芯片内部产生一个负向电压，接开关的NMOS管的控制信号的低电平和开关的NMOS管的衬底端。应用时不能要求系统必须提供负压电源，而自己产生负向电压会有一定的功耗，同时芯片设计复杂。另一种做法是通过在芯片外加电路，将不能过负压的模拟开关的地的电位进行钳位，使得经过模拟开关的负压信号不会衰落到模拟开关的地，实现对负压信号的切换。外加电路的做法提高了系统的复杂度，又降低了系统的集成度。在很多应用中都需要CMOS模拟开关能切换负压信号，即开关的输入或输出端信号可能是负压。为了正确控制开关的开启、关断，同时没有漏电，就要求开关的NMOS管的控制信号的低电平和开关的NMOS管的衬底端电位也要是负压。本发明人发现，虽然可以采用负压电源以提供所需负压，但是在多数情况下，系统都不能提供这样的负压电源。如果利用负压电荷泵电路等额外的电路在芯片内部自己产生一个负压来充当这个负压电源，这样就提高了芯片的复杂度，也增加成本，同时负压电路都会有一定的功耗，而普通CMOS模拟开关正常工作时并没有功耗。如果通过外加电路来使不能切换负压的模拟开关而过负压，这种做法是改变应用环境，系统为此要额外增加电路，占用系统空间，降低了集成度。如果比较地电位和一个会过负压的输入或输出端，选择两者更低的电位提供给开关NMOS管的衬底，因为一次只能比较两个端口，就要求输入、输出的数量不能太多，而且输入、输出的组合方式必须简单，因为互相比较确定负压电位就非常复杂，对有更多输入、输出端口的模拟开关，此方法根本不能使用。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关，通过利用芯片内NMOS管或三极管等组成负压电位生成电路，能够使得CMOS模拟开关在不需要提供负压电源、不用增加功耗、不需要芯片外加电路的情况下实现负压信号切换，并且该负压信号切换适用有多个输入、输出端口和连接关系复杂的模拟开关。

本发明技术方案如下：

一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关，其特征在于，包括组成一个开关单元的CMOS模拟开关PMOS管和CMOS模拟开关NMOS管，所述CMOS模拟开关PMOS管的漏极和所述CMOS模拟开关NMOS管的漏极均连接CMOS模拟开关输入电压端，所述CMOS模拟开关PMOS管的源极和所述CMOS模拟开关NMOS管的源极均连接CMOS模拟开关输出电压端，所述CMOS模拟开关NMOS管的栅极连接该栅极控制信号，所述栅极控制信号的低电平端和所述CMOS模拟开关NMOS管的衬底均连接负压电位生成电路的低电平端，所述负压电位生成电路具有若干模拟开关输入电压端接口和若干模拟开关输出电压端接口。

所述负压电位生成电路的低电平端为所述栅极控制信号的低电平端提供控制信号所需的低电平。

所述负压电位生成电路包括接地NMOS管，第一组NMOS管和第二组NMOS管，所述接地NMOS管的漏极连接接地端，所述接地NMOS管的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第一组NMOS管以其第一组漏极形成第一组模拟开关输入电压端接口，所述第二组NMOS管以其第二组漏极形成第二组模拟开关输出电压端接口，所述第一组NMOS管的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第二组NMOS管的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端。

所述负压电位生成电路的低电平端的电位为整个芯片能看到的所有电位的最低电位加上一个NMOS管的寄生体二极管压降。

所述第一组NMOS管的漏极均设置有漏端串入电阻，所述第二组NMOS管的漏极均设置有漏端串入电阻。

所述负压电位生成电路包括接地NPN三极管，第一组NPN三极管和第二组NPN三极管，所述接地NPN三极管的集电极连接接地端，所述接地NPN三极管的基极和发射极均连接所述低电平端，所述第一组NPN三极管以其第一组集电极形成第一组模拟开关输入电压端接口，所述第二组NPN三极管以其第二组集电极形成第二组模拟开关输出电压端接口，所述第一组NPN三极管的基极和发射极均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第二组NPN三极管的基极和发射极均连接所述负压电位生成电路的低电平端。

本发明技术效果如下：本发明的一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关，由于采用了芯片内NMOS管或三极管等组成负压电位生成电路，CMOS模拟开关NMOS管的栅极和衬底均连接负压电位生成电路生成的低电平端，不会有漏电流，使得CMOS模拟开关在不需要提供负压电源、不用增加功耗、不需要芯片外加电路的情况下实现负压信号切换，而且实现方式简单，对输入、输出端口的个数和连接关系也没有限制。

附图说明

图1是实施本发明一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关的结构原理示意图。

附图标记列示如下：VIN-CMOS模拟开关输入电压端或CMOS模拟开关输入电压；VOUT-CMOS模拟开关输出电压端或CMOS模拟开关输出电压；MP-CMOS模拟开关PMOS管；MN-CMOS模拟开关NMOS管；VMIN-负压电位生成电路的低电平端或负压电位生成电路生成的低电平；M10-接地NMOS管；M11-第一组第一NMOS管；M12-第一组第二NMOS管；M21-第二组第一NMOS管；M22-第二组第二NMOS管；VGND-接地端或芯片地电位；VIN1-第一CMOS模拟开关过负压输入端或第一输入端负压电位；VIN2-第二CMOS模拟开关过负压输入端或第二输入端负压电位；VOUT1-第一CMOS模拟开关过负压输出端或第一输出端负压电位；VOUT2-第二CMOS模拟开关过负压输出端或第二输出端负压电位；Vdiode_NMOS-NMOS管寄生体二极管压降。

具体实施方式

下面结合附图(图1)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关的结构原理示意图。如图1所示，一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关，包括组成一个开关单元(如图1中左边虚框)的CMOS模拟开关PMOS管MP和CMOS模拟开关NMOS管MN，所述CMOS模拟开关PMOS管MP的漏极和所述CMOS模拟开关NMOS管MN的漏极均连接CMOS模拟开关输入电压端VIN，所述CMOS模拟开关PMOS管MP的源极和所述CMOS模拟开关NMOS管MN的源极均连接CMOS模拟开关输出电压端VOUT，所述CMOS模拟开关NMOS管MN的栅极连接该栅极控制信号，所述栅极控制信号的低电平端和所述CMOS模拟开关NMOS管的衬底均连接负压电位生成电路(如图1中右边虚框，该虚框中例举的NMOS管可以替换为NPN三极管)的低电平端VMIN，所述负压电位生成电路具有若干模拟开关输入电压端接口(如图1中VIN1，VIN2，...)和若干模拟开关输出电压端接口(如图1中VOUT1，VOUT2，...)。所述负压电位生成电路生成的低电平端VMIN为所述栅极控制信号的低电平端提供控制信号所需的低电平。

所述负压电位生成电路包括接地NMOS管M10，第一组NMOS管(如图1中M11，M12，...)和第二组NMOS管(如图1中M21，M22，...)，所述接地NMOS管M10的漏极连接接地端VGND，所述接地NMOS管M10的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端VMIN，所述第一组NMOS管以其第一组漏极形成第一组模拟开关输入电压端接口(例如，第一CMOS模拟开关过负压输入端VIN1)，所述第二组NMOS管以其第二组漏极形成第二组模拟开关输出电压端接口(例如，第一CMOS模拟开关过负压输出端VOUT1)，所述第一组NMOS管的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第二组NMOS管的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端。所述负压电位生成电路的低电平端VMIN的电位为整个芯片能看到的所有电位的最低电位加上一个NMOS管的寄生体二极管压降。所述第一组NMOS管的漏极均设置有漏端串入电阻，所述第二组NMOS管的漏极均设置有漏端串入电阻。

所述负压电位生成电路包括接地NPN三极管，第一组NPN三极管和第二组NPN三极管，所述接地NPN三极管的集电极连接接地端，所述接地NPN三极管的基极和发射极均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第一组NPN三极管以其第一组集电极形成第一组模拟开关输入电压端接口，所述第二组NPN三极管以其第二组集电极形成第二组模拟开关输出电压端接口，所述第一组NPN三极管的基极和发射极均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第二组NPN三极管的基极和发射极均连接所述负压电位生成电路的低电平端。

针对现有CMOS模拟开关切换负压信号的问题，本发明实现了一种不需要提供负压电源，不用增加功耗，不需要芯片外加电路，而使CMOS模拟开关切换负压信号的方法，同时开关的输入、输出端口可以无限多，组合方式也不受限制。除去外加电路使普通不过负压的CMOS模拟开关切换负压信号的方法外，CMOS模拟开关要切换负压信号就必须有一个负压电位，当输入或输出端口为负压时，处于关断状态的开关的NMOS管的控制信号要为负压，才能使其关闭。同时模拟开关的NMOS管的源端或漏端，即开关的输入或输出端有负压信号时，NMOS管的衬底电位必须为负压，才能保证NMOS管寄生的PN结反向截止，没有漏电。本发明实现了一种产生负压电位的方案，没有功耗消耗，同时不限制输入、输出端的数量和组合方式。具体方案为：步骤101，开关所有会过负压的输入端(电位记为VIN1、VIN2…)、输出端(电位记为VOUT1、VOUT2…)分别连接到一个NMOS管的漏端。步骤102，芯片的地电位(标记为VGND)连接到一个NMOS管的漏端。步骤103，将步骤101和步骤102中的所有NMOS管的栅端、源端和衬底端接在一起，标记为VMIN，如图1所示。步骤104，将步骤103生成的VMIN，当作我们需要的负压电位，连接到开关的NMOS管的控制信号的低电平端，和开关的NMOS管的衬底端，如图1所示。具体地，当某一个或多个输入或输出端有负压信号时，步骤101、102、103中的NMOS管的共同端VMIN，因为NMOS管的反向二极管接法，VMIN会被钳位到负压，而且会比较所有NMOS管的漏端电位，即所有输入端电位、输出端电位和地电位，VMIN会被钳位到相对值最小的负压电位加上一个NMOS管的二极管压降(标记为Vdiode_NMOS)，用公式表示为：

VMIN＝MIN(VGND,VIN1,VIN2,...,VOUT1,VOUT2,...)+Vdiode_NMOS。

需要指出的是，这里的NMOS管的二极管压降(Vdiode_NMOS)要做小，小于开关的NMOS管的寄生二极管压降。将步骤101、102中的NMOS管选用大的宽长比，或者选用比开关的NMOS管阈值低的NMOS管即可实现。产生的VMIN就是需要的负压电位。当输入端、输出端都没有负压信号时，VMIN电位为地电位加上一个NMOS管的二极管压降。总之VMIN的电位为整个芯片能看到的所有电位的最低电位加上一个NMOS管的二极管压降。按上述方法产生的VMIN电位接开关的NMOS管的控制信号的低电平和开关的NMOS管的衬底端，不会有漏电流，从而实现CMOS模拟开关切换负压信号。

本发明的特点：1.产生CMOS模拟开关切换负压信号所需负压电位的电路结构。2.使用本发明结构，或其它类似变形结构，比如将步骤101、102中的NMOS管换成NPN三极管，或者为了ESD保护而在NMOS管的漏端串电阻等类似形式的电路结构等。利用其他工艺器件，或者在NMOS管、NPN三极管的电路结构中加入一些辅助器件，如在NMOS管的漏端串入电阻等，同样能产生所需的负压电位，而且对于实际芯片，为了ESD防护，NMOS管的漏断串电阻是必须的。这些做法的核心都没有脱离本发明的电路结构。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (2)

1.一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关，其特征在于，包括组成一个开关单元的CMOS模拟开关PMOS管和CMOS模拟开关NMOS管，所述CMOS模拟开关PMOS管的漏极和所述CMOS模拟开关NMOS管的漏极均连接CMOS模拟开关输入电压端，所述CMOS模拟开关PMOS管的源极和所述CMOS模拟开关NMOS管的源极均连接CMOS模拟开关输出电压端，所述CMOS模拟开关NMOS管的栅极连接栅极控制信号，所述栅极控制信号的低电平端和所述CMOS模拟开关NMOS管的衬底均连接负压电位生成电路的低电平端，所述负压电位生成电路具有若干模拟开关输入电压端接口和若干模拟开关输出电压端接口；

所述负压电位生成电路的低电平端为所述栅极控制信号的低电平端提供控制信号所需的低电平；

所述负压电位生成电路包括接地NMOS管、第一组NMOS管和第二组NMOS管，所述接地NMOS管的漏极连接接地端，所述接地NMOS管的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第一组NMOS管以其第一组漏极形成第一组模拟开关输入电压端接口，所述第二组NMOS管以其第二组漏极形成第二组模拟开关输出电压端接口，所述第一组NMOS管的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第二组NMOS管的栅极、源极和衬底均连接所述负压电位生成电路的低电平端；

所述负压电位生成电路的低电平端的电位为整个芯片能看到的所有电位的最低电位加上一个NMOS管的寄生体二极管压降；

所述第一组NMOS管的漏极均设置有漏端串入电阻，所述第二组NMOS管的漏极均设置有漏端串入电阻。

2.一种无功耗片内实现多端口过负压的模拟开关，其特征在于，包括组成一个开关单元的CMOS模拟开关PMOS管和CMOS模拟开关NMOS管，所述CMOS模拟开关PMOS管的漏极和所述CMOS模拟开关NMOS管的漏极均连接CMOS模拟开关输入电压端，所述CMOS模拟开关PMOS管的源极和所述CMOS模拟开关NMOS管的源极均连接CMOS模拟开关输出电压端，所述CMOS模拟开关NMOS管的栅极连接栅极控制信号，所述栅极控制信号的低电平端和所述CMOS模拟开关NMOS管的衬底均连接负压电位生成电路的低电平端，所述负压电位生成电路具有若干模拟开关输入电压端接口和若干模拟开关输出电压端接口；

所述负压电位生成电路包括接地NPN三极管，第一组NPN三极管和第二组NPN三极管，所述接地NPN三极管的集电极连接接地端，所述接地NPN三极管的基极和发射极均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第一组NPN三极管以其第一组集电极形成第一组模拟开关输入电压端接口，所述第二组NPN三极管以其第二组集电极形成第二组模拟开关输出电压端接口，所述第一组NPN三极管的基极和发射极均连接所述负压电位生成电路的低电平端，所述第二组NPN三极管的基极和发射极均连接所述负压电位生成电路的低电平端。