CN113014240B

CN113014240B - 一种信号开关管的控制电路以及模拟开关电路

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Publication number: CN113014240B
Application number: CN201911319285.4A
Authority: CN
Inventors: 孙德臣
Original assignee: SG Micro Beijing Co Ltd
Current assignee: SG Micro Beijing Co Ltd
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: CN113014240A

Abstract

本发明公开了一种信号开关管的控制电路以及模拟开关电路，控制电路包括一电容、一输出晶体管、第一充电模块以及第二充电模块，第一充电模块用于根据电源电压对电容的上极板进行充电，输出晶体管的第一端与电容的上极板连接，第二端用于提供开关信号，该开关信号用于控制信号开关管的导通和关断，第二充电模块用于在第一时间区间将电容的下极板接地，并在第二时间区间根据参考电压对电容的下极板充电，从而可以产生比电源电压高的开关信号来驱动信号开关管，保证在传输接近电源电压的信号时可以完全开启信号开关管。

Description

一种信号开关管的控制电路以及模拟开关电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体地涉及一种信号开关管的控制电路以及模拟开关电路。

背景技术

现今，各种模拟电路都需要用到模拟传输开关，以用作对模拟输入信号进行传输和选择，例如各种音视频电路都需要模拟传输开关进行音视频信号的选择导通，模拟控制电路需要模拟传输开关进行控制信号的选择控制。随着技术的发展，各种高清的视频、音频信号的传输对模拟传输开关的性能提出了越来越高的要求。

传统的模拟开关电路为了传输接近电源电压(VCC)的信号，通常会采用P型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)和N型MOSFET并联组成的CMOS开关作为信号开关管。如图1所示，模拟开关电路100包括开关管Mp0和开关管Mn0组成的信号开关管，开关管Mp0为P型MOSFET，开关管Mn0为N型MOSFET。开关管Mp0和开关管Mn0并联连接，二者的第一端彼此连接且都连接至信号输入端以接收输入信号Vin，二者的第二端彼此连接且都连接至信号输出端以提供输出信号Vout。开关管Mp0的控制端接收控制信号CP1，开关管Mn0的控制端接收控制信号CN1，控制信号CP1和控制信号CN1为相位相反的控制信号。

当输入信号Vin的电压较低时，开关管Mn0起主要的传输作用，且当控制信号CN1与输入信号Vin之间的电压差大于开关管Mn0的导通阈值时，信号开关管导通，根据信号输入端的输入信号Vin得到信号输出端的输出信号Vout；当输入信号Vin接近电源电压VCC时，开关管Mp0起主要的传输作用，且当输入信号Vin与控制信号CP1之间的电压差大于开关管Mp0的导通阈值时，信号开关管导通，根据信号输入端的输入信号Vin得到信号输出端的输出信号Vout。

现有技术的模拟开关电路的缺点在于：(1)P型MOSFET和N型MOSFET组成的信号开关管的尺寸较大，增大了芯片面积，提高了电路成本；(2)由于MOSFET的源极和漏极以及衬底和栅极之间都会产生寄生电容，所以P型MOSFET和N型MOSFET组成的信号开关管会大大增大信号通路上的寄生电容，导致信号传输过程中的失真。

因此，需要对现有技术的模拟开关电路进行改进，使得其不仅可以传输接近电源电压的信号，而且不会增大电路功耗和电路成本，更不会降低信号传输的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种信号开关管的控制电路以及模拟开关电路，不仅可以传输接近电源电压的信号，而且不会增大电路功耗和电路成本，更不会降低信号传输的稳定性。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种信号开关管的控制电路，所述信号开关管用于在信号输入端接收输入信号并在信号输出端提供输出信号，其中，所述控制电路包括：第一充电模块，连接于电源电压和第一节点之间，受控于第一时钟信号对所述第一节点进行充电；一电容，其具有与所述第一节点连接的上极板，以及与第二节点连接的下极板；一输出晶体管，其具有与所述第一节点连接的第一端，以及用于提供开关信号的第二端，所述开关信号用于控制所述信号开关管的导通和关断；以及第二充电模块，与所述第二节点连接，其中，所述第二充电模块用于在第一时间区间将所述第二节点接地，以及在第二时间区间根据参考电压对所述第二节点进行充电。

优选地，所述控制电路还包括一输出控制模块，与所述第二节点以及所述输出晶体管的控制端连接，所述输出控制模块用于根据第二时钟信号产生一控制信号，以控制所述输出晶体管的导通和关断。

优选地，在所述第二时间区间中，所述输出晶体管导通以将所述开关信号提供至所述信号开关管。

优选地，所述控制电路还包括一下拉晶体管，连接于所述输出晶体管的第二端和地之间，所述下拉晶体管的控制端接收一第三时钟信号，并受控于所述第三时钟信号。

优选地，在所述第一时间区间中，所述下拉晶体管导通以将所述输出晶体管的第二端接地。

优选地，所述第二充电模块包括：第一晶体管，连接于所述第二节点和地之间，所述第一晶体管的控制端接收一第三时钟信号，并受控于所述第三时钟信号；以及第二晶体管，连接于所述第二节点和所述参考电压之间，所述第二晶体管的控制端接收所述开关信号，并受控于所述开关信号，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管不同时导通。

优选地，在所述第一时间区间中，所述第一晶体管导通，以将所述第二节点接地，以及在所述第二时间区间中，所述第二晶体管导通，以将所述参考电压提供至所述第二节点。

优选地，所述第一充电模块包括一上拉晶体管，连接于所述电源电压和所述第一节点之间，所述上拉晶体管的控制端接收所述第一时钟信号。

优选地，所述输出控制模块包括第三至第五晶体管，其中，第三晶体管和第四晶体管依次串联连接于所述电源电压和所述第二节点之间，所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端用于接收所述第二时钟信号，所述第三晶体管和所述第四晶体管之间的第三节点用于提供所述控制信号，所述第五晶体管连接于所述第二节点和所述第三节点之间，所述第五晶体管的控制端用于接收所述开关信号。

优选地，所述第一时钟信号与所述第三时钟信号为同相信号，所述第二时钟信号与所述第三时钟信号互为反相信号。

优选地，所述第二时钟信号和所述第三时钟信号的低电平等于参考地电压，高电平等于所述电源电压，所述第一时钟信号的低电平等于所述电源电压，高电平等于二倍的所述电源电压。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种模拟开关电路，包括：信号开关管，所述信号开关管用于在信号输入端接收输入信号并在信号输出端提供输出信号；以及上述的控制电路，所述控制电路用于控制所述信号开关管的导通和关断。

在本发明实施例的信号开关管的控制电路以及模拟开关电路具有以下有益效果。

控制电路包括一电容、一输出晶体管、第一充电模块以及第二充电模块，第一充电模块用于根据电源电压对电容的上极板进行充电，输出晶体管的第一端与电容的上极板连接，第二端用于提供开关信号，该开关信号用于控制信号开关管的导通和关断，第二充电模块用于在第一时间区间将电容的下极板接地，并在第二时间区间根据参考电压对电容的下极板充电。本实施例的控制电路首先将电容充电到电源电压至地的电压水平，然后将电容的下极板接到参考电压，因此电容的上极板电压就被抬高到电源电压加一个参考电压的电位，从而可以产生比电源电压高的开关信号来驱动信号开关管，保证在传输接近电源电压的信号时可以完全开启信号开关管。

进一步的，本发明实施例的模拟开关电路仅选用N型MOSFET作为信号开关，也可以传输接近电源电压的信号，与现有的采用P型MOSFET和N型MOSFET并联组成的CMOS开关作为信号开关管的方案相比，芯片面积更小，有利于降低电路功耗和成本。此外，本发明实施例的模拟开关电路还可减小信号通路上的寄生电容，提高信号传输的稳定性和精度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的一种模拟开关电路的电路示意图；

图2示出根据本发明实施例的一种模拟开关电路的电路示意图；

图3示出图2中的模拟开关电路的控制电路的电路示意图；

图4示出图3中的控制电路的工作时序图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，为了简化说明，在图中可能省略了某些公知步骤的描述和细节。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，MOSFET包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

图2示出根据本发明实施例的模拟开关电路的电路示意图。如图2所示，本实施例的模拟开关电路200包括信号开关管Mnsw和控制电路210。

其中，控制电路210被配置为生成控制信号开关管Mnsw的导通和关断的开关信号Vsw。信号开关管Mnsw的控制端与控制电路210连接以接收所述开关信号Vsw，第一端与信号输入端连接以接收输入信号Vin，第二端与信号输出端连接以提供输出信号Vout。在一个非限制性的例子中，信号开关管Mnsw可以采用MOSFET，例如采用N型MOSFET。进一步的，控制电路210还需要产生比电源电压VCC高的开关信号Vsw来驱动信号开关管Mnsw，以保证在传输接近电源电压VCC的信号时可以完全开启信号开关管Mnsw。

图3示出图2中的控制电路的电路示意图。如图3所示，控制电路210包括第一充电模块211、第二充电模块212、电容C1、输出晶体管Mp2以及输出控制模块213。

电容C1的上极板与第一节点A连接，电容C1的下极板与第二节点B连接。输出晶体管Mp2的第一端与第一节点A连接，第二端与信号开关管Mnsw的控制端连接，输出晶体管Mp2用于在导通时根据第一节点A的电压向信号开关管Mnsw提供所述开关信号Vsw。

第一充电模块211连接于电源电压VCC和第一节点A之间，第一充电模块211受控于第一时钟信号clk1对第一节点A进行充电动作。进一步的，第一充电模块211包括上拉晶体管Mn1，上拉晶体管Mn1的第一端与电源电压VCC连接，第二端与第一节点A连接，控制端用于接收第一时钟信号clk1。上拉晶体管Mn1用于受控于第一时钟信号clk1导通，以将电源电压VCC提供至第一节点A，对第一节点A进行充电动作。

第二充电模块212与第二节点B连接，其中，第二充电模块212用于在第一时间区间将第二节点B接地，以及在第二时间区间根据参考电压Vref对第二节点B进行充电动作，以在第二时间区间中将第一节点A的电压抬高到大于电源电压VCC的电位。进一步的，第二充电模块212包括晶体管Mn2和晶体管Mn5。晶体管Mn2的第一端与第二节点B连接，第二端接地，控制端受控于第三时钟信号clk3。晶体管Mn5的第一端与第二节点B连接，第二端与参考电压Vref连接，控制端与输出晶体管Mp2的第二端连接于第四节点D，以接收所述开关信号Vsw。其中，晶体管Mn2和晶体管Mn5不同时导通，即在所述第一时间区间中，晶体管Mn2导通，将所述第二节点B接地；在所述第二时间区间中，晶体管Mn5导通，将参考电压Vref提供至第二节点B。

输出控制模块213连接于输出晶体管Mp2的控制端和第二节点B之间，输出控制模块213用于根据第二时钟信号clk2生成一控制信号Vctrl，控制输出晶体管Mp2的导通和关断。进一步的，输出控制模块213包括晶体管Mp1、晶体管Mn3以及晶体管Mn4。晶体管Mp1和晶体管Mn3依次串联连接于电源电压VCC和第二节点B之间，晶体管Mp1和晶体管Mn3的控制端彼此连接，且都接收第二时钟信号clk2。晶体管Mn4的第一端与晶体管Mp1和晶体管Mn3之间的第三节点C相连接，第二端与第二节点B连接，控制端与第四节点D连接。其中，第三节点C用于提供所述控制信号Vctrl。

进一步的，控制电路210还包括下拉晶体管Mn6，连接于输出晶体管Mp2的第二端和地之间，用于根据第三时钟信号clk2拉低所述开关信号Vsw。

在上述实施例中，上拉晶体管Mn1、晶体管Mn2-Mn5以及下拉晶体管Mn6例如可以通过N型MOSFET实现。晶体管Mp1和输出晶体管Mp2例如可以通过P型MOSFET实现。

图4示出图3中控制电路的工作时序图。在图4中，第一至第三时钟信号clk1-clk3为具有一定占空比的方波信号，第一时钟信号clk1和第三时钟信号clk3为同相信号，第二时钟信号clk2和第三时钟信号clk3互为反相信号。此外，第二时钟信号clk2和第三时钟信号clk3的低电平等于参考地电压GND，高电平等于所述电源电压VCC，而第一时钟信号clk1的低电平等于所述电源电压VCC，高电平等于2倍的所述电源电压VCC。VA、VB、VC以及VD分别对应了第一至第四节点的电压波形图。时间T1和时间T2分别对应了上文所述的第一时间区间和第二时间区间。

以下参照图3和图4对本发明实施例的模拟开关电路的控制电路的工作原理进行详细说明。

在第一时间区间T1中，第一时钟信号clk1和第三时钟信号clk3为高电平，第二时钟信号clk2为低电平，上拉晶体管Mn1、晶体管Mn2、晶体管Mp1以及下拉晶体管Mn6导通。上拉晶体管Mn1将电源电压VCC提供至第一节点A，因此第一节点A的电压VA等于电源电压VCC，晶体管Mn2将第二节点B接地，所以第二节点B的电压VB等于参考地电压GND。此外，晶体管Mp1将电源电压VCC提供至第三节点C，所以第三节点C的电压VC等于电源电压VCC，输出晶体管Mp2关断。又因为下拉晶体管Mn6将第四节点D接地，所以第四节点D的电压VD等于参考地电压GND，因此晶体管Mn5关断。所以在第一时间区间T1中，开关信号Vsw等于参考地电压GND(即控制电路210输出的开关信号Vsw为低电平)。

在第二时间区间T2中，第一时钟信号clk1和第三时钟信号clk3翻转为低电平，第二时钟信号clk2翻转为高电平，所以晶体管Mn2、下拉晶体管Mn6以及晶体管Mp1关断，晶体管Mn3导通。晶体管Mn3将第三节点C拉低，输出晶体管Mp2导通。又因为第一时钟信号clk1的低电平等于电源电压VCC，所以在第二时间区间T2中，上拉晶体管Mn1依旧处于导通状态，因此第一节点A的电压VA仍然等于电源电压VCC，然后输出晶体管Mp2根据第一节点A的电压VA将晶体管Mn5导通，晶体管Mn5将参考电压Vref提供至第二节点B和第三节点C，第二节点B和第三节点C的电压VB和VC等于参考电压Vref。由于电容C1两端的电压差保持恒定，所以第一节点A的电压VA被抬高到电源电压和参考电压的电压和VCC+Vref，因为输出晶体管Mp2是导通的，因此第四节点D的电压VD也被抬高到电源电压和参考电压的电压和VCC+Vref，从而产生一个比电源电压VCC高参考电压Vref的开关信号Vsw来驱动信号开关管Mnsw，保证在传输接近电源电压VCC的信号时可以完全开启信号开关管Mnsw。

综上，在本发明实施例的信号开关管的控制电路以及模拟开关电路中，控制电路包括一电容、一输出晶体管、第一充电模块以及第二充电模块，第一充电模块用于根据电源电压对电容的上极板进行充电，输出晶体管的第一端与电容的上极板连接，第二端用于提供开关信号，该开关信号用于控制信号开关管的导通和关断，第二充电模块用于在第一时间区间将电容的下极板接地，并在第二时间区间根据参考电压对电容的下极板充电。本实施例的控制电路首先将电容充电到电源电压至地的电压水平，然后将电容的下极板接到参考电压，因此电容的上极板电压就被抬高到电源电压加一个参考电压的电位，从而可以产生比电源电压高的开关信号来驱动信号开关管，保证在传输接近电源电压的信号时可以完全开启信号开关管。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种信号开关管的控制电路，所述信号开关管用于在信号输入端接收输入信号并在信号输出端提供输出信号，其中，所述控制电路包括：

第一充电模块，连接于电源电压和第一节点之间，受控于第一时钟信号对所述第一节点进行充电；

一电容，其具有与所述第一节点连接的上极板，以及与第二节点连接的下极板；

一输出晶体管，其具有与所述第一节点连接的第一端，以及用于提供开关信号的第二端，所述开关信号用于控制所述信号开关管的导通和关断；以及

第二充电模块，与所述第二节点连接，

其中，所述第二充电模块包括：

第一晶体管，连接于所述第二节点和地之间，所述第一晶体管的控制端接收一第三时钟信号，并受控于所述第三时钟信号；以及

第二晶体管，连接于所述第二节点和参考电压之间，所述第二晶体管的控制端接收所述开关信号，并受控于所述开关信号，

其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管不同时导通，使得所述第二充电模块用于在第一时间区间将所述第二节点接地，以及在第二时间区间根据所述参考电压对所述第二节点进行充电。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括一输出控制模块，与所述第二节点以及所述输出晶体管的控制端连接，所述输出控制模块用于根据第二时钟信号产生一控制信号，以控制所述输出晶体管的导通和关断。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，在所述第二时间区间中，所述输出晶体管导通以将所述开关信号提供至所述信号开关管。

4.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，还包括一下拉晶体管，连接于所述输出晶体管的第二端和地之间，所述下拉晶体管的控制端接收一第三时钟信号，并受控于所述第三时钟信号。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，在所述第一时间区间中，所述下拉晶体管导通以将所述输出晶体管的第二端接地。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，在所述第一时间区间中，所述第一晶体管导通，以将所述第二节点接地，以及

在所述第二时间区间中，所述第二晶体管导通，以将所述参考电压提供至所述第二节点。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一充电模块包括一上拉晶体管，连接于所述电源电压和所述第一节点之间，所述上拉晶体管的控制端接收所述第一时钟信号。

8.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述输出控制模块包括第三至第五晶体管，

其中，第三晶体管和第四晶体管依次串联连接于所述电源电压和所述第二节点之间，

所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端用于接收所述第二时钟信号，

所述第三晶体管和所述第四晶体管之间的第三节点用于提供所述控制信号，

所述第五晶体管连接于所述第二节点和所述第三节点之间，所述第五晶体管的控制端用于接收所述开关信号。

9.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第一时钟信号与所述第三时钟信号为同相信号，

所述第二时钟信号与所述第三时钟信号互为反相信号。

10.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第二时钟信号和所述第三时钟信号的低电平等于参考地电压，高电平等于所述电源电压，

所述第一时钟信号的低电平等于所述电源电压，高电平等于二倍的所述电源电压。

11.一种模拟开关电路，其特征在于，包括：

信号开关管，所述信号开关管用于在信号输入端接收输入信号并在信号输出端提供输出信号；以及

权利要求1-10任一项所述的控制电路，所述控制电路用于控制所述信号开关管的导通和关断。