CN113676171A - 一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，包括MOS管、电压跟随器、模拟电压加法器、第一电阻及第二电阻，MOS管的输入端连接输入信号及电压跟随器的输入端；第一电阻的一端连接MOS管衬底，另一端连接电压跟随器的输出端及模拟电压加法器的第一输入端；模拟电压加法器的第二输入端连接固定电压；第二电阻的一端连接MOS管栅极，另一端连接模拟电压加法器的输出端，MOS管输出端输出信号。本发明中电阻与寄生电容组成高通通道，弥补电压跟随器、模拟电压加法器的低通特性，从而在全频段实现导通电阻恒定；还可以有效降低导通电阻，提高导通开关的性能；有效增大关断电阻，提高关断隔离性能。

Description

一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关
技术领域
本发明涉及CMOS集成电路设计领域，具体涉及一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关。
背景技术
宽带信号切换应用中，开关的导通电阻很难同时保证在低频段信号和高频段信号保持恒定，这样开关的导通电阻会影响了信号的传输质量。传统的CMOS开关，通常采用CMOS互补结构，如图1所示，开关由PMOS管Mp与NMOS管Mn并联组成。开关导通时Mp管栅极Gp接最低电位Vss，衬底接触Bp接最高电位Vdd，Mn管栅极Gn接最高电位Vdd，衬底接触Bn接最低电位Vss。在低频段应用时，忽略MOS管寄生电容效应，其导通电阻示意图近似如图2所示，Ron_Mp为PMOS管的导通电阻，Ron_Mn为NMOS管的导通电阻，开关导通电阻Ron,
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式（1）其中Un、Cox、W、L为常数，
Vgs=Vg-Vin （2）
Vbs=Vb-Vin （3）
Vin为输入电压，Vth为阈值电压，Vth为Vbs的函数，即Vth随Vbs的变化而变化，所以由式（1）（2）（3）可以得出导通电阻Ron随着输入电压Vin的变化而变化，图2中互补CMOS开关的电阻随着Vin的变化而变化，在很多开关应用中，会产生较大的失真。在高频段应用时，MOS管寄生电容效应不可忽略，将带来更大失真效应，对导通信号产生不良影响。
发明内容
发明目的：为了解决传统的CMOS互补开关导通电阻易随输入信号变化而变化，且无法做到全频段导通电阻恒定的问题，本发明提供一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关。
技术方案：本发明提供一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，包括MOS管、电压跟随器、模拟电压加法器、第一电阻和第二电阻；MOS管的输入端连接输入信号及电压跟随器的输入端；第一电阻的一端连接MOS管衬底，另一端连接电压跟随器的输出端及模拟电压加法器的第一输入端；模拟电压加法器的第二输入端连接固定电压；第二电阻的一端连接MOS管栅极，另一端连接模拟电压加法器的输出端，MOS管输出端输出信号。
进一步地，设MOS管的输入端与衬底之间的寄生电容为Cbs，第一电阻为Rb，所述电压跟随器的主极点应大于
Figure 373866DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步地，设MOS管的输入端与栅极之间的寄生电容为Cgs，第二电阻为Rg，所述电压跟随器及模拟电压加法器的主极点均应大于
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步地，MOS管的输入端为源极，输出端为漏极；或者MOS管的输入端为漏极，输出端为源极。
进一步地，所述MOS管为NMOS管；还包括第一开关和第二开关，所述第一开关一端连接NMOS管的衬底，另一端连接最低电位；第二开关一端连接NMOS管的栅极，另一端连接最低电位。
进一步地，该开关关断时，第一开关和第二开关为闭合状态；该开关导通时，第一开关和第二开关为断开状态。
进一步地，所述MOS管为PMOS管；还包括第一开关和第二开关，所述第一开关一端连接PMOS管的衬底，另一端连接最高电位；第二开关一端连接PMOS管的栅极，另一端连接最高电位。
进一步地，该开关关断时，第一开关和第二开关为闭合状态；该开关导通时，第一开关和第二开关为断开状态。
有益效果：本发明提供一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，相比较现有技术，通过增加电压跟随器和加法器，在衬底和栅极输入电压，自适应输入电压跟随，实现开关的导通电阻较现有技术恒定的效果；为了弥补电压跟随器及模拟电压加法器带来的低通特性的缺陷，在衬底和栅上增加电阻，电阻与寄生电容产生高通零点，从而弥补电压跟随器、模拟电压加法器的低通特性，实现频率补偿，使开关在全频段都具有恒定的导通电阻。还可以有效降低导通电阻，增大关断电阻，提高导通开关的性能。
附图说明
图1为传统CMOS互补开关的电路原理图；
图2为传统CMOS互补开关的导通电阻随输入电压变化的曲线图；
图3为实施例一的电路原理图；
图4为多极点系统带宽特性示意图；
图5为实施例一的频率补偿结果示意图；
图6为实施例二的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例一：
如图3所示，一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，包括MOS管、电压跟随器、模拟电压加法器、第一电阻Rb及第二电阻Rg。MOS管可以为NMOS管或PMOS管，本实施例以NMOS管为例,NMOS管的源极S作为输入端，漏极D作为输出端。MOS管的源极S连接输入信号Vin及电压跟随器的输入端，第一电阻Rb一端连接MOS管衬底B，另一端连接电压跟随器输出端及模拟电压加法器的第一输入端N1，模拟电压加法器的第二输入端N2连接固定电压Von，第二电阻Rg一端连接MOS管栅极G，另一端连接模拟电压加法器输出端，MOS管漏极D输出信号Vout。
开关导通时，输入信号Vin经过单位增益为1的电压跟随器产生同向电压跟随电压Vb,由于电压跟随器带宽有限，Vb只能跟随带宽以内的输入信号，所以本实施例仅适用于输入信号的频率属于电压跟随器带宽内的情况，下面解释说明也是基于此条件进行的。
在带宽以内，衬底B端电压Vb近似为Vin的副本，则：
Vbs=Vb-Vs=Vin-Vin=0 (4)
Vb经过模拟电压加法器产生Vg=Von+Vin，同理Vg也只能跟随带宽以内的信号。则：
Vgs=Vg-Vs=Von+Vin-Vin=Von (5)
因此，Vgs为模拟电压加法器的第二输入端输入的固定电压，是一个常数；Vbs为0也是一个常数，即Vth也不随Vin发生变化。由式（1）（4）（5）得出MOS管导通电阻Ron：
Figure 525097DEST_PATH_IMAGE004
（6）
因此，在带宽以内，导通电阻Ron也为常数，所以不会随输入信号而改变。
利用衬底B端在开关导通与关断时的状态不同，从而控制开关导通与关断时的特性称为衬底控制技术，B端的电压为Vin的副本的另一个好处是，通常Vin大于Vss（该开关所在系统的最低电位），所以B端电压为Vin时的阈值电压Vth(Vin)小于B端电压为Vss时的阈值电压Vth(Vss)，由式（6）可以得出开关的导通电阻减小的特性，提高了导通开关的性能。
此外，因为电压跟随器及模拟电压加法器具有低通特性，所以仅在带宽内可以起到导通电阻恒定的效果，为了弥补该缺陷，又增设了第一电阻Rb和第二电阻Rg，与寄生电容组成高通通道，使开关在全频带都具有导通电阻恒定的效果。
设MOS管的源极与衬底之间的寄生电容为Cbs，MOS管的源极与栅极之间的寄生电容为Cgs，MOS管的栅极与漏极之间的寄生电容为Cgd，MOS管的漏极与衬底之间的寄生电容为Cbd。
因电压跟随器具有低通特性，假设电压跟随器为一个单级点系统，且极点如图4中的极点1，图3中第一电阻Rb与寄生电容Cbs到B端形成的极点为极点2，对于多极点系统，系统带宽近似等于频率较低的极点，只要电压跟随器的极点1大于极点2，那么则Vin通过电压跟随器到Vb，Vb通过电阻Rb后连接到MOS管的衬底，再通过Rb到B端的传输带宽决定于极点2，如图5所示，曲线1所示的低通特性，主极点近似为
Figure 7025DEST_PATH_IMAGE002
；Vin通过MOS寄生电容Cbs再通过电阻Rb到B端形成高通特性，如图5所示，曲线2所示的高通特性形成的零点近似为
Figure 859444DEST_PATH_IMAGE002
,极点与零点正好抵消，所以Vin到衬底B形成了一个近似全通特性，极大的拓宽了电压跟随的频率特性。
因此，为了使开关在全带宽中均具有恒定的导通电阻，采用的电压跟随器的主极点应大于
Figure 692402DEST_PATH_IMAGE002
。
同理，采用的电压跟随器及模拟电压加法器的主极点也均应大于
Figure 39201DEST_PATH_IMAGE003
。
此时，在全带宽内，由公式（6）可知，MOS管导通电阻Ron也为常数，所以不会随输入信号而改变。
实施例二：
虽然实施例一解决了开关在导通时电阻恒定的问题，但是当开关关断时，存在关断电阻，因此实施例二在实施例一的基础上增加了第一开关S2和第二开关S1。
实施例二与实施例一相比，如图6所示，还包括第一开关S2和第二开关S1，所述第一开关S2一端连接MOS管的衬底B，另一端连接地Vss；第二开关S1一端连接MOS管的栅极G，另一端连接地Vss。其他部分与实施例二相同。
具有宽带自适应恒定导通的开关在关断时，第一开关S2、第二开关S1闭合，栅极和衬底均连接到Vss，输入信号Vin通过寄生电容到低阻路径VSS，增加了高频段的隔离度，由于Vth(Vss)大于导通时候的Vth(Vin)，由式（6）可以得出增大了开关的关断电阻，也增加了低频端的隔离度。

Claims (8)

1.一种具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，其特征在于，包括MOS管、电压跟随器、模拟电压加法器、第一电阻及第二电阻；MOS管的输入端连接输入信号及电压跟随器的输入端；第一电阻的一端连接MOS管衬底，另一端连接电压跟随器的输出端及模拟电压加法器的第一输入端；模拟电压加法器的第二输入端连接固定电压；第二电阻的一端连接MOS管栅极，另一端连接模拟电压加法器的输出端，MOS管输出端输出信号。
2.根据权利要求1所述的具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，其特征在于，设MOS管的输入端与衬底之间的寄生电容为Cbs，第一电阻为Rb，所述电压跟随器的主极点应大于
Figure 353706DEST_PATH_IMAGE001
。
3.根据权利要求1或2所述的具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，其特征在于，设MOS管的输入端与栅极之间的寄生电容为Cgs，第二电阻为Rg，所述电压跟随器及模拟电压加法器的主极点均应大于
Figure 212072DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求1至3任一所述的具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，其特征在于，MOS管的输入端为源极，输出端为漏极；或者MOS管的输入端为漏极，输出端为源极。
5.根据权利要求1至3任一所述的具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，其特征在于，所述MOS管为NMOS管；还包括第一开关和第二开关，所述第一开关一端连接NMOS管的衬底，另一端连接最低电位；第二开关一端连接NMOS管的栅极，另一端连接最低电位。
6.根据权利要求5所述的具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，其特征在于，该开关关断时，第一开关和第二开关为闭合状态；该开关导通时，第一开关和第二开关为断开状态。
7.根据权利要求1至3任一所述的具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，其特征在于，所述MOS管为PMOS管；还包括第一开关和第二开关，所述第一开关一端连接PMOS管的衬底，另一端连接最高电位；第二开关一端连接PMOS管的栅极，另一端连接最高电位。
8.根据权利要求7所述的具有宽带自适应恒定导通电阻的开关，其特征在于，该开关关断时，第一开关和第二开关为闭合状态；该开关导通时，第一开关和第二开关为断开状态。
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