CN114866090A - 一种高线性度低漏电的采样电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于模拟电路技术领域，具体的说是涉及一种高线性度低漏电的采样电路。本发明的采样电路包括MOS管和电容，在采样相位时采用自举电路保证采样开关的导通电阻保持不变，从而实现了高线性度的特性，同时在保持相位时使采样开关的关断效果更好，降低亚阈值漏电，进一步提高了线性度。近些年随着半导体产业的发展和进步，对低功耗逐次逼近式模数转换器(SAR ADC)的需求越来越大，降低电源电压是一种行之有效的降低SAR ADC功耗的方法，但随着电源电压的降低，SAR ADC受到采样电路漏电的限制也越发显著。本发明的有益效果是，在低电源电压下极大地降低了采样电路的漏电流，提高了采样的线性度，从而提升了电路系统的整体性能。
Description
技术领域
在本发明涉及模拟电路领域，具体是一种高线性度低漏电的采样电路，用于低功耗模数转换器(ADC)中，由于其高线性度低漏电的特点，可以提高整体电路的性能。
背景技术
在集成电路领域的科研，生产等活动中，低功耗ADC受到了越来越多的关注，研究并且优化其性能具有重要意义。降低电源电压是一种行之有效的降低SAR ADC功耗的方法，但随着电源电压的降低，采样开关的过驱动电压也随之减小，导致采样开关的导通电阻变大，并且在保持阶段，低电压下对采样开关的漏电流也更加敏感，因此在低电源电压下SARADC受到采样开关的限制也越发显著。
传统的采样开关是单MOS管，在采样相位时采样开关工作在线性区，其导通电阻受到过驱动电压VGS和阈值电压Vth的影响，因此对于单个MOS管而言，导通电阻会随着输入电压的变化而变化，从而引入非线性，造成失真，不仅如此，采样性能还会受到亚阈值漏电流的影响。为了解决上述问题，采用栅压自举电路为采样开关的栅极控制电压进行自举，从而使过驱动电压VGS保持为一倍电源电压VDD，减小了导通电阻随输入信号变化的大小。但该方法并未解决阈值电压Vth带来的影响，也没有对采样开关的漏电问题采取相应的措施。为此，设计了一种高线性度低漏电的采样电路，具有高线性度和低漏电的特点，提升了采样性能，具有现实意义和良好的应用前景。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种新的高线性度低漏电的采样电路，在采样相位时采用自举电路保证采样开关的导通电阻保持不变，从而实现了高线性度的特性，同时在保持相位时使采样开关的关断效果更好，降低亚阈值漏电，进一步提高了线性度。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种高线性度低漏电的采样电路，包括MOS管和电容，在采样相位时，栅压自举电路利用两个预先充好电的串联电容来使得采样开关的过驱动电压始终为两倍的电源电压2*VDD，同时将采样开关的衬底和输入相连接来减小体效应带来的阈值电压Vth改变造成的影响，从而实现了采样开关导通电阻的恒定，提高了采样开关的线性度。
采用两个MOS管串联的采样开关结构，在保持相位时，将后一个采样开关的源级连接到电源并且利用预先充好电的电容将采样开关的栅极控制电压偏置到负的电源电压-VDD，从而使采样开关的过驱动电压为负的两倍电源电压-2*VDD，同时将采样开关MOS管的衬底连接到负电位，使采样开关的关断效果更好，进一步地降低了采样开关地亚阈值漏电，提高了线性度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用自举电路使得采样开关管的过驱动电压恒为2*VDD，有更小的导通电阻，更加有利于低电源电压下的采样，并且将采样开关管的衬底和输入相连，解决了之前很多技术未关注的体效应带来的阈值电压变化造成的影响，使得线性度得以进一步的提高。不仅如此，还针对低电源电压下关注的漏电流问题进行了处理，采用两个MOS管串联的采样开关结构结构，通过使采样开关在关断时的过驱动电压为负的两倍电源电压来让采样开关在保持阶段时的关断效果更好，同时还将采样MOS管的衬底接到负电位，使得阈值电压Vth得以提升，进一步减小了漏电流，提高了线性度。相较于传统的采样电路，该采样电路在线性度上有较大的提升，在减小漏电方面有着巨大优势。
附图说明
图1为本发明的高线性度低漏电采样电路的具体结构。
图2为采样电路的输入输出波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。
图1是本次发明的采样开关电路的具体结构，可以看到采样开关采用两个MOS管M1a和M1b串联的结构，CLK为控制信号，CLKS是CLK的反相信号，VIN为输入，VOUT为输出。
当CLK为高电平，CLKS为低电平时，M8、M9、M10和M11管导通，电容C1和C2的上下极板分别接到电源和地，对电容C1和C2充电，使得两个电容两端的电压差都为VDD。当CLK变为低电平时，采样电路处于采样相位，开始对输入信号进行采样，M8～M11管关闭，M3和M4管导通，使得采样开关的栅极控制电压为VA＝Vin+2*VDD，此时采样开关管M1a和M1b的过驱动电压为2*VDD，当采样开关的栅极控制电压升高时，M14管导通，将采样开关管M1a和M1b的衬底和输入相连，从而来减小体效应带来的阈值电压Vth改变造成的影响,保持了导通电阻的恒定，提高了线性度。与此同时，M7和M12管导通，使得电容C3的上极板和电源相连，下极板和地相连，对C3充电，使得C3两端的电压差为VDD。
当CLK变为高电平时，CLKS为低电平，采样电路处于保持相位，M13管导通，使得C3上极板的电位为0，从而使得C3下极板的电压为VB＝-VDD，M3和M4管关断，M5和M6管导通，使得采样开关管M1a和M1b的栅极控制电压为VA＝-VDD，与此同时，M16管导通，使得M1b的源级电压偏置到VDD，从而使得M1b管的过驱动电压为-2*VDD，让M1b管的关断效果更好，减小了漏电流。不仅如此，M15管导通，将采样开关M1a和M1b的衬底和电容C3的下极板相连，使得衬底电压偏置到负的电位，使得阈值电压提高，进一步减小了漏电流，从而提高了线性度。
图2为本发明采样电路的输入输出波形，其中VIN为输入波形，频率为250KHz的正弦波，如图中虚线所示；VOUT为采样电路的输出波形，如图中实线所示；CLK为采样电路的控制信号，频率为500KHz的方波。当CLK为低电平时，输出跟随输入信号，当CLK为高电平时，输出保持采样到的信号。
本发明的高线性度低漏电采样电路相较于传统的采样电路，在采样相位和保持相位均做出创新，在提高线性度和降低漏电流上有着显著的功效，适用于低功耗的应用场景。
Claims (2)
1.一种高线性度低漏电的采样电路，包括MOS管和电容，其特征在于，在采样相位时采用自举电路保证采样开关的导通电阻保持不变，从而实现了高线性度的特性，同时在保持相位时使采样开关的关断效果更好，降低亚阈值漏电，进一步提高了线性度。
2.如权利要求1所述的一种高线性度低漏电的采样电路，采用两个MOS管串联的采样开关结构，其中采样相位的自举电路利用两个预先充好电的串联电容来使得采样开关的过驱动电压始终为两倍的电源电压，同时将采样开关的衬底和输入相连接来减小体效应带来的影响，从而实现了采样开关导通电阻的恒定，提高了线性度；在保持相位时利用预先充好电的电容使得后一个采样MOS管的过驱动电压为负的两倍电源电压，同时将MOS管的衬底接到负电位，使采样开关的关断效果更好，因此降低采样开关的亚阈值漏电，提高了线性度。
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