CN115085713A - 模拟开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟开关技术领域，公开了模拟开关电路，包括偏置电路、比较电路、信号转换单元和传输门；偏置电路的偏置电压输出端与比较电路的第一输入端电连接，向比较电路的第一输入端输入基准电压；比较电路的第二输入端被配置于输入外部电压；比较电路的输出端分别与信号转换单元的输入端和传输门的第一通道控制端电连接，信号转换单元的输出端与所述传输门的第二通道控制端电连接，在实际使用时，本发明通过使用比较电路将外部输入的模拟电压和基准电压进行比较，以及根据比较电路的输出结果控制传输门的通断，能同时兼容TTL电平和CMOS逻辑电平，而且是比较电路的输出结果控制传输门的通断而不是通过反相器来控制，因此本发明的耐压能力强。

Description

模拟开关电路

技术领域

本发明涉及模拟开关技术领域，具体涉及模拟开关电路。

背景技术

模拟开关电路是一种被广泛应用的集成电路，其输入端的输入信号通常都要求TTL和CMOS逻辑电平兼容。其中TTL电平的定义为当输入电压低于0.8V时为低电平，当输入电压高于2V时为高电平；CMOS逻辑电平定义为当输入电压低于0.5V时为低电平。另外模拟开关电路往往应用在通信、程控交换机和军事雷达等高压场合；这类电路的工作电压范围通常很宽，比如常见的四通道单刀单掷常闭模拟开关的工作电压范围为±4.5V～±18V，输入信号可高达15V，因此这里电路的输入级必须耐高压。

传统的高压模拟开关的电路结构如图1所示，包括输入电路、模拟开关控制信号产生电路以及由PMOS和NMOS组成的传输门电路。其中输入电路通常采用反相器结构，主要考虑是当输入电压IN为0V时输入级没有电流，模拟开关控制信号产生电路主要用于对输入电路的输出电压进行电平转换。

输入电路的具体电路图如图2所示，对于图2所示的电路，除了考虑TTL电平输入高电平要>＝2.0V，输入低电平<＝0.8V，还要考虑一定的噪声容限，如0.4V，那么这样的输入级最理想的翻转点应该是1.4V；另外同时考虑该输入要承受约40V的高压，这样对NMOS管N0的选型提出了很高的要求，例如：对于能够耐40V高压的单侧MOS管，其开启电压通常最低值要大于2V，因此无法满足在输入电压IN等于2V时使NMOS管N0开启；又或者对于能够耐40V高压的双侧MOS管，其典型开启电压通常接近1.8V，但这种类型高压NMOS管的衬底端通常只能接芯片的最低电位，这样该NMOS管就会有-4.5V～-18V的衬偏电压，导致该NMOS管真正开启时的电压会远大于2V，无法实现该NMOS管的正常开启。因此现有采用反相器做输入电路的高压模拟开关电路不能同时实现耐高压和低开启电压，而如果通过更改设计规格来解决此问题，即不要求输入电平能够做到TTL和CMOS逻辑电平兼容，比如输入高电平高于3V，这样只要对输入反相器PMOS管尺寸作适当调整，把输入反相器的翻转电压设计得比较低，就可以实现功能；但这样做会使得所设计的集成电路在规格上无法满足用户的要求。

除此之外，高压模拟开关中的PMOS、NMOS开关管的电流随输入电压的变化范围有一定的要求，并且沟道电阻变化范围要很小，但图1中的开关控制信号产生电路就是一种简单的电平转换电路，即将输入的TTL/CMOS电平转换为正负高压之间的电平，从而产生控制PMOS、NMOS开关管的信号，沟道电阻变化范围较宽，无法达到较好的开关性能。

发明内容

鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种采用比较电路做输入电路的模拟开关电路，既可以耐高压，又能兼容TTL电平和CMOS电平。

为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：模拟开关电路，包括偏置电路、比较电路、信号转换单元和传输门；所述偏置电路的偏置电压输出端与所述比较电路的第一输入端电连接，向所述比较电路的第一输入端输入基准电压；所述比较电路的第二输入端被配置于输入外部电压；所述比较电路的输出端分别与所述信号转换单元的输入端和所述传输门的第一通道控制端电连接，所述信号转换单元的输出端与所述传输门的第二通道控制端电连接；所述信号转换单元在输入第一电平状态的信号时输出第二电平状态的信号、在输入第二电平状态的信号时输出第一电平状态的信号。

在某种实施方式中，所述信号转换单元包括反相器，所述反相器的输入端与所述比较电路的输出端电连接，所述反相器的输出端与所述传输门的第二通道控制端电连接。

在某种实施方式中，所述传输门包括MOS管P0、MOS管P1、MOS管P2、MOS管P3和MOS管N0；所述MOS管P0的栅极为传输门的第一通道控制端，分别与MOS管P1的栅极、MOS管P2的栅极和比较电路的输出端电连接；MOS管P0的衬底分别与MOS管P1的漏极、MOS管P1的衬底、MOS管P2的源极、MOS管P2的衬底和MOS管P3的漏极电连接，MOS管P3的衬底和MOS管P3的源极电连接；MOS管P0的源极分别与MOS管P1的源极和MOS管N0的源极电连接；MOS管P0的漏极分别与MOS管P2的漏极和MOS管N0的漏极电连接；MOS管N0的栅极为传输门的第二通道控制端，与所述信号转换单元的输出端电连接。

在某种实施方式中，所述偏置电路包括启动单元、自偏置电流源单元、镜像MOS管和负载单元，所述启动单元被配置于向所述自偏置电流源单元提供启动电流，并在所述自偏执电流镜单元工作后停止提供启动电流；所述镜像MOS管与所述自偏置电流源单元电连接，输出镜像电流，所述镜像电流输入到所述负载单元的输入端，所述负载单元的输出端接地，所述负载单元的输入端与所述比较电路的第一输入端电连接。

在某种实施方式中，所述启动单元包括MOS管P10、MOS管N11和MOS管N12；所述自偏置电流源单元包括MOS管P11、MOS管P12、MOS管N13、MOS管N14、MOS管N15、MOS管N16和正温度系数的电阻R0，所述MOS管P11和MOS管P12的宽长比相同，所述MOS管N14的宽长比是MOS管N13的宽长比的M倍，M为大于1的正整数；

所述MOS管P10的源极分别与MOS管P10的衬底、MOS管N12的漏极、MOS管P11的源极、MOS管P11的衬底、MOS管P12的源极、MOS管P12的栅极、镜像MOS管的源极和镜像MOS管的衬底电连接；

MOS管P10的漏极分别与MOS管N12的栅极和MOS管N11的漏极电连接；

MOS管P11的栅极分别与MOS管P12的栅极、镜像MOS管的栅极、MOS管P12的漏极和MOS管N16的漏极电连接；MOS管N16的源极与MOS管N14的漏极电连接；MOS管N14的源极与电阻R0一端电连接；

MOS管P11的漏极分别与MOS管N12的源极、MOS管N15的漏极、MOS管N15的栅极和MOS管N16的栅极电连接；

MOS管N15的源极分别与MOS管N15的衬底、MOS管N11的栅极、MOS管N13的漏极、MOS管N13的栅极和MOS管N14的栅极电连接；

MOS管N11的衬底分别与MOS管N11的源极、电阻R0另一端、MOS管N13的衬底和MOS管N13的源极电连接。

在某种实施方式中，所述负载单元包括正温度系数的电阻R1和负温度系数的二极管D0，电阻R1一端为负载单元的输入端，与所述镜像MOS管电连接，电阻R1另一端与二极管D0的正极电连接，二极管D0的负极为负载单元的输出端接地。

在某种实施方式中，所述比较电路包括MOS管P20、MOS管P21、MOS管P22、MOS管P23、MOS管N20、MOS管N21、MOS管N22、MOS管N23和MOS管N24；

所述MOS管P20的源极分别与MOS管P21的源极、MOS管P22的源极和MOS管P23的源极电连接；

所述MOS管P20的栅极分别与MOS管P22的栅极、MOS管P20的漏极和MOS管N21的漏极电连接；所述MOS管P21的栅极分别与MOS管P23的栅极、MOS管P21的漏极和MOS管N22的漏极电连接；

所述MOS管N22的栅极为比较电路的第一输入端；MOS管N21的栅极为比较电路的第二输入端；MOS管N21的源极分别与MOS管N22的源极和MOS管N20的漏极电连接，MOS管N20的栅极被配置于输入偏置电压；

所述MOS管P22的漏极分别与MOS管N23的漏极、MOS管N23的栅极、MOS管N24的栅极电连接；

所述MOS管P23的漏极与MOS管N24的漏极电连接，MOS管N24的源极分别与MOS管N20的源极和MOS管N23的源极电连接。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明通过使用比较电路将外部输入的模拟电压和基准电压进行比较，以及根据比较电路的输出结果控制传输门的通断，一方面可以同时兼容TTL电平和CMOS逻辑电平，另一方面是通过比较电路的输出结果控制传输门的通断而不是通过反相器来控制传输门的通断，本发明的耐压能力强，可以输入高压信号；另外本发明的传输门通过MOS管P1、MOS管P2和MOS管P3可以消除MOS管P0衬偏效应，能够消除MOS管P0的开启电压随输入信号电压的变化，使MOS管P0和MOS管N0的开/关稳定，使MOS管P0沟道电阻随输入电压的变化波动小。

附图说明

图1为现有高压模拟开关电路的结构示意图；

图2为图1中的输入电路的电路图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的传输门的电路图；

图5为本发明的偏置电路的结构示意图；

图6为本发明的偏置电路的一种实施电路图；

图7为本发明的比较电路的电路图；

图8为本发明的偏置电路的仿真示意图

图9为本发明的传输门的仿真示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图3所示，模拟开关电路，包括偏置电路1、比较电路2、信号转换单元3和传输门4；偏置电路1的偏置电压输出端与比较电路2的第一输入端电连接，向比较电路2的第一输入端输入基准电压；比较电路2的第二输入端被配置于输入外部电压；比较电路2的输出端分别与信号转换单元3的输入端和传输门4的第一通道控制端电连接，信号转换单元3的输出端与传输门4的第二通道控制端电连接；信号转换单元3在输入第一电平状态的信号时输出第二电平状态的信号、在输入第二电平状态的信号时输出第一电平状态的信号。

在实际使用时，本发明通过比较电路2将外部电压即模拟电压与基准电压进行比较，并根据比较结果控制传输门4的通断，一方面可以同时兼容TTL电平信号和CMOS电平信号，另一方面由于是通过比较电路的输出结果控制传输门的通断而不是通过反相器来控制传输门的通断，本发明的耐压能力强，可以输入高压信号；

本实施例中，比较电路2在第一输入端的电压大于第二输入端的电压时，比较电路2的输出端输出高电平的驱动信号，在第一输入端的电压小于第二输入端的电压时，比较电路2的输出端输出低电平的驱动信号；因此比较电路2的第一输入端是其正输入端，比较电路2的第二输入端是其负输入端。在某种实施方式中，通过对比较电路2的输出端输出的驱动信号进行电平转换可以使基准电压输入到比较电路2的负输入端、使外部电压输入到比较电路2的正输入端。

具体地，本实施例中，信号转换单元3包括反相器，反相器的输入端与比较电路2的输出端电连接，反相器的输出端与传输门4的第二通道控制端电连接。在实际使用时，通过反相器对比较电路2输出的驱动信号进行电平转换，从而向传输门输入两种电平状态的控制信号来控制其通断。

如图4所示，本实施例中，传输门4包括MOS管P0、MOS管P1、MOS管P2、MOS管P3和MOS管N0；MOS管P0的栅极为传输门4的第一通道控制端，分别与MOS管P1的栅极、MOS管P2的栅极和比较电路2的输出端电连接；MOS管P0的衬底分别与MOS管P1的漏极、MOS管P1的衬底、MOS管P2的源极、MOS管P2的衬底和MOS管P3的漏极电连接，MOS管P3的衬底和MOS管P3的源极电连接；MOS管P0的源极分别与MOS管P1的源极和MOS管N0的源极电连接；MOS管P0的漏极分别与MOS管P2的漏极和MOS管N0的漏极电连接；MOS管N0的栅极为传输门的第二通道控制端，与信号转换单元3即反相器的输出端电连接。

与现有传输门不同的是，本发明的传输门4增加了MOS管P1、MOS管P2和MOS管P3，在实际使用时，通过MOS管P1、MOS管P2和MOS管P3可以消除MOS管P0的衬偏效应，其工作流程如下：当MOS管P0的栅极输入低电平的控制信号、MOS管N0输入高电平的控制信号时，MOS管P0和MOS管N0导通，此时MOS管P1和MOS管P2也导通，从而将MOS管P0的衬底的点位钳位至其源极电位和漏极电位即衬底偏置电压为零，进而使MOS管P0没有衬底偏置效应；当MOS管P0的栅极输入高电平的控制信号、MOS管N0的栅极输入低电平的控制信号时，MOS管P3导通，MOS管P0的衬底接电源VDD，传输门4处于截止状态。

对本发明的传输门4进行仿真，从图9中可以得到，在全电压范围内即-15V-+15V内，MOS管P0和MOS管N0的电流变化范围不大，沟道电阻变化范围较小。图9中的PMOS电流是流过MOS管P0的电流，NMOS电流是流过MOS管N0的电流。

如图5所示，本实施例中，偏置电路1包括启动单元11、自偏置电流源单元10、镜像MOS管和负载单元12，启动单元11被配置于向自偏置电流源单元10提供启动电流，并在自偏执电流镜单元10工作后停止提供启动电流；镜像MOS管与自偏置电流源单元10电连接，输出镜像电流，镜像电流输入到负载单元12的输入端，负载单元12的输出端接地，负载单元12的输入端与比较电路2的第一输入端电连接。本实施例中，镜像电流在负载单元12上产生的压降为基准电压。

如图6所示，本实施例中，启动单元11包括MOS管P10、MOS管N11和MOS管N12；自偏置电流源单元10包括MOS管P11、MOS管P12、MOS管N13、MOS管N14、MOS管N15、MOS管N16和正温度系数的电阻R0，MOS管P11和MOS管P12的宽长比相同，所述MOS管N14的宽长比是MOS管N13的宽长比的M倍，M为大于1的正整数，本实施例中，M为4；

MOS管P10的源极分别与MOS管P10的衬底、MOS管N12的漏极、MOS管P11的源极、MOS管P11的衬底、MOS管P12的源极、MOS管P12的栅极、镜像MOS管的源极和镜像MOS管的衬底电连接；在实际使用时，MOS管P10的源极输入电压V+，电压V+是正电压；

MOS管P10的漏极分别与MOS管N12的栅极和MOS管N11的漏极电连接；

MOS管P11的栅极分别与MOS管P12的栅极、镜像MOS管的栅极、MOS管P12的漏极和MOS管N16的漏极电连接；MOS管N16的源极与MOS管N14的漏极电连接；MOS管N14的源极与电阻R0一端电连接；

MOS管P11的漏极分别与MOS管N12的源极、MOS管N15的漏极、MOS管N15的栅极和MOS管N16的栅极电连接；

MOS管N15的源极分别与MOS管N15的衬底、MOS管N11的栅极、MOS管N13的漏极、MOS管N13的栅极和MOS管N14的栅极电连接；

MOS管N11的衬底分别与MOS管N11的源极、MOS管N14的衬底、电阻R0另一端、MOS管N13的衬底和MOS管N13的源极电连接；在实际使用时，MOS管N11的源极输入电压V-，电压V-是负电压；MOS管P10的栅极输入电压V-，MOS管N12的衬底也输入电压V-。

图6中的启动单元11和自偏置电流源单元10的工作原理如下：在启动单元11的电路中，MOS管P10是倒比管，等效为一个电阻，当自偏置电流源单元10中没有电流时，则MOS管N11也没有电流流过，MOS管N12的栅极的电位被MOS管P10上拉至电压V+，则MOS管N12导通，MOS管N12的源极向自偏置电流源单元11输入启动电流，启动电流经过MOS管N15和MOS管N13，流过MOS管N13的电流又镜像到MOS管N14，流过MOS管N14的电流又镜像到MOS管N16和MOS管P12，流过MOS管P12的电流镜像到MOS管P11，流过MOS管P11的电流MOS管N5和MOS管N3，自此自偏置电流源单元10启动完成，而流过MOS管N13的电流会镜像到MOS管N11，使MOS管N11导通，进而将MOS管N12的栅极电压拉低，使MOS管N12截止，因此本发明的启动单元11在自偏置电流源单元10启动后便不再工作，能降低功耗。

另外，由于MOS管P11和MOS管P12的尺寸即宽长比相同，在自偏置电流源单元10工作时，流过MOS管P11的电流和流过MOS管P12的电流相同，再加上MOS管N14的尺寸是MOS管N13的四倍，在两者输入电流相同时，MOS管N14和MOS管N13的栅源电压之差为正温度系数，再加上电阻R0为正温度系数，因此当温度变化时，自偏置电流源单元10产生的电流不变，约为15uA。本实施例中，电阻R0由一定比例的P+电阻和N阱电阻串联而成。

在图6中，负载单元12包括正温度系数的电阻R1和负温度系数的二极管D0，电阻R1一端是负载单元12的输入端，与镜像MOS管P13的漏极电连接，电阻R1另一端与二极管D0的正极电连接，二极管D0的负极接地，为负载单元12的输出端。在实际使用时，由于电阻R1为正温度系数，二极管D0为负温度系数，因此温度发生变化时，负载单元12的输入端与输出端的压降不变，进而使输出的基准电压不随温度变化。另外MOS管N14的栅极的电压为偏置电压。

从图8中可以得到，当对本发明的偏置电路1进行仿真时，偏置电路1输出的基准电压保持不便，自偏置电流源单元10产生的偏置电流不变。

如图7所示，本实施例中，比较电路2包括MOS管P20、MOS管P21、MOS管P22、MOS管P23、MOS管N20、MOS管N21、MOS管N22、MOS管N23和MOS管N24；

MOS管P20的源极分别与MOS管P21的源极、MOS管P22的源极和MOS管P23的源极电连接；

MOS管P20的栅极分别与MOS管P22的栅极、MOS管P20的漏极和MOS管N21的漏极电连接；MOS管P21的栅极分别与MOS管P23的栅极、MOS管P21的漏极和MOS管N22的漏极电连接；

MOS管N22的栅极为比较电路的第一输入端；MOS管N21的栅极为比较电路的第二输入端；MOS管N21的源极分别与MOS管N22的源极和MOS管N20的漏极电连接，MOS管N20的栅极被配置于输入偏置电压；

MOS管P22的漏极分别与MOS管N23的漏极、MOS管N23的栅极、MOS管N24的栅极电连接；

MOS管P23的漏极与MOS管N24的漏极电连接，MOS管N24的源极分别与MOS管N20的源极和MOS管N23的源极电连接；在实际使用时，MOS管N20的栅极输入偏置电路1输入的偏置电压，不用额外给比较电路2设置偏置电压。

上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.模拟开关电路，其特征在于，包括偏置电路、比较电路、信号转换单元和传输门；所述偏置电路的偏置电压输出端与所述比较电路的第一输入端电连接，向所述比较电路的第一输入端输入基准电压；所述比较电路的第二输入端被配置于输入外部电压；所述比较电路的输出端分别与所述信号转换单元的输入端和所述传输门的第一通道控制端电连接，所述信号转换单元的输出端与所述传输门的第二通道控制端电连接；所述信号转换单元在输入第一电平状态的信号时输出第二电平状态的信号、在输入第二电平状态的信号时输出第一电平状态的信号。

2.根据权利要求1所述的模拟开关电路，其特征在于，所述信号转换单元包括反相器，所述反相器的输入端与所述比较电路的输出端电连接，所述反相器的输出端与所述传输门的第二通道控制端电连接。

3.根据权利要求1或2所述的模拟开关电路，其特征在于，所述传输门包括MOS管P0、MOS管P1、MOS管P2、MOS管P3和MOS管N0；所述MOS管P0的栅极为传输门的第一通道控制端，分别与MOS管P1的栅极、MOS管P2的栅极和比较电路的输出端电连接；MOS管P0的衬底分别与MOS管P1的漏极、MOS管P1的衬底、MOS管P2的源极、MOS管P2的衬底和MOS管P3的漏极电连接，MOS管P3的衬底和MOS管P3的源极电连接；MOS管P0的源极分别与MOS管P1的源极和MOS管N0的源极电连接；MOS管P0的漏极分别与MOS管P2的漏极和MOS管N0的漏极电连接；MOS管N0的栅极为传输门的第二通道控制端，与所述信号转换单元的输出端电连接。

4.根据权利要求1所述的模拟开关电路，其特征在于，所述偏置电路包括启动单元、自偏置电流源单元、镜像MOS管和负载单元，所述启动单元被配置于向所述自偏置电流源单元提供启动电流，并在所述自偏置电流镜单元工作后停止提供启动电流；所述镜像MOS管与所述自偏置电流源单元电连接，输出镜像电流，所述镜像电流输入到所述负载单元的输入端，所述负载单元的输出端接地，所述负载单元的输入端与所述比较电路的第一输入端电连接。

5.根据权利要求4所述的模拟开关电路，其特征在于，所述启动单元包括MOS管P10、MOS管N11和MOS管N12；所述自偏置电流源单元包括MOS管P11、MOS管P12、MOS管N13、MOS管N14、MOS管N15、MOS管N16和正温度系数的电阻R0，所述MOS管P11和MOS管P12的宽长比相同，所述MOS管N14的宽长比是MOS管N13的宽长比的M倍，M为大于1的正整数；

所述MOS管P10的源极分别与MOS管P10的衬底、MOS管N12的漏极、MOS管P11的源极、MOS管P11的衬底、MOS管P12的源极、MOS管P12的栅极、镜像MOS管的源极和镜像MOS管的衬底电连接；

MOS管P10的漏极分别与MOS管N12的栅极和MOS管N11的漏极电连接；

MOS管P11的栅极分别与MOS管P12的栅极、镜像MOS管的栅极、MOS管P12的漏极和MOS管N16的漏极电连接；MOS管N16的源极与MOS管N14的漏极电连接；MOS管N14的源极与电阻R0一端电连接；

MOS管P11的漏极分别与MOS管N12的源极、MOS管N15的漏极、MOS管N15的栅极和MOS管N16的栅极电连接；

MOS管N15的源极分别与MOS管N15的衬底、MOS管N11的栅极、MOS管N13的漏极、MOS管N13的栅极和MOS管N14的栅极电连接；

MOS管N11的衬底分别与MOS管N11的源极、电阻R0另一端、MOS管N13的衬底和MOS管N13的源极电连接。

6.根据权利要求4所述的模拟开关电路，其特征在于，所述负载单元包括正温度系数的电阻R1和负温度系数的二极管D0，电阻R1一端为负载单元的输入端，与所述镜像MOS管电连接，电阻R1另一端与二极管D0的正极电连接，二极管D0的负极为负载单元的输出端接地。

7.根据权利要求1、4、5或6所述的模拟开关电路，其特征在于，所述比较电路包括MOS管P20、MOS管P21、MOS管P22、MOS管P23、MOS管N20、MOS管N21、MOS管N22、MOS管N23和MOS管N24；

所述MOS管P20的源极分别与MOS管P21的源极、MOS管P22的源极和MOS管P23的源极电连接；

所述MOS管P20的栅极分别与MOS管P22的栅极、MOS管P20的漏极和MOS管N21的漏极电连接；所述MOS管P21的栅极分别与MOS管P23的栅极、MOS管P21的漏极和MOS管N22的漏极电连接；

所述MOS管N22的栅极为比较电路的第一输入端；MOS管N21的栅极为比较电路的第二输入端；MOS管N21的源极分别与MOS管N22的源极和MOS管N20的漏极电连接，MOS管N20的栅极被配置于输入偏置电压；

所述MOS管P22的漏极分别与MOS管N23的漏极、MOS管N23的栅极、MOS管N24的栅极电连接；

所述MOS管P23的漏极与MOS管N24的漏极电连接，MOS管N24的源极分别与MOS管N20的源极和MOS管N23的源极电连接。

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