CN213693674U - 应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路，采用单相时钟SP，在采样时通过第一级自举电路和辅助级自举电路将采样MOS管MS的栅极电压置为Vin+2VDD，从而使得采样MOS管MS的栅极‑源极电压差在采样阶段恒定为2VDD，采样管的导通电阻进一步变小，使线性度提高，采样开关电路的精度也有所提高；基于提出的两级自举电路，采用第六NMOS管M6和第七NMOS管M7串联作为采样MOS管MS的衬底开关，当处于采样模式时，采样MOS管MS的栅极电位与衬底电位保持一致，减小采样MOS管MS的衬偏效应，降低谐波失真。

Description

应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路。

背景技术

采样开关是超低功耗模数转换器的最前端电路，具有采样和保持功能，它所能实现的精度和线性度会影响整个模数转换器的系统性能，因此采样开关电路的设计尤为重要。采样保持电路中的采样开关分为三种：单个NMOS管或PMOS管构成、CMOS传输门和栅压自举开关电路。这三种开关各有优势，其中栅压自举开关电路(Bootstrap Switch Circuit)虽然结构复杂，但是具有导通电阻最小，输入范围大，高线性度的优点，因此适用于超低功耗模数转换器(Ultra Low Power Analog to Digital Converter)，以实现对输入模拟信号的采样和保持功能。

传统的栅压自举开关电路结构如图1所示，它由采样开关管和栅压自举电路两部分构成，其中MS为采样管，C1和M1～MT构成栅压自举电路。众所周知，开关晶体管的导通电阻与栅极-源极过驱动电压成反比，并且在很大程度上取决于输入信号电平和电源电压，这会降低电路(尤其是在超低电压工作时)的线性度。在传统的栅压自举开关电路中，由于栅极-源极过驱动电压仍然很低，1倍的VDD的自举不足以降低开关晶体管的导通电阻和体效应，且会带来非线性问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是现有栅压自举开关电路线性度不高的问题，提供一种应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路，由输入反相器、第一级自举电路、辅助级自举电路、衬底开关和采样电路组成；输入反相器包括MOS管M1和MOS管M2；第一级自举电路包括MOS管M3a、MOS管M3b、MOS管M3c、MOS管M3d和电容C1；辅助级自举电路包括MOS管M4a、MOS管M4b、MOS管M4c、MOS管M4d、MOS管M5和电容C2；衬底开关包括MOS管M6和MOS管M7；采样电路包括采样MOS管MS。

MOS管M1的源极、MOS管M3a的源极和MOS管M4a的源极连接工作电压VDD；MOS管M2的源极、MOS管M3c的源极、MOS管M4c的源极、MOS管M4d的源极、MOS管M7的源极接地；MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极同时连接单相时钟SP；电容C1的上极板连接MOS管M3a的漏极和MOS管M3b的源极；电容C1下极板连接MOS管M3c漏极和MOS管M3d的源极；MOS管M3a的栅极、MOS管M3b的漏极和MOS管M3d的栅极连接；MOS管M3b的栅极、MOS管M3d的漏极和MOS管M3c的栅极连接MOS管M2的漏极；电容C2的上极板连接MOS管M4a的漏极和MOS管M4b的源极；电容C2的下极板和MOS管M4c的漏极连接MOS管M3d的栅极；MOS管M4a的栅极、MOS管M4b的漏极、MOS管M4d的漏极和MOS管M5的栅极连接；MOS管M4b的栅极连接MOS管M3b的栅极；MOS管M4c的栅极和MOS管M4d的栅极连接MOS管M3c的栅极；MOS管M5的源极连接MOS管M3d的源极；MOS管M5的漏极连接MOS管M6的漏极；MOS管M6的栅极连接MOS管M4b的漏极；MOS管M6的源极连接MOS管M7的漏极；MOS管M7的栅极连接MOS管M4d的栅极；采样MOS管MS的栅极连接MOS管M5的栅极，采样MOS管MS的源极和MOS管M6的漏极连接输入信号Vin，采样MOS管MS的漏极连接输出信号Vout，采样MOS管MS衬底连接到MOS管M7的漏极。

作为改进，采样电路还进一步包括采样电容CS；采样电容CS的上极板连接采样MOS管MS的漏极；采样电容CS的下极板接地。

上述方案中，MOS管M1、MOS管M3a、MOS管M3b、MOS管M4a和MOS管M4b为PMOS管；MOS管M2、MOS管M3c、MOS管M3d、MOS管M4c、MOS管M4d、MOS管M5、MOS管M6和MOS管M7和采样MOS管MS为NMOS管。

作为改进，MOS管M3a的衬底与MOS管M3a的漏极相接；MOS管M4a的衬底与MOS管M4a的漏极相接；MOS管M3b的衬底与MOS管M3b的源极相接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、本实用新型采用单相时钟SP，在采样时通过第一级自举电路和辅助级自举电路将采样MOS管MS的栅极电压置为Vin+2VDD，从而使得采样MOS管MS的栅源电压差在采样阶段恒定为2VDD，与传统结构相比，采样管的导通电阻变得更小，使线性度提高，采样开关电路的精度也有所提高；

2、基于提出的自举电路结构，采用NMOS管M6和NMOS管M7串联作为采样MOS管MS的衬底开关，当处于采样模式时，采样MOS管MS的栅极电位与衬底电位保持一致，减小采样MOS管MS的衬偏效应，降低谐波失真。

附图说明

图1为传统栅压自举开关电路的原理图。

图2为本实用新型的栅压自举开关电路的原理图。

图3为本发明实施例栅压自举开关中的单相时钟信号、输入信号和输出信号的对比波形图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本实用新型进一步详细说明。

一种应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路，如图2所示，由输入反相器、第一级自举电路、辅助级自举电路、衬底开关和采样电路组成。输入反相器包括MOS管M1和MOS管M2。第一级自举电路包括MOS管M3a、MOS管M3b、MOS管M3c、MOS管M3d和电容C1。辅助级自举电路包括MOS管M4a、MOS管M4b、MOS管M4c、MOS管M4d、MOS管M5和电容C2。衬底开关包括MOS管M6和MOS管M7。采样电路包括采样MOS管MS和采样电容CS。

MOS管M1的源极、MOS管M3a的源极和MOS管M4a的源极连接工作电压VDD；MOS管M2的源极、MOS管M3c的源极、MOS管M4c的源极、MOS管M4d的源极、MOS管M7的源极接地；MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极同时连接单相时钟SP；电容C1的上极板连接MOS管M3a的漏极和MOS管M3b的源极；电容C1下极板连接MOS管M3c漏极和MOS管M3d的源极；MOS管M3a的栅极、MOS管M3b的漏极和MOS管M3d的栅极连接；MOS管M3b的栅极、MOS管M3d的漏极和MOS管M3c的栅极连接MOS管M2的漏极；电容C2的上极板连接MOS管M4a的漏极和MOS管M4b的源极；电容C2的下极板和MOS管M4c的漏极连接MOS管M3d的栅极；MOS管M4a的栅极、MOS管M4b的漏极、MOS管M4d的漏极和MOS管M5的栅极连接；MOS管M4b的栅极连接MOS管M3b的栅极；MOS管M4c的栅极和MOS管M4d的栅极连接MOS管M3c的栅极；MOS管M5的源极连接MOS管M3d的源极；MOS管M5的漏极连接MOS管M6的漏极；MOS管M6的栅极连接MOS管M4b的漏极；MOS管M6的源极连接MOS管M7的漏极；MOS管M7的栅极连接MOS管M4d的栅极；采样MOS管MS的栅极连接MOS管M5的栅极，采样MOS管MS的源极和MOS管M6的漏极连接输入信号Vin，采样MOS管MS的漏极和采样电容CS的上极板连接输出信号Vout，采样MOS管MS衬底连接到MOS管M7的漏极，采样电容CS的下极板接地。

MOS管M1、MOS管M3a、MOS管M3b、MOS管M4a和MOS管M4b为PMOS管，所有PMOS管的衬底接工作电压VDD。MOS管M2、MOS管M3c、MOS管M3d、MOS管M4c、MOS管M4d、MOS管M5、MOS管M6和MOS管M7和采样MOS管MS为NMOS管，所有NMOS管的衬底接地。为了能够提升电路的稳定性，在本实用新型优选实施例中，MOS管M3a的衬底与MOS管M3a的漏极相接；MOS管M4a的衬底与MOS管M4a的漏极相接；MOS管M3b的衬底与MOS管M3b的源极相接，其余的PMOS管的衬底按常规接法接工作电压VDD，其余NMOS管的衬底按常规接法接地。

本实用新型的工作过程如下：

1)单相时钟SP为低电平时，第一级自举电路和辅助级自举电路均处于保持模式，PMOS管M1导通，使得PMOS管M1漏极电平置为高电平，从而使NMOS管M3c、NMOS管M4c、NMOS管M4d和NMOS管M7导通，电容C1下极板通过NMOS管M3c连接到地，电容C2下极板通过NMOS管M4c连接到地，PMOS管M3a栅极通过NMOS管M4c连接到地，从而PMOS管M3a导通，使电容C1上极板置为VDD，PMOS管M4a栅极通过NMOS管M4d连接到地，从而PMOS管M4a导通，使电容C2上极板置为VDD。由于PMOS管M4b截止，电容C2和采样MOS管MS分离，采样MOS管MS栅极通过NMOS管M4d连接到地，从而使得采样MOS管MS断开，采样MOS管MS衬底通过NMOS管M7接地。

2)单相时钟SP为高电平时，第一级自举电路和辅助级自举电路均在采样模式下工作，NMOS管M2导通，使得NMOS管M2漏极接低电平，从而NMOS管M3c、NMOS管M4c、NMOS管M4d和NMOS管M7截止，PMOS管M4b栅极通过NMOS管M2连接到地，从而使得PMOS管M4b导通，抬高NMOS管M5、采样MOS管MS和NMOS管M6的栅压，由于NMOS管M5导通，使得电容C1下极板连接到输入信号Vin，即电容C1下极板电平为Vin，PMOS管M3b栅极通过NMOS管M2连接到地，从而PMOS管M3b导通，使电容C1和电容C2(电容C1和电容C2均在保持模式下已预充电至VDD)串联，采样MOS管MS的栅极电压置为Vin+2VDD，NMOS管M6导通，从而使得采样MOS管MS的衬底连接输入信号Vin，使采样管的栅极电位与衬底电位保持一致。

图3为本发明实施例栅压自举开关中的单相时钟信号、输入信号和输出信号的对比波形图。本实用新型采用单相时钟SP，在采样时通过第一级自举电路和辅助级自举电路将采样MOS管MS的栅极电压置为Vin+2VDD，从而使得采样MOS管MS的栅极-源极电压差在采样阶段恒定为2VDD，采样管的导通电阻进一步变小，使线性度提高，采样开关电路的精度也有所提高；基于提出的两级自举电路，采用NMOS管M6和NMOS管M7串联作为采样MOS管MS的衬底开关，当处于采样模式时，采样MOS管MS的栅极电位与衬底电位保持一致，减小采样MOS管MS的衬偏效应，降低谐波失真。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims (4)

1.应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路，其特征是，由输入反相器、第一级自举电路、辅助级自举电路、衬底开关和采样电路组成；输入反相器包括MOS管M1和MOS管M2；第一级自举电路包括MOS管M3a、MOS管M3b、MOS管M3c、MOS管M3d和电容C1；辅助级自举电路包括MOS管M4a、MOS管M4b、MOS管M4c、MOS管M4d、MOS管M5和电容C2；衬底开关包括MOS管M6和MOS管M7；采样电路包括采样MOS管MS；

MOS管M1的源极、MOS管M3a的源极和MOS管M4a的源极连接工作电压VDD；MOS管M2的源极、MOS管M3c的源极、MOS管M4c的源极、MOS管M4d的源极、MOS管M7的源极接地；MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极同时连接单相时钟SP；电容C1的上极板连接MOS管M3a的漏极和MOS管M3b的源极；电容C1下极板连接MOS管M3c漏极和MOS管M3d的源极；MOS管M3a的栅极、MOS管M3b的漏极和MOS管M3d的栅极连接；MOS管M3b的栅极、MOS管M3d的漏极和MOS管M3c的栅极连接MOS管M2的漏极；电容C2的上极板连接MOS管M4a的漏极和MOS管M4b的源极；电容C2的下极板和MOS管M4c的漏极连接MOS管M3d的栅极；MOS管M4a的栅极、MOS管M4b的漏极、MOS管M4d的漏极和MOS管M5的栅极连接；MOS管M4b的栅极连接MOS管M3b的栅极；MOS管M4c的栅极和MOS管M4d的栅极连接MOS管M3c的栅极；MOS管M5的源极连接MOS管M3d的源极；MOS管M5的漏极连接MOS管M6的漏极；MOS管M6的栅极连接MOS管M4b的漏极；MOS管M6的源极连接MOS管M7的漏极；MOS管M7的栅极连接MOS管M4d的栅极；采样MOS管MS的栅极连接MOS管M5的栅极，采样MOS管MS的源极和MOS管M6的漏极连接输入信号Vin，采样MOS管MS的漏极连接输出信号Vout，采样MOS管MS衬底连接到MOS管M7的漏极。

2.根据权利要求1所述的应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路，其特征是，采样电路还进一步包括采样电容CS；采样电容CS的上极板连接采样MOS管MS的漏极；采样电容CS的下极板接地。

3.根据权利要求1所述的应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路，其特征是，MOS管M1、MOS管M3a、MOS管M3b、MOS管M4a和MOS管M4b为PMOS管；MOS管M2、MOS管M3c、MOS管M3d、MOS管M4c、MOS管M4d、MOS管M5、MOS管M6和MOS管M7和采样MOS管MS为NMOS管。

4.根据权利要求1所述的应用于超低功耗模数转换器的栅压自举开关电路，其特征是，MOS管M3a的衬底与MOS管M3a的漏极相接；MOS管M4a的衬底与MOS管M4a的漏极相接；MOS管M3b的衬底与MOS管M3b的源极相接。

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