專利名稱：一種自舉開關(guān)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電子電路設(shè)計(jì)，尤其具體涉及到一種低功耗、大信號(hào)輸入范圍的 自舉開關(guān)電路設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
高集成化的電源管理應(yīng)用通常要求具備大信號(hào)輸入范圍的電壓量的能力，這根本 上是由于在仍然保持對(duì)超過(guò)電源電壓的環(huán)境進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)測(cè)量的同時(shí)，通過(guò)在盡可能最 低的電源電壓運(yùn)行電源管理集成電路來(lái)達(dá)到最大化效率的基本要求。在現(xiàn)今高度集成的電源管理應(yīng)用中，低功耗逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)通常用于監(jiān)控片上和片外電壓量。這種需求經(jīng)常要擴(kuò)展偏上ADC的范圍以使采樣大 于電源電壓的輸入。ADC必須在盡可能最低的電池電壓下運(yùn)行而同時(shí)仍然保持能夠?qū)Τ^(guò) 電源范圍的輸入進(jìn)行采樣的能力。自舉開關(guān)電路相對(duì)于傳統(tǒng)的CM0S/NM0S開關(guān)電路而言具有更高的線性度，允許輸 入信號(hào)范圍更廣，甚至可以超過(guò)電源電壓，因此被廣泛的應(yīng)用于采樣保持電路和DC-DC轉(zhuǎn) 換電路。在CMOS工藝中，處于線性區(qū)的NMOS非常適合作為開關(guān)，但由于源/漏端的信號(hào)不 斷變化而引起輸出阻抗呈現(xiàn)非線性，這將嚴(yán)重影響到采樣保持電路的精度，為了保證輸出 阻抗的線性度，需要保持固定的柵源電壓Ves，有效的解決方法是在NMOS管需要導(dǎo)通的時(shí)候 在其柵源間加入一個(gè)電容，而當(dāng)需要關(guān)斷的時(shí)候取下該電容，并將柵上的電荷放掉以避免 之前的信號(hào)影響到接下來(lái)要采樣的信號(hào)。其中電源可以用電容實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電路處于保持階段 時(shí)對(duì)其充電，最終其兩端的電壓可以達(dá)到電源電壓；一旦進(jìn)入采樣階段，該電容被接到柵源 兩端，保證固定的Ves，但需要解決如何通過(guò)開關(guān)連接電源和充電電容。具體的實(shí)現(xiàn)形式有以下幾種一、如圖1所示，是Abo等人提出的電荷泵式自舉開 關(guān)結(jié)構(gòu)，該電路采用電荷泵提供兩倍電源電壓以打開NMOS開關(guān)為電容充電，但電荷泵需要 在電路設(shè)計(jì)中額外增加兩個(gè)電容，占用了一定的芯片面積。二、如圖2所示，是Dessouky等 人提出的自舉開關(guān)電路，該電路用PMOS管MCP作為預(yù)充電開關(guān)，巧妙地讓其柵端與主開關(guān) 晶體管MSW的柵端連接，這樣當(dāng)晶體管MSW導(dǎo)通的時(shí)候晶體管MCP截止，避免了使用電荷 泵。但其啟動(dòng)電路中晶體管MSH為PMOS管，當(dāng)信號(hào)電平超過(guò)電源電平的時(shí)候，Vstart電平 將會(huì)接近兩倍的電源電壓VDD，這將打開晶體管MSH漏端到N阱的寄生二極管，使主開關(guān)晶 體管MSW柵壓被限制，增加了功耗并影響電路的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中兩種典型自舉開關(guān)形式存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一 種自舉開關(guān)電路，采用較小的芯片面積以支持更高的輸入信號(hào)范圍并保持更快的響應(yīng)速度。本發(fā)明的目的，將通過(guò)以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)
一種自舉開關(guān)電路，其特征在于包括自舉開關(guān)(MSW)，耦聯(lián)在輸入節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié) 點(diǎn)之間；第一晶體管(MTP)，其具有耦聯(lián)到所述自舉開關(guān)的控制節(jié)點(diǎn)的第一端；第一電容器 (CBAT)，其具有耦聯(lián)到所述第一晶體管的第二端的第一端；第二晶體管(MSLl)，其耦聯(lián)在 所述第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)之間，且具有耦聯(lián)到第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)； 第三晶體管(MSL2)，其耦聯(lián)在所述第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)之間；啟動(dòng)電路(MSH)， 其具有耦聯(lián)到第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)的第二端；電荷泵(Cl、C2、MCU MC2)，其具有耦聯(lián)到電 平移位器的第一輸出，以及電平移位器，其具有與所述啟動(dòng)電路控制節(jié)點(diǎn)相耦聯(lián)的第二輸 出ο進(jìn)一步地，所述電路還包括第四晶體管(MCP)和第五晶體管(MCN)，其中所述第四 晶體管耦聯(lián)在電源節(jié)點(diǎn)與第一晶體管第二端之間，所述第五晶體管耦聯(lián)在第一電容器第二 端與接地之間，并且具有耦聯(lián)到第二時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步地，所述電路還包括第六晶體管(MRN)，其耦聯(lián)在所述自舉開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)與 接地之間，且所述第六晶體管(MRN)與自舉開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)設(shè)有高閥值管(MR1)。進(jìn)一步地，所述電路還包括第七晶體管(MSP)及第八晶體管(MSN)，其中所述第七 晶體管耦聯(lián)在所述啟動(dòng)電路控制節(jié)點(diǎn)及電荷泵之間；所述第八晶體管耦聯(lián)在所述啟動(dòng)電路 控制節(jié)點(diǎn)與接地之間，并且所述第七、第八晶體管均具有耦聯(lián)到第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)的控制 節(jié)點(diǎn)。更進(jìn)一步地，所述述第七晶體管(MSP)與第八晶體管(MSN)之間串聯(lián)設(shè)有高閥值 管(MR2)。進(jìn)一步地，前述的一種自舉開關(guān)電路，其中該第七晶體管(MSP)、第四晶體管 (MCP)及第一晶體管(MTP為PMOS晶體管，并且該些之外的晶體管、高閥值管以及電荷泵的 晶體管均為NMOS晶體管。進(jìn)一步地，前述的一種自舉開關(guān)電路，其中該電荷泵包括耦聯(lián)到所述電源節(jié)點(diǎn)的第一電荷泵晶體管(MCl)；以及第二電荷泵晶體管(MC2)，其耦聯(lián)到所述電源節(jié)點(diǎn)，并與所述第一電荷泵晶體管交 叉耦合；第一電荷泵電容器(Cl)，其耦聯(lián)在所述第一電荷泵晶體管和所述第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié) 點(diǎn)之間；以及第二電荷泵電容器(C2)，其耦聯(lián)在所述第二電荷泵晶體管和所述第二時(shí)鐘信號(hào)節(jié) 點(diǎn)之間。本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)自舉開關(guān)電路改良形成的技術(shù)方案，其突出效果為該自舉開關(guān)電路利用電荷泵生成兩倍電源電壓，用以打開啟動(dòng)電路，能切實(shí)實(shí)現(xiàn) 采用較小的芯片面積支持更大的輸入信號(hào)范圍并保持更快的響應(yīng)速度。以下便結(jié)合實(shí)施例附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳述，以使本發(fā)明 技術(shù)方案更易于理解、掌握。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)Abo等人提出電荷泵式自舉開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)Dessouky等人提出的自舉開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明提出的一種自舉開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明自舉開關(guān)電路的仿真結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式從本發(fā)明目的出發(fā)，提出了一種自舉開關(guān)電路，能夠采用較小的芯片面積及功率 消耗，以支持芯片具有更高的輸入信號(hào)范圍并保持更快的響應(yīng)速度。自舉開關(guān)電路能夠?qū)?低功率SAR ADC范圍擴(kuò)展到超過(guò)電源電壓，使其具有更大的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)具有最小化的功 率損耗，這在日漸大規(guī)模集成化的電路電源管理中舉足輕重。現(xiàn)有技術(shù)為解決開關(guān)連接電 源和充電電容等問題，片面地設(shè)計(jì)了諸多解決方案，但始終無(wú)法兼顧芯片尺寸及功耗的最 優(yōu)設(shè)計(jì)。由于沒有消耗靜態(tài)功率，并且沒有受到輸入電壓大于電源電壓時(shí)導(dǎo)通的寄生體二 極管的影響，因此，本發(fā)明提供的這種自舉開關(guān)電路，具有最小化的功耗設(shè)計(jì)。如圖3所示，是本發(fā)明提出的一種自舉開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖上可以清楚 地看到該自舉開關(guān)電路的連接結(jié)構(gòu)，其包括輸入節(jié)點(diǎn)IN、輸出節(jié)點(diǎn)OUT，以及耦聯(lián)在輸入、 輸出節(jié)點(diǎn)之間的自舉開關(guān)MSW。此外，更重要而必不可少的是該自舉開關(guān)電路還包括(一)、第一晶體管(MTP)，其具有耦聯(lián)到所述自舉開關(guān)的控制節(jié)點(diǎn)的第一端； 和第一電容器(CBAT)，其具有耦聯(lián)到所述第一晶體管的第二端的第一端；和第二晶體管 (MSLl)，其耦聯(lián)在所述第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)之間，且具有耦聯(lián)到第一時(shí)鐘信號(hào) 節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)；和第三晶體管(MSL2)，其耦聯(lián)在所述第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)之 間；( 二)、啟動(dòng)電路(MSH)，其具有耦聯(lián)到第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)的第二端，且其驅(qū)動(dòng)端 通過(guò)電平移位器連接到一電荷泵電路。以電荷泵電路的拉拔電位控制采樣階段時(shí)開關(guān)電路 的啟動(dòng)。(三)、電荷泵(Cl、C2、MCl、MC2)，包括耦聯(lián)到所述電源節(jié)點(diǎn)的第一電荷泵晶體管 (MCl)；以及第二電荷泵晶體管(MC2)，其耦聯(lián)到所述電源節(jié)點(diǎn)，并與所述第一電荷泵晶體 管交叉耦合；第一電荷泵電容器(Cl)，其耦聯(lián)在所述第一電荷泵晶體管和所述第一時(shí)鐘信 號(hào)節(jié)點(diǎn)之間；以及第二電荷泵電容器(C2)，其耦聯(lián)在所述第二電荷泵晶體管和所述第二時(shí) 鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)之間。(四)、第六晶體管(MRN)，其耦聯(lián)在所述自舉開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)與接地之間，并且該第 六晶體管(MRN)與自舉開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)設(shè)有高閥值管(MRl)。(五)、電平移位器，進(jìn)一步包括第七晶體管(MSP)及第八晶體管(MSN)，其中第七 晶體管耦聯(lián)在啟動(dòng)電路控制節(jié)點(diǎn)及電荷泵之間；第八晶體管耦聯(lián)在啟動(dòng)電路控制節(jié)點(diǎn)與接 地之間，并且第七、第八晶體管均具有耦聯(lián)到第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)。特別地，本實(shí) 施例中，該第七晶體管(MSP)與第八晶體管(MSN)之間串聯(lián)設(shè)有高閥值管(MR2)，在采樣階 段使輸入信號(hào)與CBAT連接，使CBAT加到MSW管的柵源之間。。上述自舉開關(guān)電路結(jié)構(gòu)中，該第七晶體管(MSP)、第四晶體管(MCP)及第一晶體管 (MTP)為PMOS晶體管，并且該些之外的晶體管、高閥值管以及電荷泵的晶體管均為NMOS晶體管。該第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)(Φ)除連接于第二晶體管(MSLl)的控制節(jié)點(diǎn)外，還分別于 電荷泵C2的負(fù)端及電平移位器的控制端相接；而與該第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)(Φ)存在一定時(shí)差的第二時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)(Φ)則分別連接到電荷泵Cl的負(fù)端及第五晶體管第二端之上。上述該種自舉開關(guān)電路于實(shí)際工作時(shí)，由于不同時(shí)鐘信號(hào)的參與，該自舉開關(guān)電 路工作分為采樣和保持兩個(gè)階段在采樣期間，MSW管的柵壓時(shí)鐘隨輸入變化，保證MSW 管柵源電壓始終恒定；而在保持期間，MSW管的柵壓被強(qiáng)拉到地，使其關(guān)斷，與此同時(shí)便對(duì) CBAT進(jìn)行充電。具體來(lái)看保持階段，MRN打開，對(duì)主開關(guān)MSH的柵極Vboot放電，同時(shí)將MCP，MCN打開，電源 對(duì)充電電容CBAT充電，而PMOS管MTP掌管著Vboot和CBAT之間的通路，為了將其在保持 階段關(guān)閉，引入電荷泵電路Cl、C2、MCl、MC2，產(chǎn)生兩倍電源電壓以打開MSP，將MTP的柵極 Vstart拉到電源電壓。采樣階段，MRN和MCN關(guān)斷，切斷了 CBAT對(duì)地通路，MSLl打開，將Vstart電位拉 低，使MTP弱導(dǎo)通，CBAT開始對(duì)Vboot充電，使MCP管關(guān)斷以截?cái)嗟诫娫吹耐?，同時(shí)令MSL2 管導(dǎo)通，MTP管進(jìn)入強(qiáng)導(dǎo)通狀態(tài)，Vboot被充電到源端電壓加上CBAT電壓。由于源端電壓可 能超過(guò)電源電壓，因此引入高閾值管MRl和MR2管，層疊在MRN和MSN管上以提高其在高電 壓的可靠性。結(jié)果如圖4所示，在采樣階段，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)疊加電源電壓，而保持 階段輸出信號(hào)被拉倒地。由此可見，本發(fā)明自舉開關(guān)電路在較小芯片占用面積的情況下，有 效實(shí)現(xiàn)了支持更大的輸入信號(hào)范圍并保持更快的響應(yīng)速度，其實(shí)用效果顯著。綜上通過(guò)實(shí)施例及其附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，旨在便于對(duì)本發(fā)明設(shè)計(jì)構(gòu)思的理 解，其不作為對(duì)本發(fā)明創(chuàng)新性實(shí)施方式的一種限制。故凡基于上述實(shí)施例所做的各種簡(jiǎn)單 電路修改或等效替換，所形成的技術(shù)方案，均應(yīng)該歸入本發(fā)明申請(qǐng)保護(hù)的范圍之中。
權(quán)利要求
一種自舉開關(guān)電路，其特征在于包括自舉開關(guān)(MSW)，耦聯(lián)在輸入節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)之間；第一晶體管(MTP)，其具有耦聯(lián)到所述自舉開關(guān)的控制節(jié)點(diǎn)的第一端；第一電容器(CBAT)，其具有耦聯(lián)到所述第一晶體管的第二端的第一端；第二晶體管(MSL1)，其耦聯(lián)在所述第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)之間，且具有耦聯(lián)到第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)；第三晶體管(MSL2)，其耦聯(lián)在所述第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)之間；啟動(dòng)電路(MSH)，其具有耦聯(lián)到第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)的第二端；電荷泵(C1、C2、MC1、MC2)，其具有耦聯(lián)到電平移位器的第一輸出，以及電平移位器，其具有與所述啟動(dòng)電路控制節(jié)點(diǎn)相耦聯(lián)的第二輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自舉開關(guān)電路，其特征在于所述電路還包括第四晶體 管(MCP)和第五晶體管(MCN)，其中所述第四晶體管耦聯(lián)在電源節(jié)點(diǎn)與第一晶體管第二端 之間，所述第五晶體管耦聯(lián)在第一電容器第二端與接地之間，并且具有耦聯(lián)到第二時(shí)鐘信 號(hào)節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自舉開關(guān)電路，其特征在于所述電路進(jìn)一步包括第六 晶體管(MRN)，其耦聯(lián)在所述自舉開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)與接地之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種自舉開關(guān)電路，其特征在于所述第六晶體管(MRN)與 自舉開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)設(shè)有高閥值管(MRl)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自舉開關(guān)電路，其特征在于所述電平移位器進(jìn)一步包 括第七晶體管(MSP)及第八晶體管(MSN)，其中所述第七晶體管耦聯(lián)在所述啟動(dòng)電路控制 節(jié)點(diǎn)及電荷泵之間；所述第八晶體管耦聯(lián)在所述啟動(dòng)電路控制節(jié)點(diǎn)與接地之間，并且所述 第七、第八晶體管均具有耦聯(lián)到第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種自舉開關(guān)電路，其特征在于所述第七晶體管(MSP)與 第八晶體管(MSN)之間串聯(lián)設(shè)有高閥值管(MR2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自舉開關(guān)電路，其特征在于所述第七晶體管(MSP)、第 四晶體管(MCP)及第一晶體管(MTP)為PMOS晶體管，并且該些之外的晶體管、高閥值管以 及電荷泵的晶體管均為NMOS晶體管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自舉開關(guān)電路，其特征在于所述電荷泵包括耦聯(lián)到所 述電源節(jié)點(diǎn)的第一電荷泵晶體管(MCl)；以及第二電荷泵晶體管(MC2)，其耦聯(lián)到所述電源節(jié)點(diǎn)，并與所述第一電荷泵晶體管交叉耦合；第一電荷泵電容器(Cl)，其耦聯(lián)在所述第一電荷泵晶體管和所述第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)之 間；以及第二電荷泵電容器(C2)，其耦聯(lián)在所述第二電荷泵晶體管和所述第二時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)之間。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種自舉開關(guān)電路，包括耦聯(lián)在輸入節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)之間的自舉開關(guān)、耦聯(lián)到自舉開關(guān)的控制節(jié)點(diǎn)的第一晶體管、耦聯(lián)到第一晶體管第一電容器、耦聯(lián)在第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)之間，且具有耦聯(lián)到第一時(shí)鐘信號(hào)節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)的第二晶體管、聯(lián)在所述第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)之間第三晶體管、具有耦聯(lián)到第一晶體管控制節(jié)點(diǎn)的第二端的啟動(dòng)電路、電荷泵以及具有與啟動(dòng)電路控制節(jié)點(diǎn)相耦聯(lián)的第二輸出的電平移位器。本發(fā)明一種自舉開關(guān)電路利用電荷泵生成兩倍電源電壓，用以打開啟動(dòng)電路，能切實(shí)實(shí)現(xiàn)采用較小的芯片面積支持更大的輸入信號(hào)范圍并保持更快的響應(yīng)速度。
文檔編號(hào)H02M3/07GK101944847SQ201010274690
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者何德軍, 劉揚(yáng), 周之栩, 應(yīng)峰, 牟陟 申請(qǐng)人:思瑞浦(蘇州)微電子有限公司