一种不影响器件寿命的自举开关结构的制作方法

本实用新型为一种特殊的开关电路，在模数转换器中起着至关重要的作用，属于模拟电路设计领域。

背景技术：

模数转换器(analogtodigitalconverter，adc)是数字-模拟转换系统中不能缺少的一个组成结构，在广播站、雷达、潜艇设备、音频处理、视频处理、无(有)线通信、数据收集、医疗影像、数字设备、产业自动化等应用场景，模数转换器都具有普遍的应用。

模数转换器前端有一个采样保持电路，其可以等效为开关电容结构，作用是对输入信号进行采样，把输入模拟信号在时域上进行离散处理，并且保证处理完的离散信号要在幅度上连续；模数转换器的输入带宽越大，对这个开关引入非线性的要求越高；传统的自举开关(如图1所示)可以减小采样时引入的非线性，但是其开关管的栅压为电源+vin，使其栅衬电压大于电源电压造成器件寿命问题，如果不改变自举开关的结构，可以采用的方法和缺点如下：1.开关管使用高压器件，缺点是高压器件在低压域导通不好，引入额外的非线性误差；2.开关管使用深n阱器件并使其衬底与源端相接，缺点是在采样结束后会引起漏电，引入更大的误差。

本实用新型所涉及的自举开关结构可应用于一个模数转换器，在保证开关输出信号线性度的同时不影响开关管的寿命。

技术实现要素：

(1)实用新型目的

由于cmos开关的电阻会随输入信号的变化而变化，当应用于宽带信号输入的模数转换器前端采用cmos开关时，其动态性能会随输入信号频率增加而下降，也就是cmos开关引入了与输入信号频率正相关的非线性。使用传统的自举开关可以减小开关非线性，但是会引入常压器件的寿命问题。所以根据以上应用环境进行分析，发明了一种结构简单，在保证开关输入信号线性度的同时不影响低压器件寿命的自举开关结构。

(2)技术方案

如图2所示，自举电压产生电路由4个开关模块s1、s2、s3、s4和电容c1构成，其中其中s1、s3的一端接电容c1的上极板，s2、s4的一端接电容c1的下极板，s1另一端接电源，s2另一端接地，s3另一端接开关管栅极，s4另一端接输入信号端口(vin)；

带衬底选通电路的开关管，由开关管ndnw、开关模块s5和衬底选通电路组成，其中：开关管ndnw采用深n阱nmos管，其源漏端分别接采样输入信号端(vin)和开关输出端(vout)，其栅极接s3、s5的一端，s5的另一端接地，用来控制开关管截止；衬底选通电路由2个开关模块s6、s7构成，s6、s7的一端接开关管衬底，s6的另一端接地，s7的另一端接输入信号端口(vin)。

此自举开关受一个两相非交叠时钟控制，这里定义它们有效相位为φ1和φ2，其工作原理如下：

φ1有效：如图3所示，此阶段为保持相，开关s1,s2导通，开关s3,s4截止，电容c1两端压差被充电到电源电压；开关s5导通，ndnw栅极接地，开关截止；开关s6导通，开关s7截止，此时开关管ndnw衬底接地，防止衬底漏电到vin端；

φ2有效：如图4所示，此阶段为采样相，开关s1,s2,s5截止，开关s3,s4导通，由电荷守恒定律可知c1两端的压差就是电源电压，也就是开关管ndnw的栅源电压为电源电压且保持不变；开关s7导通，开关s6截止，开关管的源衬电压为相同电平，所以：1.开关管任意两端电压差不超过电源，不会影响开关管寿命；2.开关管阈值电压恒定，导通电阻变化进一步减小。

附图说明

图1传统自举开关结构

图2本实用新型自举开关结构

图3、自举开关的保持相工作状态

图4、自举开关的采样相工作状态

具体实施方式

首先，把图1是传统自举开关结构，把其改为图2结构，然后把图2中的理想开关s1、s2、s3、s4、s5、s6和s7换为实际的mos开关，开关s1～s7的尺寸及开关管类型的选择上注意既要保证开关可以正常导通，还要求截止时的漏电尽量小，因为在采样相时电容c1的一端为悬空状态，漏电会影响采样；最后引入两相非交叠的时钟分别控制开关s1～s7，使其的工作状态分别为图3和图4所示的保持相和采样相。

注意在电容c1取值的选择上也要考虑一定的折中：c1太小时，由于开关管ndnw栅寄生电容的存在，开关管的栅源电压远达不到电源电压，会导致开关导通不好；c1太大时，开关启动时间变长；可以选择c1等于10倍的开关管栅寄生电容。

综上，本实用新型通过以上技术方案，实现了对传统自举开关的改进，使传统自举开关中的开关管任意两端口压差不超过电源电压，从而增加常压开关管的寿命，同时本电路结构简单，可移植，实用性强。

技术特征：

1.一种不影响器件寿命的自举开关结构，其特征在于，该自举开关由带衬底选通电路的开关管、自举电压产生电路两部分组成，其中：

自举电压产生电路由4个开关模块s1、s2、s3、s4和电容c1构成，其中s1、s3的一端接电容c1的上极板，s2、s4的一端接电容c1的下极板，s1另一端接电源，s2另一端接地，s3另一端接开关管栅极，s4另一端接输入信号端口vin；

带衬底选通电路的开关管，由开关管ndnw、开关模块s5和衬底选通电路组成，其中：开关管ndnw采用深n阱nmos管，其源漏端分别接采样输入信号端vin和开关输出端vout，其栅极接s3、s5的一端，s5的另一端接地，用来控制开关管截止；衬底选通电路由2个开关模块s6、s7构成，s6、s7的一端接开关管ndnw的衬底，s6的另一端接地，s7的另一端接输入信号端口vin。

2.根据权利要求1所述的自举开关结构，其特征在于，所述的开关管ndnw是衬底带开关逻辑的深n阱nmos管，采样相时，开关s7导通，开关s6截止，开关管ndnw的源衬电压为相同电平，保持相时，开关s6导通，开关s7截止，此时开关管ndnw衬底接地。

技术总结
本实用新型涉及一种不影响器件寿命的自举开关结构，可以应用于模拟信号采样电路前端。在高速模数转换器中，由于对采样信号线性度的要求，需要一个导通电阻恒定的自举开关电路，传统的自举开关结构会使开关管的栅衬电压达到二倍电源电压从而大幅减小器件寿命，直接使源衬相连会造成漏电影响信号采样，而使用高压器件又会影响采样信号的线性度。本自举开关由带衬底选通电路的开关管，自举电压产生电路两部分组成；本实用新型可以将自举开关中开关管的栅衬电压控制在电源电压内，在保证开关输出信号线性度的同时不影响开关管的寿命。

技术研发人员：张昱桐;樊星;陈艳
受保护的技术使用者：北京中电华大电子设计有限责任公司
技术研发日：2020.08.12
技术公布日：2021.03.23