专利名称：互补金属氧化物半导体开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)开 关。
背景技术：
在集成电路中，通过开关的闭合与断开控制信号的传递是互补金属氧化物半导体 (CMOS,Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件工作的主要方式之一。目前，以 CMOS开关为基础构成的开关电容(SC， Switched-C即acitor)电路广泛用于数据采集系统 中的信号滤波、模拟信号处理以及高频信号处理等方面，如放大器、振荡器、平衡调制器、模 拟乘法器、峰值检波器、整流器、数模(D/A)及模数(A/D)转换器、视频信号的模拟延时，以 及调幅(AM)/调频(FM)通信系统中的部分电路。由此可见，CMOS开关在数据采集系统中 起着至关重要的作用，是CMOS工艺系统正常工作的基本保证。 典型的三种CMOS开关的电路结构如图1A、图1B和图1C所示，其中，图IA为单P 型管开关(P switch)的电路结构，图1B为单N型管开关(N switch)的电路结构，图IC为 对管的传输门形式的普通开关(normal switch)的电路结构。图1A所示的单P型管开关、 图1B所示的单N型管开关、图1C所示的普通开关的测试波形图如图2所示，其中，正弦曲 线波形为输入信号，锯齿状波形为输出信号，当开关闭合时，输出信号随着输入信号的变化 而变化，当开关断开时，输出信号不随输入信号的变化而变化。下面分别对这三种CMOS开 关的工作性能进行简要描述 由图2可以看出，当输入信号的电平较低时，输出信号不能随着输入信号的变化 而变化。如果当输入信号的电平为某值，开关闭合时，输出信号不能完全跟随输入信号的变 化，而输入信号的电平为其他值时，输出信号能够完全跟随输入信号的变化，则输出信号不 能完全跟随输入信号变化的现象称为死区。因此，图1A所示的单P型管开关工作性能不够 好，在输入信号的电平较低时，信号传递出现死区。 由图2还可以看出，图1B所示的单N型管开关工作性能同样不够好，信号传递也 出现死区。 由图2还可以看出，由于图1C所示的普通开关中包括一P型管和一N型管，因此， 虽然输出信号基本上能跟随输入信号的变化，但信号传递仍然出现死区，如图2中圆圈部 分所示。 为了避免这种信号传递过程中出现的死区，可以采用图1D所示的单热阱开关 (Active P switch)的电路结构，所述单热阱开关包括一热阱P型管和一N型管，所谓热阱P 型管是指P型管的N阱与该P型管的源极连接，而不是像图1A和图1C中所示的那样，P型 管的N阱与电源电压(VDD)连接。图2还示出了图1D所示的单热阱开关的测试波形图。由 图2可以看出，对于单热阱开关，输出信号能够完全跟随输入信号的变化，而不存在死区。
图3是针对信号传递出现死区时刻瞬间，上述普通开关和单热阱开关的采样时刻 波形比较图。由图3可以看出，普通开关在信号传递出现死区时，输出信号发生了严重失真，而单热阱开关的输出信号能够完全跟随输入信号的变化，很好的解决了信号传递出现 死区的问题，这是因为在单热阱开关中，P型管的N阱与该P型管的源极连接，从而降低了N 阱的电压，并且N阱参与了信号传递。 图4A示出了上述普通开关的P型管剖面图，图4B示出了上述单热阱开关的P型 管剖面图，图5A示出了上述普通开关的P型管原理图，图5B示出了上述单热阱开关的P型 管原理图。 可见，单热阱开关很好的解决了信号传递出现死区的问题，但是，在不带级联反馈 系统的电路结构中，如图6A所示，其中，开关pl和p2为单热阱开关。当开关pl闭合，开关 p2断开时，XP点(开关pl的输出信号点)能够完全跟随输入信号的变化；并且，当开关p2 闭合，开关Pl断开时，XP点(开关p2的输出信号点)也能够完全跟随VCM信号(VCM信号 为系统的直流共模电平，通常其电压值低于电源电压的一半)。但是在带有级联反馈系统的 电路结构中，如图6B所示，其中，反馈的部分由XP点经开关p2的控制而接入电路形成反馈 回路，当开关pl和p2为单热阱开关，在pl断开、p2闭合时，由于图5B中所示的PN结二极 管的P极接高电平反馈(VREFP)，则该PN结二极管正向导通，因此严重影响了开关断开时的 隔离性，从而不能很好的保持反馈信号点的电平，产生偏移效应，而导致信号严重失真，其 输出波形图如图7A所示。由图7A可以看出，在单热阱开关pl闭合、p2断开时，输出信号 能够完全跟随输入信号的变化，但在单热阱开关pl断开、p2闭合时，受级联反馈系统的影 响，严重偏离高电平反馈(VREFP)，从而造成了信号的严重失真。
发明内容
本发明实施例提供一种CMOS开关，用于在带有级联反馈系统的电路结构中，在开
关断开时，很好的保持反馈信号点的电平，从而降低信号失真。 —种互补金属氧化物半导体开关，包括 第一热阱P型管，所述第一热阱P型管的N阱与源极连接； 第二热阱P型管，所述第二热阱P型管的N阱与源极连接，且所述第二热阱P型管 的漏极与所述第一热阱P型管的漏极连接；以及 N型管，所述N型管的源极与所述第一热阱P型管的源极连接，且所述N型管的漏 极与所述第二热阱P型管的源极连接。 与单热阱开关相比，本发明实施例提供的CMOS开关增加了一个热阱P型管，在该 CMOS开关断开时，由于引入了与电压降方向形成反向的PN结二极管，在该PN结二极管的 N极接高电平时，该PN结二极管反向截止，从而提高了开关断开时的隔离性，因此在带有级 联反馈系统的电路结构中，在开关断开时，能够很好的保持反馈信号点的电平，并降低信号失真。
图1A为现有技术中单P型管开关的电路结构，其中，CK—N为时钟信号输入端，输 入时钟信号为脉冲方波，IN_0UT为输入信号或输出信号，0UT_IN为输出信号或输入信号；
图1B为现有技术中单N型管开关的电路结构，其中，CK—P为时钟信号输入端，输 入时钟信号为脉冲方波，但是与图1A中的CK_N反相，GND为接地端低电平；
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图1C为现有技术中对管的传输门形式的普通开关的电路结构；
图ID为现有技术中单热阱开关的电路结构； 图IE为本发明实施例中的CMOS开关的电路结构，其中，M为两个热阱P型管之间 的连接线； 图2为现有技术中单P型管开关、单N型管开关、普通开关和单热阱开关的测试波 形图； 图3为现有技术中针对信号传递出现死区时刻瞬间，普通开关和单热阱开关的采 样时刻波形比较图； 图4A为现有技术中普通开关的P型管剖面图，其中，N WELL为N型注入的N阱， 國为P型注入，國为N阱接触； 图4B为现有技术中单热阱开关的P型管剖面图；
图4C为本发明实施例中的CMOS开关的P型管剖面图； 图5A为现有技术中普通开关的P型管原理图，其中，^(h为等效的PN结二极管；
图5B为现有技术中单热阱开关的P型管原理图；
图5C为本发明实施例中的CMOS开关的P型管原理图； 图6A为现有技术中不带级联反馈系统的电路结构，其中，VCM为系统的直流共模 信号，通常其电压值低于电源电压的一半； 图6B为现有技术中带有级联反馈系统的电路结构，其中，VREFN为低电平反馈；
图7A为现有技术中单热阱开关在带有级联反馈系统的电路结构中的输出波形 图； 图7B为本发明实施例中的CM0S开关在带有级联反馈系统的电路结构中的输出波 形图； 图8为本发明实施例中控制CMOS开关的时钟信号的示意图，其中，CK—P1和CK_N1 为控制开关pl的互为反相的时钟信号，CK_P2和CK_N2为控制开关p2的互为反相的时钟 信号，且控制开关pl的时钟信号与控制开关p2的时钟信号是反相非交叠的时钟信号。
具体实施例方式
针对现有单热阱开关存在的在带有级联反馈系统的电路结构中，在开关断开时， 不能很好的保持反馈信号点的电平，从而导致信号严重失真的问题，本发明实施例提供了 一种CMOS开关，包括两个热阱P型管，其中，每个P型管的N阱与该P型管的源极连接，而 不与电源电压(VDD)连接，且两个P型管的漏极互相连接，在该CMOS开关(也可称为双热 阱开关)断开时，由于引入了与电压降方向形成反向的PN结二极管，在该PN结二极管的N 极接高电平时，该PN结二极管反向截止，从而提高了开关断开时的隔离性，因此在带有级 联反馈系统的电路结构中，在开关断开时，能够很好的保持反馈信号点的电平，并降低信号 失真。 下面结合说明书附图对本发明实施例的具体实施方式
进行详细描述。 图1E示出了本发明实施例提供的CM0S开关的电路结构，图4C示出了本发明实施
例提供的CMOS开关的P型管剖面图，图5C示出了本发明实施例提供的CMOS开关的P型管
5原理图。 由图1E可以看出，与图1D所示的单热阱开关相比，本发明实施例提供的CM0S开 关包括两个热阱P型管第一热阱P型管和第二热阱P型管，其中，每个P型管的N阱与该 P型管的源极连接，而不与VDD连接，且第一热阱P型管的漏极与第二热阱P型管的漏极连 接；以及一个N型管，该N型管的源极与第一热阱P型管的源极连接，该N型管的漏极与第 二热阱P型管的源极连接。由图5C可以看出，本发明实施例提供的CM0S开关引入了与电压 降方向形成反向的PN结二极管，在该PN结二极管的N极接高电平时，该PN结二极管反向 截止，从而提高了开关断开时的隔离性。因此在带有级联反馈系统的电路结构(如图6B所 示)中，当开关pl和p2为本发明实施例提供的CM0S开关，在开关pl断开、开关p2闭合时， 能够很好的保持反馈信号点的电平，并降低信号失真，进而提高系统的信噪比，同时使系统 指标具有很好的稳定性。在图6B所示的带有级联反馈系统的电路结构中，若开关pi和p2 为本发明实施例提供的CMOS开关，其输出波形图如图7B所示。由图7B可以看出，本发明 实施例提供的CMOS开关pl闭合、p2断开时，输出信号能够完全跟随输入信号的变化，而且 在开关pl断开、p2闭合时，不受级联反馈系统的影响，很好的保持了高电平反馈(VREFP)， 从而避免了信号失真。 下面以图6B所示的带有级联反馈系统的电路结构中的开关pl和p2为本发明实 施例提供的双热阱开关为例，对这种双热阱开关的工作原理进行进一步描述。
如图8所示，为控制开关pl和p2的时钟信号的示意图。由于控制开关pl的时钟 信号与控制开关p2的时钟信号为反相非交叠的时钟信号，因此保证了开关pl闭合时，开关 p2断开，而开关pl断开时，开关p2闭合，从而完成对信号的采样和保持。当开关pl中的 两个热阱P型管的栅极所接的CK—N1为低电平，一个N型管的栅极所接的CK—P1为高电平 时，开关pl闭合，这时，开关p2中的两个热阱P型管的栅极所接的CK_N2为高电平， 一个N 型管的栅极所接的CK_P2为低电平，因此，开关p2断开，此刻为采样时刻，输入信号IP、 IN 被采样在上下两个电容Cs上；当开关pl中的两个热阱P型管的栅极所接的CK—N1为高电 平，一个N型管的栅极所接的CK_P1为低电平时，开关pl断开，这时，开关p2中的两个热阱 P型管的栅极所接的CK_N2为低电平， 一个N型管的栅极所接的CK_P2为高电平，因此，开关 P2闭合，此刻为运算时刻，反馈信号VREFP、VREFN进入系统参与运算。在运算时刻，对于输 入信号IP分支上的开关Pl中的两个热阱P型管来说，如图5C所示，当左侧为输入端，右侧 为输出端时，图5C中右侧的PN结二极管的N极接高电平VREFP，从而该PN结二极管反向截 止，因此保证了开关pl断开时的隔离性；当右侧为输入端，左侧为输出端时，图5C中左侧的 PN结二极管的N极接高电平VREFP，从而该PN结二极管反向截止，因此保证了开关pl断开 时的隔离性。可见，无论左侧为输出端还是右侧为输出端，都可以保证开关pl断开时的隔 离性，从而不受级联反馈系统的影响，很好的保持了高电平反馈VREFP，避免了信号失真，进 而提高系统的信噪比，并使系统指标具有很好的稳定性。 本发明实施例提供的CMOS开关不仅可以连接在模拟电路中，也可以连接在数字 电路中。 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种互补金属氧化物半导体开关，其特征在于，包括第一热阱P型管，所述第一热阱P型管的N阱与源极连接；第二热阱P型管，所述第二热阱P型管的N阱与源极连接，且所述第二热阱P型管的漏极与所述第一热阱P型管的漏极连接；以及N型管，所述N型管的源极与所述第一热阱P型管的源极连接，且所述N型管的漏极与所述第二热阱P型管的源极连接。
2. 如权利要求l所述的互补金属氧化物半导体开关，其特征在于，当所述第一热阱P型 管和第二热阱P型管的栅极接低电平，所述N型管的栅极接高电平时，所述互补金属氧化物 半导体开关闭合。
3. 如权利要求l所述的互补金属氧化物半导体开关，其特征在于，当所述第一热阱P型 管和第二热阱P型管的栅极接高电平，所述N型管的栅极接低电平时，所述互补金属氧化物 半导体开关断开。
4. 如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体开关，其特征在于，所述互补金属氧化 物半导体开关连接在模拟电路中。
5. 如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体开关，其特征在于，所述互补金属氧化 物半导体开关连接在数字电路中。
全文摘要
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种互补金属氧化物半导体开关，包括第一热阱P型管，所述第一热阱P型管的N阱与源极连接；第二热阱P型管，所述第二热阱P型管的N阱与源极连接，且所述第二热阱P型管的漏极与所述第一热阱P型管的漏极连接；以及N型管，所述N型管的源极与所述第一热阱P型管的源极连接，且所述N型管的漏极与所述第二热阱P型管的源极连接。在该CMOS开关断开时，由于引入了与电压降方向形成反向的PN结二极管，在该PN结二极管的N极接高电平时，该PN结二极管反向截止，从而提高了开关断开时的隔离性。因此在带有级联反馈系统的电路结构中，在开关断开时，能够很好的保持反馈信号点的电平，降低信号失真。
文档编号H03K17/687GK101783667SQ200910077150
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者仲顺安, 王兴华, 赵显利, 陈越洋 申请人:北京理工大学