一种低压电容型SARADC开关的制作方法

一种低压电容型sar adc开关
技术领域
1.本实用新型涉及cmos集成电路设计领域，具体涉及一种低压电容型sar adc开关。


背景技术：

2.电容型sar adc是一种逐次逼近型模数转换器，主要利用电荷重分配原理对输入信号进行量化处理。典型n位sar adc电路如图1所示，n组电容阵列公共端接到比较器输入，通过采样开关接到vin，电容阵列的另一端分别通过3个开关分别接到vdd，vss，vcm，vdd为电源电压，vss为地电压；vcm通常为比较器的输出控制sar logic电路，sar logic电路输出控制信号分别对电容阵列上的开关进行开启或者关断，从而产生电容电荷重分配过程，完成对输入vin的量化处理。随着工艺特征尺寸的降低，sar adc向着高速高精度以及低压供电的趋势发展，传统的cmos开关已经无法满足设计的需求。如图2，举例第s
n
‑1组开关，他们分别接到是vdd，vss，vcm，由于开关的非理想特性，开关存在导通电阻，高速应用需要有更短的建立时间，当开关导通时的电阻为ron，输入大小为vxin的阶跃信号(图2中vxin中可表示vdd，vss，vcm)，tset为节点vx建立时间，则：
3.vx＝vxin*(1
‑
e
‑
tset/(ron*c)
)
ꢀꢀ
(1)
4.adc速度越快，tset要求越小，sar adc精度越高，vx在tset时间内就必须越接近vxin，即希望开关导通的ron电阻越小越好。
5.传统的mos开关，通常为栅压控制电路，开关导通电阻为：
[0006][0007]
其中un、cox、w、l为常数，由于cmos开关管的寄生电容与l，w成正比，寄生电容过大，寄生电容将会参与电容电荷的从分配过程，所以w/l不能无限大，所以，当w/l固定时，开关导通电阻决定于vgs
‑
vth。如图2所示，连接vdd的开关为pmos管mp1，连接vss的开关为nmos管mn1，连接vcm的开关为nmos管mn2，这3个开关导通时，mn2的导通电阻最大，因为mn2的vgs为：
[0008][0009]
在低压应用中，当接近vth时，开关不能完全导通，即开关导通电阻ron变得很大，从而制约了sar adc的性能。


技术实现要素：

[0010]
发明目的：为了解决现有技术中sar adc开关在低压高速环境中导通电阻过大的问题，本实用新型提供一种低压电容型sar adc开关。
[0011]
技术方案：一种低压电容型sar adc开关，包括mos管、电平转换单元及电压选择单元，电压选择单元包括第一开关及第二开关，mos管的衬底与第一开关一端及第二开关一端连接，第一开关另一端连接最低电压，第二开关另一端连接第一参考电压；第一开关及第二
开关分别由第一控制信号和第二控制信号控制；电平转换单元的输入端连接第二控制信号，输出端连接mos管栅极；mos管输入端连接第一参考电压，mos管输出端输出信号。
[0012]
进一步地，设所述第一参考电压为vcm，vcm＝(vdd
‑
vss)/2，其中，vdd为电源电压，vss为最低电压。
[0013]
进一步地，所述最低电压为地电压。
[0014]
进一步地，mos管的输入端为源极，输出端为漏极；或者mos管的输入端为漏极，输出端为源极。
[0015]
进一步地，所述第一控制信号与第二控制信号互为相反。
[0016]
进一步地，还包括正压产生电路，所述正压产生电路连接电平转换单元的供电端口，正压产生电路用于产生大于电源电压的正电压。
[0017]
一种低压电容型sar adc，包括上述的多个低压电容型sar adc开关、多个电容、比较器及sar逻辑单元，各电容的第一端连接比较器输入端，电容的另一端分别经过三个低压电容型sar adc开关连接电源电压、最低电压、第一参考电压，比较器的输入端连接输入信号，比较器的输出端连接sar逻辑单元的输入端，sar逻辑单元输出adc的输出信号，sar逻辑单元还用于产生互为相反的第一控制信号及第二控制信号。
[0018]
有益效果：本实用新型提供一种低压电容型sar adc开关，相比较现有技术，当vcm选通时，开关的导通电阻较小，非常适用于低压高速高精度环境下的sar adc，不会影响sar adc开关的关断性能，可以保证sar adc性能稳定可靠。
附图说明
[0019]
图1为传统sar adc的电路示意图；
[0020]
图2为切换开关等效示意图；
[0021]
图3为本实施例中低压电容型sar adc开关；
[0022]
图4为电平转换单元的原理图；
[0023]
图5为本实施例中正压产生电路的原理图。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
[0025]
一种低压电容型sar adc开关，如图3所示，包括mos管、电平转换单元及电压选择单元，电压选择单元包括第一开关s1及第二开关s2，mos管的衬底与第一开关s1、第二开关s2的公共端连接，第一开关s1另一端连接最低电压vss，第二开关s2另一端连接第一参考电压vcm；第一开关s1及第二开关s2分别由第一控制信号ck1和第二控制信号ck2控制；电平转换单元的输入端连接第二控制信号ck2，输出端连接mos管栅极；mos管输入端连接第一参考电压vcm，mos管输出端输出信号vx。
[0026]
设所述第一参考电压为vcm，vcm＝(vdd
‑
vss)/2，其中，vdd为电源电压，vss为最低电压。所述最低电压vss为地电压。
[0027]
本实施例以nmos管为例，nmos管的输入端为源极，输出端为漏极；也可以将mos管的漏极作为输入端，源极作为输出端，根据需要选择。
[0028]
所述第一控制信号ck1与第二控制信号ck2互为相反，保证第一开关与第二开关不
同时导通。
[0029]
还包括正压产生电路，如图4所示，所述正压产生电路连接电平转换单元的供电端口，使得电平转换单元在输入ck2为高电平时，输出信号clk_out为比电源电压高的电压vpost。
[0030]
一种低压电容型sar adc，包括上述多个低压电容型sar adc开关、多个电容、比较器及sar逻辑单元，各电容的第一端连接比较器输入端，电容的另一端分别经过三个低压电容型sar adc开关连接电源电压vdd、最低电压vss、第一参考电压vcm，比较器的输入端连接输入信号，比较器的输出端连接sar逻辑单元的输入端，sar逻辑单元输出adc的输出信号adc output，sar逻辑单元还用于产生互为相反的第一控制信号ck1及第二控制信号ck2，用作第一开关s1与第二开关s3的控制及电平转换单元的输入。
[0031]
如图3，当开关关断时，第二控制信号ck2为低电平，第一控制信号ck1为高电平，此时第一开关s1处于闭合状态，第二开关s2处于断开状态，地电压vss连接到nmos的衬底端，同时第二控制信号ck2通过电平转换单元输出为低，nmos开关被关断。
[0032]
当开关导通时，第二控制信号ck2为高电平，第一控制信号ck1为低电平，此时第一开关s1为断开状态，第二开关s2处于闭合状态，vcm电压连接到nmos管的衬底端，设导通电压阈值为vth，由于vth是衬偏电压vbs的函数，且vth的值与vbs成反比，vcm＞vss，相比传统衬底接vss的nmos开关而言，vth得到了减小；同时第二控制信号ck2通过电平转换单元输出为高，电平转换单元供电为正电压产生电路，正电压产生电路如图5所示，可以产生vpos的正电压，因此，电平转换单元输出电压为vpos，
[0033]
vpos＝vcm+vdd
‑
vss
ꢀꢀ
(4)
[0034]
此时vgs＝vpos
‑
vcm＝vdd
ꢀꢀ
(5)
[0035]
传统的nmos开关栅端连接vdd时的vgs’＝vdd
‑
vcm
ꢀꢀ
(6)。
[0036]
由(5)(6)可知，相比传统开关，vgs得到了增加。
[0037]
由公式(2)可知，本实施例中开关导通时减小了vth，增加了vgs，有效地降低了开关导通时的电阻，克服了sar adc在低压高速高精度应用中，导通开关电阻过大的缺点。