[发明专利]一种自举开关电路

说明书

技术领域

本发明涉及集成电子电路设计，尤其具体涉及到一种低功耗、大信号输入范围的自举开关电路设计。

背景技术

高集成化的电源管理应用通常要求具备大信号输入范围的电压量的能力，这根本上是由于在仍然保持对超过电源电压的环境进行采样和数据测量的同时，通过在尽可能最低的电源电压运行电源管理集成电路来达到最大化效率的基本要求。

在现今高度集成的电源管理应用中，低功耗逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)通常用于监控片上和片外电压量。这种需求经常要扩展偏上ADC的范围以使采样大于电源电压的输入。ADC必须在尽可能最低的电池电压下运行而同时仍然保持能够对超过电源范围的输入进行采样的能力。

自举开关电路相对于传统的CMOS/NMOS开关电路而言具有更高的线性度，允许输入信号范围更广，甚至可以超过电源电压，因此被广泛的应用于采样保持电路和DC-DC转换电路。

在CMOS工艺中，处于线性区的NMOS非常适合作为开关，但由于源/漏端的信号不断变化而引起输出阻抗呈现非线性，这将严重影响到采样保持电路的精度，为了保证输出阻抗的线性度，需要保持固定的栅源电压V_GS，有效的解决方法是在NMOS管需要导通的时候在其栅源间加入一个电容，而当需要关断的时候取下该电容，并将栅上的电荷放掉以避免之前的信号影响到接下来要采样的信号。其中电源可以用电容实现，当电路处于保持阶段时对其充电，最终其两端的电压可以达到电源电压；一旦进入采样阶段，该电容被接到栅源两端，保证固定的V_GS，但需要解决如何通过开关连接电源和充电电容。

具体的实现形式有以下几种：一、如图1所示，是Abo等人提出的电荷泵式自举开关结构，该电路采用电荷泵提供两倍电源电压以打开NMOS开关为电容充电，但电荷泵需要在电路设计中额外增加两个电容，占用了一定的芯片面积。二、如图2所示，是Dessouky等人提出的自举开关电路，该电路用PMOS管MCP作为预充电开关，巧妙地让其栅端与主开关晶体管MSW的栅端连接，这样当晶体管MSW导通的时候晶体管MCP截止，避免了使用电荷泵。但其启动电路中晶体管MSH为PMOS管，当信号电平超过电源电平的时候，Vstart电平将会接近两倍的电源电压VDD，这将打开晶体管MSH漏端到N阱的寄生二极管，使主开关晶体管MSW栅压被限制，增加了功耗并影响电路的可靠性。

发明内容

鉴于上述现有技术中两种典型自举开关形式存在的缺陷，本发明的目的是提出一种自举开关电路，采用较小的芯片面积以支持更高的输入信号范围并保持更快的响应速度。

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：

一种自举开关电路，其特征在于包括：自举开关(MSW)，耦联在输入节点与输出节点之间；第一晶体管(MTP)，其具有耦联到所述自举开关的控制节点的第一端；第一电容器(CBAT)，其具有耦联到所述第一晶体管的第二端的第一端；第二晶体管(MSL1)，其耦联在所述第一晶体管控制节点与电源节点之间，且具有耦联到第一时钟信号节点的控制节点；第三晶体管(MSL2)，其耦联在所述第一晶体管控制节点与电源节点之间；启动电路(MSH)，其具有耦联到第一晶体管控制节点的第二端；电荷泵(C1、C2、MC1、MC2)，其具有耦联到电平移位器的第一输出，以及电平移位器，其具有与所述启动电路控制节点相耦联的第二输出。

进一步地，所述电路还包括第四晶体管(MCP)和第五晶体管(MCN)，其中所述第四晶体管耦联在电源节点与第一晶体管第二端之间，所述第五晶体管耦联在第一电容器第二端与接地之间，并且具有耦联到第二时钟信号节点的控制节点。

进一步地，所述电路还包括第六晶体管(MRN)，其耦联在所述自举开关控制节点与接地之间，且所述第六晶体管(MRN)与自举开关控制节点之间串联设有高阀值管(MR1)。

进一步地，所述电路还包括第七晶体管(MSP)及第八晶体管(MSN)，其中所述第七晶体管耦联在所述启动电路控制节点及电荷泵之间；所述第八晶体管耦联在所述启动电路控制节点与接地之间，并且所述第七、第八晶体管均具有耦联到第一时钟信号节点的控制节点。

更进一步地，所述述第七晶体管(MSP)与第八晶体管(MSN)之间串联设有高阀值管(MR2)。

进一步地，前述的一种自举开关电路，其中该第七晶体管(MSP)、第四晶体管(MCP)及第一晶体管(MTP为PMOS晶体管，并且该些之外的晶体管、高阀值管以及电荷泵的晶体管均为NMOS晶体管。

进一步地，前述的一种自举开关电路，其中该电荷泵包括