[发明专利]应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关

说明书

技术领域

本发明是关于一种应用于采样保持电路的重要模块，具体涉及采用自举(bootstrapped)和多充放电通路技术适用于高速度、高线性度模数转换器的模拟开关。

技术背景

在现代混合信号集成电路中，模数转换器是不可缺少的组成部分，其转换精度和速度对整个系统的性能起着决定性作用。在采样保持电路中使用的模拟开关则决定了模数转换器的动态范围和采样率。

图1给出了一个由CMOS开关和电容组成的简单采样保持电路。传统的CMOS开关由于导通电阻大和随着输入信号大小变化的缺点很难用于高线性度的模数转换器中(如图2所示的绿色曲线)。增大MOS管的尺寸可以减小这些非理想因素，但是会对时钟缓冲器提出更高的要求，相应的需要更大的功耗。此外在低电压设计中，当电源电压小于NMOS管和PMOS管阈值电压之和时，传统CMOS开关会出现导通电阻特别大的一段区域。

为了解决传统CMOS开关遇到的问题，如图3所示，一种自举式开关(见参考文献A.M.Abo and P.R.Gray，“A 1.5-V 10-bit 14.3-MS/s CMOS PipelineAnalog-to-Digital Converter，”IEEE J.Solid-State Circuits，vol.34，pp.599-606，May 1999.)通过时钟升压器(clock booster)，在起开关作用的MOS管的栅极和输入端产生相对恒定并且接近电源电压的压差，可以获得较小并且不随输入信号大小变化的导通电阻。在模数转换器中广泛使用的下极板采样技术需要关断时间(turn-off time)尽量短的开关，于此同时为了进一步提高采样率在电路设计中不断压缩采样的时间，因而也对开启时间(turn-on time)提出了更高的要求。这种自举式开关就存在关断时间和开启时间较长的缺点，并且由于保证可靠性而使用的高压NMOS管(如图3中的M11和M12)进一步限制了开关切换的速度。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，在目前普遍采用的做法基础上，缩短开关关断和开启时间的需求，本发明在不增加设计复杂度和芯片面积的前提下，使用多充放电通路技术提高开关切换速度，并且不再需要使用高压NMOS管。

本发明是采用以下技术手段实现的：

本发明一种应用于高速度高线性度模数转换器的自举式采样开关，包括：时钟升压器、栅源电压跟随器、导通开关和充放电增强电路，时钟升压器产生两倍的电源电压，对电容充电；栅源电压跟随器在导通开关闭合时将电容连接在其栅源极之间，保持在不同电压输入下相对恒定的栅源电压差；充放电增强电路增加在开关切换时的充电或放电回路，其中：

前述时钟升压器包含一个反相器I1、两个NMOS管M1和M2、两个电容C1和C2，其中：反相时钟信号连接到前述电容C1的下极板，经过反相器I1连接到前述电容C2的下极板；M1和M2的漏极连接到电源，其栅极连接到彼此的源极，并且分别连接C1和C2的上极板。

前述栅极电压跟随器包含五个NMOS管M3、M4、M6、M8和M9、两个PMOS管M5和M7、一个电容C3，其中：M3的栅极与前述时钟升压器中M2的栅极连接，漏极连接电源，源极连接电容C3的上极板，NMOS管M4的栅极由反相时钟信号控制，源极连接到地，漏极连接电容C3的下极板；PMOS管M7的源极和漏极分别连接电容C3的上极板和前述NMOS管M9的栅极，M9的漏极和源极分别连接电容C3的下极板和输入端；NMOS管M6的栅极由正相时钟信号控制，漏极连接PMOS管M7的栅极，源极连接电容C3的下极板；M8的栅极和M9的栅极相连，漏极连接PMOS管M7的栅极，源极连接前述电容C3的下极板；PMOS管M5的栅极由正相时钟信号控制，源极连接电源，漏极连接PMOS管M7的栅极。

导通开关包含一个NMOS管M10，其源极和漏极分别连接到输入端和输出端，栅极与前述栅极电压跟随器中NMOS管M9的栅极相连。

充放电增强电路包含两个NMOS管M13和M14，其中：M13的栅极由正相时钟信号控制，漏极连接电源，源极连接PMOS管M7的漏极；M14的栅极由反相时钟信号控制，漏极连接NMOS管M9的栅极，源极连接M9的漏极。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：