[发明专利]一种快速稳定的低失真开关自举驱动取样电路

说明书

技术领域

本发明涉及电子工程中的半导体工艺和电路设计技术，以及使用半导体工艺实现的混合信号电路系统。

背景技术

开关自举取样电路广泛应用于各种模数转换器如Pipeline AD，Delta-Sigma ADC以及其它的混合信号电路系统如滤波器和数模转换器等，用于在分立的时间点取样输入信号电压，然后进行分立信号处理过程。

如图1是NMOS和PMOS沟道电阻的特性。当晶体管门电压固定时，沟道电阻随输入信号电压的变化而变化，所以如果在取样电路中直接使用，会造成很大的电路失真。

为了克服沟道电阻随输入电压的变化，通常使用PMOS和NMOS并联（传输门）的方式。如图1所示，当由于NMOS沟道电阻随输入电压升高而降低，而PMOS沟道电阻随输入电压升高而增大，所以NMOS和PMOS并联所构成的传输门电路可以使得联合的沟道电阻值保持在比较恒定的水平。

传输门使用限制是：输入电压幅度必须在                                                  和   之间，否则输出电压不能跟上输入电压的幅值变化。这样对取样电路的工作范围有很大限制。

所以传统的采样电路使用单个NMOS，但加上自举电路控制的时钟来控制失真水平。如图2所示，NM4 是取样NMOS，它的门电压在时钟CK低时通过NM5 和NM6 释放电荷到地，所以保持低电压；当时钟电压变高，通过耦合电容使得NM4 的门电压也变高；但始终保持门电压和输入电压之差为常数电压值。从而实现恒定沟道电阻和低失真的取样电路。

但是传统自举取样电路有很多缺点。如图2所示，由于对耦合电容进行充电的晶体管不能完全截止，所以在时钟高时取样NMOS的门电压会发生衰减，从而对电路的传输区域的精度/失真造成负面影响。结果如图3 所示，左边是取样NMOS门电压和输入电压波形，门电压虽然随输入电压有所变化，但上下波动的幅度不一。而右边则是电路稳定所需时间。如节点S1需要0.5毫秒才能稳定下来。这是由于大的耦合电容及充放电电路的高阻值造成的。 

发明内容

一种快速稳定的低失真开关自举驱动取样电路，其特征在于：包括时钟控制开关以及正反向偏置二极管，所述时钟控制开关和正反向偏置二极管形成充放电电路，所述充放电电路控制时钟的电压水平，使得开关控制信号随输入信号电压水平同步变换。从而减小电路的失真。

优选的，所述时钟控制开关和正反向偏置二极管形成充放电电路，所述充放电电路控制节点电压，所述电压在时钟低电平时为Vcc-Vthp，时钟高电平时为Vcc-Vthp+Vin。  这样使得取样NMOS的门电压始终比输入信号高Vcc-Vthp，来取得低失真取样电路的功能。

优选的，在时钟高电平时，所述二极管正向导通对耦合电容进行充电。所以电路能快速稳定。

优选的，在时钟低电平时，所述二极管反向截止，时钟控制的开关也截止。所以取样NMOS的门电压没法对电源充电（或漏电），所以门电压不会衰减，也有利于保持电路的低失真特性。

附图说明

   图1为NMOS和PMOS沟道电阻随输入电压的变化。

  图2为传统的自举取样电路。

   图3 为传统的自举取样电路的输入输出信号以及电路稳定时间波形。

  图4为本发明的自举取样电路结构。

  图5 为本发明自举取样电路的门控制电压随输入信号和时钟的变化波形。

图6 为本发明自举取样电路的输出电压波形以及电路稳定所需时间。

如下具体实施方式将结合附图进行说明。

具体实施方式

本发明使用了时钟开关PMOS和二极管连接的PMOS来克服传统电路中的漏电和充电缓慢的问题 。如图4 所示，PM0 由时钟控制开关，而PM4 实现二极管连接。这儿PM4 的门极不是直接和漏极相连，而是连到结点S1。因为当时钟低时，PM0 开通，电流通过正向连接的二极管PM4 对节点S1和电容充电直到电压Vcc - Vthp； 当时钟由低到高时，节点S1 的电压水平跳到Vcc-Vthp+Vin；即使比电源电压高由于PM4 成为一个反向偏置的二极管所以无电流流向电源。另外由于门电压变高也关断了PM0，这进一步帮助隔离了从S1向电源充电的通道。这样使得取样控制的门电压不会随意衰减。

节点S1 并不是直接连接到取样的门极，而是通过时钟控制的开关来导通。到时钟电压低时，门极直接连通到地；而时钟电压高时，门极则接通S1 节点。