基于電荷泵改進型CMOS模擬開關電路

　　當前VLSI技術不斷向深亞微米及納米級發展，模擬開關是模擬電路中的一個十分重要的原件，由于其較低的導通電阻，極佳的開關特性以及微小封裝的特性，受到人們的廣泛關注。模擬開關導通電阻的大小直接影響開關的性能，低導通電阻不僅可以降低信號損耗而且可以提高開關速度。要減小開關導通電阻，可以通過采用大寬長比的器件和提高柵源電壓的方法，可是調節器件的物理尺寸不可避免地會帶來一些不必要的寄生效應，比如增大器件的寬度會增加器件面積進而增加柵電容，脈沖控制信號會通過電容耦合到模擬開關的輸入和輸出，在每個開關周期其充放電過程中會消耗更多的電流，時間常數t=RC，充放電時間取決于負載電阻和電容，使得開關的速度變慢，同時增大寬長比也增加了器件的成本。當前減小導通電阻的普遍辦法是提高開關管的柵電壓。

　　1傳統模擬開關原理及柵增壓原理

　　圖1傳統模擬開關

　　在MOS技術中，傳統的開關實現就是一個PMOS管和一個NMOS管并聯，如圖1所示，A和B兩端分別為傳送信號的輸入、輸出端，兩個管子的柵極分別由極性相反的信號來控制。由于MOS管的源極和漏極可以互換，因此這個電路的輸入、輸出端也可以互換，它可以控制信息雙向流通，就像一個雙向開關。工作過程：當控制信號S=1時，PMOS管和NMOS管均導通，傳輸門接通，信號暢行無阻;當控制信號S=0時，PMOS管和NMOS管均截止，傳輸門關閉，開關斷開。當一管的導通電阻減小，則另一管的導通電阻就增加。由于兩管是并聯運行，可近似地認為開關的導通電阻近似為一常數。這是CMOS傳輸門的優點。

　　1.1模擬開關分析

　　CMOS開關的導通電阻為：

　　導通電阻將不隨輸入信號改變而改變，可等效為一個恒定阻值的電阻，如式(3)，不會引起模擬信號的失真，由于導通電阻是由兩個電阻并聯，所以阻值較單管開關小得多，使得開關速率又得到提高。從式(3)中可以知道MOS開關為了能提高速度和精度，需要抬高NMOS管的柵電壓。增加柵電壓最直接的辦法就是提高電路的電源低壓，但是從低電壓系統角度來說這增加了成本，因此需要加一個電源電路，最好的辦法是芯片內部產生一個電壓來增加柵電壓。

　　1.2柵增壓原理

　　柵增壓原理是依靠電荷泵的工作原理：先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。本文中所用的電容式電荷泵采用電容器來貯存能量，通過電容對電荷的積累，電容A端接時鐘信號Clk，當A點電位為0時，B點電位為Vdd;當A點電位為Vdd時，由于電容兩端的電壓不會突變，理想情況下，此時B點電位被抬升為2Vdd，因為電荷泵的有效開環輸出電阻存在，使得實際情況B點電位低于2Vdd.

　　圖2柵增壓基本電路