模拟技术中的基于电荷泵改进型CMOS模拟开关电路

当前VLSI 技术不断向深亚微米及纳米级发展，模拟开关是模拟电路中的一个十分重要的原件，由于其较低的导通电阻，极佳的开关特性以及微小封装的特性，受到人们的广泛关注。模拟开关导通电阻的大小直接影响开关的性能，低导通电阻不仅可以降低信号损耗而且可以提高开关速度。要减小开关导通电阻，可以通过采用大宽长比的器件和提高栅源电压的方法，可是调节器件的物理尺寸不可避免地会带来一些不必要的寄生效应，比如增大器件的宽度会增加器件面积进而增加栅电容，脉冲控制信号会通过电容耦合到模拟开关的输入和输出，在每个开关周期其充放电过程中会消耗更多的电流，时间常数t=RC, 充放电时间取决于负载电阻和电容，使得开关的速度变慢 在模拟电子技术中，模拟开关是一种关键元件，尤其在当今的深亚微米及纳米级VLSI（超大规模集成电路）技术中，它扮演着至关重要的角色。模拟开关以其低导通电阻、优异的开关特性以及紧凑的封装尺寸，成为众多应用领域的首选。导通电阻的大小对模拟开关的性能影响显著，低导通电阻能够减少信号损失，提高开关速度。为了降低导通电阻，通常采取增大器件宽长比和提升栅源电压的策略。然而，这样的改进会引入寄生效应，例如增加栅电容，导致脉冲控制信号耦合到开关的输入和输出，造成开关速度下降，因为充放电时间受负载电阻和电容的影响。 在传统的CMOS模拟开关设计中，开关由一对MOS管组成，通过控制信号使它们导通或截止，实现信息的双向传输。开关的导通电阻与MOS管的迁移率、栅氧化层电容、栅电压以及阈值电压等因素有关。为了提高开关速度和精度，需要提高NMOS管的栅电压，但直接提高电源电压会增加成本。因此，常常采用电荷泵电路来内部生成所需电压，电荷泵通过储存和控制释放电荷来提升电压，其有效开环输出电阻决定了实际提升的电压。 针对上述问题，一种改进型的模拟开关电路设计引入了栅增压原理，利用电荷泵来提升栅电压，以减小导通电阻而不增加电源电压。具体设计中，M3和M4构成传输门，确保信号无损传输；M1和M2配合时钟信号CLK，分别用于维持电容电压或允许电容充电。当开关开启时，电容通过M2充电至两倍电源电压，从而提供更高的栅电压；当开关关闭时，M1导通以保持电容电压。 这种改进型模拟开关电路有效地解决了传统方法中的问题，既降低了导通电阻，又避免了外部电源电压的增加，提高了开关性能，并减小了寄生效应的影响。通过精细的电路设计和优化，模拟开关的性能得以进一步提升，适应了现代电子设备对高速、低功耗的需求。