CN115149934A

CN115149934A - 一种栅压自举开关

Info

Publication number: CN115149934A
Application number: CN202110344695.5A
Authority: CN
Inventors: 陈力; 蔡小五; 赵发展; 赵野; 郝宁; 赵海涛; 闫薇薇
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-10-04

Abstract

本发明公开一种栅压自举开关，涉及集成电路技术领域，以解决解决现有技术中，栅压自举开关的导通速度较低的问题。所述栅压自举开关包括：MOS开关模块，第一开关模块用于在保持阶段向开关管导入低电平；储能模块通过第二开关模块与开关管的栅极电连接，储能模块包括第一储能单元和第二储能单元，第一储能单元和第二储能单元的第一端均与电源电压端电连接，第二端均与接地端电连接，在保持阶段，第二开关模块断开，第一储能单元与第二储能单元并联，第一储能单元与第二储能单元均充电至电源电压；在采样阶段，第一储能单元与第二储能单元串联，第二开关模块闭合，储能模块向开关管的栅极导入高电平，开关管导通。

Description

一种栅压自举开关

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种栅压自举开关。

背景技术

随着集成电路工艺技术的进步以及通信和多媒体市场的快速增长，数字信号处理技术也得到了迅猛发展并且广泛地应用于各个领域。数字信号具有抗干扰能力强、易于集成、功耗小、成本低等优势，因此越来越多的模拟信号处理逐渐被数字信号技术所取代。然而，自然界的光、热、声、电、磁等信号都是模拟量，为了使这些模拟信号能够被数字系统处理，需要将这些在时间上连续的模拟信号转换为离散的数字信号，而模数转换器(Analogto Digital Converter,ADC)就是实现该功能的模块。作为模拟世界与数字电路的接口，ADC对整个混合信号系统的性能至关重要。ADC中通过控制开关的闭合和关断从而实现ADC对输入信号的采样和保持，开关存在非理想因素，会引入非线性误差，影响采样电路的精度和速度，而采样电路采样精度的下降会直接影响ADC的精度，所以ADC设计过程中，要选择对采样电路精度影响比较小的采样开关，满足ADC系统设计要求。

在现有技术中，在高精度的ADC中采样开关一般使用栅压自举开关来实现，电路如图1所示。栅压自举开关的基本原理是使开关管的栅源电压保持不变，从而使导通电阻不变，一般情况下，开关管的栅极在采样阶段会导入输入端电压以及电源电压。此时栅压较低，开关管导通速度还不够快。

发明内容

本发明的目的在于提供一种栅压自举开关，用于解决现有技术中，栅压自举开关的导通速度较低的问题。

本发明提供一种栅压自举开关，包括：MOS开关模块，第一开关模块，储能模块以及第二开关模块；

第一开关模块的第一端与电源电压端电连接，第二端与接地端电连接，第三端与MOS开关模块中的开关管的栅极电连接，用于在保持阶段向开关管导入低电平；

储能模块通过第二开关模块与开关管的栅极电连接，开关管的源极与输入端电连接，开关管的漏极与输出端电连接；

储能模块包括第一储能单元和第二储能单元，第一储能单元和第二储能单元的第一端均与电源电压端电连接，第二端均与接地端电连接，在保持阶段，第二开关模块断开，第一储能单元与第二储能单元并联，第一储能单元与第二储能单元均充电至电源电压；

在采样阶段，第一储能单元与第二储能单元串联，第二开关模块闭合，储能模块向开关管的栅极导入高电平，开关管导通。

采用上述方案的情况下，在保持阶段，储能模块通过与电源电压端以及接地端电连接，第一储能单元以及第二储能单元分别进行充电，进而获得电源电压；同时，在保持阶段，MOS开关模块与第一开关模块电连接，并通过第一开关模块向开关管的栅极导入低电平，因此在保持阶段，开关管截止，栅压自举开关无输出。在采样阶段，第一储能单元以及第二储能单元串联，并通过第二开关模块向开关管的栅极导入高电平，开关管的栅极的电压提高，从而使得开关管的导通电阻降低，进而提高开关管的导通速度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术提供的一种栅压自举开关的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种栅压自举开关的结构示意图。

附图标记：

000-MOS开关模块，100-第一开关模块，200-第二开关模块，300-第三开关模块，400-第四开关模块，500-第五开关模块，600-储能模块。

具体实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

实施例一

为了便于描述，在本发明所有实施例中，附图中的M_n表示第nMOS管，例如，第一MOS管为M₁，第二MOS管为M₂。本发明各实施例中的开关管为M_k。时钟信号为CLK，电源电压为V_DD。

图1示例出现有技术提供的一种栅压自举开关，如图1所示，其工作过程如下：

在保持阶段(时钟信号为高电平)，第六MOS管与第七MOS管导通，开关管管栅极接地，被关断。第三MOS管与第四MOS管导通，电容的上极板和下极板分别与电源电压端和接地端相连，电容Cs上的上下极板电压被充电到电源电压。

在采样阶段(时钟信号为低电平)，第五MOS管导通，第三MOS管与第四MOS管关断，电容Cs的上极板和下极板分别与开关管的栅极和源极相连，由于电荷守恒，开关管的栅源电压将保持在电源电压不变，与输入信号的大小无关，此时开关管栅极电压V_G＝Vin+V_DD。

此时其导通电阻R_ON如下：

其中，μ_n为载流子迁移率，C_ox为采样开关管的单位面积栅电容，

为采样开关管的宽长比，V_GS为采样开关管的栅源电压，V_TH0为采样开关管的导通阈值电压，V_SB为采样开关管的源衬电势差，γ为体效应系数,

k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度，q是电子电荷，N_sub是衬底掺杂浓度，n_i是本征自由载流子浓度。

因此固定的应用环境中，开关管的导通速度(及导通电阻)主要有栅源电压决定，目前开关管的栅压由电源电压决定，在电源电压较低时，现有的开关管导通速度较慢。

如图2所示，本发明实施例提供了一种栅压自举开关，包括：MOS开关模块000，第一开关模块100，储能模块600以及第二开关模块200。第一开关模块100的第一端与电源电压端电连接，第二端与接地端电连接，第三端与MOS开关模块000中的开关管的栅极电连接，用于在保持阶段向开关管导入低电平。储能模块600通过第二开关模块200与开关管的栅极电连接，开关管的源极与输入端电连接，开关管的漏极与输出端电连接。储能模块600包括第一储能单元和第二储能单元，第一储能单元和第二储能单元的第一端均与电源电压端电连接，第二端均与接地端电连接，在保持阶段，第二开关模块200断开，第一储能单元与第二储能单元并联，第一储能单元与第二储能单元均充电至电源电压。在采样阶段，第一储能单元与第二储能单元串联，第二开关模块200闭合，储能模块600向开关管的栅极导入高电平，开关管导通。

如图2所示，在保持阶段，储能模块600通过与电源电压端以及接地端电连接，第一储能单元以及第二储能单元分别进行充电，进而获得电源电压；同时，在保持阶段，MOS开关模块000与第一开关模块100电连接，并通过第一开关模块100向开关管的栅极导入低电平，因此在保持阶段，开关管截止，栅压自举开关无输出。在采样阶段，第一储能单元以及第二储能单元串联，并通过第二开关模块200向开关管的栅极导入高电平，开关管的栅极的电压提高，此时V_G＝Vin+2V_DD。从而使得开关管的导通电阻降低，进而提高开关管的导通速度。

如图2所示，在实际应用中，储能模块600还包括第四开关模块400，第四开关模块400包括第六MOS管，第六MOS管串接在第一储能单元与第二储能单元之间。第一储能单元为第一电容C1，第二储能单元为第二电容C2，储能模块600还包括：第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管以及第十MOS管；第七MOS管的栅极和第九MOS管的栅极电连接，第八MOS管的栅极和第十MOS管的栅极电连接。第一电容C1的上电极通过第七MOS管与电源电压端电连接，第一电容C1的下电极通过第八MOS管与接地端电连接；第二电容C2的上电极通过第九MOS管与电源电压端电连接，第二电容C2的下电极通过第十MOS管与接地端电连接。第六MOS管的源极电连接在第一电容C1的上电极与第七MOS管之间，第六MOS管的漏极电连接在第二电容C2的下电极与第十MOS管之间，第六MOS管的栅极连接于第七MOS管的栅极和第九MOS管的栅极之间。第六MOS管在采样阶段时导通，将第一储能单元与第二储能单元串联，因此储能模块600的输出电压能实现提高。

如图2所示，在保持阶段，时钟信号为高电平，第八MOS管以及第十MOS管导通，第一开关模块100向开关管导入低电平，节点B上的电压为低电平，此时第六MOS管截止，第七MOS管以及第九MOS管导通，第一电容C1与第二电容C2的上下电极分别与电源电压端以及接地端连接，进行充电。

如图2所示，在采样阶段，时钟信号为低电平，第七MOS管以及第九MOS管截止，第二开关模块200闭合，储能模块600向开关管的栅极导入高电平。也就是说节点B上的电压高电平，第八MOS管以及第十MOS管截止，第六MOS管导通，第一电容C1与第二电容C2串联，并通过节点B向开关管的栅极导入高电平。

如图2所示，第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管以及第十MOS管在保持阶段导通，在采样阶段截止，使得在采样阶段，第一电容C1与第二电容C2串联。最终使得本栅压自举开关在采样的时候，将开关管栅极电压提升至(图1电路中为一个电源电压)，开关管的栅源电压差提升了一倍(由一个V_DD变成了两个V_DD),从而减小了导通电阻，提升了导通速度。在实际测试中，将原有导通速度中1ns提升至0.93ns，整体提升5～8％。

如图2所示，在一种可能的实现方式中，第二开关模块200包括串接在储能模块600的输出端与开关管的栅极之间的第五MOS管。在保持阶段，第五MOS管截止，储能模块600不向开关管导入电压，在采样阶段，第五MOS管导通，储能模块600向开关管导入电压高电平。

如图2所示，在实际应用中，第二开关模块200还包括反相器，反相器的输出端与第五MOS管的栅极电连接。当保持阶段时，时钟信号为高电平，反相器输入一个低电平，输出一个高电平。

如图2所示，第五MOS管用于连通储能模块600的输出端与开关管的栅极，第五MOS管可以通过独立的时钟信号进行控制，也可以通过反相器进行控制，减少始终信号的接口设置，提供电路的集成度。

实施例二

在图1所示的栅压自举开关中，其第八MOS管的栅极与开关管的栅极电连接，第八MOS管增加了开关管栅极的负载电容。

如图2所示，本发明实施例提供的栅压自举开关，其MOS开关模块000还可以包括第一MOS管，第一MOS管的漏极通过第一节点FP与开关管的栅极电连接，输入端与第一节点FP电连接；栅压自举开关还包括第三开关模块300，第三开关模块300的第一端通过储能模块600与电源电压端电连接，第二端接地，第三端与第一MOS管的栅极电连接，第三开关模块300用于向第一MOS管的栅极导入高电平或低电平，以实现在保持阶段，第一MOS管截止，在采样阶段，第一MOS管导通。第一开关模块100还可以用于在采样阶段向开关管导入高电平。

例如，如图2所示，第三开关模块300可以包括源极漏极依次串联的第十三MOS管、第十四MOS管以及第十五MOS管。第十三MOS管的栅极与反相器的输出端CP连接，漏极通过第五MOS管与开关管的栅极连接。第十四MOS的栅极与电源电压端电连接，保持导通状态。第十五MOS管的源极接地，栅极与时钟信号电连接。第一MOS管的栅极与第十四MOS管的漏极电连接。

如图2所示，在保持阶段，第十五MOS管导通，同时反相器输出高电平，第十三MOS管截止，此时第一MOS管的栅极通过第十五MOS管以及第十四MOS管实现接地，第一MOS管截止。在采样阶段，反相器输出低电平，第十三MOS管导通，第十五MOS管截止。此时第一MOS管的栅极通过第十三MOS与储能模块600的输出端电连接并导入高电平，进而实现导通。

此时，如图2所示，第一MOS管的栅极与开关管的栅极并不直接电连接，第一MOS管的栅极进行了偏置，减小了开关管栅极的负载电容，在实际应用是可以减少了约50％，因此提供了本发明实施例提供的栅压自举开关的线性度和导通速度。

实施例三

在图1所示的栅压自举开关中，由于寄生电容的影响，开关管的栅源电压不能被维持在电源电压。节点A在保持阶段的电位为零电位，在电路进入采样阶段后，第七MOS管被关断，由于A点存在寄生电容，该点的寄生电容会通过第六MOS管从电容分走电荷。

如图2所示，本发明实施例提供的栅压自举开关，其第一开关模块100可以包括第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管，第二MOS管的漏极与开关管的栅极电连接，第二MOS管的源极分别与第三MOS管的漏极以及第四MOS管的漏极电连接，第三MOS管的源极与接地端电连接，第四MOS管的源极与电源电压端电连接。在保持阶段，第三MOS管的源极导入低电平，在采样阶段，第四MOS管的源极导入高电平。

如图2所示，在保持阶段，时钟信号为高电平，第三MOS管导通，第二MOS管导通，第四MOS管截止，第一开关模块100向开关管的栅极导入低电平(接地)。在采样阶段，第三MOS管截止，第二MOS管导通，第四MOS管导通，第一开关模块100向开关管的栅极导入电源电压。也就是说第一开关模块100向节点B导入的电压为电源电压

因此，如图2所示，在采样阶段，第四MOS管的源极导入高电平(即电源电压)，先将节点B的电压提升至电源电压，此时，在储能模块600向开关管的栅极输出前，开关管的栅极先提升中一个电源电压，随后通过储能模块600的输出提升至两个电源电压，减少A点寄生电容的影响。

实施例四

在图1所示的栅压自举开关中，在采样时开关管存在体效应(源极电压和衬底电压不一样)，这会引入由源衬电势差带来的非线性问题。

如图2所示，本发明实施例提供的栅压自举开关，其MOS开关模块000还包括第五开关模块500，第五开关模块500与开关管的衬底以及源极电连接，在保持阶段，用于向开关管的衬底导入低电位；在采样阶段，用于向开关管的衬底导入MOS开关模块000的输入端的电压。

如图2所示，在实际应用中，第五开关模块500包括第十一MOS管以及第十二MOS管，第十一MOS管的漏极以及第十二MOS管的漏极均与开关管的衬底电连接，第十一MOS管的源极与接地端电连接，第十二MOS管的源极与开关管的漏极电连接。在保持阶段，时钟信号为高电平，第十一MOS管导通，通过第十一MOS管的源极向开关管的衬底导入低电位(接地)；在采样阶段，时钟信号为低电平，第十一MOS管截止，通过第十二MOS管的源极向开关管的衬底导入输入端的电压。此时，使得开关管在导通状态时(即采样阶段)开关管源级电压和衬底电压都为输入信号电压Vin，消除了开关管源衬电势差相关的非线性。

如图2所示的栅压自举开关，每一个MOS管其实可以有一个独立的时钟信号进行控制，本发明各实施例提供的栅压自举开关，尽量减少时钟信号或者电源电压的接口，利用各MOS的输出(源/漏极)作为MOS管栅极输入，提供集成度。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种栅压自举开关，其特征在于，包括：MOS开关模块，第一开关模块，储能模块以及第二开关模块；

所述第一开关模块的第一端与电源电压端电连接，第二端与接地端电连接，第三端与所述MOS开关模块中的开关管的栅极电连接，用于在保持阶段向所述开关管导入低电平；

所述储能模块通过所述第二开关模块与所述开关管的栅极电连接，所述开关管的源极与输入端电连接，所述开关管的漏极与输出端电连接；

所述储能模块包括第一储能单元和第二储能单元，所述第一储能单元和所述第二储能单元的第一端均与所述电源电压端电连接，第二端均与所述接地端电连接，在保持阶段，所述第二开关模块断开，所述第一储能单元与所述第二储能单元并联，所述第一储能单元与所述第二储能单元均充电至电源电压；

在采样阶段，所述第一储能单元与所述第二储能单元串联，所述第二开关模块闭合，所述储能模块向所述开关管的栅极导入高电平，所述开关管导通。

2.根据权利要求1所述的栅压自举开关，其特征在于，所述MOS开关模块还包括第一MOS管和第一节点，所述第一MOS管的漏极通过所述第一节点与所述开关管的栅极电连接，所述输入端与所述第一节点电连接；

所述栅压自举开关还包括第三开关模块，所述第三开关模块的第一端通过所述储能模块与所述电源电压端电连接，第二端接地，第三端与所述第一MOS管的栅极电连接，所述第三开关模块用于向所述第一MOS管的栅极导入高电平或低电平，以实现在保持阶段，所述第一MOS管截止，在采样阶段，所述第一MOS管导通。

3.根据权利要求1所述的栅压自举开关，其特征在于，所述第一开关模块还用于在采样阶段向所述开关管导入高电平。

4.根据权利要求3所述的栅压自举开关，其特征在于，所述第一开关模块包括第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管，所述第二MOS管的漏极与所述开关管的栅极电连接，所述第二MOS管的源极分别与所述第三MOS管的漏极以及所述第四MOS管的漏极电连接，所述第三MOS管的源极与接地端电连接，所述第四MOS管的源极与电源电压端电连接；

在保持阶段，所述第三MOS管的源极导入低电平，在采样阶段，所述第四MOS管的源极导入高电平。

5.根据权利要求1所述的栅压自举开关，其特征在于，所述第二开关模块包括串接在所述储能模块的输出端与所述开关管的栅极之间的第五MOS管。

6.根据权利要求5所述的栅压自举开关，其特征在于，所述第二开关模块还包括反相器，所述反相器的输出端与所述第五MOS管的栅极电连接。

7.根据权利要求1所述的栅压自举开关，其特征在于，所述储能模块还包括第四开关模块，所述第四开关模块包括第六MOS管，所述第六MOS管串接在所述第一储能单元与所述第二储能单元之间。

8.根据权利要求7所述的栅压自举开关，其特征在于，所述第一储能单元包括第一电容，所述第二储能单元包括第二电容，所述储能模块还包括：第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管以及第十MOS管；所述第七MOS管的栅极和所述第九MOS管的栅极电连接，所述第八MOS管的栅极和所述第十MOS管的栅极电连接；

所述第一电容的上电极通过所述第七MOS管与所述电源电压端电连接，所述第一电容的下电极通过所述第八MOS管与所述接地端电连接；所述第二电容的上电极通过所述第九MOS管与所述电源电压端电连接，所述第二电容的下电极通过所述第十MOS管与所述接地端电连接；

所述第六MOS管的源极电连接在所述第一电容的上电极与所述第七MOS管之间，所述第六MOS管的漏极电连接在所述第二电容的下电极与所述第十MOS管之间，所述第六MOS管的栅极连接于所述第七MOS管的栅极和第九MOS管的栅极之间。

9.根据权利要求1所述的栅压自举开关，其特征在于，所述MOS开关模块还包括第五开关模块，所述第五开关模块与所述开关管的衬底以及源极电连接，在保持阶段，用于向所述开关管的衬底导入低电位；在采样阶段，用于向所述开关管的衬底导入所述MOS开关模块的输入端的电压。

10.根据权利要求9所述的栅压自举开关，其特征在于，所述第五开关模块包括第十一MOS管以及第十二MOS管，所述第十一MOS管的漏极以及所述第十二MOS管的漏极均与所述开关管的衬底电连接，所述第十一MOS管的源极与所述接地端电连接，所述第十二MOS管的源极与所述开关管的漏极电连接；

在保持阶段，通过所述第十一MOS管的源极向所述开关管的衬底导入低电位；在采样阶段，通过所述第十二MOS管的源极向所述开关管的衬底导入所述输入端的电压。