[发明专利]一种高速高线性度的栅压自举开关电路

说明书

一种高速高线性度的栅压自举开关电路，属于模拟电路技术领域。本发明利用第四PMOS管、第八NMOS管和第七NMOS管产生的GN节点信号来对第四NMOS管的栅极进行控制，另外使用同样的信号即GN节点信号对采样开关管的衬底进行控制，使得在采样时采样开关管的衬底电位与栅极电位保持一致，提高了电路的速度；通过减小与采样开关管栅端相连的管子数目，使得采样开关管栅端的寄生电容减小，同时减小了MOS管的二级效应中的体效应，保证了采样开关管的线性度，最终提高了采样开关电路的精度。

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种高速高线性度的栅压自举开关电路，能够用于采样保持电路。

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。

传统的栅压自举开关电路结构如图1所示，由采样开关SW和栅压自举电路构成，其中栅压自举开关包括电容CB，采样开关管SW，PMOS管MP1、MP2、MP3和NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6，负载电容CS由栅压自举开关电路的输出连接的电路提供，第一时钟信号CLK和第二时钟信号CLKB是一对互为反相的时钟信号。

传统的栅压自举开关电路的工作原理为：

(1)当电路处于采样阶段时，第一时钟信号CLK为高电平，MN3导通，MP2栅极接地，从而MP2导通，抬高MN2、SW的栅压，MP1和MN1截止，MN4导通，采样开关管SW闭合，由于CB中存储的总电荷不变，CB接到SW的栅级和源极之间，SW的栅级抬高至VDD+Vin，SW的栅源电压是VDD，VDD为电源电压，Vin为输入电压。

(2)当电路处于保持阶段时，第一时钟信号CLK为低电平，MP1、MP3和MN1导通，MP2栅极接VDD，MP2截止，MN4截止，采样开关管SW断开，通过MP1和MN1给电容CB充电至VDD，电容CB中存储了CB*VDD的电量。电容CB和采样开关管SW分离，SW的源极和栅极分别通过MN1、MN5和MN6接地，从而对SW的源极和栅极进行放电。

采样开关管SW的导通电阻为：

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，W/L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。

通过使用栅压自举开关电路，减小了采样开关管栅源电压V_GS变化引起的非线性失真，但是其忽略了由体效应引起的采样开关管导通阈值电压V_TH0的变化带来的非线性问题，同时在高速ADC中的应用也存在不小的挑战。这是因为传统的栅压自举开关由于采样开关管SW的栅端连接多个MOS管，因此有较大的寄生电容，导致SW的栅极电压与理想值相比有所降低，同时还会影响电路的整体速度；并且开关管SW的体效应会影响电路的线性度。

发明内容