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，同时增大宽长比也增加了器件的成本。当前减小导通电阻的普遍办法是提高开关管的栅电压。

　　1传统模拟开关原理及栅增压原理

　　图1传统模拟开关

　　在MOS技术中，传统的开关实现就是一个PMOS管和一个NMOS管并联，如图1所示，A和B两端分别为传送信号的输入、输出端，两个管子的栅极分别由极性相反的信号来控制。由于MOS管的源极和漏极可以互换，因此这个电路的输入、输出端也可以互换，它可以控制信息双向流通，就像一个双向开关。工作过程：当控制信号S=1时，PMOS管和NMOS管均导通，传输门接通，信号畅行无阻;当控制信号S=0时，PMOS管和NMOS管均截止，传输门关闭，开关断开。当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管是并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS传输门的优点。

　　1.1模拟开关分析

　　CMOS开关的导通电阻为：

　　导通电阻将不随输入信号改变而改变，可等效为一个恒定阻值的电阻，如式(3)，不会引起模拟信号的失真，由于导通电阻是由两个电阻并联，所以阻值较单管开关小得多，使得开关速率又得到提高。从式(3)中可以知道MOS开关为了能提高速度和精度，需要抬高NMOS管的栅电压。增加栅电压最直接的办法就是提高电路的电源低压，但是从低电压系统角度来说这增加了成本，因此需要加一个电源电路，最好的办法是芯片内部产生一个电压来增加栅电压。

　　1.2栅增压原理

　　栅增压原理是依靠电荷泵的工作原理：先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。本文中所用的电容式电荷泵采用电容器来贮存能量，通过电容对电荷的积累，电容A端接时钟信号Clk，当A点电位为0时，B点电位为Vdd;当A点电位为Vdd时，由于电容两端的电压不会突变，理想情况下，此时B点电位被抬升为2Vdd，因为电荷泵的有效开环输出电阻存在，使得实际情况B点电位低于2Vdd.

　　图2栅增压基本电路